WO2017045788A1 - Verfahren zur messung des füllstands eines in einem behälter befindlichen füllgutes - Google Patents

Verfahren zur messung des füllstands eines in einem behälter befindlichen füllgutes Download PDF

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microwave
microwave pulse
repetition frequency
reflected
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PCT/EP2016/064362
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Thomas Blödt
Peter KLÖFER
Maik WEISHAAR
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Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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    • 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
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    • G—PHYSICS
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    • 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
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    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/285—Receivers
    • G01S7/292—Extracting wanted echo-signals

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the level of a filling material located in a container by means of microwave pulses, as well as a suitable for carrying out this method level gauge.
  • 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 in principle all those devices that are used close to the process and the
  • field devices are thus also understood as remote I / Os, radio adapters or generally electronic components which are arranged on the field level.
  • a variety of such field devices is manufactured and sold by the company Endress + Hauser.
  • non-contact measuring methods have become established, as they are robust and require little maintenance.
  • Another advantage is the ability to measure steplessly.
  • radar-based measuring methods which work according to the pulse-transit time principle, have prevailed here.
  • this measurement method also known as pulse radar, short microwave pulses are periodically sampled at a predefined repetition rate, e.g. in the order of 1 to 2 MHz and natural frequencies in the gigahertz range in the direction of the contents sent. Their reflected back in the direction of the transmitting and receiving device signal components are then received after a dependent of the distance covered in the container travel time.
  • a time extension of the reflected signal can alternatively be carried out by performing a sampling of the received signal.
  • a time extension of the received signal by a factor of up to 10 5 can be effected. This dramatically reduces the requirement on the meter.
  • Such a time-expansion method is now the standard method in the field of pulse radar-based level measurement.
  • a corresponding method is described, for example, in the document EP 1 324 067 A2.
  • the resulting signal is usually 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.
  • a disadvantage of this method is its complicated circuitry implementation, in which especially the time expansion and the evaluation of the envelope are comparatively extensive.
  • the invention is therefore based on the object, a radar-based method for
  • the invention solves this problem by a method for measuring the level of a filling material in a container by means of microwave pulses.
  • the method comprises the following method steps:
  • a microwave pulse is emitted in the direction of the filling material
  • the microwave pulse is reflected at the surface of the filling material, the reflected microwave pulse is received after a dependent on the level runtime.
  • the method steps are cyclically repeated with a repetition frequency, wherein the repetition frequency is controlled as a function of the transit time, that the repetition frequency increases with shorter running time and decreases with longer running time.
  • the level is determined by the
  • the fill level in the method according to the invention is not determined on the basis of the measured transit time, but on the basis of the self-adjusting repetition frequency with which the microwave pulses are emitted become.
  • the repetition frequency is set according to the invention in that the emission of a microwave pulse is triggered by the last received microwave pulse. This results in the advantage that only the repetition frequency must be detected for level determination.
  • it does not require either a highly accurate time measurement or a complex analog evaluation circuit.
  • Complex digital data processing, as required by the FMCW-based method for level measurement, can also be dispensed with.
  • the repetition frequency is directly proportional to the reciprocal of the transit time.
  • Level gauge is neglected, the distance determined in this embodiment directly from the reciprocal of the determined frequency in multiplication with the propagation velocity.
  • the repetition frequency is proportional to the reciprocal of the sum of the transit time and a predefined time delay. This makes it possible to hide the near range of the level gauge. As a result, originating from there sturgeon echoes can be hidden. The depth of the hidden
  • an initiating microwave pulse is emitted in the direction of the filling material to start the measurement or in the event that no reflected on the surface of the filling material microwave pulse is received within a predetermined maximum time interval. This prevents that in these cases, the measurement is stopped, so that even without a received microwave pulse, the triggering of another microwave pulse is caused.
  • the received microwave pulse is the microwave pulse reflected on the surface of the filling material, by determining the signal strength of the received microwave pulse.
  • the received microwave pulse is filtered out if the signal strength is outside a predefined range. This predefined range can be determined for example by one or more calibration measurements in which the signal strength z. B. when completely empty or completely full container is measured.
  • it can be checked whether the received microwave pulse is the microwave pulse reflected on the surface of the filling material,
  • a second microwave pulse is emitted at the same time as the first microwave pulse in the direction of the filling material
  • the second microwave pulse is reflected at the surface of the filling material, the reflected second microwave pulse is dependent on the level
  • Microwave pulse is compared.
  • the received microwave pulse is filtered out.
  • microwave pulses to be filtered can be caused for example by disruptive bodies within the container or by multiple echoes.
  • microwave pulse to be transmitted and / or the reflected microwave pulse are amplified in this way , that the
  • Gain is increased as the refresh rate decreases and the gain is reduced as the refresh rate increases. Through this type of control also contributes to a reduced power consumption of
  • Level gauge at. This is relevant in that very high demands are placed on the explosion safety, especially in field devices in process automation, whereby the maximum allowable power consumption is severely limited.
  • This advantageous type of reinforcement can thus contribute significantly, for example, to ensuring that the level gauge complies with the explosion protection regulations according to the relevant standard family EN 60079-0: 2009.
  • the object underlying the invention is also achieved by a
  • the level gauge for carrying out the method described in at least one of the preceding claims.
  • the level gauge comprises:
  • a pulse generating unit for the cyclical generation of microwave pulses at least one antenna unit for transmitting and / or receiving microwave pulses,
  • a detector unit for detecting the reflected microwave pulses, a trigger for the clocked triggering of the pulse generating unit as a function of the transit time, and
  • the level measuring device further comprises a modulation unit that delays the triggering of the pulse generation unit by a delay time.
  • the modulation unit it is possible to hide the near range, with the depth of the near range depending on the length of the time delay.
  • the time delay may be a predefined impressed time delay.
  • the modulation unit can also be based on hiding certain temporal segments in the form of the received signal within the transmission cycle in the form of a delay time.
  • a predefined time delay can be realized in an analogous manner by logarithmically connecting line sections or by digital conversion.
  • the modulation unit may be realized by means of a flip-flop based circuit or a pulse gate based circuit. This allows a temporary attenuation or complete suppression of the receive signal received by the antenna unit 4.
  • the level measuring device in a further embodiment comprises an initial trigger. This serves to emit an initiating microwave pulse in the direction of the filling material for starting the measurement or in the event that within a predetermined maximum time interval no reflected on the surface of the filling material microwave pulse is received.
  • At least one filter unit is provided, which is one of the previously described
  • the method checks whether the received microwave pulse is the microwave pulse reflected on the surface of the filling material. As a result, it is avoided according to the inventive method that due to received microwave pulses, which have not been caused by reflection on the Gregutober Structure, a false level value is determined.
