WO2016202533A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des füllstandes eines in einem behälter befindlichen füllgutes - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des füllstandes eines in einem behälter befindlichen füllgutes Download PDF

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WO2016202533A1
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signal pulse
modulation
unit
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Christian Seiler
Jörg Füglistaller
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Endress and Hauser SE and Co KG
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    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/285—Receivers

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the filling level of a filling material located in a container by measuring the transit time of microwave signals, as well as a device suitable for carrying out the method.
  • field devices are often used which serve to detect and / or influence process variables.
  • sensors are used, for example, in level gauges, flowmeters, pressure and pressure gauges
  • Temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity meters, etc. are integrated, which record the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature, pH, redox potential or conductivity.
  • Actuators such as valves or valves, are used to influence process variables
  • field devices are all devices that are used close to the process and that supply or process process-relevant information.
  • field devices therefore also include remote I / Os, radio adapters or generally electronic ones
  • Understood components that are arranged at the field level are manufactured and sold by the company Endress + Hauser.
  • Non-contact measuring methods have been established for measuring the filling level, since they are robust and require little maintenance. Another advantage is the ability to measure steplessly.
  • radar-based measuring methods which are based on the transit time principle, have prevailed here.
  • these measuring methods also known as pulse radar, short microwave pulses are periodically applied at a predetermined repetition rate, e.g. in the order of 1 to 2 MHz with natural frequencies in the gigahertz range in the direction of the medium.
  • pulse radar-based level measuring devices such as the FMR20 series, this is done with a repetition frequency of approx. 7 MHz. Their in the direction of sending and
  • Receiving device back reflected signal components are then received after a dependent of the distance covered in the container travel time.
  • an auxiliary signal is derived on the basis of the received signal regularly, that in the
  • Reception signal contained amplitude and phase information of the received signal as a function of the associated running time.
  • the resulting signal which is often referred to as an intermediate frequency signal, is generated on account of the high signal frequencies and, as a rule, very short propagation times or transit time differences to be resolved. It is a time-stretched image of the received signal.
  • a corresponding method is described, for example, in EP 1 324 067 A2.
  • the resulting signal is conventionally subsequently rectified and fed via a low-pass filter and an analog-to-digital converter to an evaluation unit.
  • the duration of the microwave pulses is determined on the basis of the resulting signal.
  • the received signal Since the amplitude of the received signals decreases with the square of the traveled distance, the received signal can have very different amplitudes. In order to be able to measure the measurement signal in spite of the strong level fluctuations, the resulting signal generally has to be standardized by a logarithmic unit.
  • the circuit complexity in the evaluation of the resulting signal is thereby significant. Especially the logarithmization is associated with high circuit complexity. This requires a comparatively complex circuit architecture of the evaluation circuit. Especially from a cost point of view, it is therefore desirable to be able to dispense with such a complex circuit architecture without sacrificing reliability or measuring accuracy.
  • the publication DE 10 2007 058 287 A1 describes a time-equivalent scanning radar whose transmission power is controlled as a function of a sampling time in order to equalize the intensity of the time-extended received signal.
  • Publication JP 002010281643 A shows a pulse-radar system in which the pulse width of the transmission signal is controlled as a function of the distance in order to adjust the amplification of the received signal.
  • Level gauge shown in which the pulse width of the transmission signal is set depending on a variety of parameters, such as the type and surface of the contents, tank height and other tank-specific properties.
  • a pulse radar-based level gauge in which the received signal in
  • the invention is therefore based on the object to propose a radar-based method for level measurement, through which a low circuit complexity of the evaluation circuit is achieved, and a suitable for this purpose
  • the invention solves this problem by a method for determining the level of a filling material located in a container by measuring the duration of
  • Microwave signals the method comprising the following steps:
  • An electrical transmission signal pulse is triggered at a first repetition frequency, the transmission signal pulse having a natural frequency suitable for generating a microwave signal,
  • an electrical reference signal pulse is triggered
  • the time difference between the triggering of the transmit signal pulse and the triggering of the reference signal pulse is determined
  • the transmit signal pulse is modulated, the modulation depending on the
  • the microwave signal is generated, an echo signal, which by reflection of the microwave signal at the
  • the echo signal is converted into an electrical received signal
  • the received signal is sampled by the reference signal pulse such that a resulting signal is formed
  • the runtime is determined by means of the resulting signal
  • the level is determined.
  • the received signal is additionally modulated, wherein the modulation is dependent on the time difference between the triggering of the transmission signal pulse and the triggering of the reference signal pulse.
  • the object is further achieved by a method for determining the level of a filling material located in a container by measuring the duration of
  • Microwave signals comprising the following steps:
  • An electrical transmission signal pulse is triggered at a first repetition frequency, the transmission signal pulse having a natural frequency suitable for generating a microwave signal,
  • a time difference between the triggering of the transmission signal pulse and the triggering of the reference signal pulse is determined
  • the echo signal is converted into an electrical received signal, the received signal is modulated, the modulation being dependent on the time difference,
  • the received electrical signal is sampled by the reference signal pulse such that a resulting signal is formed
  • the runtime is determined by means of the resulting signal
  • the level is determined.
