EP0524275A1

EP0524275A1 - Elektrische schaltung für ein gerät zur füllstandmessung von industrietanks u. dgl.

Info

Publication number: EP0524275A1
Application number: EP92902706A
Authority: EP
Inventors: Ronald Van Der Pol
Original assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1991-02-12
Filing date: 1992-01-21
Publication date: 1993-01-27
Also published as: WO1992014124A1; JPH05505470A; US5365178A

Description

Elektrische Schaltung für ein Gerät zur Füllstandmessunσ von Industrietanks u. dgl.

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung für ein Gerät zur Füllstandmessung von Industrietanks u. dgl. mit einem elektronischen Sender und Empfangsteil für Mikrowel¬ len und einem mit einem Fenster und einer Antenne versehenen Hohlleiter, wobei das vom Flüssigkeitsspiegel reflektierte Signal und das Sendesignal einer Mischstufe zugeführt wird, deren niederfrequentes Ausgangssignal über einen A/D-Wand¬ ler einem die Füllstandgröße berechnenden Mikroprozessor aufgegeben wird.

Es sind mit Mikrowellen arbeitende Füllstandsmeßgeräte be¬ kannt, die Signale im Mikrowellenbereich aussenden, wobei diese an der Oberfläche des im Behälter befindlichen Medi¬ ums reflektiert und vom Empfänger aufgenommen werden. Aus den Signalen wird der Abstand zwischen dem Füllstandmeßge¬ rät und der Oberfläche des Mediums mit Hilfe einer elek¬ tronischen Schaltanordnung ermittelt, der auch Mikropro¬ zessoren und elektronische Rechner zur Auswertung zugeord¬ net sind. Zur Verwendung solcher Mikrowellen-Füllstandmeßge- rate für Behälter, wie Industrietanks, in denen bei hohen oder niedrigen Betriebstemperaturen Unter- oder Überdruck herrscht, insbesondere wenn diese explosible und/oder ag¬ gressive und/oder toxische Medien enthalten, ist es notwen¬ dig, den Behälterraum von dem elektronischen Sende- und Emp- fangsteil zu trennen. Hierfür ist in dem durch das Behäl¬ terdach des Tanks ragenden Hohlleiter ein zylinderförmiges Hohlleiterfenster aus Quarzglas o. dgl. angeordnet, das einen für die Durchlässigkeit der Mikrowellen günstigen nie¬ drigen dielektrischen Verlustfaktor besitzt. Bei Füllstand- meßgeräten dieser Art wird mittels eines spannungsgesteuer- ten Oszillators ein in seiner Frequenz sich kontinuierlich veränderndes Sendesignal erzeugt, das mittels eines Kopp¬ lers Mikrowellen erzeugt, die über den mit einem Fenster versehenen Hohlleiter und die Antenne auf die Flüssigkeits- Oberfläche gerichtet werden. Die von der Flüssigkeitsober¬ fläche reflektierten, elektromagnetischen Wellen werden von der Antenne empfangen und von dem Kopfteil in ein elek¬ trisches Frequenzsignal umgesetzt, das einem Mischer zu¬ geführt wird. Durch die vom Füllstand abhängige Laufzeit der Mikrowelle im Behälter erfährt das Empfangssignal gegenüber dem Sendesignal eine Frequenzverschiebung, die direkt der Füllstandhöhe proportional ist. Die Sende- und Empfangs¬ signale werden mittels einer Mischstufe in ein niederfre¬ quentes Signal überführt, das digitalisiert und im Mikropro- zessor verarbeitet wird. In nachteiliger Weise verursacht jedoch das im Hohlleiter angeordnete optische Fenster durch Reflexion der Mikrowellen Störsignale, deren Amplituden wesentlich größer als die des Nutzsignals sind. In der Praxis enthält das Ausgangssignal der Mischstufe durch et- waige Modeänderungen des Mikrowellensignals und/ oder durch Mehrfachreflexionen des optischen Fensters einen Leistungs¬ dichteanteil, der beträchtlich höher sein kann als der Anteil des von dem von der Flüssigkeitsoberfläche reflek¬ tierten Nutzsignals. Die bei unterschiedlichen Füllstandhö- hen auftretenden Spektrallinien des Leistungsdichtspetrums ergeben bei niedrigen Frequenzen relativ hohe Werte, die auf der Reflexion des optischen Fensters beruhen, jedoch bei höheren Frequenzen infolge der größeren Meßstrecke niedrigere Werte. Die insbesondere bei Verschmutzung des op- tischen Fensters entstehenden hohen niederfrequenten Lei¬ stungsanteile sind auch bei niedrigem Füllstand vorhan¬ den. Die Schwankungen zwischen den niederfrequenten und höherfrequenten Werten der Leistungsdichte können zwischen dem Vier- bis Zwanzigfachen, bei Industrietanks u. dgl. sogar noch darüber liegen. 2 Zwar ist aus der DE-OS 31 34 243 eine Schaltung für ein Füllstandmeßgerät ohne Hohlleiterfenster bekannt, bei der zwischen einer Mischstufe und einem A/D-Wandler einer Fil¬ ter angeordnet ist, der unerwünschte Frequenzen ausfiltern soll. Da die Abstandsinformation Inhalt der Mischfrequenz ist, würde das Ausfiltern unerwünschter Frequenzen auch die entsprechenden Nutzsignale ausfiltern und eine Abstandsbe¬ stimmung in diesem Frequenzbereich gar nicht zulassen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß die Störsignale gedämpft werden, ohne die Erfassung der Ab¬ standsinformationen zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwi¬ schen der Mischstufe und dem A/D-Wandler ein Bandpaßfilter mit einer die niederfrequenten Störfrequenzen dämpfenden unteren Grundfrequenz angeordnet ist.