  • the filling level measuring device comprises at least one amplifier for amplifying the transmitted microwave pulses and / or the reflected microwave pulses.
  • the amplifier amplifies the reflected microwave pulses in such a way that the amplification becomes smaller at lower frequencies Refresh rate is increased, and that the gain at higher
  • Refresh rate is reduced.
  • overdriving of the received microwave pulses can be suppressed if they are very strongly reflected due to high fill levels. Also, this is at low levels and correspondingly weakly reflected microwave pulses sufficient
  • FIG. 1 shows a block diagram of a fill level measuring device according to the invention
  • FIG. 2 shows a detail view in detail of the block diagram
  • FIG. 3 shows an expanded level measuring device with a modulation unit
  • FIG. 4 shows an analogous embodiment of the modulation unit
  • FIG digital variant of the modulation unit
  • FIG. 5b shows a second digital variant of the modulation unit
  • FIG. 6 shows an expanded level gauge with two antennas
  • FIG. 7 shows an expanded level gauge with an amplifier
  • FIG. 8 shows an extended level gauge with digital delay unit
  • FIG. 9 shows a further variant of a digital delay unit
  • Fig. 10 an expanded level gauge with two antennas
  • Fig. 1 1 an extended level gauge with additional amplifier.
  • Level meter is shown, the operation of the method according to the invention for measuring the level L of a filling material 2 located in a container 1 is illustrated.
  • the level gauge is mounted in the illustration shown at a predefined height I above the bottom of the container 1.
  • the level gauge is cyclically programmed with a repetition frequency f pU
  • the microwave pulses are transmitted via a
  • Pulserschiungsaku 3 excited and passed through a duplexer in the antenna unit 4, where they are emitted in the direction of the filling material 2.
  • the pulse generation unit 3 consists of two partial components, as is already known from the prior art in the field of pulse radar: a pulse generator 3a and a high-frequency generator 3b, which preferably has a low quality factor.
  • a pulse generator 3a and a high-frequency generator 3b, which preferably has a low quality factor.
  • the temporal length of the microwave pulse by the pulse generator 3a is already known from the prior art in the field of pulse radar.
  • regulated a pulse shortener or a monostable multivibrator For example, regulated a pulse shortener or a monostable multivibrator.
  • the regulation takes place here taking into account the start-up time, which results from the
  • the natural frequency of the microwave pulse lying in the GHz range is determined by the high-frequency generator 3b, for example a Gunn or semiconductor reflex oscillator.
  • the triggering of the pulse generator 3 a that is to say the time-dependent triggering of a microwave pulse, is controlled by a trigger 6.
  • the microwave pulse After reflection on the surface of the medium 2, the microwave pulse is detected at a dependent on the filling level L of the filling material term t at the antenna 4 and passed through the duplexer to a filter unit 10.
  • the antenna unit 4 can also consist of two independent antennas for separate transmission and reception instead of a single antenna which operates in the transmission and reception direction. In this case, no duplexer is needed as a switch for the transmitted and reflected microwave pulses.
  • the filter unit 10 is used for filtering microwave pulses that are received by the antenna unit 4, but which are not caused by reflection on the surface of the medium 2, but for example by bluff bodies within the container 1 or by multiple echoes.
  • the filtering may be based on only microwave pulses having one in a predefined range
  • This predefined range can be determined, for example, by one or more calibration measurements in which the
  • Signal strength z. B. is measured at a defined level. After filtering, the microwave pulse is detected by a detector unit 5, by which the trigger 6 is triggered.
  • a received microwave pulse in each case the following
  • Microwave pulse triggers the repetition frequency f PU
  • S by an evaluation unit 7 to determine.
  • S due to the direct feedback proportional to the inverse of the transit time t, if there is no relevant in-circuit propagation delay.
  • FIG. 1 A partial detail view of the block diagram shown in Fig. 1 is shown in Fig. 2.
  • advantageous circuitry options for realizing the detector unit 5, the evaluation unit 7 and the initial trigger 9 are shown.
  • the detector unit 5 shown is composed of a rectifier diode D1 and a downstream low-pass filter, the low-pass filter consisting of two series-connected resistors R1, R2 and two capacitors C1 and C2 connected to ground.
  • the initial trigger is G1 as a switching circuit of the pulse generator 3a with two
  • Capacitors C3, C4, a diode D2 and a NAND gate executed.
  • the diode D2 and the capacitor also act to restart the measurement if no reflected on the surface of the filling microwave pulse was received and the cyclic transmission was interrupted accordingly.
  • the evaluation unit 7 shown in Fig. 2 consists of a low-pass filter comprising a capacitor C5 connected to ground and two resistors R3, R4 located in the output path. The resulting DC value of the output signal V out is thereby proportional to the repetition frequency f pU
  • Fig. 3 shows an expanded version of the level gauge shown in Fig. 1.
  • the extension relates to a modulation unit 8, which is arranged in the signal path between the detector unit 5 and the trigger 6.
  • the modulation unit 8 the triggering of the trigger 6 is delayed by a delay time t de i ay .
  • the time delay t de ia y is set by a predefined value
  • Modulation unit 8 in an analogous manner by logarithmically switched
  • S is proportional to the reciprocal of the sum of the transit time t and the delay time t de iay-
  • the temporary suppression of the received signal causes the suppression of interference echoes from the vicinity of the level gauge.
  • the depth of the near range is defined by the value of the delay time t de i ay .
  • FIG. 4 A suitable circuitry implementation variant of the modulation unit 8 on an analog basis is shown in FIG. 4.
  • the circuit shown there is based on a cascade of three transistors T21, T22, T23, wherein the received signal is conducted via an input resistor R27 to the base or the gate of the input transistor T23.
  • the setting of the delay time t de ia y is done by an analog
  • transistors T21, T22, T23 are discrete bipolar transistors, since they generally have a faster response time than MOS-FET transistors.
  • Receiving signal can also be performed on a digital basis.
  • Two design variants of the modulation unit 8 suitable for this purpose are shown in FIG. 5a and FIG. 5b.
  • the input signals S, R of the flip-flop are in this case formed by the received signal or the delayed with t de i ay received signal.
  • the suppression of the received signal is achieved by pulling the received signal through a transistor T1 1 to ground.
  • the control of the transistor T1 1 takes place via a pulse gate, the inputs of which are fed by the received signal or the received signal delayed by t de ia y .
  • Receive signal assume that the received signal is a discrete value Has voltage level. This requires a corresponding digitization of the
  • FIGS. 7 to 9 show exemplary embodiments of the modulation unit 8 in which a digitization of the received signal is performed by an upstream gate circuit.
