EP1261849A2

EP1261849A2 - Verfahren und vorrichtung zur berührungslosen füllstandsmessung

Info

Publication number: EP1261849A2
Application number: EP01929350A
Authority: EP
Inventors: Paolo Cavazzini; Egon Ahlers; Uwe Hasler
Original assignee: SIG Simonazzi Germany GmbH
Current assignee: Sidel GmbH
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-12-04
Also published as: WO2001063223A3; DE10009406C2; BR0108323A; WO2001063223A2; DE10009406A1; US20030010116A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Füllstandsmessung einer Flüssigkeit in einem Behälter durch Abstrahlen eines Sendesignals von oben auf die Flüssigkeitsoberfläche und Empfang des reflektierten Signals, wobei das reflektierte, empfangene Signal mit dem gesendeten Signal durch Korrelation verglichen wird, um den korrekten Empfangszeitpunkt und somit den Laufweg zu ermitteln.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur bemhrungslosen Fullstandsmessung

Die Erfindung betiifft ein Verfahren zur beruhrungslosen Fullstandsmessung ei- nei Flüssigkeit in einem Behalter gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 6

Bei dei Fullstandsmessung werden die auf mechanischen Prinzipien bemhenden Fullstandsmesser in zunehmendem Maße von beruhrungslos arbeitenden Full- standsmessern abgelost

Die bekannten beruhrungslos arbeitenden Fullstandsmesser bedienen sich alle eines Senders und eines Empfangers, wobei der Sender Schwingungswellen aussendet, die der Empfanger nach Reflexion an der Flussigkeitsoberflache nachweist Aus der ermittelten Laufzeit oder Phasendifferenz des Signals wird dann auf die zurückgelegte Weglange und die sich daraus ergebende Fullstandshohe umgerechnet Bei den meisten Veifahien zui beruhrungslosen Fullstandsmessung sind sowohl Sendei als auch Empfangei im Abstand obeihalb des maximalen Flussigkeits- spiegels angeoidnet Dei Sendei sendet ein Signal in Richtung auf die Flussig- keitsobei flache aus .An dei Flussigkeitsoberflache wnd das Signal wenigstens teilweise l eflektieit und gelangt auf diese Weise zurück zum Empfangei, dei das einlaufende Signal nachweist Aus dei Laufzeit odei dei Phasenverschiebung des einlaufenden Signales laßt sich in Folge semei bekannten Ausbieitungsgeschwin- digkeit die duichlaufene Wegstiecke ermitteln und daiaus dei Füllstand als Ort dei Reflexion enechnen Untei einem Signal sollen im Sinne dei Eifindung alle Wellen bezeichnet sein, die sich in einem definierten Medium mit bekanntei Ausbieitungsgeschwmdigkeit ausbieiten Bei der beruhrungslosen Fullstandsmessung weiden insbesondeie elektiomagnetische Wellen und Schallwellen eingesetzt Als elektiomagnetische Wellen weiden Mikiowellen und insbesondeie Licht verwendet

Bei allen diesen beruhrungslos aibeitenden Verfahren ergibt sich das Problem, daß die Ei kennung des Musteis im Empfangssignal schwierig ist, so daß die Ei- gebnisse dei Fullstandsmessung nicht zuvei lassig sind Die Grunde dafür können je nach physikahschei Natui des Sendesignals sehr untei schiedlich sein Elektiomagnetische Messungen sind deshalb schwierig, weil sich die Oberfläche dei Flüssigkeit bewegt, so daß eine sehi diffuse Reflexion stattfindet Bei Messungen mit Ultiaschall eigibt die staike Dampfungswnkung des sich oberhalb des Flus- sigkeitsspiegels befindlichen Gasvolumens insbesondeie bei C0₂-haltιgen Flüssigkeiten ein niednges Signal/Rauschveihaltnis Weiteihin hat man Reflexionen zu berücksichtigen, die nicht an dei Flussigkeitsoberflache stattfinden, sondern z B am Behalteiboden

Es ist aus dei EP 0591816 A2 ein Veifahien zui Messung des Füllstandes emei Flüssigkeit untei Verwendung von Mikrowellen nach dem Radarprinzip bekannt, >

bei dem aus dem reflektierten Bodensignal, und nicht aus dem am Flussigkeits- spiegel reflektierten Signal, die Fullstandshohe ermittelt wird Die Ermittlung erfolgt rechnerisch aus dei Laufzeit des Bodensignals, dem tatsachlichen Bodenabstand, der Dielektrizitatszahl und der Permeabilitatszahl der Flüssigkeit Das Verfahren ist demzufolge nur auf Flüssigkeiten mit exakt bestimmter Dielektπ- zitats- und Permeabilitatszahl anzuwenden Das Bodensignal wird aber ebenfalls nui schwer vom Rauschen zu trennen sein, so daß das Veifahien die Qualität der Messung nicht wesentlich verbessert