Erfindungsgemäß wird durch das Bandpaßfilter gezielt nur derjenige niederfrequente Bereich des Frequenzbandes ge¬ dämpft, in dem einerseits die vom optischen Fenster verur¬ sachten Störfrequenzen und anderseits die Nutzfrequenzen liegen, die bei relativ hohem Füllstand mit einer hohen Lei- stungsdichte entstehen. Hierdurch werden die niederfrequen¬ ten Störfrequenzen im wesentlichen eliminiert und Nutzsi¬ gnale in einer für die Auswertung geeigneten Leistungsdich¬ te durchgelassen. Hingegen werden die über der Grundfre¬ quenz des Bandpaßfilters liegenden Nutzsignale, die wegen des größeren Abstand zwischen dem Füllstandmeßgerät und der Oberfläche des Mediums nur eine geringere Leistungsdichte haben, umgedämpft durchgelassen.

Erfindungsgemäß kann ein Bandpaßfilter mit einer entspre- chend festen Grenzfrequenz ausgewählt werden, welche das Spektrum der durch das optische Fenster verursachten Stör¬ frequenzen erfaßt. Für die Praxis erweist sich eine Grenz- frequenz als geeignet, die eine mit einem Abstand zwischen dem Koppler des Füllstandmeßgeräts und dem Flüssigkeits- spiegel von etwa 0,1 bis 3m erzeugten Abstandsfrequenz ent¬ spricht. Die untere Grenzfrequenz kann in vorteilhafter Wei- se auch entweder vom Mikroprozessor oder einem Rechner ge¬ steuert werden, oder das Bandpaßfilter kann auf mehrere wählbare Grenzfrequenzen einstellbar sein. Mit dem Mikro¬ prozessor läßt sich eine Frequenzanalyse durchführen und in Abhängigkeit von dem Anteil der Störfrequenzen die Grenzfre- quenz des Bandpaßfilters einstellen. Eine Anpassung der Grenzfrequenz kann auch in Abhängigkeit von dem Füllstand sinnvoll sein. Da bei einem hohen Füllstand die Frequenzver¬ schiebung sehr gering ist, sollte in diesem Meßbereich so¬ weit wie möglich ohne Dämpfung gearbeitet werden. Die durch das optische Fenster verursachten Störfrequenzen werden zweckmäßig bei leerem Tank ermittelt, im Mikroprozessor ge¬ speichert und bei der rechnerischen Signalverarbeitung be¬ rücksichtigt.

Um eine Übersteuerung des A/D-Wandlers zu verhindern, ist zweckmäßig dem Bandpaßfilter eine vom Mikroprozessor ge¬ steuerte Verstärkerstufe zugeordnet, wobei diese vor oder nach dem Bandpaßfilter angeordnet oder integriert sein kann.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise darge¬ stellt; es zeigt

Fig. 1 eine Schaltanordnung für ein Füllstandmeßgerät,

Fig. 2 die zwischen Sende- und Empfangssignal auftretende Frequenzverschiebung in einem Diagramm,