  • the gate circuit consists of a flip-flop FF1, two switches S1, S3, an AND gate A1, a potentiometer R2 and a capacitor C2.
  • the flip-flop FF1 can be triggered to the received signal or a reference pulse (in the illustrated switch position is triggered to the received signal).
  • a variable dead time of the flip-flop FF1 can be effected by changing the potentiometer R2.
  • the actual time delay t de i ay is set via the discharge curve of a resistor R1 and a capacitor C1.
  • the received signal is discharged through the resistor R1 and the capacitor C1 until the level falls below a predefined threshold.
  • the time delay t de ia y is achieved by a cascaded structure. Analogous to the first flip-flop FF1, the switch S2, the resistor R1 and the capacitor C1, a second flip-flop FF2, a further RC element R3, C3 and a further switch S4 are connected downstream with the same function.
  • a third variant for realizing the time delay t de ia y is shown in FIG.
  • a delay line At is used for the delay in the ns range, for example suitable logic IC's or acoustic delay lines for this purpose.
  • a signal is generated at its output Q, which is delayed by the delay line At.
  • a second flip-flop is driven and generates a reset signal for both flip-flops FF1, FF2.
  • FIG. 10 shows an expanded variant of the embodiment shown in FIG.
  • Level gauge is characterized by an additional amplifier 1 1, which is arranged in the receiving path between the detector unit 5 and the trigger 6 from.
  • the gain A is calculated on the basis of the repetition frequency f pU
  • the amplifier 11 is controlled in such a way that the gain A decreases as the repetition frequency f PU S is increased, and that the gain A is reduced with increasing repetition frequency fp Uis .
  • the gain is set so weak that the amplifier 1 1 has a signal attenuation effect.
  • an equally driven amplifier can of course also in
  • Transmit path be arranged.
  • appropriately driven amplifier 1 1 overdriving the received microwave pulses can be suppressed if they are very strongly reflected, for example, due to high levels. This also ensures a sufficient signal strength of the received signal at low levels and correspondingly weakly reflected microwave pulses. Overall, the nature of the control also contributes to a reduced power consumption of the

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Füllstands (L) eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes (2), welches auf dem Pulsradar Verfahren basiert. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Wiederholfrequenz (fpuis) des Mikrowellen-Pulses nicht konstant ist, sondern derart in Abhängigkeit der Laufzeit (t) gesteuert wird, dass sich die Wiederholfrequenz (fpuis) bei kürzer werdender Laufzeit (t) erhöht und bei länger werdender Laufzeit (t) verringert. Erfindungsgemäßwird der Füllstand (L) demnach nicht anhand der gemessenen Laufzeit (t), sondern anhand der sich einstellenden Wiederholfrequenz (fpuis) bestimmt. Die Erfindung stellt somit ein Pulsradar-basiertes Verfahren zur Füllstandsmessung bereit, welches im Vergleichzum klassischen Pulsradar-Verfahren sowie zum FMCW-Verfahren mit vermindertem schaltungstechnischem Aufwand realisiert werden kann. Dies ergibt sich dadurch, dass zur Füllstandsmessung lediglich die Wiederholfrequenz erfasst werden muss. Es benötigt im Gegensatz zum klassischen Pulsradarverfahren weder eine aufwendige analoge Auswerteschaltung, noch eine hochgenaue Zeitmessung. Auch eine aufwendige digitale Datenverarbeitung, wie es beim FMCW-basierten Verfahren zur Füllstandsmessung erforderlich ist, entfällt.

Description

Verfahren zur Messung des Füllstands eines in einem Behälter befindlichen
Füllgutes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Füllstands eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes mittels Mikrowellen-Pulsen, sowie ein zur Ausführung dieses Verfahrens geeignetes Füllstandsmessgerät.
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 diejenigen Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die
prozessrelevante 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 Füllstandsmessung 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 nach dem Puls- Laufzeit-Prinzip arbeiten, durchgesetzt. Bei diesem Messverfahren, welches auch unter dem Namen Pulsradar bekannt ist, werden kurze Mikrowellenpulse periodisch mit einer vordefinierten Wiederholfrequenz, z.B. in einer Größenordnung von 1 bis 2 MHz und Eigenfrequenzen im Gigahertzbereich in Richtung des Füllguts gesendet. Deren in Richtung der Sende- und Empfangseinrichtung zurück reflektierten Signalanteile werden anschließend nach einer von der im Behälter zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit empfangen.
Aufgrund der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Pulse mit Lichtgeschwindigkeit ist jedoch ein sehr schneller und damit sehr komplexer Zähler in Kombination mit einer schaltungstechnisch aufwendigen Statistik erforderlich, da die Laufzeit lediglich im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden liegt. Ein nach solch einem Prinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät ist beispielsweise in der Patentschrift DE 10 2004 035757 B3 beschrieben.
Um auf einen derart komplexen Zähler verzichten zu können, kann hilfsweise eine Zeitdehnung des reflektierten Signals durchgeführt werden, indem eine Abtastung des empfangenen Signals durchgeführt wird. Somit kann eine Zeitdehnung des empfangenen Signals um einen Faktor von bis zu 105 bewirkt werden. Hierdurch wird die Anforderung an den Zähler drastisch vermindert. Solch ein Verfahren zur Zeitdehnung stellt mittlerweile das Standardverfahren im Bereich der Pulsradar-basierten Füllstandsmessung dar. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in der Druckschrift EP 1 324 067 A2 beschrieben. Wie daraus hervorgeht, wird das resultierende Signal üblicherweise 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. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch dessen aufwendige schaltungstechnische Realisierung, bei der vor allem die Zeitdehnung und die Auswertung der Hüllkurve vergleichsweise umfangreich sind. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Radar-basiertes Verfahren zur
Füllstandsmessung bereitzustellen, welches mit vermindertem schaltungstechnischem Aufwand realisiert werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Messung des Füllstands eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes mittels Mikrowellen-Pulsen. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
Ein Mikrowellen-Puls wird in Richtung des Füllgutes ausgesendet,
der Mikrowellen-Puls wird an der Oberfläche des Füllgutes reflektiert, der reflektierte Mikrowellen-Puls wird nach einer vom Füllstand abhängigen Laufzeit empfangen.
Hierbei werden die Verfahrensschritte erfindungsgemäß mit einer Wiederholfrequenz zyklisch wiederholt, wobei die Wiederholfrequenz derart in Abhängigkeit der Laufzeit gesteuert wird, dass sich die Wiederholfrequenz bei kürzer werdender Laufzeit erhöht und bei länger werdender Laufzeit verringert. Der Füllstand wird anhand der
Wiederholfrequenz bestimmt.
