DE10140821A1

DE10140821A1 - Verfahren und Vorrichtung zur direkten Digitalisierung von Mikrowellensignalen

Info

Publication number: DE10140821A1
Application number: DE10140821A
Authority: DE
Inventors: Robert Laun
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2003-03-06
Also published as: US6911929B2; US20030052808A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum direkten Digitalisieren von an einer Füllgutoberfläche (8) eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllgutes (7) reflektierten Mikrowellensignalen (6). Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die an der Füllgutoberfläche (8) reflektierten Mikrowellensignale (6) in ihrer Frequenz unverändert abgetastet und die daraus resultierenden Analogwerte in Digitalwerte gewandelt, wobei aufeinanderfolgende Digitalwerte in verschiedenen Zwischenspeichern (16a, 16b) abgespeichert werden, und die zwischengespeicherten Digitalwerte aus den Zwischenspeichern (16a, 16b) ausgelesen und in einer Endspeichereinheit (17; 17a, 17b) abgespeichert werden, auf die eine Auswerteeinrichtung (18) zum Ermitteln der Füllstandshöhe zugreift. Alternativ ist es auch möglich, mehrere A/D-Wandler vorzusehen.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum direkten Digitalisieren von an einer Füllgutoberfläche eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes reflektierten Mikrowellensignalen sowie ein Füllstandmessgerät, das nach dem Laufzeitprinzip arbeitet und Mikrowellensignale aussendet.
Auf die wesentlichen Merkmale reduziert und damit vereinfacht ausgedrückt, werden in einem Füllstandmessgerät der genannten Art von einer Sendeeinrichtung Mikrowellensignale (gepulst oder kontinuierlich) erzeugt und über eine Antenne wie beispielsweise eine Horn-, Stab- oder Mikrostripantenne in Richtung der zu messenden Füllgutoberfläche abgestrahlt bzw. mit Hilfe eines Wellenleiters (Stab, Kabel oder auch Seil) zur Füllgutoberfläche geleitet. Die an der Füllgutoberfläche reflektierten Mikrowellensignale - auch allgemein als Echosignale bezeichnet - werden über eine Empfangseinrichtung, die meistens mit der Sendeantenne identisch ist, bzw. mittels dem zuvor genannten Wellenleiter einer Empfangsschaltung zugeführt und abgetastet. Die aus der Abtastung resultierenden Analogwerte werden in Digitalwerte gewandelt und dann einer Auswerteeinrichtung zur Verfügung gestellt. In der Auswerteeinrichtung wird aus den Digitalwerten die Füllstandshöhe ermittelt.

Stand der Technik

Füllstandsmessgeräte der eingangs genannten Art, die nach dem Laufzeitprinzip arbeiten und insbesondere Mikrowellensignale aussenden, sind hinlänglich bekannt. So wird beispielsweise auf die DE 42 40 491 A1 verwiesen, in der allgemein eine solche Vorrichtung offenbart ist. Zur Verarbeitung der reflektierten und aufgenommenen Mikrowellensignale sind heutzutage verschiedene analoge Schaltungen bzw. Bauteile vorhanden, um eine sogenannte Hüllkurve zu erzeugen, die dann digitalisiert wird, um hieraus die Füllstandshöhe zu ermitteln. Die Erzeugung einer Hüllkurve ist hinlänglich bekannt und dementsprechend bedarf es hier keiner weiteren Erläuterungen zu dieser Technik (siehe beispielsweise: DE 44 07 396 C2; M. Scholnick, "Introduction to Radarsystems", zweite Auflage 1980, McGraw-Hill; Peter Devine, "Radar Level Measurement - The User's Guide" VEGA Controlls Ltd., 2000, ISBN 0-9538920-0-X).