Aus dei EP 0296583 A2 ist ein Fullstandsmessgerat bekannt, das mit einem Ul- traschallwandlei ausgestattet ist, dei aufgrund empfangenei Echosignale elektrische Signale erzeugt, die über eine Filtervomchtung einer Empfangerschaltung zugeführt werden Die Filtervomchtung muß zum optimalen Wegfiltem von Störungen schmalbandig sein, und zudem in ihrer Mittenfrequenz der Arbeitsfrequenz des Senders entsprechen, wobei letzteie sich abhangig von den Umgebungsbedingungen andern kann Der Ausgleich dieser Variation wird dadurch erreicht, daß eine Mehrzahl parallel geschalteter, phasenselektiver Gleichπchtei vorgesehen ist, deren Ausgange an einen der Empfangerschaltung vorgeschalteten Maximum-Selektor angeschlossen sind Es wird zur weiteren Ausweitung der Gleichπchtei mit dem größten Nutzsignal ausgewählt Auch bei diesei Erfindung wird ein schlechtes Signal/Rausch- Verhältnis zu unzuverlässigen Fullstandsmes- sungen fuhren

Aus der DE 4327333 AI ist ein Verfahren zur Messung des Füllstandes emei Flüssigkeit in einem Behalter nach dem Radarprinzip bekannt, bei dem die Zuverlässigkeit des Meßverfahrens dadurch verbessert wird, daß in einem gemessenen Spektrum auftretende und vom Füllstand der Flüssigkeit unabhängige Storsi- gnale mit Hilfe der gemessenen Intensität eines ersten Storsignals korrigiert werden Dieses Veifahien kann aber nur dann zum Erfolg fuhren, wenn die Storsi- gnale alle ein ahnliches Intensitatsmustei aufweisen, was abei nicht dem Regelfall entspiechen wnd Damm ist auch dieses Veifahien nicht geeignet, die mit dem schlechten Signal/Rausch- Veihaltnis verbundene Meßproblematik zu ubei- winden

Die Eifindung hat es sich deswegen zui Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Voirichtung zui Durchfuhmng des Verfahl ens bereitzustellen, mit dem bzw mit dei trotz schlechten Signal/Rausch- Verhältnisses und Mehrfachreflexionen zu- vei lassige Fullstandsmessungen ermöglicht werden

Diese Aufgabe wiid bei dem erfindungsgemaßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelost, die Vorrichtung zui Durchführung des erfindungsgemaßen Verfahrens zeichnet sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 6 aus

Im Kern dei Erfindung geht es dämm, das im Empfangssignal enthaltene Muster des Sendesignals nachzuweisen, das sich nach Reflexion an dei Flussigkeitsobei- flache ergibt Da dieses, abgesehen von Ubertragungsstorungen, die gleiche Form wie das ursprünglich gesendete Muster aufweist, kann seine Form im empfangenden Signal erkannt werden, indem eine an sich im Stand dei Technik bekannte Methode dei Signal Verarbeitung genutzt wird, die unter der Bezeichnung Korrelation bekannt ist Koπelation versteht man als ein Maß für die Ähnlichkeit zweier Signale

Em spezielles Beispiel fui eine Koπelationsme hode findet sich in dei DE 4202677 C l Dort ist eine nicht gattungsgemaße Vorrichtung zui Überprüfung einer Ubertiagungsstiecke gezeigt, bei der em Testsignal übertragen wird, dessen anschließende Erfassung im empfangenden Signalstrom durch den Vergleich mit der gesendeten Form nachgewiesen wird Eine Synchronisierung mit dem Testsi- gnalgebei erfolgt dort - nach dem ausdrücklichen Zweck diesei Methode - nicht, eine Laufzeitbestimmung ist deshalb nicht möglich

Das eifindungsgemaße Veifahien laßt sich auf vielfaltige Weise ausfuhien Es kann insbesondeie auch in einem Rechner und dessen Arbeitsspeicher ausgefuhit werden Mit einei Haidware-Losung dagegen lassen sich sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeiten ei halten

Weiteihin ist das Veifahien unabhängig von der physikalischen Natur des Sendesignals einsetzbai. solange das Signal ein erkennbaies Muster aufweist, dessen Form Konelation ermöglicht Je nach Art des Signals sind Sender und Empfangei entsprechend auszuwählen Gegebenenfalls können Sender und Empfanger auch als Baueinheit realisiert sein