  • An advantageous embodiment of all previously described method provides that for the modulation of the transmit signal pulse and / or for the modulation of the
  • Receiving signal, a signal amplification and / or a pulse width modulation can be used / is. Both types of modulation affect the signal power of either the transmit signal pulse or the receive signal, which can each be used to adjust the amplitude of the resulting signal. It goes without saying even that any other form of modulation can be used that can affect the signal power.
  • the amplification factor increases with increasing
  • This type of control causes those received signals, which are caused by lower levels and thus have a weaker amplitude, to be amplified higher.
  • the pulse width is increased with increasing time difference. Also, this type of control has the same effect, namely a higher gain of those received signals, which have a weaker amplitude due to low levels.
  • Received signal by cross-correlation performed by the reference signal pulse wherein the reference signal pulse has the natural frequency of the transmit signal pulse.
  • the object of the invention is achieved by a device for determining the filling level of a filling material in a container, wherein the device uses at least one of the methods described above.
  • the device comprises:
  • a reference signal generation unit for generating a reference electrical signal pulse
  • a transmitting / receiving unit for emitting a generated by the transmission signal pulse microwave signal in the direction of the contents
  • At least one modulation unit for modulating the electrical signal pulse and / or the received signal
  • a sampling unit for sampling the received signal by means of the reference signal pulse, a control / evaluation unit for determining a duration based on the
  • the inventive idea also contributes to the fact that the manufacturing costs of the device for level measurement can be reduced.
  • the intelligent unit and the control / evaluation unit are an integral part of a common circuit unit. As a result, the space required and the energy consumption of the device are reduced with appropriate design.
  • the modulation unit of the device is an amplifier circuit and / or a pulse width modulator. Both types of modulation affect the signal power of the transmit signal pulse or the
  • the amplitude of the resulting signal can be adjusted so that it is approximately constant even with highly fluctuating levels.
  • the sampling unit of the device is a mixer which performs a cross-correlation of the received signal by means of the reference signal pulse.
  • Fig. 1 Device for determining the level of a filling material located in a container.
  • a device for determining the level L of a filling 1 located in a container 2 is shown.
  • the device is based on measuring the transit time t between emitting a microwave signal S and receiving a through the Surface of the medium 2 generated echo signal E.
  • the microwave signal S is generated by a signal generating unit 3, in which with a repetition frequency f c, an electrical transmission signal pulse s is generated.
  • the signal generating unit 3 comprises a pulse generator for generating the electrical transmission signal pulses s, which have a periodicity corresponding to f c .
  • a high-frequency oscillator is controlled, which has a natural frequency f H F.
  • the periodically high-frequency electrical transmission signal pulses s are generated, wherein the length of the respective pulse is predetermined by the pulse generator.
  • the transmission signal pulse s is fed to a transmission / reception unit 5. This is constructed in two parts in the illustrated embodiment and consists of a
  • the antenna is designed as a horn antenna and generates accordingly a freely radiating microwave signal S. According to the invention, however, it can just as well be a guided radar.
  • the horn antenna also receives the echo signal E and converts it into an electrical reception signal e. Alternatively, this can also be done by a separate receiving antenna.
  • the core of the invention is that either the transmission signal pulse s or the received signal e, or both are modulated by a respective modulating unit 6.
  • Fig. 1 it is stated that both the transmit signal pulse s and the received signal e are modulated.
  • the representation shown is a signal amplification with a gain factor a.
  • the magnitude of the amplification factor a is dependent on the time difference ⁇ between the triggering of the transmission signal pulse s and the triggering of a reference signal pulse s'.
  • the time difference ⁇ is detected by the intelligent unit 7 in the exemplary embodiment shown.
  • the intelligent unit 7 simultaneously controls the amplification factor a.
  • the control is designed such that the amplification factor a of the
  • Time difference ⁇ is also dependent on which received signals e are further processed by the sampling to form a resulting signal ZF. With very small time differences ⁇ , those received signals e are not suppressed by the sampling, which results from near distance, ie high fill levels L. In parallel, those receiving signals e are not suppressed by the sampling at large time differences .DELTA. ⁇ , which are reflected back from further distance, ie low levels L back.
  • sampling signal s' for sampling the received signal e.
  • the sample signal s' must in this case have a second repetition frequency f c , slightly from the first
  • the signal form of the sampling pulse s' is not predetermined.
  • the scanning signal s may be a Dirac pulse, which is generated at a reference frequency f c .
  • the sampling signal s must have the same characteristic as that of the transmission signal pulse s.
