DE19961855B4 - Method and device for determining the fill level of a product in a container - Google Patents

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Abstract

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, wobei durch Auswertung der reflektierten Echosignale der Füllstand in dem Behälter bestimmt wird, indem der zeitliche Verlauf des Echosignals bestimmt wird,
das im Zeitbereich ermittelte Echosignal in den Frequenzbereich transformiert wird, und
anhand einer Änderung der Phasenlage des Echosignals im Frequenzbereich die Höhe des Füllstands oder eine Füllstandsänderung des Füllguts (2) in dem Behälter (4) bestimmt wird.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 medium and reflected on the surface as echo signals, wherein the level in the container is determined by evaluating the reflected echo signals by determining the time course of the echo signal becomes,
the time-domain detected echo signal is transformed into the frequency domain, and
based on a change in the phase position of the echo signal in the frequency range, the height of the level or a level change of the medium (2) in the container (4) is determined.

Figure 00000001
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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 The invention relates to a method for determining the level a product in a container, wherein measuring signals towards the surface of the contents sent out and on the surface as echo signals (useful echo signals) are reflected and wherein Evaluation of the reflected echo signals of the level or a level change of the contents in the container is determined. Such methods are called the impulse-runtime method known. Furthermore, a device by performing the inventive method proposed.

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.Method, which determine the distance to an object over the duration of measurement or echo signals, use the physical law after which the running distance equals the product of running time and Propagation speed is. In the case of level measurement corresponds the running distance, for example, twice the distance between a Antenna and the surface of the contents.

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 on the surface of the contents reflected useful echo signal and its transit time are in use of high-frequency measurement signals usually in the time domain on the basis of the so-called intermediate frequency or on the basis of the digital envelope certainly. Both the intermediate frequency and the digital envelope provide the amplitudes of the echo signals as a function of the distance 'antenna surface of the Filling material '. The level itself then results from the difference between the known distance the antenna from the bottom of the container and through the measurement certain distance of the surface of the contents 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.In the DE 31 07 444 A1 A high-resolution impulse radar method is described. A generator generates first microwave pulses and emits them via an antenna with a predetermined transmission repetition frequency in the direction of the surface of the medium. Another generator generates reference microwave pulses which are the same as the first microwave pulses, but which differ slightly in the retransmission rate. The echo signal and the reference signal are mixed. At the output of the mixer is an intermediate frequency signal. The intermediate frequency signal has the same shape as the echo signal but is stretched by a time delay factor equal to a quotient of the transmission repetition frequency and the frequency difference between the first microwave pulses and the reference microwave pulses. With a transmission repetition frequency of a few megahertz, a frequency difference of a few hertz and a microwave frequency of a few gigahertz, the frequency of the intermediate frequency signal is below 100 kHz. The advantage of the transformation to the intermediate frequency is that relatively slow and therefore cost-effective electronic components for signal detection and / or signal evaluation can be used.

Werden anstelle der hochfrequenten Meßsignale z. B. Ultraschallwellen verwendet, so erübrigt sich natürlich eine Transformation auf eine Zwischenfrequenz.Become instead of the high-frequency measurement signals z. B. ultrasonic waves used, so of course one is unnecessary Transformation to an intermediate frequency.

In der E 26 018 B (= AT 26 018 E ) sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Füllhöhe eines Füllguts in einem Behälter beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einer Antenne, der eine Meßeinheit, eine Kanaleinheit und eine Kontrolleinheit zugeordnet sind. In der Meßeinheit werden Mikrowellensignale mit einer vorgegebenen Frequenz erzeugt und in Richtung der Oberfläche des Füllguts abgestrahlt. Ein Anteil des in der Meßeinheit erzeugten Mikrowellensignals wird als Referenzsignal verwendet. Anhand des an der Oberfläche reflektierten Mikrowellensignals und anhand des Referenzsignals wird eine Funktion des Reflektionskoeffizienten gebildet. Schließend wird eine Fourier-Transformation einer Anzahl von Werten dieser Funktion in einem gewissen Frequenzbereich durchgeführt. Anhand dieser transformierten Werte wird der Abstand zu der Oberfläche des Füllguts bestimmt.In the E 26 018 B (= AT 26 018 E ) describes a method and a device for measuring the filling level of a filling material in a container. The device consists of an antenna, which are associated with a measuring unit, a channel unit and a control unit. In the measuring unit microwave signals are generated at a predetermined frequency and emitted in the direction of the surface of the medium. A portion of the microwave signal generated in the measuring unit is used as a reference signal. Based on the microwave signal reflected on the surface and on the basis of the reference signal, a function of the reflection coefficient is formed. Finally, a Fourier transform of a number of values of this function is performed in a certain frequency range. Based on these transformed values, the distance to the surface of the medium is determined.