Prinzipiell kann das Sendesignal mit einem beliebigen Muster versehen werden, es kann insbesondeie frequenz- oder impulsmoduliert ausgebildet sein Entscheidend ist allein die Eikennbarkeit eines Musters im Vergleich zu eventuell vorhandenen Storsignalen odei Rauschen Der Begriff des Musters ist insofern sehr weit zu verstehen

Es ist nach Anspruch 2 bzw 7 insbesondere vorteilhaft, daß das Muster des Sendesignals ein Rechteckimpuls ist, dessen charakteristische Größe im wesentlichen die Impulslange darstellt Dei Vorteil dieses einfachen Musters besteht dann, daß die Hohe des Signals als Informationsträger nicht benotigt wird, so daß das Empfangssignal ohne Verfälschung des enthaltenen Informationsgehaltes normiert werden kann Das normierte Empfangssignal laßt sich dann in einfacher Weise in ein Bitmustei umsetzen, das in ebenso einfacher Weise mit einem Vergleichsbit- mustei verglichen werden kann Dei ermöglichte bitweise Vergleich hat den Vorteil, daß fui den Vei gleich nui eine geringe Rechenleistung notwendig ist Die technischen Voikehmngen zum Normieren des Empfangssignals, zum Umsetzen desselben in ein Bitmustei und zum bitweisen Vergleich des Bitmusteis mit einem voi gegebenen Bitmustei sind dem Fachmann wohlbekannt

Geiade bei Mustein mit einei einfachen Form, wie im Falle eines Rechteckimpulses, ist besondeis darauf zu achten, daß die Abtastrate des A/D-Wandleis aus- i eichend hoch ist Damit ist gemeint, daß z B der Rechteckimpuls, um bei diesem Beispiel zu bleiben, von einer ausreichenden Anzahl an gewandelten Empfangsweiten bzw insbesondeie Bits dargestellt wird Es sind befriedigende Ergebnisse zu erwarten, wenn dei Rechteckimpuls in z B vier Bits daigestellt ist Geneiell ist festzuhalten, daß mit einei Erhöhung dei Abtastrate die Wahrscheinlichkeit einer zufalligen Ubeiemstimmung zwischen den Vergleichsweiten und den Empfangswerten abnimmt

Die Eikennbaikeit des Musteis des Sendesignales laßt sich dadurch verbessern, daß eine Impulsfolge von Rechteckimpulsen das Mustei bildet, wie es mit Vorteil in Anspmch 3 bzw 8 voi geschlagen wird Auch diese Impulsfolge kann nach einei Normierung in ein Bitmustei umgewandelt werden, dessen Information aus dei Lange dei Rechteckimpulse und der Lange der Pausen zwischen den Impulsen gebildet wird Dei Vorteil dei Verwendung einei Impulsfolge besteht dann, daß zufällige Ubeieinstimmungen zwischen Vergleichs- und Empfangswerten unwahrscheinliche! werden

Die Reflexion des vom Sender abgestrahlten Sendesignals findet nicht nur an dei Flussigkeitsoberflache statt, sondern auch am Boden des Behalteis Das an dei Flussigkeitsoberflache leflektierte Signal wird den Empfangei eher eneichen, als das am Boden leflekierte Signal Es muß aber vor emei zweiten Fullstandsmessung abgewartet werden, bis auch das Bodensignal den Detektor erceicht hat, um eine Verwechslung des Bodensignals mit dem Oberflachenreflexsignal dei nach- folgenden Fullstandsmessung zu vermeiden Diese Bedingung stellt eine untei e Gienze fui den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Full- standmessungen dai Es ist deshalb gemäß Anspmch 4 bzw 9 von Vorteil, das Mustei des Sendesignals bei zeitlich aufeinanderfolgenden FuUstandsmessungen untei schiedlich auszubilden Dies kann z B duich eine zufällige Wahl des Mustei s ei folgen, odei duich die Vorgabe einer festen Abarbeitungsreihenfolge einei Zahl von voi gegebenen und gespeicherten Mustern

Dei zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden FuUstandsmessungen kann daduich deutlich venmgert werden, da ein am Boden reflektiertes Signal einei eisten Fullstandsmessung und em von der Flussigkeitsoberflache reflektiertes Signal einei zweiten Fullstandsmessung aufgrund der dazwischen erfolgten Änderung des Musters nicht verwechselt werden können Es versteht sich, daß die gespeicherte Folge von Vergleichswerten bei einer Änderung des Musters des Signales dem neuen Mustei vor dem Vergleich durch Korrelation entsprechend anzupassen ist