Im Gegensatz zum klassischen Pulsradar- Verfahren bestimmt sich der Füllstand beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht anhand der gemessenen Laufzeit, sondern anhand der sich einstellenden Wiederholfrequenz, mit der die Mikrowellen-Pulse ausgesendet werden. Die Wiederholfrequenz wird erfindungsgemäß dadurch eingestellt, dass das Aussenden eines Mikrowellen-Pulses durch den zuletzt empfangenen Mikrowellen-Puls getriggert wird. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass zur Füllstandsbestimmung lediglich die Wiederholfrequenz erfasst werden muss. Es benötigt im Gegensatz zum klassischen Pulsradarverfahren weder eine hochgenaue Zeitmessung, noch eine aufwendige analoge Auswerteschaltung. Auch eine aufwendige digitale Datenverarbeitung, wie es beim FMCW-basierten Verfahren zur Füllstandsmessung erforderlich ist, kann entfallen.
In einer ersten Ausführungsvariante ist die Wiederholfrequenz direkt proportional zu dem Kehrwert der Laufzeit. Hierdurch wird das Aussenden eines Mikrowellen-Pulses ohne Zeitverzögerung nach Empfang des zuletzt an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Mikrowellen-Pulses getriggert. Sofern die Signallaufzeit innerhalb des
Füllstandsmessgeräts vernachlässigt wird, bestimmt sich die Entfernung bei dieser Ausführungsvariante direkt aus dem Kehrwert der ermittelten Frequenz in Multiplikation mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Alternativ hierzu ist die Wiederholfrequenz proportional zu dem Kehrwert der Summe aus der Laufzeit und einer vordefinierten Zeitverzögerung. Dadurch ist es möglich, den Nahbereich des Füllstandsmessgeräts auszublenden. Hierdurch können von dort stammende Stör-Echos ausgeblendet werden. Die Tiefe des ausgeblendeten
Nahbereichs richtet sich dabei nach der Länge der Zeitverzögerung.
In einer vorteilhaften Form des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zum Starten der Messung oder für den Fall, dass innerhalb eines vorbestimmten maximalen Zeitintervalls kein an der Oberfläche des Füllgutes reflektierter Mikrowellen-Puls empfangen wird, ein initiierender Mikrowellen-Puls in Richtung des Füllgutes ausgesendet. Damit wird verhindert, dass in diesen Fällen die Messung gestoppt wird, so dass auch ohne empfangenen Mikrowellenpuls die Auslösung eines weiteren Mikrowellenpulses veranlasst wird.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich geprüft wird, ob es sich bei dem empfangenen Mikrowellen-Puls um den an der Oberfläche des Füllgutes reflektierten Mikrowellen-Puls handelt, indem die Signalstärke des empfangenen Mikrowellen-Pulses ermittelt wird. Dabei wird der empfangene Mikrowellen-Puls herausgefiltert, wenn die Signalstärke außerhalb eines vordefinierten Bereichs liegt. Dieser vordefinierte Bereich kann beispielsweise durch eine oder mehrere Kalibrations-Messungen ermittelt werden, bei denen die Signalstärke z. B. bei komplett leerem oder komplett vollem Behälter gemessen wird. Darüber hinaus kann in einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens geprüft werden, ob es sich bei dem empfangenen Mikrowellen-Puls um den an der Oberfläche des Füllgutes reflektierten Mikrowellen-Puls handelt,
indem
- ein zweiter Mikrowellen-Puls zeitgleich zum ersten Mikrowellen-Puls in Richtung des Füllgutes ausgesendet wird,
der zweite Mikrowellen-Puls an der Oberfläche des Füllgutes reflektiert wird, der reflektierte zweite Mikrowellen-Puls nach einer vom Füllstand abhängigen
Laufzeit empfangen wird,
- die Laufzeit des zweiten Mikrowellen-Pulses mit der Laufzeit des ersten
Mikrowellen-Pulses verglichen wird.
Hierbei wird für den Fall, dass die Laufzeit des zweiten Mikrowellen-Pulses nicht in etwa der Laufzeit des ersten Mikrowellen-Pulses entspricht, der empfangene Mikrowellen-Puls herausgefiltert. Solche zu filternden Mikrowellen-Pulse können beispielsweise durch Störkörper innerhalb des Behälters oder durch Mehrfachechos hervorgerufen werden.
Durch eine entsprechende Filterung wird vermieden, dass aufgrund solcher Mikrowellen- Pulse ein falscher Füllstandswert ermittelt wird.
Um bei stark reflektierten Mikrowellen-Pulsen ein Übersteuern zu unterdrücken, und um bei schwach reflektierten Mikrowellen-Pulsen eine ausreichende Signalstärke zu gewährleisten, ist es zudem vorteilhaft, wenn der auszusendende Mikrowellen-Puls und/oder der reflektierte Mikrowellen-Puls derart verstärkt werden/wird, dass die
Verstärkung bei geringer werdender Wiederholfrequenz erhöht wird, und dass die Verstärkung bei höher werdender Wiederholfrequenz verringert wird. Durch diese Art der Steuerung trägt darüber hinaus zu einem verminderten Leistungsverbrauch des
Füllstandsmessgeräts bei. Dies ist insofern relevant, als dass vor allem bei Feldgeräten in der Prozessautomation sehr hohe Anforderungen an die Explosionssicherheit gestellt werden, wodurch die maximal erlaubte Leistungsaufnahme stark begrenzt ist. Diese vorteilhafte Art der Verstärkung kann also beispielsweise maßgeblich dazu beitragen, dass das Füllstandsmessgerät den Explosionsschutzbestimmungen nach der hier relevanten Normenfamilie EN 60079-0:2009 einhält.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird zudem gelöst durch ein
Füllstandsmessgerät zur Ausführung des in zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche beschriebenen Verfahrens. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät:
Eine Pulserzeugungseinheit zur zyklischen Erzeugung von Mikrowellen-Pulsen, zumindest eine Antennen-Einheit zum Aussenden und/oder Empfangen von Mikrowellen-Pulsen,
eine Detektor-Einheit zur Detektion der reflektierten Mikrowellen-Pulse, einen Trigger zum getakteten Triggern der Pulserzeugungseinheit in Abhängigkeit der Laufzeit, und
eine Auswerte-Einheit zur Bestimmung der Wiederholfrequenz. Vorteilhaft umfasst das Füllstandsmessgerät des Weiteren eine Modulations-Einheit, die die Triggerung der Pulserzeugungseinheit um eine Delay-Zeit verzögert. Mittels der Modulations-Einheit ist es möglich, den Nahbereich auszublenden, wobei sich die Tiefe des Nahbereichs nach der Länge der Zeitverzögerung richtet. Hierbei kann es sich bei der Zeitverzögerung um eine vordefiniert eingeprägte Zeitverzögerung handeln. Die Modulations-Einheit kann aber auch darauf basieren, bestimmte zeitliche Segmente in Form des Empfangssignals innerhalb des Sende-Zyklus in Form einer Delay-Zeit auszublenden. Technisch kann eine vordefinierte Zeitverzögerung auf analoge Weise durch logarithmisches Zuschalten von Leitungsstücken oder durch digitale Wandlung realisiert werden.
