DE19961855A1 - Fill level determination method for filling material in container involves determining fill level of filling material in container based on phase change of echo signal in predetermined frequency range - Google Patents

Fill level determination method for filling material in container involves determining fill level of filling material in container based on phase change of echo signal in predetermined frequency range

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Abstract

The measurement signals are emitted to the surface (3) of the filling material (2) in a container (4). The characteristic of an echo signal, reflected from the filling material surface, is determined. The echo signal in a time domain is converted into a frequency range. The fill level of the filling material in the container is determined based on the phase change of the echo signal in the frequency range. An Independent claim is also included for a fill level determination device.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter, wobei Meßsignale in Richtung der Oberfläche des Füllguts ausgesendet und an der Oberfläche als Echosignale (Nutzechosignale) reflektiert werden und wobei durch Auswertung der reflektierten Echosignale der Füllstand bzw. eine Füllstandsänderung des Füllguts in dem Behälter bestimmt wird. Derartige Verfahren sind unter dem Namen Impulslaufzeit-Verfahren bekannt geworden. Desweiteren wird eine Vorrichtung durch Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen.The invention relates to a method for determining the fill level a filling material in a container, with measurement signals in the direction of Surface of the product is emitted and on the surface as echo signals (Useful echo signals) are reflected and by evaluating the reflected echo signals the level or a change in level of the Filling material is determined in the container. Such procedures are under the The name of the pulse transit time method has become known. Furthermore, one Device by performing the method according to the invention suggested.

Verfahren, die die Entfernung zu einem Objekt über die Laufzeit von Meß- bzw. Echosignalen bestimmen, nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Im Falle der Füllstandsmessung entspricht die Laufstrecke beispielsweise dem doppelten Abstand zwischen einer Antenne und der Oberfläche des Füllguts.Methods that measure the distance to an object over the or determine echo signals, use the physical law from, according to which the running distance is equal to the product of running time and Speed of propagation is. In the case of level measurement the running distance, for example, twice the distance between one Antenna and the surface of the product.

Das an der Oberfläche des Füllguts reflektierte Nutzechosignal und dessen Laufzeit werden bei Verwendung von hochfrequenten Meßsignalen üblicherweise im Zeitbereich anhand der sog. Zwischenfrequenz oder aber anhand der digitalen Hüllkurve bestimmt. Sowohl die Zwischenfrequenz als auch die digitale Hüllkurve liefern die Amplituden der Echosignale als Funkton des Abstandes 'Antenne - Oberfläche des Füllguts'. Der Füllstand selbst ergibt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der Antenne von dem Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllguts von der Antenne.The useful echo signal reflected on the surface of the product and its Runtime are when using high-frequency measurement signals usually in the time domain based on the so-called intermediate frequency or determined from the digital envelope. Both the intermediate frequency as the digital envelope curve also provides the amplitudes of the echo signals as funct of the distance 'antenna - surface of the product'. The level itself then results from the difference between the known distance Antenna from the bottom of the container and through the measurement certain distance of the surface of the product from the antenna.

In der DE 31 07 444 A1 wird ein hochauflösendes Impulsradarverfahren beschrieben. Ein Generator erzeugt erste Mikrowellenpulse und strahlt sie über eine Antenne mit einer vorgegebenen Sendewiederholfrequenz in Richtung der Oberfläche des Füllguts aus. Ein weiterer Generator erzeugt Referenz-Mikrowellenpulse, die gleich den ersten Mikrowellenpulsen sind, sich von diesen jedoch in der Sendewiederholrate geringfügig unterscheiden. Das Echosignal und das Referenzsignal werden gemischt. Am Ausgang des Mischers steht ein Zwischenfrequenzsignal an. Das Zwischenfrequenzsignal hat den gleichen Verlauf wie das Echosignal, ist gegenüber diesem jedoch um einen Zeitverzögerungsfaktor gestreckt, der gleich einem Quotienten aus der Sendewiederholfrequenz und der Frequenzdifferenz zwischen den ersten Mikrowellenpulsen und den Referenz-Mikrowellenpulsen ist. Bei einer Sendewiederholfrequenz von einigen Megahertz, einer Frequenzdifferenz von wenigen Hertz und einer Mikrowellenfrequenz von einigen Gigahertz liegt die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals unterhalb von 100 kHz. Der Vorteil der Transformation auf die Zwischenfrequenz ist, daß relativ langsame und damit kostengünstige elektronische Bauteile zur Signalerfassung und/oder Signalauswertung verwendet werden können.DE 31 07 444 A1 describes a high-resolution pulse radar method described. A generator generates the first microwave pulses and emits them via an antenna with a predetermined transmission repetition frequency in Towards the surface of the product. Another generator is generated Reference microwave pulses that are the same as the first microwave pulses,  differ slightly from these in the retransmission rate. The echo signal and the reference signal are mixed. At the exit of the An intermediate frequency signal is present at the mixer. The intermediate frequency signal has the same course as the echo signal, but is opposite to it stretched a time delay factor that is equal to a quotient from the Repetition frequency and the frequency difference between the first Microwave pulses and the reference microwave pulses. At a Repetition frequency of a few megahertz, a frequency difference of a few Hertz and a microwave frequency of a few gigahertz Frequency of the intermediate frequency signal below 100 kHz. The advantage the transformation to the intermediate frequency is that relatively slow and thus inexpensive electronic components for signal acquisition and / or Signal evaluation can be used.