Aus der WO 94/18549 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei dem gleichzeitig die Positionen der Oberflächen von Schlacke und von Metall in einem metallurgischen Prozess bestimmt werden. Insbesondere wird die Dicke der über dem Metall befindlichen Schlackenschicht bestimmt. Hierzu werden Mikrowellen in einem Frequenzbereich senkrecht zur Oberfläche des Füllguts abgestrahlt. Ein Empfänger vergleicht die Phase der reflektierten Wellen relativ zur Phase der ausgesendeten Wellen. Die Phasenänderung wird in einer Vielzahl von Frequenzkanälen gemessen und anschließend vom Frequenzbereich in den Zeitbereich transformiert. Aus dieser Information werden die gesuchten Positionen ermittelt.Out WO 94/18549 a method has become known in which simultaneously the positions of the surfaces of slag and metal in a metallurgical process become. In particular, the thickness of the overlying metal Slag layer determined. For this purpose, microwaves are in a frequency range perpendicular to the surface of the contents radiated. A receiver compares the phase of the reflected waves relative to the phase of the emitted Waves. The phase change is measured in a variety of frequency channels and then from the Frequency domain transformed into the time domain. From this information The searched positions are determined.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Füllstandsbestimmung vorzuschlagen, das alternativ oder additiv zu den bekannten Impulslaufzeitverfahren verwendbar ist.Of the Invention is based on the object, a method for level determination to propose, alternatively or in addition to the known pulse transit time method is usable.

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 achieved in that the time course of the echo signal is determined that the time-range detected echo signal is transformed into the frequency domain and that based on a change in the phase position of the echo signal in the frequency domain, the height of the level or a level change of the Fillings in the container be is true.

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 Füllstandsänderung in einer Verschiebung des Nutzechosignals auf der Zeitachse bemerkbar. Einer Verschiebung des Nutzechosginals im Zeitbereich entspricht also eine Phasenänderung des Nutzechosignals im Frequenzbereich.The inventive solution based that the Amplitude spectrum of the echo signals at constant bandwidth of measuring signals independently is of the respective level of the contents. However, a level change makes itself noticeable in a shift of the useful echo signal on the time axis. A shift of the useful echo in the time domain corresponds So a phase change of Useful echo signal in the frequency domain.

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.By means of a Fourier transformation, it is known that a signal can be transformed from the time domain into the frequency domain or from the frequency domain into the time domain. Mathematically, this situation is represented 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 exp (–i2πft0) = cos 2πft0 – isin2πft0 Shifting the time function x (t) by the time t 0 , this leads to an opposite phase rotation 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 in signal processing as a shift theorem. Mathematically, the phase rotation is achieved by multiplying the spectral function X (f) by the complex unit vector exp (-i2πft 0 ) = cos 2πft 0 - isin2πft 0