  • a reference signal generating unit 4 generates a reference signal pulse s' having these characteristics. Therefore, the reference signal generating unit 4, like the signal generating unit 3, has a pulse generator for generating electric power
  • Pulses of the periodicity f c and a high-frequency oscillator with a natural frequency of f HF Pulses of the periodicity f c and a high-frequency oscillator with a natural frequency of f HF .
  • the scanning is, as shown in Fig. 1, performed by a mixer 8, wherein the sampling is carried out by the mixer 8 by means of cross-correlation.
  • the resulting signal ZF is formed.
  • the type of control of the amplification factor a according to the invention has the consequence that those resulting signals ZF, which are generated by low fill levels L, are amplified more strongly than those resulting signals ZF, which arise at high fill levels. As a result, all resulting signals ZF, regardless of whether resulting from low or high levels L, an approximately equal amplitude. It is thus the weaker reflection of the echo signal E at long distances, so low levels L compensated.
  • the resulting signal ZF can thereby be evaluated without expensive filtering or logarithmization.
  • the fill level L is determined. This is done in the representation shown in Fig. 1 by the control / evaluation unit. 9 LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands (L) eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllgutes (2) mittels Messung der Laufzeit (t) von Mikrowellen-Signalen, sowie eine zur Ausführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Sende-Signalpuls (s) oder das Empfangssignal (e) moduliert wird, vorzugsweise durch eine Signalverstärkung oder ein Pulsbreitenmodulation. Die Modulation ist hierbei abhängig von der Zeitdifferenz (ΔT) zwischen Auslösen des Sende-Signalpulses (s) und Auslösen eines Referenz-Signalpulses (s'). Die erfindungsgemäße Modulation bewirkt, dass das resultierende Signal (ZF) zur Bestimmung des Füllstands auch bei stark voneinander abweichenden Füllständen (L) eine in etwa konstante Amplitude aufweist. Hierdurch kann die Auswertung des resultierenden Signals und die damit einhergehende Bestimmung des Füllstandes (L) mit schaltungstechnisch deutlich verringertem Aufwand erreicht werden. Dies schafft eine Kosten-Ersparnis bei der Fertigung der Vorrichtung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines in einem
Behälter befindlichen Füllgutes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes mittels Messung der Laufzeit von Mikrowellen-Signalen, sowie eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisie-rungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmess-geräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und
Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur
Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder
Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozess relevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische
Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Messung des Füllstands haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit, stufenlos messen zu können. Hier haben sich speziell Radar-basierte Messverfahren, die auf dem Laufzeit-Prinzip beruhen, durchgesetzt. Bei diesen Messverfahren, welche auch unter dem Namen Pulsradar bekannt sind, werden kurze Mikrowellenpulse periodisch mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz, z.B. in einer Größenordnung von 1 bis 2 MHz mit Eigenfrequenzen im Gigahertzbereich in Richtung des Füllguts gesendet. Bei Pulsradar- basierten Füllstandsmessgeräten, wie beispielsweise der Baureihe FMR20 geschieht dies mit einer Wiederholfrequenz von ca. 7 MHz. Deren in Richtung der Sende- und
Empfangseinrichtung zurück reflektierten Signalanteile werden anschließend nach einer von der im Behälter zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit empfangen. Dabei wird regelmäßig anhand des Empfangssignals ein Hilfssignal abgleitet, dass die im
Empfangssignal enthaltene Amplituden- und Phaseninformation des Empfangssignals als Funktion der zugehörigen Laufzeit wiedergibt. Das häufig auch als Zwischenfrequenzsignal bezeichnete resultierende Signal wird aufgrund der hohen Signalfrequenzen und der in der Regel sehr kurzen aufzulösenden Laufzeiten bzw. Laufzeitunterschiede generiert. Es ist ein zeitlich gedehntes Abbild des Empfangssignals. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in der EP 1 324 067 A2 beschrieben. Wie dort ebenfalls beschrieben, wird das resultierende Signal üblicher Weise nachfolgend gleichgerichtet und über einen Tiefpassfilter und einen Analog- Digitalwandler einer Auswerteeinheit zugeführt. Hier wird anhand des resultierenden Signals die Laufzeit der Mikrowellen-Pulse ermittelt. Da die Amplitude der Empfangssignale mit dem Quadrat der zurückgelegten Wegstrecke abnimmt, kann das Empfangssignal stark unterschiedliche Amplituden aufweisen. Um das Messsignal trotz der starken Pegel-Schwankungen messtechnisch erfassen zu können, muss daher das resultierende Signal in der Regel zusätzlich durch eine Logarithmier-Einheit normiert werden.
Der schaltungstechnische Aufwand bei der Auswertung des resultierenden Signals ist hierdurch erheblich. Speziell die Logarithmierung ist mit hohem schaltungstechnischem Aufwand verbunden. Dies erfordert eine vergleichsweise komplexe Schaltungs- Architektur der Auswertungs-Schaltung. Vor allem aus kostentechnischer Sicht ist es daher erstrebenswert, auf solch eine komplexe Schaltungs-Architektur verzichten zu können, ohne dass dies zu Lasten der Zuverlässigkeit oder der Messgenauigkeit geht.