Alternativ kann die Modulations-Einheit mittels einer Flip-Flop basierten Schaltung oder einer Pulsgatter-basierten Schaltung realisiert sein. Dies ermöglicht eine zeitweise Dämpfung oder komplette Ausblendung des von der Antennen-Einheit 4 empfangenen Empfangssignals. Zur initiierenden Triggerung der Pulserzeugungseinheit umfasst das Füllstandsmessgerät in einer weiterführenden Ausgestaltungsform einen Initial-Trigger. Dieser dient dazu, zum Starten der Messung oder für den Fall, dass innerhalb eines vorbestimmten maximalen Zeitintervalls kein an der Oberfläche des Füllgutes reflektierter Mikrowellen-Puls empfangen wird, einen initiierenden Mikrowellen-Puls in Richtung des Füllgutes auszusenden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Füllstandsmessgeräts ist zumindest eine Filter-Einheit vorgesehen, die nach einem der vorhergehend beschriebenen
Verfahren prüft, ob es sich bei dem empfangenen Mikrowellen-Puls um den an der Oberfläche des Füllgutes reflektierten Mikrowellen-Puls handelt. Hierdurch wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden, dass aufgrund von empfangenen Mikrowellen-Pulsen, die nicht durch Reflektion an der Füllgutoberfläche hervorgerufen worden sind, ein falscher Füllstandswert ermittelt wird.
Für eine verbesserte Detektion der empfangenen Mikrowellenpulse ist es zudem von Vorteil, dass das Füllstandsmessgerät zumindest einen Verstärker zur Verstärkung der auszusendenden Mikrowellen-Pulse und/oder der reflektierten Mikrowellen-Pulse umfasst. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Verstärker die reflektierten Mikrowellen-Pulse derart verstärkt, dass die Verstärkung bei geringer werdender Wiederholfrequenz erhöht wird, und dass die Verstärkung bei höher werdender
Wiederholfrequenz verringert wird. Hierdurch kann ein Übersteuern der empfangenen Mikrowellen-Pulse unterdrückt werden, wenn diese aufgrund von hohen Füllständen sehr stark reflektiert werden. Ebenfalls wird hierdurch bei niedrigen Füllständen und dementsprechend schwach reflektierten Mikrowellen-Pulsen eine ausreichende
Signalstärke gewährleistet.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts, Fig. 2: eine ausschnittsweise Detailansicht des Blockschaltbilds, Fig. 3: ein erweitertes Füllstandsmessgerät mit einer Modulations-Einheit, Fig. 4: eine analoge Ausführungsform der Modulations-Einheit, Fig. 5a: eine digitale Ausführungsvariante der Modulations-Einheit,
Fig. 5b: eine zweite digitale Ausführungsvariante der Modulations-Einheit, Fig. 6: ein erweitertes Füllstandsmessgerät mit zwei Antennen, Fig. 7: ein erweitertes Füllstandsmessgerät mit einem Verstärker,
Fig. 8: ein erweitertes Füllstandsmessgerät mit digitaler Verzögerungseinheit, Fig. 9: eine weitere Variante einer digitalen Verzögerungseinheit,
Fig. 10: ein erweitertes Füllstandsmessgerät mit zwei Antennen, und Fig. 1 1 : ein erweitertes Füllstandsmessgerät mit zusätzlichem Verstärker.
Anhand von Fig. 1 , in der ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
Füllstandsmessgeräts dargestellt ist, wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung des Füllstands L eines in einem Behälter 1 befindlichen Füllguts 2 veranschaulicht. Das Füllstandsmessgerät ist in der gezeigten Darstellung in einer vordefinierten Höhe I über dem Boden des Behälters 1 angebracht. Vom Füllstandsmessgerät werden zyklisch mit einer Wiederholfrequenz fpU|S Mikrowellen-Pulse durch eine Antennen-Einheit 4 in Richtung des Füllgutes 2 ausgesendet. Die Mikrowellen-Pulse werden über eine
Pulserzeugungseinheit 3 angeregt und über einen Duplexer in die Antennen-Einheit 4 geleitet, wo sie in Richtung des Füllgutes 2 abgestrahlt werden.
Die Pulserzeugungseinheit 3 besteht aus zwei Teil-Komponenten, wie es aus dem Stand der Technik im Bereich Pulsradar bereits bekannt ist: Einem Pulsgenerator 3a und einem Hochfrequenzgenerator 3b, der vorzugsweise einen geringen Gütefaktor aufweist. Hierbei wird die zeitliche Länge des Mikrowellen-Pulses durch den Pulsgenerator 3a,
beispielsweise einen Pulsverkürzer oder eine monostabile Kippstufe geregelt. Die Regelung erfolgt hierbei unter Berücksichtigung der Anschwingzeit, die aus dem
Gütefaktor resultiert. Die im GHz Bereich liegende Eigenfrequenz des Mikrowellen-Pulses wird durch den Hochfrequenzgenerator 3b, beispielsweise einen Gunn- oder Halbleiter- Reflex-Oszillator, festgelegt. Die Triggerung des Pulsgenerators 3a, also die zeitliche Auslösung eines Mikrowellen-Pulses, wird durch einen Trigger 6 gesteuert.
Nach Reflektion an der Oberfläche des Füllguts 2 wird des Mikrowellen-Puls nach einer von der Füllhöhe L des Füllgutes abhängigen Laufzeit t an der Antenne 4 detektiert und über den Duplexer zu einer Filter-Einheit 10 geleitet.
Alternativ zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Antennen-Einheit 4 anstatt aus einer einzigen Antenne, die in Sende- und Empfangsrichtung arbeitet, zum separaten Senden und Empfangen auch aus zwei eigenständige Antennen bestehen. In diesem Fall ist kein Duplexer als Weiche für die auszusendenden und reflektierten Mikrowellen-Pulse notwendig.