Es ist weiterhin gemäß Anspmch 5 bzw 1 1 von Vorteil, daß em Referenzsignal duich Reflexion des vom Sender abgestrahlten Sendesignals an emei Reflexionsstelle mit definiertem Abstand zu Sendei und Empfanger erzeugt und zur Ermittlung eines Koπekturwertes ausgeweitet wird Die Ausbieitungsgeschwindigkeit des Signals hangt von den Umgebungsbedingungen ab, insbesondeie von dei Temperatui und von den Dmckbedmgungen beim Befullen des Behälters Diese Änderungen lassen sich berücksichtigen, indem das Sendesignal eine bekannte Strecke durchlauft, diese Laufzeit bestimmt und die Lauf- bzw Ausbreitungsgeschwindigkeit daraus eπechnet wnd Die bekannte Strecke wird durch das Ausbilden einei Reflexionssteile erzeugt, wobei dei Abstand dei Reflexionsstelle von Sender und Empfangei bekannt ist Der Empfanger empfangt deshalb zueist das durch Reflexion an dei Reflexionssteile gebildete Reflexions Signal und eist da- nach das an dei Flussigkeitsoberflache reflektierte Signal Aus einer ersten festgestellten Übereinstimmung des Musters des Empfangssignals mit dei bekannten Form des Musters des Sendesignals kann somit eine Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signales festgestellt werden, auf dessen Grundlage eine zweite festgestellte Ubeiemstimmung des Mustei s des Empfangssignals mit dei bekannten Form des Musters des Sendesignals in eine durchlaufene Weglange umgeiechnet weiden kann, aus dei dei Füllstand ermittelbar ist

Bezogen auf die Vornchtung. mit der em erfmdungsgemaßes Veifahien dmch- fuhibai ist, ist es nach Anspmch 10 vorteilhaft, daß Sendei und Empfanger im Ruckgasweg des Fullorgans angeordnet sind, über das dei Behalter mit Flüssigkeit beaufschlagbar ist Ubei den Ruckgasweg ist em freier Weg zur Flüssigkeit im Behaltei gewahrleistet, so daß bei einer Anordnung des Senders und des Empfangers im Ruckgasweg kein zusätzlicher Zugang ausgebildet werden muß

In vorteilhafter Weise ist gemäß Anspmch 12dιe Reflexionsstelle als Verjüngung des Ruckgasweges ausgebildet Es wird insbesondere vorgeschlagen, diese Vei- jungung am unteren Ende des Ruckgasweges auszubilden

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindungen lassen sich dei nachfolgenden Beschreibung entnehmen, in der anhand von Zeichnungen Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen

Figur 1 einen Schnitt durch em Fullorgan mit erfindungsgemaßei Voirichtung.

Figui 2a eine schematische Darstellung emei teilweise mit Flüssigkeit befullten Flasche mit verschiedenen Reflexionssteilen, Figui 2b das pnnzipielle Aussehen eines aus dei Lage dei Reflexionsstellen gemäß Fig 2a lesultiei enden Empfangssignals,

Figui 3 ein Blockschaltbild dei eifindungsgemaßen Ermirtlungsein- heit,

Figui 4a eine schematische Dai Stellung des Abtast- und Wandelvoi- ganges des Empfangssignals,

Figui 4b eine schematische Dai Stellung dei im Wandlertakt duichge- fuhrten Koπelation anhand exemplanschei Bitmustei und

Figui 5a, b, c Beispiele fm Muster des Sendesignals

Anhand des in Figui 1 dai gestellten Ausfuhmngsbeispieles soll ein eifindungs- gemaßes Veifahien und eine eifindungsgemaße Voπichtung zui bemhmngslosen Messung des Füllstandes emei Flüssigkeit 16 in einem Behaltei 3 eiklart werden Ein Fulloigan 1 ist mit einem Fullgutzulauf 8 und einem Ruckgaszulauf 9 an einei nicht gezeigten Fullmaschine voi gesehen, die dem üblichen Stand dei Technik entspiechen kann

Das Fulloigan 1 weist eine FuUgutkammer 19 auf, in der sich das flussige Füllgut 7 befindet Weiteihm weist das Fullorgan 1 ein dmckfest abgedichtetes, hohen- bewegliches Ruckgaselement 18 auf, dessen untei ei Teil sich bis in die Fullgut- kammei 19 eistieckt Die Dmckabdichtung erfolgt ubei eine Schiebedichtung 14, die obeihalb dei Fullgutkammei 19 angeordnet ist Im Inneien des Ruckgaselementes 18 ist em Ruckgasweg 15 als langgestreckt«, zylindnschei Kanal ausgebildet, duich den beim Befullen des Behaltei s 3 mit dem Füllgut 7 das Gas em- und ausstiomen kann, wobei dei Behaltei 3 von emei nicht dai gestellten Anpieß- vomchtung gegen eine Behaltei dichtung 5 am Fulloigan 1 angepießt wnd