In der Druckschrift DE 10 2007 058 287 A1 ist ein zeitäquivalentes Abtastradar beschrieben, dessen Sendeleistung in Abhängigkeit eines Abtastzeitpunktes gesteuert wird, um die Intensität des zeitgedehnten Empfangssignals anzugleichen.
Die Veröffentlichungsschift JP 002010281643 A zeigt ein Puls-Radar-System, bei dem die Pulsweite des Sendesignals in Abhängigkeit des Abstandes gesteuert wird, um die Vertärkung des Empfangssignals anzupassen.
Eine Abstands-abhängige Steuerung der Pulsweite des Sendesignals bei einem Puls- Radar-basierten Füllstandsmessgerät wird in der Druckschrift WO 002015000068 A1 beschrieben. In der Offenlegungsschrift US 020090033543 A1 ist ein Pulsradar-basiertes
Füllstandsmessgerät gezeigt, bei dem die Pulsweite des Sendesignal in Abhängigkeit einer Vielzahl an Parametern, wie der Art und Oberfläche des Füllgutes, Tankhöhe und anderen Tankspeigischen eigenschaften eingestellt wird. Ein Pulsradar-basiertes Füllstandsmessgerät, bei dem das Empfangssignal in
Anhängigkeit des Füllstandswertes verstärkt wird, ist in der Anmeldungsschrift US 020120036927 A1 offenbart. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Radar-basiertes Verfahren zur Füllstandsmessung vorzuschlagen, durch die ein geringer schaltungstechnischer Aufwand der Auswertungs-Schaltung erreicht wird, sowie eine hierfür geeignete
Vorrichtung bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes mittels Messung der Laufzeit von
Mikrowellen-Signalen, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
Mit einer ersten Wiederholfrequenz wird ein elektrischer Sende-Signalpuls ausgelöst, wobei der Sende-Signalpuls eine zur Erzeugung eines Mikrowellen- Signals geeignete Eigenfrequenz aufweist,
mit einer zweiten Wiederholfrequenz wird ein elektrischer Referenz-Signalpuls ausgelöst,
die Zeitdifferenz zwischen Auslösen des Sende-Signalpulses und Auslösen des Referenz-Signalpulses wird ermittelt,
- der Sende-Signalpuls wird moduliert, wobei die Modulation abhängig von der
Zeitdifferenz ist,
mittels des modulierten Sende-Signalpulses wird das Mikrowellen-Signal erzeugt, ein Echo-Signal, welches durch Reflektion des Mikrowellen-Signals an der
Oberfläche des Füllgutes erzeugt wird, wird empfangen,
- das Echo-Signal wird in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt,
das Empfangssignal wird derart durch den Referenz-Signalpuls abgetastet, dass ein resultierendes Signal gebildet wird,
mittels des resultierenden Signals wird die Laufzeit ermittelt,
anhand der Laufzeit wird der Füllstand ermittelt.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren, welches auf dem Puls-Radar Verfahren nach dem Stand der Technik aufbaut, wird erreicht, dass die Amplitude des resultierenden Signals auch bei stark voneinander abweichenden Füllständen sich nur in einem geringen Maße ändert und daher eine kleinere bzw. flachere Dynamik aufweist. Dies wird durch Modulation des Sende-Signalpulses erreicht und ermöglicht einen vereinfachten Aufbau der Auswertungs-Schaltung, da im Vergleich zum Stand der Technik beispielsweise der Logarithmierer zur Anpassung der Amplitude an den Dynamikumfang der weiteren Auswerteelektronik nicht erforderlich ist. Logarithmierer haben zudem den Nachteil, dass Rauschanteile bei sehr kleinen Signalamplituden des Empfangssignals deutlich verstärkt werden, somit wird dort eine schmalbandige Vorfilterung des Signals notwendig, die in der Fertigung jedes Gerätes kostspielig abgestimmt werden muss.
In einer vorteilhaften Form des Verfahrens wird zusätzlich das Empfangssignal moduliert, wobei die Modulation abhängig von der Zeitdifferenz zwischen Auslösen des Sende- Signalpulses und Auslösen des Referenz-Signalpulses ist. Hierdurch kann eine noch präzisere Anpassung der Amplitude erfolgen, als wenn lediglich der Sende-Signalpuls moduliert wird.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes mittels Messung der Laufzeit von
Mikrowellen-Signalen, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:
Mit einer ersten Wiederholfrequenz wird ein elektrischer Sende-Signalpuls ausgelöst, wobei der Sende-Signalpuls eine zur Erzeugung eines Mikrowellen- Signals geeignete Eigenfrequenz aufweist,
Mit einer zweiten Wiederholfrequenz wird ein elektrischer Referenz-Signalpuls ausgelöst,
eine Zeitdifferenz zwischen Auslösen des Sende-Signalpulses und Auslösen des Referenz-Signalpulses wird ermittelt,
mittels des Sende-Signalpulses wird ein Mikrowellen-Signal erzeugt,
ein Echo-Signal, welches durch Reflektion des Mikrowellen-Signals an der Oberfläche des Füllgutes erzeugt wird, wird empfangen,
das Echo-Signal wird in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt, das Empfangssignal wird moduliert, wobei die Modulation abhängig von der Zeitdifferenz ist,
das elektrische Empfangssignalwird derart durch den Referenz-Signalpuls abgetastet, dass ein resultierendes Signal gebildet wird,
mittels des resultierenden Signals wird die Laufzeit ermittelt,
anhand der Laufzeit wird der Füllstand ermittelt.