Im vorliegenden technischen Gebiet wird mit Mikrowellensignalen gearbeitet, die eine Frequenz von 1 bis 30 GHz oder mehr haben. Aufgrund dieser hohen Frequenzen sind zur Ermittlung der genauen Füllstandshöhe aus den empfangenen Mikrowellensignalen bisher verschiedene analoge Schaltungen bzw. Bauteile notwendig. Insbesondere muss bisher u. a. ein sogenannter Mischer eingesetzt werden, mit dessen Hilfe eine zeitliche "Streckung" der Hüllkurve durchgeführt wird, so dass die Abtastung der Hüllkurve mit üblichen A/D- Wandlern (Taktfrequenzen von etwa 25 Mikrosekunden) bei ausreichender Feinheit des Abtastrasters (zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit der ermittelten Füllstandshöhe) möglich ist. Das heißt, insbesondere Mikrowellenpulse werden beim Stand der Technik mit Hilfe des Mischers und zugehörigem Oszillator in einen anderen Frequenz- und Zeitbereich transformiert. Hierdurch werden beispielsweise Pulse nach der Zeittransformation etwa um den Faktor 160.000 in der Zeit gedehnt, wodurch eine Pulsdauer von 1-2 Nanosekunden vor der Transformation einer Pulsdauer von etwa 160-320 Mikrosekunden nach der Transformation entspricht. Diese zeitgedehnten Pulse werden dann dem A/D-Wandler zugeführt, der in einem Abtastraster von ca. 25 Mikrosekunden dieses Signal abtastete. So stehen bei einer Pulslänge von 160 Mikrosekunden somit pro Puls ca. sechs Abtastwerte zur Verfügung. Mit diesen Werten lassen sich Genauigkeiten von ca. 5 mm in der Füllstandshöhenermittlung erreichen. Es ist herauszustellen, dass die Genauigkeit der Füllstandshöhenermittlung auch von der Höhe der Abtastwerte pro Echopuls, von der Steilheit der Pulsflanken und von der Genauigkeit des A/D-Wandlers abhängt.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass bisherige Vorrichtungen zur Ermittlung der Füllstandshöhe auf der Basis von reflektierten Mikrowellen, insbesondere Mikrowellenpulse, eine analoge Verarbeitung der empfangenen Signale durchführen, um die gewollte Genauigkeit bei der Füllstandshöhenermittlung erzielen zu können. Die Verwendung von analogen Bauteilen bzw. analoger Schaltungstechnik ist aber mit Nachteilen behaftet. So müssen bei der Dimensionierung der Schaltung Bauteiltoleranzen und Fertigungsstreuungen der Bauteile berücksichtigt werden und auch bei der Fertigung überwacht werden. Analoge Bauteile weisen ferner Temperaturabhängigkeiten auf, die zu berücksichtigen sind und einen nicht unerheblichen Testaufwand verursachen. Temperaturabhängigkeiten und Bauteiltoleranzen führen zudem zu einer Verminderung der Produzierbarkeit und Genauigkeit der Ausgangssignale und müssen durch zusätzlichen Aufwand minimiert oder kompensiert werden. Ein großer Nachteil ist auch darin zu sehen, dass Änderungen an der Funktionsweise einer derartigen analogen Schaltung nur mit großem Aufwand durchführbar sind. Schließlich sind analoge Schaltungen auch empfindlich für Störeinflüsse.

Darstellung der Erfindung

Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht somit darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der die Anzahl der analogen Schaltungsbauteile in Vorrichtungen der genannten Art reduzierbar ist und damit die zuvor genannten Nachteile zumindest verringert sind.

Dieses technische Problem wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 oder 5 wie auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 oder 12 gelöst. Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren zum direkten Digitalisieren von an einer Füllgutoberfläche eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes reflektierten Mikrowellensignals vorgeschlagen, bei dem die an der Füllgutoberfläche reflektierten Mikrowellensignale in ihrer Frequenz unverändert abgetastet werden und die daraus resultierenden Analogwerte in Digitalwerte gewandelt werden, wobei aufeinanderfolgende Digitalwerte in verschiedenen Zwischenspeichern abgespeichert werden. Die zwischengespeicherten Digitalwerte werden dann wieder aus dem Zwischenspeicher ausgelesen und in einer Endspeichereinheit abgespeichert, auf die eine Auswerteinrichtung zum Ermitteln der Füllstandshöhe zugreifen kann.