Am obeien Ende des Ruckgasw eges 15 sind ein Sendei 1 1 und ein Empfangei 12 angebiacht, die ubei Signalleitungen 17a, 17b mit emei Ermittlungseinheit 2 vei- bunden sind Die Ermitflungseinheit 2 steuert den Sendei 1 1 indem sie Steuei Signale ubei die Signalleitung l~a an den Sendei 11 schickt, und w eitet die vom Empfangei 12 eimittelten Signale zui Bestimmung einei Laufzeit des vom Sendei

1 1 abgestiahlten Signals aus obei das Empfangssignal ubei die Signalleitung 17b ubeitiagen wnd Das vom Sendei 1 1 in Richtung dei Flussigkeitsobei flache 4 abgesüahlte Signal duichlauft den Ruckgasweg 15 ein eistei Anteil des Signals wnd an einei Veijungung 13 die am untei en Ende des Ruckgasweges 15 ausgebildet ist, leflektieit, em zweitei Teil des Signals gelangt zui Flussigkeitsobei flache 4 und wnd dort teilweise leflektieit Das ieflektierte Signal gelangt ebenfalls duich den Ruckgasweg 15 zum Empfangei 12, das Empfangssignal gelangt ubei die Signalleitung 17b in die Emuttlungseinheit 2

Da dei Hohenabstand h zwischen Veijungung 13 und Sendei 1 1 bzw Empfangei

12 bekannt ist, kann aus dei Laufzeit des eisten leflektierten Signals die Aus- bieitungsgeschwingdigkeit des Signals bestimmt weiden, aus dei dann dei Laufweg des von dei Flussigkeitsobeiflache 4 leflektierten Signals eitechnet weiden kann Wenn die Flussigkeitsobeiflache 4 den maximalen Füllstand 4a eneicht, dei in diesem Fall dem Sollfullstand entspπcht, steuert die Emuttlungseinheit 2 ubei die Signalleitung 17c ein \ entil 10 im Ruckgaszulauf 9 derart an. daß dieses in den geschlossenen Zustand ubei geht Dei Zufluß des Füllgutes 7 wnd ebenfalls untei biochen, indem das beweglich abgedichtete Ruckgaselement 18 nach unten vei schoben wnd bis dei Dichtungsnng 6 auf dei untei en Wandung dei Fullgutkammei 19 aufliegt Dei Behaltei 3 wnd um aus seinem angepießten Zustand an dei Dichtungen 5 gelost und weitertiansportiert z B zu einei Veischheßmaschine Zui Voi bei ei- tung eines neuen Fullvoi ganges wnd em neuei Behaltei 3 an die Dichtungen 5 angepießt Duich Offnen des Ventils 10 im Ruckgaszulauf 9 wnd dei Behaltei 3 voi gespannt Duich Hochfahren des Ruckgaselementes 18 ei folgt dann dei ei- neute Zulauf des Füllgutes 7

Das bishei beschiiebene Fulloigan entspiicht soweit noch den gattungsbildenden bekannten Voinchtungen

Figui 2a veideutlicht, daß die Reflexion des vom Sendei 1 1 in Richtung auf die Flussigkeitsobeiflache 4 abgestiahlten Sendesignales an mehieren Stellen stattfindet Eine eiste Reflexion findet an emei Veijungung 13 des Ruckgasweges 15 statt, sie ist mit α bezeichnet Eine zweite Reflexion ß findet an dei Flussigkeitsobeiflache 4 statt, wobei nicht nui in dei kuizesten, lotrechten Veibindung zum Sendei 1 1 das Signal leflektieit wnd sondern auch an den Randbeieichen dei Flussigkeitsobeiflache (ß') Ein dnttei Teil des Signales duichlauft die gesamte Flüssigkeit 16 im Behaltei 3 und wnd am Boden 3' des Behalters 3 reflektiert (γ) Teilbild 2b zeigt in schematisieitei Form das am Empfangei 12 einlaufende Signal Das ieflektieite Signal α wnd voi Signal ß , den Signalen ß' und dem Signal γ den Empfangei en eichen Aus ihm kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signales eimittelt weiden, wie sie bei den hen sehen Temperatui- und Druckbedingungen voi hegt, da dei Hohenabstand h bekannt ist und die Laufzeit ermittelt wnd Mit diesei Ausbieitungsgeschwindigkeit kann dei Laufweg des zweiten einlaufenden leflektierten Signales ß enechnet weiden, wenn die Laufzeit diese Signales gemessen wnd