Werden anstelle der hochfrequenten Meßsignale z. B. Ultraschallwellen verwendet, so erübrigt sich natürlich eine Transformation auf eine Zwischen­ frequenz.Instead of the high-frequency measurement signals such. B. ultrasonic waves used, a transformation to an intermediate is of course superfluous frequency.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Füllstands­ bestimmung vorzuschlagen, das alternativ oder additiv zu den bekannten Impulslaufzeitverfahren verwendbar ist.The invention has for its object a method for filling level to propose provision that is alternative or additive to the known Pulse delay method can be used.

Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der zeitliche Verlauf des Echosignals bestimmt wird, daß das im Zeitbereich ermittelte Echosignal in den Frequenzbereich transformiert wird und daß anhand einer Änderung der Phasenlage des Echosignals im Frequenzbereich die Höhe des Füllstands bzw. eine Füllstandsänderung des Füllguts in dem Behälter bestimmt wird.With regard to the method according to the invention, the object is thereby solved that the time course of the echo signal is determined that the Time domain determined echo signal is transformed into the frequency domain and that based on a change in the phase position of the echo signal in Frequency range the level of the level or a change in level of the Filling material is determined in the container.

Die erfindungsgemäße Lösung basiert darauf, daß das Amplitudenspektrum der Echosignale bei konstanter Bandbreite der Meßsignale unabhängig ist vom jeweiligen Füllstand des Füllguts. Allerdings macht sich eine Füllstands­ änderung in einer Verschiebung des Nutzechosignals auf der Zeitachse bemerkbar. Einer Verschiebung des Nutzechosignals im Zeitbereich entspricht also eine Phasenänderung des Nutzechosignals im Frequenzbereich. The solution according to the invention is based on the fact that the amplitude spectrum the echo signals are independent with a constant bandwidth of the measurement signals the respective fill level of the product. However, a fill level does Change in a shift of the useful echo signal on the time axis noticeable. A shift in the useful echo signal in the time domain corresponds to a phase change of the useful echo signal in Frequency range.  

Mittels einer Fourier-Transformation läßt sich ein Signal bekanntlich vom Zeitbereich in den Frequenzbereich oder vom Frequenzbereich in den Zeitbereich transformieren. Mathematisch wird dieser Sachverhalt wie folgt dargestellt: x(t) ↔ X(f), wobei x(t) das Signal im Zeitbereich und X(f) das Signal im Frequenzbereich kennzeichnet.As is known, a signal can be transformed from the time domain into the frequency domain or from the frequency domain into the time domain by means of a Fourier transformation. This situation is represented mathematically as follows: x (t) ↔ X (f), where x (t) denotes the signal in the time domain and X (f) the signal in the frequency domain.

Verschiebt man die Zeitfunktion x(t) um die Zeit t0, so führt dies zu einer gegenläufigen Phasendrehung der positiven und negativen Spektralanteile. Die Phasendrehung wächst linear mit der Frequenz f und der Verschiebung t0. Dieser Zusammenhang wird in der Signalverarbeitung als Verschiebungstheorem bezeichnet. Mathematisch erreicht man die Phasendrehung durch Multiplikation der Spektralfunktion X(f) mit dem komplexen Einheitsvektor
If the time function x (t) is shifted by the time t 0 , this leads to an opposite phase shift of the positive and negative spectral components. The phase rotation increases linearly with the frequency f and the shift t 0 . This relationship is referred to as a shift theorem in signal processing. The phase shift is achieved mathematically by multiplying the spectral function X (f) by the complex unit vector

exp (-i2πft0) = cos 2πft0 - i sin 2πft0.exp (-i2πft 0 ) = cos 2πft 0 - i sin 2πft 0 .