Im Gegensatz zu den zwei vorhergehend genannten Varianten des Verfahrens ist bei dieser Variante keine Modulation des Sende-Signalpulses vorgesehen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform aller vorhergehend beschriebenen Verfahren sieht vor, dass zur Modulation des Sende-Signalpulses und/oder zur Modulation des
Empfangssignals eine Signalverstärkung und/oder eine Pulsweitenmodulation verwendet werden/wird. Beide Arten der Modulation beeinflussen die Signalleistung von entweder dem Sende-Signalpuls oder dem Empfangssignal, welches jeweils zu einer Anpassung der Amplitude des resultierenden Signals genutzt werden kann. Es versteht sich von selbst, dass hierzu auch jede andere Form der Modulation verwendet werden kann, die die Signalleistung beeinflussen kann.
In einer Weiterbildung des vorhergehend beschriebenen Verfahrens wird für den Fall, dass es sich bei der Modulation des Sende-Signalpulses und/oder des Empfangssignals um eine Signalverstärkung handelt, der Verstärkungsfaktor mit zunehmender
Zeitdifferenz erhöht. Diese Art der Steuerung bewirkt, dass diejenigen Empfangssignale, die durch niedrigere Füllstände hervorgerufen werden und somit eine schwächere Amplitude aufweisen, höher verstärkt werden.
Alternativ wird für den Fall, dass es sich bei der Modulation des Signalpulses und/oder des Empfangssignals um eine Pulsweitenmodulation handelt, die Pulsweite mit zunehmender Zeitdifferenz erhöht. Auch diese Art der Steuerung hat denselben Effekt, nämlich eine höhere Verstärkung derjeniger Empfangssignale, die aufgrund von niedrigen Füllständen eine schwächere Amplitude aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Abtastung des
Empfangssignals mittels Kreuzkorrelation durch den Referenz-Signalpuls durchgeführt, wobei der Referenz-Signalpuls die Eigenfrequenz des Sende-Signalpulses aufweist.
Des Weiteren wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes gelöst, wobei die Vorrichtung zumindest eines der vorhergehend beschriebenen Verfahren nutzt. Hierzu umfasst die Vorrichtung:
- Eine Signalerzeugungs-Einheit zur Erzeugung des elektrischen Sende-
Signalpulses,
eine Referenz-Signalerzeugungs-Einheit zur Erzeugung eines elektrischen Referenz-Signalpulses,
eine Sende/-Empfangseinheit zum Aussenden eines durch den Sende-Signalpuls erzeugten Mikrowellen-Signals in Richtung des Füllgutes und
zur Erzeugung eines durch den Empfang eines Echo-Signals bewirkten elektrischen Empfangssignals,
zumindest eine Modulations-Einheit zur Modulation des elektrischen Signalpulses und/oder des Empfangssignals,
- eine intelligente Einheit zur Ermittlung der Zeitdifferenz zwischen Auslösen des
Sende-Signalpulses und Auslösen des Referenz-Signalpulses und
zur Steuerung der zumindest einen Modulations-Einheit,
Eine Abtast-Einheit zur Abtastung des Empfangssignals mittels des Referenz- Signalpulses, eine Regel-/Auswerte-Einheit zur Ermittlung einer Laufzeit anhand des aus der
Abtastung resultierenden Signals, und
zur Bestimmung des Füllstands mittels der Laufzeit. Mit dieser Vorrichtung kann das vorhergehend beschriebene erfindungsgemäße
Verfahren durchgeführt werden. Es wird durch die Vorrichtung erreicht, dass das resultierende Signal auch bei sehr weit auseinanderliegenden Füllständen eine in etwa konstante Amplitude aufweist. In der Folge kann in der Auswerte-Schaltung der
Vorrichtung auf eine separate Anpassung der Amplitude verzichtet werden, wodurch sich die Komplexität der Auswerte-Schaltung vermindert. Neben dem technischen Aspekt spielt dies auch aus kostentechnischer Sicht eine wichtige Rolle, da insbesondere Schaltungsbaugruppen zur Logarithmierung kostenintensive Bauelemente sind. Somit trägt die erfinderische Idee außerdem dazu bei, dass die Herstellungskosten der Vorrichtung zur Füllstandsmessung reduziert werden können.