Die Filter-Einheit 10 dient zur Filterung von Mikrowellen-Pulsen, die von der Antennen- Einheit 4 empfangen werden, die jedoch nicht durch Reflektion an der Oberfläche des Füllguts 2, sondern beispielsweise durch Störkörper innerhalb des Behälters 1 oder durch Mehrfachechos hervorgerufen werden. Die Filterung kann beispielsweise darauf basieren, dass nur Mikrowellen-Pulse mit einer in einem vordefinierten Bereich liegenden
Signalstärke nicht gefiltert werden. Dieser vordefinierte Bereich kann beispielsweise durch eine oder mehrere Kalibrations-Messungen ermittelt werden, bei denen die
Signalstärke z. B. bei einem definierten Füllstand gemessen wird. Nach der Filterung wird der Mikrowellen-Puls von einer Detektor-Einheit 5 erfasst, durch die der Trigger 6 ausgelöst wird.
Anhand der rückgekoppelten Auslösung von Mikrowellen-Pulsen, bei dem
erfindungsgemäß ein empfangener Mikrowellen-Puls jeweils den nachfolgenden
Mikrowellen-Puls auslöst, stellt sich die Wiederholfrequenz fpU|S derart in Abhängigkeit der Laufzeit t ein, dass sich die Wiederholfrequenz fpU|S bei kürzer werdender Laufzeit t erhöht und bei länger werdender Laufzeit t verringert. Hierdurch ist es zur Ermittlung des Füllstandes L lediglich notwendig, die sich einstellende Wiederholfrequenz fpU|S durch eine Auswerte-Einheit 7 zu bestimmen. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts ist die Wiederholfrequenz fpU|S aufgrund der direkten Rückkopplung proportional zu dem Kehrwert der Laufzeit t, sofern es keine relevante schaltungsinterne Laufzeitverzögerung gibt.
Eine ausschnittsweise Detailansicht des in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbilds ist in Fig. 2 dargestellt. In dieser Darstellung sind vorteilhafte schaltungstechnische Möglichkeiten zur Realisierung der Detektor-Einheit 5, der Auswerte-Einheit 7 und des Initial-Triggers 9 aufgezeigt.
Die gezeigte Detektor-Einheit 5 setzt sich aus einer Gleichrichterdiode D1 und einem nachgeschalteten Tiefpass zusammen, wobei der Tiefpass aus zwei in Serie geschalteten Widerständen R1 , R2 und zwei gegen Masse geschalteten Kondensatoren C1 und C2 besteht.
Der Initial-Trigger ist G1 als Umbeschaltung des Pulsgenerators 3a mit zwei
Kondensatoren C3, C4, einer Diode D2 und einem NAND-Gatter ausgeführt. Hierbei wirken die Diode D2 und der Kondensator zudem zum erneuten Starten der Messung, falls kein an der Oberfläche des Füllgutes reflektierter Mikrowellen-Puls empfangen wurde und das zyklische Senden dementsprechend unterbrochen wurde. Auch die in Fig. 2 gezeigte Auswerte-Einheit 7 besteht aus einem Tiefpass, der einen gegen Masse geschalteten Kondensator C5 und zwei im Ausgangspfad befindlichen Widerstände R3, R4 umfasst. Der resultierende Gleichspannungswert des Ausgangssignals Vout ist dadurch proportional zur Wiederholfrequenz fpU|S, so dass dem Ausgangssignal Vout hierdurch ein diskreter Füllstand L zugeordnet werden kann.
Fig. 3 zeigt eine erweiterte Ausführung des in Fig. 1 dargestellten Füllstandsmessgeräts. Die Erweiterung betrifft eine Modulations-Einheit 8, die im Signalpfad zwischen der Detektor-Einheit 5 und dem Trigger 6 angeordnet ist. Durch die Modulations-Einheit 8 wird die Auslösung des Triggers 6 um eine Delay-Zeit tdeiay verzögert. Für den Fall, dass die Zeitverzögerung tdeiay durch einen vordefinierten Wert eingestellt ist, kann die
Modulations-Einheit 8 auf analoge Weise durch logarithmisch zugeschaltete
Leitungsstücke oder auf Basis digitaler Wandlung aufgebaut sein. In diesem Fall ergibt sich die Wiederholfrequenz fpU|S proportional zu dem Kehrwert der Summe aus der Laufzeit t und der Delay-Zeit tdeiay-
Sofern durch die Modulations-Einheit 8 keine reine Verzögerung, sondern eine zeitweise Ausblendung des Empfangssignals innerhalb des Sende-Zyklus eingestellt werden soll, kann dies ebenfalls auf analoger oder digitaler Basis durch die Modulations-Einheit 8 geschehen. Die zeitweise Ausblendung des Empfangssignals, in dem neben dem reflektierten Mikrowellen-Puls auch Stör-Echos enthalten sein können, bewirkt die Ausblendung von Stör-Echos aus dem Nahbereich des Füllstandsmessgeräts. Dabei wird die Tiefe des Nahbereichs durch den Wert der Delay-Zeit tdeiay definiert.
Eine hierfür geeignete schaltungstechnische Realisierungsvariante der Modulations- Einheit 8 auf analoger Basis ist in Fig. 4 dargestellt. Die dort gezeigte Schaltung basiert auf einer Kaskade aus drei Transistoren T21 , T22, T23, wobei das Empfangssignal über einen Eingangswiderstand R27 zur Basis bzw. dem Gate des Eingangstransistors T23 geleitet wird. Das Einstellen der Delay-Zeit tdeiay erfolgt durch eine analoge
Gleichspannung Vtune über einen Widerstand R29, wodurch ein entsprechendes Potenzial am Ausgang einer Varaktordiode D21 eingestellt wird. Der Kondensator C21 dient hierbei zum Abtrennen dieses Potentials vom Rest der Schaltung. Für den Fall, dass die Delay- Zeit tdeiay nicht konfigurierbar ist, sondern durch die Schaltung voreingestellt wird, kann dies über eine entsprechende Dimensionierung eines Kondensators erfolgen. In diesem Fall ist die Varaktordiode D21 durch einen Kurzschluss ersetzt, der Widerstand R29 entfällt.
Um der hohen Pulsfrequenz fpU|S gerecht zu werden, ist es vorteilhaft, die Transistoren T21 , T22, T23 als diskrete Bipolar Transistoren auszulegen, da sie generell eine schnellere Ansprechzeit als MOS-FET Transistoren aufweisen.
Alternativ zu einer analogen Realisierung kann eine zeitweise Ausblendung des
Empfangssignals auch auf digitaler Basis durchgeführt werden. Zwei hierfür geeignete Ausgestaltungsvarianten der Modulations-Einheit 8 sind in Fig. 5a und Fig. 5b dargestellt. Bei dem in Fig. 5a gezeigten Schaltkreis erfolgt die Ausblendung über einen Schalter S1 1 , der von einem Flipflop FF geschaltet wird. Die Eingangssignale S, R des Flipflops werden hierbei durch das Empfangssignal beziehungsweise das mit tdeiay verzögerte Empfangssignal gebildet.