Fig. 3 das von einer Mischstufe gebildete niederfrequente Signal und

Fig. 4 das von einem A/D-Wandler gebildete Leistungsdich¬ te-Spektrum. Wie Fig. 1 zeigt, wird mittels eines Sägezahngenerators 1 o. dgl. ein spannungsgesteuerter Oszillator 2 angesteuert, der ein sich kontinuierlich in seiner Frequenz änderndes elektrisches Ausgangssignal f_a erzeugt. Der Zeitverlauf die- ser Frequenz ist beispielsweise in Fig. 2 durch die Kurve f_s dargestellt. Das Sendesignal f_s wird über einen Koppler 3 in elektromagnetische Wellen (Mikrowellen) gewandelt, die durch einen Hohlleiter 4 über ein optisches Fenster 5 und eine Antenne 6 auf die Oberfläche eines in einem Industrie- tank 7 o. dgl. befindlichen Flüssigkeit gelenkt werden. Die von der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Mikrowellen werden von der Antenne 6 wieder empfangen und von dem Kopp¬ ler 3 in ein elektrisches Signal f_r umgesetzt, das einem Mischer 8 zugeführt wird. Durch die Laufzeit der Mikrowelle vom Koppler 3 zur Flüssigkeitsoberfläche und zurück findet eine vom Füllstand abhängige FrequenzVerschiebung £ gegen¬ über dem Sendesignal statt (vgl. Fig. 2). Diese Frequenz- Verschiebung entspricht der Gleichung (1) .

wobei für den Ausdruck τ^ in erster Näherung die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen gilt

(2) τ_d =

mit h = Abstand Koppler - Flüssigkeitsoberfläche c = Lichtgeschwindigkeit

Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich

•_) x _Λ - — 2h. dfs (3) Δf - c^~ cfE-

Danach ist die Frequenzverschiebung der Füllstandhöhe direkt proportional.

Das Sendesignal f_s und das Empfangssignal f_r werden dem Mi¬ scher 8 zugeführt, dessen Ausgangssignal das niederfrequen- 4 te Abstandssignal £ enthält, das in Fig. 3 als ideale Si¬ nuskurve dargestellt ist. In der Praxis enthält das Aus¬ gangssignal weitere Frequenzanteile, die durch Reflexionen der Mikro elle an der Behälterinnenwand, an Behältereinbau- ten u. dgl. entstehen. Solche Störfrequenzen lassen sich mittels eines die Meßsignale verarbeitenden Mikroprozessors im Rahmen sogenannter Lernvorgänge ermitteln und unterdrük- ken. Hierfür wird das niederfrequente Ausgangssignal ^f des Mischers 8 über ein Bandpaßfilter, bestehend aus einem Hoch- paßfilter 9 und einem Tiefpaßfilter 10, einem A/D-Wandler 12 zugeführt und mit einer diskreten Anzahl von Auf astun¬ gen digitalisiert. Aus den aufeinanderfolgenden digitalen Werten führt ein Mikroprozessor 13 eine Frequenzanalyse durch und ermittelt ein diskretes Leistungsdichtespektrum.

Hätte das Ausgangssignal &f idealerweise einen reinen si¬ nusförmigen Verlauf, würde das Leistungsdichtespektrum nur aus einigen Frequenzlinien bestehen, wie es in Fig. 4 ange¬ deutet ist, wobei die beiden Nebenlinien durch die begrenz- te Zeit des Anliegens des Signals ^f für die Frequenzanaly¬ se verursacht werden.

In der Praxis enthält das Ausgangssignal _j f der Mischstufe 8 durch etwaige Modeänderungen des Mikrowellensignals und/ oder durch Mehrfachreflexionen des optischen Fensters einen Leistungsdichteanteil, der beträchtlich höher sein kann als der Anteil des von dem von der Flüssigkeitsoberfläche re¬ flektierten Nutzsignals. Die bei unterschiedlichen Füll¬ standhöhen auftretenden Spektrallinien des Leistungsdicht- spetrums ergeben bei niedrigen Frequenzen relativ hohe Wer¬ te, die auf der Reflexion des optischen Fensters beruhen, jedoch bei höheren Frequenzen infolge der größeren Meßstrek- ke niedrigere Werte. Die insbesondere bei Verschmutzung des optischen Fensters entstehenden hohen niederfrequenten Lei- stungsanteile sind auch bei niedrigem Füllstand vorhanden. Die Schwankungen zwischen den niederfrequenten und höher- frequenten Werten der Leistungsdichte können zwischen dem Vier- bis Zwanzigfachen, bei Industrietanks u. dgl. sogar noch darüber liegen. Die auftretenden Störfrequenzen werden zunächst bei leerem Tank ermittelt, im Mikroprozessor 13 gespeichert und bei der rechnerischen Signalverarbeitung berücksichtigt. Zur Dämpfung der beim Messen auftretenden niederfrequenten Stör- anteile besitzt der Bandpaßfilter eine untere Grenzfrequenz. Die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters 9 und Tiefpaßfilters 10 sind zweckmäßig derart ausgelegt, daß bei einer maxima¬ len Füllhöhe das darin relativ kleine Ausgangssignal £f na¬ hezu ohne Dämpfung durchgelassen wird, während die niedrig- ste Grenzfrequenz des Hochpaßfilters 9 durch die bei leerem Tank auftretende Frequenzverschiebung bestimmt wird. Die minimale Abtastfrequenz des A/D-Wandlers 12 wird durch die Shannonsche Beziehung bestimmt. In der Praxis kann eine Grenzfrequenz so gewählt werden, daß sie der niederfrequen- ten Frequenzverschiebung ^f bei einer Füllstandhöhe ent¬ spricht, bei der der Abstand zwischen der Flüssigkeitsober¬ fläche und der Antenne etwa 0,1 bis 3,0 m beträgt.