Damit läßt sich die Fouriertransformation wie folgt darstellen: x(t – t0) ↔ X(f)·exp (–i2πft0) = X(f)·(cos 2πft0 – i sin 2πft0) Thus, the Fourier transform can be represented as follows: 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 one advantageous development of the method according to the invention is proposed that for the case high-frequency measuring signals the time-domain detected echo signal by sequential sampling transformed from the high frequency range in the low frequency range and that is in the low frequency range transformed echo signal of a Fourier transform is subjected. The advantage of transforming the high-frequency signals in the low frequency range is to be seen in that essential cost-effective Hardware can be used for evaluation. Depending on the used However, hardware is also quite an 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.A Alternative embodiment of the method according to the invention provides that in the case of Use of high-frequency measuring signals in the time domain detected echo signal by sequential sampling from the high frequency range in the low frequency range is transformed; subsequently becomes the time-transformed echo signal is rectified and digitized. In a final step, the rectified and digitized echo signal subjected to a Fourier transform. So according to this alternative not the so-called intermediate frequency Fourier-transformed, but the digital envelope is subjected to a Fourier transformation.

Bei der Hüllkurvenauswertung erhöht sich die Meßgenauigkeit bekanntlich dadurch, daß zusätzlich zu den Maxima (Peaks) der Echosignale, die Amplitudeninformation liefern, auch die Phasenlagen der Echosgnale 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 Tießpaßfilter 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 Amplitudenauswertung; 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 Amplituden-auswertung ergibt, und einem Phasenrest.In the envelope evaluation, the measurement accuracy is known to increase in that in addition to the maxima (peaks) of the echo signals that provide amplitude information, the phase angles of the echo signals are used for the evaluation. For this purpose, the amplitude-modulated intermediate frequency is demodulated and decomposed into its complex components. This is achieved z. 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 oscillations have a similar frequency as the intermediate frequency. The high frequencies resulting from the multiplication are filtered out with a Taßpaßfilter. 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 . Subsequently, the usual amplitude evaluation takes place; At the found locations of the maxima, the respective phase position and the difference of the two phase positions are additionally determined. The distance of the antenna from the surface of the medium is then composed of a proportion 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 Mehrmodenausbreitung 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 Retroreflexionen 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 erfindungsgemäße Verfahren lassen sich nunmehr diese Unsicherheiten erheblich vermindern.A particularly advantageous embodiment of the method according to the invention is to be seen in that in a first method step, the level in the container is determined based on the time course of the echo signal; Subsequently, the echo signal is subjected to a Fourier transformation in addition, and there is a further evaluation in the frequency domain. This embodiment leads in particular to an increased measuring accuracy when multipath propagation or multimode propagation occurs. Multipath propagation means that the echo signals in addition to the actual useful signal, which is reflected directly on the surface of the medium, additionally contain a Störsignalanteil, which is due to retroreflections of the measuring signals on the container wall or other located in the container interior fittings. Cause of the measurement errors that occur as a result of multipath propagation are constructive or destructive interference between the actual useful echo signal, which is reflected at the surface of the medium, and the proportion of useful echo signal, which is reflected by a retroreflector. X 'is the distance traveled by the actual useful echo signal, which is at the surface of the medium and x '' is the longer path of the useful echo signal which has been reflected by Δx, which has been reflected by another retroreflector, in particular on the container wall, interference occurs if the path difference fulfills the condition .DELTA.x = n.λ / 2, where n is an arbitrary integer. The maxima of the two signals are so close to each other that the two peaks can not be separated. By means of the method according to the invention, these uncertainties can now be considerably reduced.

Dasselbe Problem tritt übrigens auch als Folge der bereits erwähnten Mehrmodenausbreitung von Wellenpaketen in Schwallrohren oder in sonstigen die Wellenpakete führenden Einrichtungen auf. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher auch bestens dazu geeignet, Meßfehler, die aufgrund von Mehrmodenausbreitung auftreten, zu verringern.The same thing Incidentally, problem occurs also as a consequence of the already mentioned Multimode propagation of wave packets in stillpipes or in other leading the wave packets Facilities on. The method according to the invention is therefore also ideal suitable for measuring errors, which occur due to multimode propagation.