Bei der in Fig. 5b gezeigten Variante der Modulations-Einheit 8 wird die Ausblendung des Empfangssignals dadurch erreicht, dass das Empfangssignal durch einen Transistor T1 1 auf Masse gezogen wird. Die Steuerung des Transistors T1 1 erfolgt hierbei über ein Pulsgatter, dessen Eingänge durch das Empfangssignal bzw. das mit tdeiay verzögerte Empfangssignal gespeist werden.
Die in Fig. 5a und Fig. 5b gezeigten Varianten zur digitalen Ausblendung des
Empfangssignals setzen voraus, dass das Empfangssignal einen wertediskreten Spannungspegel aufweist. Dies setzt eine entsprechende Digitalisierung des
Empfangssignals vor der Modulations-Einheit 8, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, voraus.
In Fig. 7 bis Fig. 9 sind Ausführungsbeispiele der Modulations-Einheit 8 gezeigt, bei dem eine Digitalisierung des Empfangssignals durch eine vorgelagerte Torschaltung durchgeführt wird. Dort besteht die Torschaltung aus einem Flipflop FF1 , zwei Schaltern S1 , S3, einem AND-Gatter A1 , einem Potentiometer R2 und einer Kapazität C2.
Je nach Schalterstellung des Schalters S1 kann das Flipflop FF1 auf das Empfangssignal oder einen Referenz-Puls getriggert werden (in der dargestellten Schalterstellung wird auf das Empfangssignal getriggert). Eine veränderliche Totzeit des Flipflops FF1 kann durch Änderung des Potentiometers R2 bewirkt werden.
Die eigentliche Zeitverzögerung tdeiay wird über die Entladekurve eines Widerstandes R1 und einer Kapazität C1 eingestellt. Hierbei wird das Empfangssignal über den Widerstand R1 und die Kapazität C1 entladen, bis der Pegel unter eine vordefinierte Schwelle fällt.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsvariante wird die Zeitverzögerung tdeiay durch einen kaskadierten Aufbau erreicht. Analog zu dem ersten Flipflop FF1 , dem Schalter S2, dem Widerstand R1 und der Kapazität C1 ist ein zweites Flipflop FF2, ein weiteres RC- Glied R3, C3 und ein weiterer Schalter S4 mit derselben Funktion nachgeschaltet.
Anstellte der in Fig. 7 gezeigten Variante zur Realisierung der Zeitverzögerung durch ein RC-Glied R1 , C1 und S2, bzw. R3, C3 und S4, ist es auch möglich die Zeitverzögerung tdeiay durch einen digitalen Zähler, wie in Fig. 8 dargestellt, zu erreichen. In diesem Fall wird nach Detektion des Empfangssignals durch das Flipflop FF1 der AND-Gatter-
Oszillator eingeschaltet und bis zu einem vorbestimmten Zählerstand hochgezählt. Bei Erreichen dieses Zählerstandes wird ein Rücksetz-Signal durch den Zähler erzeugt und das Flipflop somit zurückgesetzt. Eine dritte Variante zur Realisierung der Zeitverzögerung tdeiay ist in Fig. 9 dargestellt. Bei dieser Variante wird eine Verzögerungsleitung At zur Verzögerung im ns-Bereich, beispielsweise hierfür geeignete Logik-IC's oder akustische Verzögerungsleitungen, eingesetzt. Nach Empfang des Empfangssignals durch den ersten Flipflop FF1 wird an dessen Ausgang Q ein Signal erzeugt, wobei dieses durch die Verzögerungsleitung At verzögert wird. Nach Ablauf der Zeitverzögerung tdeiay wird ein zweites Flipflop angesteuert und ein Rücksetzsignal für beide Flipflops FF1 , FF2 erzeugt.
Fig. 10 zeigt eine erweiterte Ausführungsvariante des in Fig. 1 dargestellten
Füllstandsmessgeräts. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau umfasst die Antennen-Einheit 4 zwei Sende- und Empfangsantennen, die separat über zwei Duplexer von der Pulserzeugungseinheit 3 angesteuert werden. Die von den zwei Antennen empfangenen Empfangssignale werden bei dieser Ausgestaltungsvariante in der Filter- Einheit 10 durch eine AND-Logik gefiltert. Hierdurch kann ebenfalls eine Unterdrückung von Stör-Echos erreicht werden. Dies wird dadurch bewirkt, dass durch die zusätzliche zweite Antenne ein zweiter Mikrowellen-Puls zeitgleich zum ersten Mikrowellen-Puls in Richtung des Füllgutes ausgesendet wird. Hierbei wird für den Fall, dass die Laufzeit tref des zweiten Mikrowellen-Pulses nicht in etwa der Laufzeit t des ersten Mikrowellen- Pulses entspricht, der empfangene Mikrowellen-Puls durch die AND-Logik herausgefiltert. Um die Wirksamkeit dieser Variante zu maximieren, ist es vorteilhaft, die zwei Antennen der Antennen-Einheit derart auszurichten, dass sie möglichst verschiedene
Abstrahlbereiche erfassen. Damit wird erreicht, dass die Antennen neben dem von der Oberfläche des Füllguts 2 reflektierten Mikrowellen-Puls nicht die gleichen Stör-Echos empfangen. In der Folge werden diese Stör-Echos durch die AND-Logik der Filter-Einheit 10 ausgefiltert. Auf Basis dieses Wirkprinzips erhöht die in Fig. 10 gezeigte
Ausführungsvariante die Robustheit des Füllstandsmessgeräts gegenüber Stör-Echos.
Die in Fig. 1 1 dargestellte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Füllstandsmessgeräts zeichnet sich durch einen zusätzlichen Verstärker 1 1 , der im Empfangspfad zwischen der Detektor-Einheit 5 und dem Trigger 6 angeordnet ist, aus.
Hierbei wird die Verstärkung A anhand der Wiederholfrequenz fpU|S gesteuert. Vorteilhaft wird der Verstärker 1 1 derart gesteuert, dass die Verstärkung A bei geringer werdender Wiederholfrequenz fpU|S erhöht wird, und dass die Verstärkung A bei höher werdender Wiederholfrequenz fpUis verringert wird. Insbesondere bei kurzen Distanzen oder stark reflektierenden Oberflächen kann ist es von Vorteil, wenn die Verstärkung derart schwach eingestellt ist, dass der Verstärker 1 1 eine signaldämpfende Wirkung aufweist. Im Sinne der Erfindung kann ein gleichermaßen angesteuerter Verstärker natürlich auch im
Sendepfad angeordnet sein.