Zur Anpassung an verschiedene Betriebsbedingungen und Stör- einflüsse sind dem Hochpaßfilter 9 mehrere einstellbare Grenzfrequenzen zugeordnet. Doch vorzugsweise wird der Hoch¬ paßfilter 9 von dem Mikroprozessor 13 gesteuert, also ein steuerbarer Hochpaßfilter verwendet. Hierdurch läßt sich ein durch veränderte Betriebsbedingungen, z. B. Verschnürt- zung o. dgl. erhöhter Störanteil bestmöglichst unterdrüc¬ ken, wobei der Mikroprozessor 13 aus den Leistungsdichte¬ werten derartige Veränderungen berechnet und die Grenzfre¬ quenz des Hochpaßfilters 9 entsprechend anpaßt. Die zuge¬ hörige Steuerleitung ist in Fig. 1 mit 14 bezeichnet.

Der A/D-Wandler ist gegen eine Übersteuerung zu schützen, die durch die Höchstwerte der niederfrequenten Signale ver¬ ursacht werden und die zu einer schlechten Auflösung führen. Anstelle eines aufwendigen hochauflösenden A/D-Wandlers ist vor oder im oder nach dem Bandpaßfilter eine vom Mikropro¬ zessor 13 über eine Leitung 15 gesteuerte, die Übersteue¬ rung des A/D-Wandlers 12 verhindernde Verstärkerstufe 11 vorgesehen. d Bei einem im wesentlichen gleichen Füllstand kann es zweck¬ mäßig sein, eine höhere Grenzfrequenz des Bandpaßfilters zu wählen. Auch dies kann durch die Einstellbarkeit oder Steu¬ erung der Grenzfrequenz geschehen.

Wie in Fig. 4 angedeutet ist, besteht das Leistungsdichte¬ spektrum nicht aus einer diskreten Spektrallinie, sondern enthält in der Regel benachbarte Linien. Da eine Linie ei¬ nem diskreten Abstand entspricht, können die Nebenlinien zu Berechnung der Füllstandshöhe beispielsweise durch eine Wichtung der Amplituden der Nebenlinien herangezogen wer¬ den. Eine lineare Wichtung würde im flachen Bereich der Frequenzcharakteristik geeignet sein. Falls die Frequenzli¬ nien sich in einem nicht konstanten Bereich des Filters be- finden, ist bei der Wichtung der "Roll-off" als Faktor zu berücksichtigen. Bei bekanntem Frequenzausgang der Meß¬ strecke kann für sehr genaue Messungen die Korrektur bei der Interpolation der diskreten Spektrallinien berücksich¬ tigt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Schaltung für ein Gerät zur Füllstandmessung von Industrietanks u. dgl. mit einem elektronischen Sen¬ de- und Empfangsteil für Mikrowellen und einem mit einem Fenster und einer Antenne versehenen Hohlleiter, wobei das vom Flüssigkeitsspiegel reflektierte Signal und das Sendesignal einer Mischstufe zugeführt wird, deren nie¬ derfrequentes Ausgangssignal über einen A/D-Wandler ei¬ nem die Füllstandsgröße berechnenden Mikroprozessor auf¬ gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Mischstufe (8) und dem A/D-Wandler (12) ein Bandpaßfil¬ ter (9,10) mit einer die niederfrequenten Störfrequenzen dämpfenden unteren Grenzfrequenz angeordnet ist.

2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß die untere Grenzfrequenz des Bandpaßfil¬ ters (9,10) einer mit einem Abstand zwischen dem Koppler des Füllstandmeßgeräts und dem Flüssigkeitsspiegel von etwa 0,1 bis 3 m erzeugten Abstandsfrequenz entspricht.

3. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Grenzfrequenz des Band¬ paßfilters (9,10) vom Mikroprozessor (13) gesteuert wird.

4. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Bandpaßfilter (9,10) auf mehrere

Grenzfrequenzen einstellbar ist.

5. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder im oder nach dem Bandpaßfilter (9,10) eine vom Mikroprozessor (13) ge¬ steuerte, die Übersteuerung des A/D-Wandlers (12) ver¬ hindernde Verstärkerstufe (11) vorgesehen ist.