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 one preferred embodiment of the method according to the invention is provided that the time course of the phase change is corrected so that no phase jumps occur. The problem with the evaluation in the time domain is namely that the phase only over a range of 360 ° clearly is. The phase jump correction becomes a definite dependency between the phase and the distance to the surface of the medium or the 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.Regarding the Device according to the invention the object is achieved by the following features: generates a transmission circuit Measurement signals. These measuring signals be by means of at least one antenna in the direction of the surface of the filling material emits; the reflected echo waves are from the at least receive an antenna. Furthermore, a reception / evaluation circuit provided which determines the time course of the echo signal, the echo signal determined in the time domain in the frequency domain transformed and based on a change the phase position of the echo signal in the frequency domain, the height of the level or a level change of the contents in the container certainly.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese so ausgelegt, daß es sich bei den Meßsignalen um elektromagnetische Pulse oder um gepulste elektromagnetische Wellen (z. B. hochfrequente Mikrowellen-Pulse oder Laser-Pulse) oder um Ultraschall-Pulse handelt.According to one advantageous development of the device according to the invention, this is so designed that it at the measuring signals to electromagnetic pulses or to pulsed electromagnetic Waves (eg high-frequency microwave pulses or laser pulses) or ultrasound pulses is.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.The The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings.

Es zeigt:It shows:

1: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 : a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention,

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

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

4: eine schematische Darstellung der Nutzechosignale der digitalen Hüllkurven im Zeitbereich bei drei unterschiedlichen Füllständen, 4 : a schematic representation of the useful echo signals of the digital envelopes in the time domain at three different fill levels,

5: das Amplitudenspektrum der Nutzechosignale bei drei unterschiedlichen Füllständen und 5 : the amplitude spectrum of useful echo signals at three different levels and

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

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. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention. A product 2 is in a container 4 stored. The level measuring device is used to determine the filling level 1 that in an opening 10 in the lid 7 of the container 4 is mounted. About the antenna 6 are in the signal generation / transmission unit 5 generated pulsed measuring signals, in particular microwaves, ultrasonic waves or laser beams in the direction of the surface 3 of the contents 2 radiated. On the surface 3 the measurement signals are at least partially reflected as echo signals. These echo signals are in the receiving / evaluating unit 8th received and evaluated. The transmission of the measuring signals and reception of the echo signals is via the transmitting-receiving switch 9 coordinated.

Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 z. B. bei Verwendung 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 elektromagnetische 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 according to the invention 1 z. B. when using microwaves as measuring radiation not only in conjunction with a free radiating antenna 6 used. In a variety of applications, such as in the petrochemical, chemical and food industries, highly accurate measurements of the level of liquids or bulk solids in containers (tanks, silos, etc.) are required. Therefore, increasingly used here are measuring instruments in which short electromagnetic high-frequency pulses are coupled into a conductive element and guided by means of the conductive element in the container in which the contents are stored. 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 entsprechende Vorrichtung wird beispielsweise in der US-PS 5,361,070 beschrieben. Dieses Verfahren ist übrigens unter dem Namen TDR (Time Domain Reflectometry) bekannt.Physically seen in this measurement method, the effect is exploited that at the interface between two different media, eg. As air and oil or air and water, as a result of the sudden change (discontinuity) of the dielectricities of both media, a part of the guided high-frequency pulses and the guided microwaves reflected and the conductive element back into the Receiving unit is passed. The greater the difference in the dielectric constants of the two media, the greater the reflected fraction. Based on the duration of the reflected portion of the high-frequency pulses or microwaves, the distance to the interface can be determined. With knowledge of the empty distance of the container, the fill level of the contents in the container can be calculated. A corresponding device is used for example in the U.S. Patent 5,361,070 described. Incidentally, this method is known by the name TDR (Time Domain Reflectometry).

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. 2 shows a graphical representation of 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, wherein the number of sampling points per unit length determines the resolution of the level measuring instrument. Each sampling point thus corresponds to a defined filling 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 resulting from the coupling of the Measuring signals the antenna or the electrical conducting element of a TDR sensor arises. This only depending on the sensor used echo signal, his Location independent from the respective level maintains, is used in level measurement used as reference signal. Of course, other reference signals be used. The right peak represents the actual useful echo signal, that of the reflection of the measuring signal on the surface of the contents arises. The level is the distance between the maxima of useful echo signal and reference echo signal certainly.