In einer Weiterbildung der Vorrichtung sind die intelligente Einheit und die Regel- /Auswerte-Einheit integraler Bestandteil einer gemeinsamen Schaltungseinheit. Hierdurch werden bei entsprechender Auslegung der Platzbedarf sowie der Energieverbrauch der Vorrichtung reduziert.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn es sich bei der Modulations-Einheit der Vorrichtung um eine Verstärkerschaltung und/oder einen Pulsweiten-Modulator handelt. Beide Arten der Modulation beeinflussen die Signalleistung des Sende-Signalpulses oder des
Empfangssignals. Hierdurch kann die Amplitude des resultierenden Signals derart angepasst werden, dass sie auch bei stark schwankenden Füllständen in etwa konstant ist.
Darüber hinaus ist es voreilhaft, wenn es sich bei der Abtast-Einheit der Vorrichtung um einen Mischer handelt, der eine Kreuzkorrelation des Empfangssignals mittels des Referenz-Signalpulses durchführt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig. 1 erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands L eines in einem Behälter 1 befindlichen Füllguts 2 dargestellt. Die Vorrichtung beruht auf Messung der Laufzeit t zwischen Aussenden eines Mikrowellen-Signals S und Empfang eines durch die Oberfläche des Füllguts 2 erzeugten Echo-Signals E. Das Mikrowellen-Signal S wird durch eine Signalerzeugungs-Einheit 3 erzeugt, in der mit einer Wiederholfrequenz fc ein elektrischer Sende-Signalpuls s erzeugt wird. Hierzu umfasst die Signalerzeugungs- Einheit 3 einen Pulsgenerator zur Erzeugung der elektrischen Sende-Signalpulse s, die eine Periodizität entsprechend fc aufweisen. Durch den Pulsgenerator wird ein hochfrequenter Oszillator gesteuert, der eine Eigenfrequenz fHF aufweist. Hierdurch werden die periodisch hochfrequenten elektrischen Sende-Signalpulse s generiert, wobei die Länge des jeweiligen Pulses durch den Pulsgenerator vorgegeben wird. Der Sende-Signalpuls s wird einer Sende-/Empfangseinheit 5 zugeführt. Diese ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zweiteilig aufgebaut und besteht aus einem
Richtkoppler sowie einer Antenne. Die Antenne ist als Hornantenne ausgeführt und erzeugt dementsprechend ein frei abstrahlendes Mikrowellen-Signal S. Erfindungsgemäß kann es sich jedoch genauso gut um ein geführtes Radar handeln. In der dargestellten Ausführung empfängt die Hornantenne auch das Echo-Signal E und wandelt es in ein elektrisches Empfangssignal e um. Alternativ kann dies auch durch eine separate Empfangsantenne geschehen.
Der Kern der Erfindung besteht, wie in Fig. 1 dargestellt, darin, dass entweder der Sende- Signalpuls s oder das Empfangssignal e, oder auch beide durch jeweils eine Modulations- Einheit 6 moduliert werden. In Fig. 1 ist ausgeführt, dass sowohl der Sende-Signalpuls s als auch das Empfangssignal e moduliert werden. Bei der Modulation handelt es sich in der abgebildeten Darstellung um eine Signalverstärkung mit einem Verstärkungsfaktor a. Die Höhe des Verstärkungsfaktors a ist dabei von der Zeitdifferenz Δτ zwischen Auslösen des Sende-Signalpulses s und Auslösen eines Referenz-Signalpulses s' abhängig. Die Zeitdifferenz Δτ wird im gezeigten Ausführungsbeispiel durch die intelligente Einheit 7 erfasst. Durch die intelligente Einheit 7 wird gleichzeitig der Verstärkungsfaktor a gesteuert. Die Steuerung ist derart ausgelegt, dass der Verstärkungsfaktor a der
Signalverstärkung zu größeren Zeitdifferenzen Δτ hin erhöht wird. Denn von der
Zeitdifferenz Δτ ist auch abhängig, welche Empfangssignale e durch die Abtastung zu einem resultierenden Signal ZF weiterverarbeitet werden. Bei sehr kleinen Zeitdifferenzen Δτ werden diejenigen Empfangssignale e nicht durch die Abtastung unterdrückt, die von aus naher Entfernung, also hohen Füllständen L resultieren. Parallel werden bei großen Zeitdifferenzen Δτ diejenigen Empfangssignale e nicht durch die Abtastung unterdrückt, die aus weiterer Entfernung, also von niedrigen Füllständen L zurück reflektiert werden.