Im folgenden wnd ei läutert wie das Einlaufen des reflektierten Signales nachgewiesen wnd Dazu ist in dei Ermittlungseinheit 2 wie in Figui 3 schematisch gezeigt ein A/D-Wandlei 21 angeordnet dei über die Signalleitung 17b mit dem Empfangssignal des Empfangers 12 beschickt wird Der A/D-Wandlei 21 tastet dieses Empfangssignal mit einei hohen Rate ab und wandelt es in digitale Werte Die gewandelten Weite werden über eine Signalleitung 25 in em Schieberegistei 22 eingespeist, wobei das Schiebeiegister die Schieberegisterplatze 1 bis n aufweist

Die Ermittlungseinheit 2 umfaßt weiterhin einen Speichei 24, in dem auf den Speicheiplatzen 1 bis m Vergleichswerte abgelegt sind, wobei die Vergleichswerte die Form des Musters des Sendesignales darstellen Der Speichei 24 kann dauerhaft speichernd odei uberschieibbar ausgebildet sein Der Vergleich dei Vergleichswerte im Speicher 24 mit den im Schieberegister 22 im Wandlertakt sukzessive verschobenen Empfangswerten erfolgt in einer Koπelationseinheit 23, die ebenfalls Platze 1 bis m aufweist Dazu sind sowohl das Schieberegister 22 als auch die Korrelationseinheit 23 über die Taktleitung 26 mit dem A/D- Wandler 21 verbunden, so daß beide im Wandlertakt getaktet werden Die Koi- relationseinheit ist über Signalleitungen 27 platzweise mit dem Schieberegister 22 verbunden, und ebenso über Signalleitungen 28 mit dem Speicher 24 Über diese Signalleitungen 27, 28 werden die zu vergleichenden Empfangsweite und Vei- gleichswerte eingelesen und im Takt des A/D- Wandlers 21 in dei Korrelationseinheit 23 z B duich binare Multiplikation verglichen Das Ergebnis dieses Vei- gleichs stellt den Korrelationswert dar Dieser Wert wird über eine Signalleitung 29 im Wandleitakt einer Ausweiteeinheit 30 zugeführt, in der der Empfangszeitpunkt ermittelt wird, da der maximale Koπelationswert einem Taktzeitpunkt zugeordnet werden kann, und diesei Taktzeitpunkt maximaler Korrelation dem Empfangszeitpunkt entspricht

In den Figuren 4a und 4b ist zum besseren Verständnis dei zeitliche Ablauf des Abtastens und Wandeins anhand eines Beispieles dargestellt Figui 4a zeigt, wie dei A/D-Wandlei 21 das Empfangssignal E taktweise zu den Taktzeitpunkten a, a+ 1 , a+4 abtastet und dei Abtastweit in das Schiebei egistei 22 in Foim dei Abtastweite f(a), , f(a+4) in den Speichei platzen 1 bis n des Schiebei egistei s 22 eingespeist wnd

Figui 4 b veideuthcht die Funktion dei Konelationsemheit 23 anhand des Beispiels eines Empfangssignals dei Fonn l l lj li l Im Schiebetakt des A/D-Wandleis 21 duichlauft die Folge an Empfangsweiten das Schiebei egistei 22 Die auf den benachbarten Platzen h, I, j und k befindlichen Werte werden in dei Konelationsemheit 23 mit den im Speichei 24 gespeicherten Werte l| l| lj l verglichen Bei jedem neuen Takt wnd das zu identifizierende Mustei 1| 1| 1| 1, das in den Empfangswerten enthalten ist, sukzessive inneihalb des Schiebei egistei s 22 verschoben, bis es beim Takt a+3 die Speicherplätze h, 1, j und k besetzt, woiaufhin die Konelation einen maximalen Konelationswert von 4 ergibt, der danach beim Weitei schieben wiedei abnimmt Das Vorliegen des maximalen Konelations- weites kann z B duich Vei gleich mit einem Voi gabeweit ermittelt weiden

In Figui 5 sind bevoizugte Beispiele von Mustern des Sendesignales abgebildet Teilbild 5a zeigt einen typischen Rechteckimpuls mit einei definierten zeitlichen Lange, Teilbild 5b zeigt eine Impulsfolge von Rechteckimpulsen, bestehend aus einem kuizen, einem langen und einem weiteien kuizen Rechteckimpuls und Teilbild 5c zeigt zwei aufeinanderfolgende Impulsfolgen von Rechteckimpulsen mit untei schiedhchem Mustei Die erste Impulsfolge besteht aus einem kurzen, einem langen und dann wiedei einem kurzen Impuls, die zweite aus zunächst drei kuizen Impulsen, gefolgt von einem langen Impuls