In 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 3 the echo signal is represented as a digital envelope in the time domain. 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 as a measure of the fill level of the medium is also evaluated in the digital envelope 2 in the container 4 used.

In 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 4 the envelopes of the echo signals at three different levels, so at three different maturities shown. The shape of the useful echo signal is invariant with respect to level changes; However, the position of the useful echo signal changes depending on the respective level. A level change is thus reflected in a time shift of the shape invariant useful echo signal.

In 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 5 is the magnitude or frequency spectrum X (f) of the useful echo signal shown at different levels. As already explained above, the frequency spectrum is independent of the respective filling level of the medium 2 in the container 4 and therefore forminvariant under level changes.

In 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 Phasensprungkorrektur ist unter dem Begriff 'phase unwrapping' im Bereich der Signalverarbeitung allgemein bekannt. Auf eine Beschreibung kann daher im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verzichtet werden.In 6 the phase spectrum θ (t - t 0 ) = arctan 2πft 0 of the useful echo signal is shown at different fill levels. In order to be able to represent the phase spectrum as a continuous function - in the phase calculation, the arctangent enters, which is unique only within a range of 360 ° -, a phase jump correction was made. This phase-jump correction is well-known by the term 'phase unwrapping' in the field of signal processing. A description can therefore be dispensed with in the context of the present invention.

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 makes use of the fact that the slope of the temporal change of the phase is dependent on the filling level of the medium 2 in the container 4 The further the surface of the filling material is removed from the coupling unit generating the reference signal, the lower the slope of the phase characteristic is.

Claims (7)

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, wobei durch Auswertung der reflektierten Echosignale der Füllstand in dem Behälter bestimmt wird, indem der zeitliche Verlauf des Echosignals bestimmt wird, das im Zeitbereich ermittelte Echosignal in den Frequenzbereich transformiert wird, und anhand einer Änderung der Phasenlage des Echosignals im Frequenzbereich die Höhe des Füllstands oder eine Füllstandsänderung des Füllguts (2) in dem Behälter (4) bestimmt wird.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 medium and reflected on the surface as echo signals, wherein the level in the container is determined by evaluating the reflected echo signals by determining the time course of the echo signal is transformed in the time domain, the echo signal is transformed into the frequency range, and based on a change in the phase position of the echo signal in the frequency range, the height of the level or a level change of the medium ( 2 ) in the container ( 4 ) is determined. 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.Method according to claim 1, characterized, that in case high-frequency measuring signals the time-domain detected echo signal by sequential sampling transformed from the high frequency range in the low frequency range will, and that this in the low frequency range transformed echo signal of a Fourier transform is subjected. 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.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 by sequential sampling from the high-frequency range into the low-frequency range such that the time-transformed echo signal is rectified and is digitized, and that the rectified and digitized echo signal is subjected to a Fourier transform. 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.Method according to claim 1, characterized in that in advance the level in the container ( 4 ) is determined based on the time course of the echo signal, and that subsequently the echo signal is evaluated in the frequency domain. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der Phasenänderung so korrigiert wird, daß keine Phasensprünge auftreten.Method according to one or more of the preceding Claims, characterized in that the time course of the phase change is corrected so that no phase jumps occur. 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 oder eine Füllstandsänderung des Füllguts (2) in dem Behälter (4) bestimmt.Device for carrying out the method according to one or more of Claims 1 to 5, characterized in that a signal-generating unit ( 5 ) is provided for generating measuring signals that at least one antenna ( 6 ) is provided, the measuring signals in the direction of the surface ( 3 ) of the product ( 2 ) and / or receives the reflected echo waves, and that a reception / evaluation circuit ( 8th ), which determines the time profile 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 height of the fill level or a fill level change of the medium ( 2 ) in the container ( 4 ) certainly. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Meßsignalen um Ultraschall-Pulse, um hochfrequente Mikrowellen-Pulse oder um Laser-Pulse handelt.Device according to claim 6, characterized in that that it at the measuring signals to ultrasonic pulses, to high-frequency microwave pulses or to Laser pulses act.
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