Durch den entsprechend angesteuerten Verstärker 1 1 kann ein Übersteuern der empfangenen Mikrowellen-Pulse unterdrückt werden, wenn diese beispielsweise aufgrund von hohen Füllständen sehr stark reflektiert werden. Ebenfalls wird hierdurch bei niedrigen Füllständen und entsprechend schwach reflektierten Mikrowellen-Pulsen eine ausreichende Signalstärke des Empfangssignals gewährleistet. Insgesamt trägt die Art der Steuerung auch zu einem verminderten Leistungsverbrauch des
Füllstandsmessgeräts bei. Dies ist insofern relevant, als dass vor allem bei Feldgeräten in der Prozessautomation sehr hohe Anforderungen an die Explosionssicherheit gestellt werden, wodurch die maximal erlaubte Leistungsaufnahme stark begrenzt ist. Bezugszeichenliste
1 Behälter
2 Füllgut
3 Pulserzeugungseinheit
4 Antennen-Einheit
5 Detektor-Einheit
6 Trigger
7 Auswerte-Einheit
8 Modulations-Einheit
9 Initial-Trigger
10 Filter-Einheit
1 1 Verstärker
fpuls Wiederholfrequenz
L Füllstand
t Laufzeit
tdelay Zeitverzögerung tref Laufzeit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung des Füllstands (L) eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes (2) mittels Mikrowellen-Pulsen, folgende Verfahrensschritte umfassend:
- Ein Mikrowellen-Puls wird in Richtung des Füllgutes (2) ausgesendet,
der Mikrowellen-Puls wird an der Oberfläche des Füllgutes (2) reflektiert, der reflektierte Mikrowellen-Puls wird nach einer vom Füllstand (L) abhängigen Laufzeit (t) empfangen,
wobei die Verfahrensschritte mit einer Wiederholfrequenz (fpU|S) zyklisch wiederholt werden,
wobei die Wiederholfrequenz (fpU|S) derart in Abhängigkeit der Laufzeit (t) gesteuert wird, dass sich die Wiederholfrequenz (fpU|S) bei kürzer werdender Laufzeit (t) erhöht und bei länger werdender Laufzeit (t) verringert, und
wobei anhand der Wiederholfrequenz (fpU|S) der Füllstand (L) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Wiederholfrequenz (fpU|S) proportional zu dem Kehrwert der Laufzeit (t) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Wiederholfrequenz (fpU|S) proportional zu dem Kehrwert der Summe aus der Laufzeit (t) und einer Delay-Zeit (tdeiay) ist.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Starten der Messung oder für den Fall, dass innerhalb eines vorbestimmten maximalen
Zeitintervalls (Atmax) kein an der Oberfläche des Füllgutes (2) reflektierter Mikrowellen- Puls empfangen wird, ein initiierender Mikrowellen-Puls in Richtung des Füllgutes (2) ausgesendet wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei geprüft wird, ob es sich bei dem empfangenen Mikrowellen-Puls um den an der Oberfläche des Füllgutes (2) reflektierten Mikrowellen-Puls handelt,
indem
die Signalstärke des empfangenen Mikrowellen-Pulses ermittelt wird, wobei der empfangene Mikrowellen-Puls herausgefiltert wird, wenn die Signalstärke außerhalb eines vordefinierten Bereichs liegt.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei geprüft wird, ob es sich bei dem empfangenen Mikrowellen-Puls um den an der Oberfläche des Füllgutes (2) reflektierten Mikrowellen-Puls handelt,
indem ein zweiter Mikrowellen-Puls zeitgleich zum ersten Mikrowellen-Puls in Richtung des Füllgutes (2) ausgesendet wird,
der zweite Mikrowellen-Puls an der Oberfläche des Füllgutes (2) reflektiert wird, der reflektierte zweite Mikrowellen-Puls nach einer vom Füllstand (L) abhängigen Laufzeit (tref) empfangen wird,
die Laufzeit (tref) des zweiten Mikrowellen-Pulses mit der Laufzeit (t) des ersten Mikrowellen-Pulses verglichen wird,
wobei für den Fall, dass die Laufzeit (tref) des zweiten Mikrowellen-Pulses nicht in etwa der Laufzeit (t) des ersten Mikrowellen-Pulses entspricht, der empfangene Mikrowellen- Puls herausgefiltert wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der auszusendende Mikrowellen-Puls und/oder der empfangene Mikrowellen-Puls derart verstärkt werden/wird, dass die Verstärkung (A) bei geringer werdender
Wiederholfrequenz (fpU|S) erhöht wird, und dass die Verstärkung (A) bei höher werdender Wiederholfrequenz (fpU|S) verringert wird.
8. Füllstandsmessgerät zur Ausführung des in zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche beschriebenen Verfahrens, umfassend:
- Eine Pulserzeugungseinheit (3) zur Erzeugung von Mikrowellen-Pulsen,
zumindest eine Antennen-Einheit (4) zum Aussenden und/oder Empfangen von Mikrowellen-Pulsen,
eine Detektor-Einheit (5) zur Detektion der reflektierten Mikrowellen-Pulse, einen Trigger (6) zum getakteten Triggern der Pulserzeugungseinheit (3) in Abhängigkeit der Laufzeit (t), und
eine Auswerte-Einheit (7) zur Bestimmung der Wiederholfrequenz (fpuis)-
9. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 8, des weiteren umfassend
eine Modulationseinheit (8), welche die Triggerung der Pulserzeugungseinheit (3) um eine Delay-Zeit (tdeiay) verzögert.
10. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 8 oder 9, des weiteren umfassend
einen Initial-Trigger (9) zur initiierenden Triggerung der Pulserzeugungseinheit (3).
1 1. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei zumindest eine Filter-Einheit (10) vorgesehen ist, die nach dem in Anspruch 5 und/oder 6 beschriebenen Verfahren prüft, ob es sich bei dem empfangenen Mikrowellen-Puls um den an der Oberfläche des Füllgutes (2) reflektierten Mikrowellen-Puls handelt.
12. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , des weiteren umfassend
zumindest einen Verstärker (1 1 ) zur Verstärkung (A) der auszusendenden Mikrowellen-Pulse und/oder der reflektierten Mikrowellen-Pulse.
13. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 12, wobei der Verstärker (1 1 ) die reflektierten Mikrowellen-Pulse derart verstärkt, dass die Verstärkung (A) bei geringer werdender Wiederholfrequenz (fpU|S) erhöht wird, und dass die Verstärkung (A) bei höher werdender Wiederholfrequenz (fpuis) verringert wird.
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