Die bishei an Hand dei Figuien 3 und 4 beschriebenen Konelation verw endet einen sehi einfachen Koπelationsalgonthmus, bei dem die einzelnen Platze im Wandlei 21 und Speichei 24 multipliziert und anschließend addiert werden Die- se Methode ist nur zui Eikermung emfachei, zusammenhangende! Impulse, wie in Fig 5a dargestellt, geeignet, da nm Werte ungleich Null zur Konelation bei- tiagen Es können jedoch auch kompliziertere Koirelationsalgonthmen verwendet weiden, um die Form komphzierteiei Mustei zu vergleichen, die auch Lucken, also Null-Weite enthalten, w ie in den Figuien 5b und 5c daigestellt

Duich den Konelationsvergleich zwischen dem gespeicherten Mustei und dem empfangenden, duich Störungen und Rauschen vei zerrten Mustei . laßt sich das Mustei auch bei starken Störungen und bei sehi niedrigem Signal Rauschabstand wiedei ei kennen Bei Verwendung kompliziert« Mustei wie z B gemäß Figui 5c ergibt sich bei geeignet hohei Abtastrate eine sehr präzise Konelation, mit dei die individuelle Musterform genau erkannt werden kann

Werden von Messung zu Messung unterschiedliche Musterformen verwendet, z B duich Variation des in Figur 5c dargestellten Musters, dann laßt sich sichei- stellen, daß das erwartete Muster eikannt wird, es kann also wenn man Figur 2 beti achtet bei schnell hintereinander kommenden Mustern sichergestellt werden, daß die eiste Reflexion ß von einem andeien. nach langerei Laufzeit vom Boden (Reflexion γ) kommenden Mustei unteischieden wnd, welches noch vom voihe- πgen Meßvoigang stammt Es kann dadurch die Meßrate sehr hoch gewählt weiden, so daß der bei schnellem Füllen eines Behalters der rasch ansteigende Flus- sigkeitsspiegel mit rasch aufeinanderfolgenden Messungen sehi präzise verfolgt werden kann

In dei Beschreibung zu den Figuren 4b und 5 sind Muster in der Form von Rechteckimpulsen betrachtet, die die Möglichkeit der Normierung bei der Koi- lelation bieten und somit die Möglichkeit einei Verringerung des Rechenaufwandes Es kann jedoch auch mit amplitudenmoduherten Mustern, z B in Form von Sinuswellen gearbeitet werden Bei solchen Mustern muß dei A'D-Wandlei die bei jedem Wandleitakt empfangene Signalstarke als Wert wiedergeben Auch das im Speichei 24 gespeicherte Onginalmuster muß Werte entsprechendei Amplitude enthalten Bei d« Konelation müssen jeweils die Amplitudenweite auf Ähnlichkeit verglichen werden

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 Veifahien zur beruhrungslosen Fullstandsmessung einer Flüssigkeit ( 16) in einem Behaltei (3), bei dem em im Abstand oberhalb des maximalen Flussigkeitsspiegels (4a) angeordnetei Sender (1 1) ein ein erkennbares Mustei enthaltendes Sendesignal in Richtung der Flussigkeitsoberflache (4) abstrahlt, und bei dem ein ebenfalls im Abstand oberhalb des maximalen Flussigkeitsspiegels (4a) angeordneter Empfanger ( 12) em Empfangssignal ermittelt, das u a das an d« Flussigkeitsoberflache (4) reflektierte Sendesignal enthalt, wobei die Laufzeit des Signals vom Sender ( 1 1) bis zum Empfangei ( 12) ermittelt wnd, aus der die durchlaufene Wegstrecke und daraus die Fullstandshohe errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- das vom Empfanger ( 12) ermittelte Empfangssignal von einem A/D- Wandler (21) mit ein« hohen Rate abgetastet und gewandelt wird, wobei d« zeitliche Abstand zwischen zwei Abtast- und Wandelvorgangen deutlich kleinei als die Impulslange bzw die halbe Periode des Mustei s des Sendesignals ist

- dei A/D-Wandlei (21) die gewandelten Empfangsweite im Wandlertakt sukzessive in em Schieberegister (22) einspeist, so daß in diesem eine Fol- ge von Empfangsweiten gebildet wird, die die Form des Empfangssignals wiedergibt,

- die in das Schieberegister (22) eingespeiste Folge im Wandleitakt mit einei gespeicherten Folge an Vergleichswerten mittels Konelation \ ergh- chen wnd, so daß eine Folge von Konelationsweiten erzeugt wird, wobei die Folge d« Vergleichswerte zumindest weitgehend die Form des Musters des vom Sendei ( 1 1) abgestrahlten Sendesignals wiedergibt,

- aus dei Folge von Konelationsweiten der Zeitpunkt der maximalen Koi- lelation als Empfangszeitpunkt bestimmt wird, mit dem die Laufzeit des Signals vom Sendei ( 1 1 ) bis zum Empfangei" ( 12) ermittelt wnd