Um diese Art der Abtastung zu realisieren, ist es notwendig, ein Abtast-Signal s' zur Abtastung des Empfangssignals e zur Verfügung zu stellen. Das Abtast-Signal s' muss hierbei eine zweite Wiederholfrequenz fc aufweisen, die leicht von der ersten
Wiederholfrequenz fc des Sende-Signalpulses s bzw. des Empfangssignals e abweicht. Prinzipiell ist die Signal-Form des Abtast-Pulses s' nicht vorgegeben. So kann es sich bei dem Abtast-Signal s beispielsweise um einen Dirac-Puls handeln, welcher mit einer Referenz-Frequenz fc erzeugt wird. Um jedoch eine Kreuzkorrelation, also eine vorteilhafte Form der Abtastung zu realisieren, muss das Abtast-Signal s dieselbe Charakteristik wie die des Sende-Signalpulses s besitzen. Aus diesem Grund wird von einer Referenz-Signalerzeugungs-Einheit 4 ein Referenz-Signalpuls s' erzeugt, der diese Eigenschaften aufweist. Daher besitzt auch die Referenz-Signalerzeugungs-Einheit 4, wie die Signalerzeugungs-Einheit 3, einen Pulsgenerator zur Erzeugung von elektrischen
Pulsen der Periodizität fc sowie einen hochfrequenten Oszillator mit einer Eigenfrequenz von fHF.
Die Abtastung wird, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, durch einen Mischer 8 vorgenommen, wobei durch den Mischer 8 die Abtastung mittels Kreuzkorrelation durchgeführt wird. Mittels der Kreuzkorrelation wird das resultierende Signal ZF gebildet.
Die erfindungsgemäße Art der Steuerung des Verstärkungsfaktors a hat zur Folge, dass diejenigen resultierenden Signale ZF, die durch niedrige Füllstände L erzeugt werden, stärker als solche resultierenden Signale ZF, die bei hohen Füllständen entstehen, verstärkt werden. In der Folge weisen alle resultierenden Signale ZF, egal ob von niedrigen oder hohen Füllständen L resultierend, eine in etwa gleiche Amplitude auf. Es wird somit die schwächere Reflektion des das Echo-Signal E bei weiten Entfernungen, also niedrigen Füllständen L kompensiert.
Durch die sehr konstante Amplitude des resultierenden Signals ZF wird es
erfindungsgemäß möglich, auf eine aufwendige Auswerte-Schaltung zu verzichten. Das resultierende Signal ZF kann hierdurch ohne aufwendige Filterung oder Logarithmierung ausgewertet werden. Anhand des resultierenden Signals ZF, welches erfindungsgemäß eine sehr homogene Amplitude aufweist, wird der Füllstand L bestimmt. Dies geschieht in der in Fig. 1 gezeigten Darstellung durch die Regel-/Auswerte-Einheit 9. Bezugszeichenliste
1 Behälter
2 Füllgut
3 Signalerzeugungs-Einheit
4 Referenz-Signalerzeugungs-Einheit
5 Sende-/Empfangseinheit
6 Modulations-Einheit
7 Intelligente Einheit
8 Abtast-Einheit
9 Regel-/Auswerte-Einheit
a Verstärkungsfaktor
E Echo-Signal
e Empfangssignal
fc Erste Wiederholfrequenz
fc Zweite Wiederholfrequenz
f(HF Eigenfrequenz
L Füllstand
S Mikrowellen-Signal
s Sende-Signalpuls
s' Referenz-Signalpuls
t Laufzeit
Δτ Zeitdifferenz
ZF Resultierendes Signal

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung des Füllstands (L) eines in einem Behälter (1 ) befindlichen Füllgutes (2) mittels Messung der Laufzeit (t) von Mikrowellen-Signalen, folgende Verfahrensschritte umfassend:
Mit einer ersten Wiederholfrequenz (fc) wird ein elektrischer Sende-Signalpuls (s) ausgelöst, wobei der Sende-Signalpuls (s) eine zur Erzeugung eines Mikrowellen- Signals (S) geeignete Eigenfrequenz (fHF) aufweist,
mit einer zweiten Wiederholfrequenz (fc ) wird ein elektrischer Referenz-Signalpuls (s ) ausgelöst,
die Zeitdifferenz (Δτ) zwischen Auslösen des Sende-Signalpulses (s) und
Auslösen des Referenz-Signalpulses (s ) wird ermittelt,
der Sende-Signalpuls (s) wird moduliert, wobei die Modulation abhängig von der Zeitdifferenz (Δτ) ist,
- mittels des modulierten Sende-Signalpulses (s) wird das Mikrowellen-Signal (S) erzeugt,
ein Echo-Signal (E), welches durch Reflektion des Mikrowellen-Signals (S) an der Oberfläche des Füllgutes (2) erzeugt wird, wird empfangen,
das Echo-Signal (E) wird in ein elektrisches Empfangssignal(e) umgewandelt, - das Empfangssignal (e) wird derart durch den Referenz-Signalpuls (s')
abgetastet, dass ein resultierendes Signal (ZF) gebildet wird,
mittels des resultierenden Signals (ZF) wird die Laufzeit (t) ermittelt,
anhand der Laufzeit (t) wird der Füllstand (L) ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Empfangssignal (e) moduliert wird, wobei die Modulation abhängig von der Zeitdifferenz (Δτ) ist.