Damit läßt sich die Fouriertransformation wie folgt darstellen:
The Fourier transform can thus be represented as follows:

x(t - t0) ↔ X(f).exp (-i2πft0) = X(f).(cos 2πft0 - i sin 2πft0).x (t - t 0 ) ↔ X (f) .exp (-i2πft 0 ) = X (f). (cos 2πft 0 - i sin 2πft 0 ).

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß für den Fall hochfrequenter Meßsignale das im Zeitbereich ermittelte Echosignal durch sequentielle Abtastung aus dem Hochfrequenzbereich in den Niederfrequenzbereich transformiert wird und daß das in den Niederfrequenzbereich transformierte Echosignal einer Fourier-Transformation unterzogen wird. Der Vorteil der Transformation der hochfrequenten Signale in den Niederfrequenzbereich ist darin zu sehen, daß wesentlich kostengünstigere Hardware zur Auswertung herangezogen werden kann. Je nach verwendeter Hardware ist jedoch auch durchaus eine Auswertung der Echosignale in Echtzeit möglich.According to an advantageous development of the method according to the invention it is proposed that in the case of high-frequency measurement signals Time domain determined echo signal by sequential sampling from the High frequency range is transformed into the low frequency range and that the echo signal transformed into the low frequency range is one Undergoes Fourier transformation. The advantage of transforming the high-frequency signals in the low frequency range can be seen in that much cheaper hardware can be used for evaluation can. Depending on the hardware used, there is also one Evaluation of the echo signals possible in real time.

Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß im Falle der Verwendung von hochfrequenten Meßsignalen das im Zeitbereich ermittelte Echosignal durch sequentielle Abtastung aus dem Hochfrequenzbereich in den Niederfrequenzbereich transformiert wird; anschließend wird das zeittransformierte Echosignal gleichgerichtet und digitalisiert. In einem letzten Schritt wird das gleichgerichtete und digitalisierte Echosignal einer Fourier-Transformation unterzogen. Gemäß dieser Alternative wird also nicht die sogenannte Zwischenfrequenz fourier­ transformiert, sondern die digitale Hüllkurve wird einer Fourier-Transformation unterzogen.An alternative embodiment of the method according to the invention provides that in the case of using high-frequency measurement signals in Time domain determined echo signal by sequential sampling from the High frequency range is transformed into the low frequency range; the time-transformed echo signal is then rectified and digitized. In a final step, the rectified and digitized  Echo signal subjected to a Fourier transformation. According to this The so-called intermediate frequency fourier is therefore not an alternative transformed, but the digital envelope is a Fourier transform subjected.