Verfahren nach Anspmch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Sender ( 1 1 ) em Sendesignal mit einem Rechteckimpuls als Muster abgestrahlt wird

Veifahien nach Anspmch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Sender ( 1 1) ein Sendesignal mit einer Impulsfolge von Rechteckimpulsen als Mustei abgestrahlt wird

Veifahien nach Anspmch 2 od« 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mustei bei zeitlich aufeinanderfolgenden FuUstandsmessungen variiert

Veifahien nach Anspmch 1, dadurch gekennzeichnet, daß em Referenzsignal duich Reflexion des vom Sender (11) abgesnahlten Sendesignals an einei Reflexionsstelle ( 13) mit definiertem Abstand (h) zu Sender ( 1 1 ) und Empfanger ( 12) erzeugt und zui Ermittlung eines Konekturwertes ausgewertet wird Vomchtung zui bemhmngslosen Fullstandsmessung ein« Flüssigkeit ( 16) in einem Behaltei (3) bei d« im Abstand oberhalb des maximalen Flussigkeitsspiegels (4a) em Sendei ( 1 1) angeordnet ist, mit dem ein Sendesignal mit einem ei kennbaien Mustei in Richtung des Flussigkeitsspiegels (4) abstiahlbai ist bei dei weiteihin ein Empfangei ( 12) ebenfalls im Abstand obeihalb des maximalen Flussigkeitsspiegels (4a) angeoidnet ist mit dem ein Empfangssignal «mittelbai ist, das u a das an dei Flussigkeitsobeiflache (4) ieflektieite Sendesignal enthalt, mit ein« Ennittlungseinheit (2) zui Eimittlung d« Laufzeit des Signals vom Sendei ( 1 1 ) bis zum Empfang« ( 12) und zui Beiechnung dei duichlaufenen Wegstiecke und daiaus des Füllstandes, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Ennittlungseinheit (2) einen A/D-Wandl« (21) aufweist, d« derart ausgebildet ist, daß « eingangsseitig mit dem vom Empfanger ( 12) ermittelten Empfangs Signal beschickbai ist und mit ihm das Empfangssignal mit em« hohen Rate abtast- und wandelbai ist wobei d« zeitliche Abstand zwischen zwei Abtast- und Wandelvorgangen deutlich kleiner als die Impulslange bzw die halbe Peπode des Musters des Sendesignals ist,

- die Emuttlungseinheit (2) weiteihin ein Schiebei egistei (22) aufweist in das die mittels des A/D-Wandleis (21) gewandelten Empfangsweite im Wandleitakt sukzessn e einspeisbai sind, so daß eine Folge von Empfangsweiten «zeugbai ist die die Form des Empfangssignals wiedeigibt, und

- die Emuttlungseinheit (2) eine Konelationseinheit (23) aufweist in dei die in das Schiebei egistei (22) eingespeiste Folge an Empfangsweiten im Wandleitakt mit einei in einem Speichei (24) gespeicherten Folge an Vei- gleichswerten mittels Konelation veigleichbai ist, so daß eine Folge von Konelationsweiten «zeugbai ist, wobei die Folge der Vergleichswerte zumindest weitgehend die Form des Musters des vom Sendei ( 1 1 ) abge- stiahlten Sendesignals entspiicht. und in dei aus d« Folge von Konelati- onswerten dei Zeitpunkt der maximalen Konelation als Empfangszeitpunkt bestimmbar ist aus dem die Laufzeit des Signals vom Sender ( 1 1) bis zum Empfangei ( 12) ermittelbar ist

Vomchtung nach Anspmch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster ein Rechteckimpuls ist

Voirichtung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß das Muster eine Impulsfolge von Rechteckimpulsen ist

Vorπchtung nach Anspmch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender ( 1 1) zum Senden untei schiedlich«" Muster bei zeitlich aufeinanderfolgenden FuUstandsmessungen ausgebildet ist

Vorrichtung nach Anspmch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Sender ( 11) und Empfanger (12) im Ruckgasweg (15) eines Fullorgans (1) angeordnet sind, über das der Behalter (3) mit Flüssigkeit beaufschlagbar ist

Vorrichtung nach Anspmch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in bekanntem Abstand (h) unterhalb des Senders ( 11) und des Empfangers ( 12) und im Abstand oberhalb des maximalen Flussigkeitsspiegels (4a) eine Refle- xionsstelle ( 13) angeoidnet ist, mit der em Referenzsignal durch Reflexion des vom Sender ( 1 1) abgestrahlten Sendesignals erzeugbar ist

Vomchtung nach Anspmch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Refle- xionsstelle ( 13) als Verjüngung des Rückgasweges ( 15), insbesondere als Verjüngung am unteren Ende des Ruckgasweges ( 15) ausgebildet ist