3. Verfahren zur Bestimmung des Füllstands (L) eines in einem Behälter (1 ) befindlichen Füllgutes (2) mittels Messung der Laufzeit (t) von Mikrowellen-Signalen, folgende Verfahrensschritte umfassend:
Mit einer ersten Wiederholfrequenz (fc) wird ein elektrischer Sende-Signalpuls (s) ausgelöst, wobei der Sende-Signalpuls (s) eine zur Erzeugung eines Mikrowellen- Signals (S) geeignete Eigenfrequenz (fHF) aufweist,
Mit einer zweiten Wiederholfrequenz (fc ) wird ein elektrischer Referenz-Signalpuls (s ) ausgelöst,
eine Zeitdifferenz (Δτ) zwischen Auslösen des Sende-Signalpulses (s) und
Auslösen des Referenz-Signalpulses (s ) wird ermittelt,
mittels des Sende-Signalpulses (s) wird ein Mikrowellen-Signal (S) erzeugt, ein Echo-Signal (E), welches durch Reflektion des Mikrowellen-Signals (S) an der Oberfläche des Füllgutes (2) erzeugt wird, wird empfangen,
das Echo-Signal (E) wird in ein elektrisches Empfangssignal (e) umgewandelt, das Empfangssignal (e) wird moduliert, wobei die Modulation abhängig von der Zeitdifferenz (Δτ) ist,
das elektrische Empfangssignal (e) wird derart durch den Referenz-Signalpuls (s') abgetastet, dass ein resultierendes Signal (ZF) gebildet wird,
mittels des resultierenden Signals (ZF) wird die Laufzeit (t) ermittelt,
anhand der Laufzeit (t) wird der Füllstand (L) ermittelt.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
zur Modulation des Sende-Signalpulses (s) und/oder zur Modulation des
Empfangssignals (e) eine Signalverstärkung und/oder eine Pulsweitenmodulation verwendet werden/wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für den Fall, dass es sich bei der Modulation des Sende-Signalpulses (s) und/oder des
Empfangssignals (e) um eine Signalverstärkung handelt, der Verstärkungsfaktor (a) mit zunehmender Zeitdifferenz (Δτ) erhöht wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei für den Fall, dass es sich bei der Modulation des Sende-Signalpulses (s) und/oder des Empfangssignals (e) um eine Pulsweitenmodulation handelt, die Pulsweite mit zunehmender Zeitdifferenz (Δτ) erhöht wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Abtastung des Empfangssignals (e) mittels Kreuzkorrelation durch den Referenz- Signalpuls (s') durchgeführt wird, wobei der Referenz-Signalpuls (s ) die Eigenfrequenz (f HF) aufweist.
8. Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands (L) eines in einem Behälter (1 ) befindlichen Füllgutes (2) mittels einem in zumindest einem der vorhergehenden
Ansprüche beschriebenen Verfahren, umfassend
Eine Signalerzeugungs-Einheit (3) zur Erzeugung des elektrischen Sende- Signalpulses (s),
eine Referenz-Signalerzeugungs-Einheit (4) zur Erzeugung des elektrischen Referenz-Signalpulses (s'), eine Sende-/Empfangseinheit (5) zum Aussenden des durch den Sende- Signalpuls (s) erzeugten Mikrowellen-Signals (S) in Richtung des Füllgutes (2) und
zur Erzeugung des durch den Empfang eines Echo-Signals (E) bewirkten elektrischen Empfangssignals (e),
zumindest eine Modulations-Einheit (6) zur Modulation des Sende-Signalpulses (s) und/oder des Empfangssignals (e),
eine intelligente Einheit (7) zur Ermittlung der Zeitdifferenz (Δτ) zwischen Auslösen des Sende-Signalpulses (s) und Auslösen des Referenz-Signalpulses
(s') und
zur Steuerung der zumindest einen Modulations-Einheit (6),
Eine Abtast-Einheit (8) zur Abtastung des Empfangssignals (e) mittels des
Referenz-Signalpulses (s'),
eine Regel-/Auswerte-Einheit (9) zur Ermittlung einer Laufzeit (t) anhand des aus der Abtastung resultierenden Signals (ZF), und
zur Bestimmung des Füllstands (L) mittels der Laufzeit (t).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die intelligente Einheit (7) und die Regel- /Auswerte-Einheit (9) integraler Bestandteil einer gemeinsamen Schaltungseinheit sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei es sich bei der Modulations-Einheit (6) um eine Verstärkerschaltung und/oder einen Pulsweiten-Modulator handelt.
1 1. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei es sich bei der Abtast-Einheit (8) um einen Mischer handelt, der eine Kreuzkorrelation des
Empfangssignals (e) mittels des Referenz-Signalpulses (s') durchführt.
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