Bei der Hüllkurvenauswertung erhöht sich die Meßgenauigkeit bekanntlich dadurch, daß zusätzlich zu den Maxima (Peaks) der Echosignale, die Amplitudeninformation liefern, auch die Phasenlagen der Echosignale zur Auswertung herangezogen werden. Hierzu wird die amplitudenmodulierte Zwischenfrequenz demoduliert und in ihre komplexen Bestandteile zerlegt. Erreicht wird dies z. B. durch die sog. Quadraturdemodulation, d. h. die Zwischenfrequenz wird einmal mit einer Sinus-Schwingung (Q) und einmal mit einer Cosinus-Schwingung (I) multipliziert, wobei beide Schwingungen eine ähnliche Frequenz haben wie die Zwischenfrequenz. Die durch die Multiplikation entstehenden hohen Frequenzen werden mit einem Tießpaß­ filter ausgefiltert. Das Hüllkurvensignal HK wird aus der Wurzel der Summe der Quadrate von I (Inphasekomponente) und Q (Quadraturkomponente) erhalten: HK = √I2 + Q2. Anschließend erfolgt die übliche Amplitudenaus­ wertung; an den gefundenen Orten der Maxima wird zusätzlich die jeweilige Phasenlage und die Differenz der beiden Phasenlagen bestimmt. Der Abstand der Antenne von der Oberfläche des Füllguts setzt sich dann zusammen aus einem Anteil von ganzzahligen Wellenlängen, der sich aus der Amplitudenauswertung ergibt, und einem Phasenrest.When evaluating the envelope curve, the measurement accuracy is known to be increased by the fact that in addition to the maxima (peaks) of the echo signals, which provide amplitude information, the phase positions of the echo signals are also used for the evaluation. For this purpose, the amplitude-modulated intermediate frequency is demodulated and broken down into its complex components. This is achieved e.g. B. by the so-called. Quadrature demodulation, ie the intermediate frequency is multiplied once with a sine wave (Q) and once with a cosine wave (I), both vibrations having a similar frequency as the intermediate frequency. The high frequencies resulting from the multiplication are filtered out with a low pass filter. The envelope signal HK is obtained from the root of the sum of the squares of I (in-phase component) and Q (quadrature component): HK = √I 2 + Q 2 . Then the usual amplitude evaluation takes place; the respective phase position and the difference between the two phase positions are additionally determined at the locations of the maxima found. The distance of the antenna from the surface of the filling material is then composed of a fraction of integer wavelengths, which results from the amplitude evaluation, and a phase remainder.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß in einem ersten Verfahrensschritt der Füllstand in dem Behälter anhand des zeitlichen Verlaufs des Echosignals ermittelt wird; nachfolgend wird dann zusätzlich das Echosignal einer Fouriertransformation unterzogen, und es erfolgt eine weitere Auswertung im Frequenzbereich. Diese Ausgestaltung führt insbesondere dann zu einer erhöhten Meßgenauigkeit, wenn Mehrwegeausbreitung oder Mehrmodenaus­ breitung auftritt. Mehrwegeausbreitung bedeutet, daß die Echosignale neben dem eigentlichen Nutzsignal, das an der Oberfläche des Füllguts direkt reflektiert wird, zusätzlich einen Störsignalanteil enthalten, der auf Retro­ reflexionen der Meßsignale an der Behälterwand oder an sonstigen im Behälterinnenraum befindlichen Einbauten zurückzuführen ist. Ursache der Meßfehler, die infolge von Mehrwegeausbreitung auftreten, sind konstruktive bzw. destruktive Interferenzen zwischen dem eigentlichen Nutzechosignal, das an der Oberfläche des Füllguts reflektiert wird, und dem Anteil des Nutzechosignals, das von einem Retroreflektor reflektiert wird. Ist x' der zurückgelegte Weg des eigentlichen Nutzechosignals, das an der Oberfläche des Füllguts reflektiert worden ist, und x" der um Δx längere Wege des Nutzechosignals, das an einem sonstigen Retroreflektor, insbesondere an der Behälterwand, reflektiert worden ist, so treten Interferenzen auf, wenn die Wegedifferenz die Bedingung Δx = n.λ/2 erfüllt, wobei n eine beliebige ganze Zahl ist. Die Maxima der beiden Signale liegen so dicht beieinander, daß die beiden Peaks nicht voneinander zu trennen sind. Durch das erfindungs­ gemäße Verfahren lassen sich nunmehr diese Unsicherheiten erheblich vermindern.A particularly advantageous embodiment of the invention The process can be seen in the fact that in a first process step Level in the container based on the time course of the echo signal is determined; subsequently, the echo signal is then added Subjected to Fourier transformation, and a further evaluation takes place in the Frequency range. This configuration leads in particular to one increased measurement accuracy when multipath propagation or multimode spread occurs. Multipath propagation means that the echo signals are next to the actual useful signal that is directly on the surface of the product is reflected, also contain an interference signal component that is retro reflections of the measurement signals on the container wall or other in Internals located in the container. Cause of Measurement errors that occur as a result of multipath propagation are constructive  or destructive interference between the actual useful echo signal, that is reflected on the surface of the product, and the proportion of Useful echo signal, which is reflected by a retroreflector. If x 'is the traveled path of the actual useful echo signal that is on the surface of the filling material has been reflected, and x "is the path of the Useful echo signal that on another retroreflector, especially on the Container wall, has been reflected, so interference occurs when the Path difference meets the condition Δx = n.λ / 2, where n is any whole Number is. The maxima of the two signals are so close together that the the two peaks cannot be separated. Through the fiction procedures, these uncertainties can now be significantly reduced Reduce.

Dasselbe Problem tritt übrigens auch als Folge der bereits erwähnten Mehrmodenausbreitung von Wellenpaketen in Schwallrohren oder in sonstigen die Wellenpakete führenden Einrichtungen auf. Das erfindungs­ gemäße Verfahren ist daher auch bestens dazu geeignet, Meßfehler, die aufgrund von Mehrmodenausbreitung auftreten, zu verringern.Incidentally, the same problem arises as a result of those already mentioned Multimode propagation of wave packets in still pipes or in other facilities leading the wave packets. The invention The method is therefore also ideally suited to measuring errors that occur due to multimode spread.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der zeitliche Verlauf der Phasenänderung so korrigiert wird, daß keine Phasensprünge auftreten. Problematisch bei der Auswertung im Zeitbereich ist nämlich, daß die Phase nur über einen Bereich von 360° eindeutig ist. Durch die Phasensprungkorrektur wird eine eindeutige Abhängigkeit zwischen der Phase und dem Abstand zur Oberfläche des Füllguts bzw. dem Füllstand erreicht.According to a preferred development of the method according to the invention it is provided that the time course of the phase change is corrected in this way will ensure that no phase jumps occur. Problematic in the evaluation in the time domain is namely that the phase only over a range of 360 ° is clear. The phase shift correction makes a clear Dependence between the phase and the distance to the surface of the Filling material or the filling level reached.

Bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst: Eine Sendeschaltung erzeugt Meßsignale. Diese Meßsignale werden mittels zumindest einer Antenne in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet; die reflektierten Echowellen werden von der zumindest einen Antenne empfangen. Weiterhin ist eine Empfangs- /Auswerteschaltung vorgesehen, die den zeitlichen Verlauf des Echosignals bestimmt, das im Zeitbereich ermittelte Echosignal in den Frequenzbereich transformiert und anhand einer Änderung der Phasenlage des Echosignals im Frequenzbereich die Höhe des Füllstands bzw. eine Füllstandsänderung des Füllguts in dem Behälter bestimmt. With regard to the device according to the invention, the object is achieved by solved the following features: A transmitter circuit generates measurement signals. This Measurement signals are transmitted by means of at least one antenna in the direction of the Emits surface of the filling material; the reflected echo waves are from receiving at least one antenna. Furthermore, a reception / Evaluation circuit provided that the time course of the echo signal determines the echo signal determined in the time domain in the frequency domain transformed and based on a change in the phase position of the echo signal in Frequency range the level of the level or a change in level of the Filled goods determined in the container.  

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese so ausgelegt, daß es sich bei den Meßsignalen um elektro­ magnetische Pulse oder um gepulste elektromagnetische Wellen (z. B. hochfrequente Mikrowellen-Pulse oder Laser-Pulse) oder um Ultraschall- Pulse handelt.According to an advantageous development of the device according to the invention is this designed so that the measuring signals are electro magnetic pulses or around pulsed electromagnetic waves (e.g. high-frequency microwave pulses or laser pulses) or around ultrasound Pulse acts.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The invention is illustrated by the following drawings. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung, Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the device according to the Invention,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Zwischenfrequenz im Zeitbereich, Fig. 2 is a schematic representation of the intermediate frequency in the time domain,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der digitalen Hüllkurve im Zeitbereich, Fig. 3 is a schematic representation of the digital envelope in the time domain,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Nutzechosignale der digitalen Hüllkurven im Zeitbereich bei drei unterschiedlichen Füllständen, Fig. 4 is a schematic representation of the wanted echo signals of the digital envelope in the time domain at three different fill levels,

Fig. 5 das Amplitudenspektrum der Nutzechosignale bei drei unterschied­ lichen Füllständen und Fig. 5 shows the amplitude spectrum of the useful echo signals at three different levels and

Fig. 6 die korrigierten Phasenspektren der Nutzechosignale bei drei unterschiedlichen Füllständen. Fig. 6 shows the corrected phase spectra of the useful echo signals at three different levels.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Füllgut 2 ist in einem Behälter 4 gelagert. Zur Bestimmung des Füllstandes dient das Füllstandsmeßgerät 1, das in einer Öffnung 10 im Deckel 7 des Behälters 4 montiert ist. Über die Antenne 6 werden in der Signalerzeugungs-/Sendeeinheit 5 erzeugte gepulste Meßsignale, insbesondere Mikrowellen, Ultraschallwellen oder Laserstrahlen in Richtung der Oberfläche 3 des Füllguts 2 abgestrahlt. An der Oberfläche 3 werden die Meßsignale zumindest teilweise als Echosignale reflektiert. Diese Echosignale werden in der Empfangs-/Auswerteeinheit 8 empfangen und ausgewertet. Die Aussendung der Meßsignale und Empfang der Echosignale wird über die Sende-Empfangsweiche 9 koordiniert. Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention. A filling material 2 is stored in a container 4 . The fill level measuring device 1 , which is mounted in an opening 10 in the lid 7 of the container 4 , is used to determine the fill level. Pulsed measurement signals, in particular microwaves, ultrasound waves or laser beams, are emitted in the direction of the surface 3 of the filling material 2 via the antenna 6 in the signal generation / transmission unit 5 . The measurement signals are at least partially reflected on the surface 3 as echo signals. These echo signals are received and evaluated in the reception / evaluation unit 8 . The transmission of the measurement signals and reception of the echo signals is coordinated via the transceiver 9 .

Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 z. B. bei Verwen­ dung von Mikrowellen als Meßstrahlung nicht nur in Verbindung mit einer frei abstrahlenden Antenne 6 einsetzbar. Bei einer Vielzahl von Einsatzgebieten, beispielsweise in der Petrochemie, Chemie und Lebensmittelindustrie, sind hochgenaue Messungen des Füllstandes von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in Behältern (Tanks, Silos usw.) gefordert. Deshalb kommen hier in zunehmendem Maße Meßgeräte zum Einsatz, bei denen kurze elektro­ magnetische Hochfrequenzimpulse in ein leitfähiges Element eingekoppelt und mittels des leitfähigen Elements in den Behälter, in dem das Füllgut gelagert ist, hineingeführt werden. Bei dem leitfähigen Element handelt es sich beispielsweise um eine Seilsonde oder um eine Stabsonde.Of course, the device 1 z. B. when use of microwave as measuring radiation not only in connection with a freely radiating antenna 6 can be used. In a large number of areas of application, for example in the petrochemical, chemical and food industries, high-precision measurements of the level of liquids or bulk materials in containers (tanks, silos, etc.) are required. Therefore, measuring devices are increasingly being used here, in which short electromagnetic high-frequency pulses are coupled into a conductive element and inserted into the container in which the filling material is stored by means of the conductive element. The conductive element is, for example, a rope probe or a rod probe.

Physikalisch gesehen wird bei dieser Meßmethode der Effekt ausgenutzt, daß an der Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Medien, z. B. Luft und Öl oder Luft und Wasser, infolge der sprunghaften Änderung (Diskontinuität) der Dielektrizitätszahlen beider Medien ein Teil der geführten Hochfrequenz- Impulse bzw. der geführten Mikrowellen reflektiert und über das leitfähige Element zurück in die Empfangseinheit geleitet wird. Der reflektierte Anteil ist dabei um so größer, je größer der Unterschied in den Dielektrizitätszahlen der beiden Medien ist. Anhand der Laufzeit des reflektierten Anteils der Hochfrequenz-Impulse bzw. der Mikrowellen läßt sich die Entfernung zur Grenzfläche bestimmen. Bei Kenntnis der Leerdistanz des Behälters kann der Füllstand des Füllguts in dem Behälter berechnet werden. Eine entsprechen­ de Vorrichtung wird beispielsweise in der US-PS 5,361,070 beschrieben. Dieses Verfahren ist übrigens unter dem Namen TDR (Time Domain Reflectometry) bekannt.From a physical point of view, this effect uses the effect that at the interface between two different media, e.g. B. air and oil or air and water, due to the sudden change (discontinuity) of the Dielectric values of both media are part of the guided high-frequency Impulses or the guided microwaves reflected and over the conductive Element is passed back into the receiving unit. The reflected portion is the greater the difference in the dielectric constant of the is both media. Based on the term of the reflected portion of the High-frequency pulses or microwaves can be used to distance the Determine the interface. Knowing the empty distance of the container can Fill level of the product in the container can be calculated. One match de device is described for example in US Pat. No. 5,361,070. Incidentally, this process is called TDR (Time Domain Reflectometry) known.

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Zwischenfrequenz des Echosignals im Zeitbereich. Insbesondere sind hier die Spannungsamplituden der Zwischenfrequenz gegen die Abtastpunkte aufgetragen, wobei die Anzahl der Abtastpunkte pro Längeneinheit das Auflösungsvermögen des Füllstands­ meßgeräts bestimmt. Jeder Abtastpunkt entspricht somit einem definierten Füllstand. Fig. 2 is a graph showing the intermediate frequency of the echo signal in the time domain. In particular, the voltage amplitudes of the intermediate frequency are plotted against the sampling points, the number of sampling points per unit length determining the resolution of the level measuring device. Each sampling point thus corresponds to a defined level.

Das dargestellte Echosignal weist zwei Amplitudenmaxima auf. Der linke Peak charakterisiert das Echosignal, das von der Einkopplung der Meßsignale auf die Antenne oder auf das elektrische leitende Element eines TDR-Sensors herrührt. Dieses nur vom jeweils verwendeten Sensor abhängige Echosignal, das seine Lage unabhängig von dem jeweiligen Füllstand beibehält, wird bei der Füllstandsmessung als Referenzsignal verwendet. Selbstverständlich können auch andere Referenzsignale herangezogen werden. Der rechte Peak repräsentiert das eigentliche Nutzechosignal, das von der Reflexion des Meßsignals an der Oberfläche des Füllguts herrührt. Der Füllstand wird aus dem Abstand der Maxima von Nutzechosignal und Referenz. Echosignal bestimmt.The echo signal shown has two amplitude maxima. The left one Peak characterizes the echo signal from the coupling of the Measurement signals on the antenna or on the electrically conductive element of a TDR sensor originates. This only from the sensor used dependent echo signal that is independent of each location Level is used as a reference signal for level measurement used. Of course, other reference signals can also be used be used. The right peak represents the real one Useful echo signal, which is caused by the reflection of the measurement signal on the surface of the Fill comes from. The level is determined from the distance between the maxima of Useful echo signal and reference. Echo signal determined.

In Fig. 3 ist das Echosignals als digitale Hüllkurve im Zeitbereich dargestellt. Ebenso wie bei der Auswertung über die Zwischenfrequenz wird auch bei der Auswertung über die digitale Hüllkurve der Abstand vom Maximum des Nutzechosignals zum Maximum des Referenz-Echosignals als Maß für den Füllstand des Füllguts 2 in dem Behälter 4 herangezogen.In Fig. 3, the echo signal is shown as a digital envelope in the time domain. Just as with the evaluation via the intermediate frequency, the distance from the maximum of the useful echo signal to the maximum of the reference echo signal is also used as a measure of the filling level of the filling material 2 in the container 4 when evaluating via the digital envelope curve.

In Fig. 4 sind die Hüllkurven der Echosignale bei drei unterschiedlichen Füllständen, also bei drei unterschiedlichen Laufzeiten, gezeigt. Die Form des Nutzechosignals ist invariant gegenüber Füllstandsänderungen; jedoch ändert sich die Lage des Nutzechosignals in Abhängigkeit vom jeweiligen Füllstand. Eine Füllstandsänderung schlägt sich somit in einer zeitlichen Verschiebung des forminvarianten Nutzechosignals nieder.In FIG. 4, the envelope of the echo signals at three different fill levels, ie at three different cycle times are shown. The shape of the useful echo signal is invariant to changes in level; however, the position of the useful echo signal changes depending on the respective level. A change in fill level is therefore reflected in a temporal shift in the shape-invariant useful echo signal.

In Fig. 5 ist das Betrags- bzw. Frequenzspektrum X(f) des Nutzechosignals bei unterschiedlichen Füllständen dargestellt. Wie bereits an vorhergehender Stelle erläutert, ist das Frequenzspektrum unabhängig vom jeweiligen Füllstand des Füllguts 2 in dem Behälter 4 und daher forminvariant unter Füllstandsänderungen.In FIG. 5, the magnitude or frequency spectrum X (f) is shown the wanted echo signal at different liquid levels. As already explained at the previous point, the frequency spectrum is independent of the respective fill level of the filling material 2 in the container 4 and is therefore invariant in shape with changes in the filling level.

In Fig. 6 ist das Phasenspektrum θ (t - t0) = arctan 2πft0 des Nutzechosignals bei unterschiedlichen Füllständen dargestellt. Um das Phasenspektrum als stetige Funktion darstellen zu können - in die Phasenberechnung geht der Arcustangens ein, der nur innerhalb eines Bereichs von 360° eindeutig ist -, wurde eine Phasensprungkorrektur vorgenommen. Diese Phasensprungkor­ rektur ist unter dem Begriff 'phase unwrapping' im Bereich der Signalverarbei­ tung allgemein bekannt. Auf eine Beschreibung kann daher im Zusammen­ hang mit der vorliegenden Erfindung verzichtet werden.In FIG. 6, the phase spectrum θ (t - t 0) = arctan 2πft 0 of the wanted echo signal at different liquid levels shown. In order to be able to represent the phase spectrum as a continuous function - the arctangent, which is only unique within a range of 360 °, is included in the phase calculation - a phase jump correction was carried out. This phase jump correction is generally known under the term 'phase unwrapping' in the field of signal processing. A description in connection with the present invention can therefore be dispensed with.

Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß die Steigung der zeitlichen Änderung der Phase abhängig ist von dem Füllstand des Füllguts 2 in dem Behälter 4: Je weiter die Oberfläche des Füllguts von der das Referenzsignal erzeugenden Einkoppeleinheit entfernt ist, um so geringer fällt die Steigung des Phasenverlaufs aus.The invention takes advantage of the fact that the slope of the change in phase over time depends on the fill level of the filling material 2 in the container 4 : the further the surface of the filling material is from the coupling unit generating the reference signal, the smaller the slope of the Phase curve.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter, wobei Meßsignale in Richtung der Oberfläche des Füllguts ausgesendet und an der Oberfläche als Echosignale reflektiert werden und wobei durch Auswertung der reflektierten Echosignale der Füllstand in dem Behälter bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der zeitliche Verlauf des Echosignals bestimmt wird, daß das im Zeitbereich ermittelte Echosignal in den Frequenzbereich transformiert wird und
daß anhand einer Änderung der Phasenlage des Echosignals im Frequenzbereich der Höhe des Füllstands bzw. eine Füllstandsänderung des Füllguts (2) in dem Behälter (4) bestimmt wird.1. A method for determining the filling level of a filling material in a container, wherein measuring signals are emitted in the direction of the surface of the filling material and reflected on the surface as echo signals, and wherein the filling level in the container is determined by evaluating the reflected echo signals, characterized in that
that the temporal course of the echo signal is determined, that the echo signal determined in the time domain is transformed into the frequency domain and
that a change in the phase position of the echo signal in the frequency range of the level or a change in the level of the filling material ( 2 ) in the container ( 4 ) is determined. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß für den Fall hochfrequenter Meßsignale das im Zeitbereich ermittelte Echosignal durch sequentielle Abtastung aus dem Hochfrequenzbereich in den Niederfrequenzbereich transformiert wird und
daß das in den Niederfrequenzbereich transformierte Echosignal einer Fourier-Transformation unterzogen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that
that in the case of high-frequency measurement signals, the echo signal determined in the time domain is transformed from the high-frequency range to the low-frequency range by sequential scanning, and
that the echo signal transformed into the low frequency range is subjected to a Fourier transformation. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß für den Fall hochfrequenter Meßsignale das im Zeitbereich ermittelte Echosignal durch sequentielle Abtastung aus dem Hochfrequenzbereich in den Niederfrequenzbereich transformiert wird,
daß das zeittransformierte Echosignal gleichgerichtet und digitalisiert wird, und
daß das gleichgerichtete und digitalisierte Echosignal einer Fourier- Transformation unterzogen wird. 3. The method according to claim 1, characterized in
that in the case of high-frequency measurement signals, the echo signal determined in the time domain is transformed from the high-frequency area into the low-frequency area by sequential scanning,
that the time-transformed echo signal is rectified and digitized, and
that the rectified and digitized echo signal is subjected to a Fourier transformation. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß vorab der Füllstand in dem Behälter (4) anhand des zeitlichen Verlaufs des Echosignals ermittelt wird und
daß nachfolgend das Echosignal im Frequenzbereich ausgewertet wird.4. The method according to claim 1, characterized in
that the fill level in the container ( 4 ) is determined in advance on the basis of the time profile of the echo signal and
that the echo signal is subsequently evaluated in the frequency domain. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Phasenänderung so korrigiert wird, daß keine Phasensprünge auftreten.5. The method according to one or more of the preceding claims, characterized, that the time course of the phase change is corrected so that none Phase jumps occur. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Signalerzeugungseinheit (5) zur Erzeugung von Meßsignalen vorgesehen ist,
daß zumindest eine Antenne (6) vorgesehen ist, die die Meßsignale in Richtung der Oberfläche (3) des Füllguts (2) aussendet und/oder die die reflektierten Echowellen empfängt, und
daß eine Empfangs-/Auswerteschaltung (8) vorgesehen ist, die den zeitlichen Verlauf des Echosignals bestimmt, das im Zeitbereich ermittelte Echosignal in den Frequenzbereich transformiert und anhand einer Änderung der Phasenlage des Echosignals im Frequenzbereich die Höhe des Füllstands bzw. eine Füllstandsänderung des Füllguts (2) in dem Behälter (4) bestimmt.6. Device for carrying out the method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that
that a signal generation unit ( 5 ) is provided for generating measurement signals,
that at least one antenna ( 6 ) is provided, which emits the measurement signals in the direction of the surface ( 3 ) of the filling material ( 2 ) and / or which receives the reflected echo waves, and
that a reception / evaluation circuit ( 8 ) is provided, which determines the temporal course of the echo signal, transforms the echo signal determined in the time domain into the frequency domain and, based on a change in the phase position of the echo signal in the frequency domain, the level of the level or a level change of the medium ( 2 ) determined in the container ( 4 ). 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Meßsignalen um Ultraschall-Pulse, um hochfrequente Mikrowellen-Pulse oder um Laser-Pulse handelt.7. The method according to claim 6, characterized, that the measurement signals are ultrasonic pulses, high-frequency Microwave pulses or laser pulses.
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