Eine Alternative hierzu sieht vor, dass die an der Füllgutoberfläche reflektierten Mikrowellensignale in ihrer Frequenz unverändert abgetastet werden und die daraus resultierenden Analogwerte mit Hilfe von mehreren A/D-Wandlern in Digitalwerte gewandelt werden, wobei jeweils aufeinanderfolgende Analogwerte von verschiedenen A/D-Wandlern in Digitalwerte gewandelt werden, die dann in einer Speichereinheit abgespeichert werden, auf die eine Auswerteinrichtung zum Ermitteln der Füllstandshöhe zugreifen kann.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst nach einem ersten Aspekt eine Empfangsschaltung, in die das reflektierte Mikrowellensignal einzuspeisen ist und die zu dessen Verstärkung ausgebildet ist, jedoch dessen Frequenz unverändert lässt, einen mit der Empfangsschaltung verbundenen A/D-Wandler, der zum Abtasten des verstärkten Mikrowellensignals ausgebildet ist und die daraus resultierenden Analogwerte in Digitalwerte wandelt, mehrere Zwischenspeichereinrichtungen, die jeweils mit dem A/D-Wandler verbunden sind, eine Endspeichereinheit, die mit den Zwischenspeichereinheiten verbunden ist, und eine Steuereinrichtung, die dafür sorgt, dass aufeinanderfolgende Digitalwerte in verschiedenen Zwischenspeichereinrichtungen zwischengespeichert werden, und die zwischengespeicherte Digitalwerte in die Endspeichereinheit umgespeichert werden, die dann einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der Füllstandshöhe zur Verfügung stehen.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum direkten Digitalisieren von an einer Füllgutoberfläche eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes reflektierten Mikrowellensignalen eine Empfangsschaltung, in die das reflektierte Mikrowellensignal einzuspeisen ist und die zu dessen Verstärkung ausgebildet ist, jedoch dessen Frequenz unverändert lässt. Es sind ferner mehrere, jeweils mit der Empfangsschaltung verbundene A/D-Wandlern vorhanden, die jeweils zum Abtasten des verstärkten Mikrowellensignals ausgebildet sind und die daraus resultierenden Analogwerte in Digitalwerte wandeln. Des Weiteren ist eine Endspeichereinheit vorgesehen, die mit den A/D-Wandlern verbunden ist, um die einzelnen Digitalwerte abzuspeichern. Schließlich ist eine Steuereinrichtung vorhanden, die dafür sorgt, dass die einzelnen A/D-Wandler abwechselnd (bei mehr als zwei A/D-Wandlern reihum oder hintereinander) das verstärkte Mikrowellensignal abtasten und jeweils einen Analogwert in einen Digitalwert wandeln, und dafür sorgt, dass die einzelnen Digitalwerte in der Endspeichereinheit abgespeichert werden, die dann einer Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der Füllstandshöhe zur Verfügung stehen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, erstmals die eingegangenen Mikrowellensignale nicht mehr mittels eines Mischers zeitlich "zu dehnen", sondern unmittelbar das empfangene, zeitlich "ungedehnte" Mikrowellensignal mittels eines oder mehreren A/D-Wandlern zu digitalisieren. Um die für eine ausreichende Messgenauigkeit erforderliche Abtastraten trotz der nicht erfolgten zeitlichen Dehnung erzielen zu können, und trotzdem Speicherbausteine mit handelsüblichen Zugriffszeiten verwenden zu können, sind die Zwischenspeicher vorhanden bzw. es kommen mehrere A/D-Wandler zum Einsatz. Durch die Zwischenschaltung von Zwischenspeichern oder die Verwendung mehrerer A/D-Wandler sind trotz der sehr hohen Frequenzen der "ungedehnten" Mikrowellensignale Abtastraten wie beim Stand der Technik mit Zeitdehnung (mit Hilfe analoger Bauteile) erzielbar. Sobald die entsprechenden Digitalwerte in der Endspeichereinheit abgespeichert sind, erfolgt die Verarbeitung der Digitalwerte und damit die Auswertung in üblicher Weise. Das heißt, die nun aufgrund des nicht mehr vorhandenen Mischers sehr hohen Frequenzen der zu digitalisierenden Signale und damit die notwendigen, sehr hohen Abtastraten werden durch die Verwendung von Zwischenspeichern bzw. mehreren A/D-Wandlern oder Kombinationen dieser beiden Alternativen kompensiert.

Wird nur ein A/D-Wandler zum Digitalisieren der Mikrowellensignale bzw. der daraus ermittelten Füllkurve verwendet, so ist es zweckmäßig, zwischen A/D-Wandler und Endspeichereinheit mindestens zwei Zwischenspeicher vorzusehen, in die abwechselnd Digitalwerte geschrieben werden. Dadurch ist auch mit üblichen Speicherbauteilen wie SRAM oder DDR-SRAM, die Zykluszeiten von beispielsweise 2,5-5 ns haben, die hohe Frequenz des A/D-Wandler nutzbar. Je mehr Zwischenspeicher vorgesehen sind, um langsamer können die verwendeten Speicherbausteine arbeiten.

Indem man mehrere A/D-Wandler vorsieht, kann abwechselnd für jeden Takt ein A/D- Wandler arbeiten und den entsprechenden Wert in die Endspeichereinheit abspeichert werden, so dass die Abtastrate des einzelnen A/D-Wandlers verringert sein kann.

Somit ist es erfindungsgemäß möglich, trotz der immens hohen Frequenzen der Eingangssignale eine Digitalisierung mit üblichen Bausteinen vorzunehmen, was die Nachteile analoger Bauteile und insbesondere des bisherigen Mischers behebt.

Insbesondere ist es zweckmäßig, jedem A/D-Wandler ein oder mehrere Zwischenspeicher zuzuordnen, so dass ein Wandler- und Abspeicherzyklus eines A/D-Wandlers von dem des anderen A/D-Wandlers unabhängig erfolgen kann.

Indem man mehrere hintereinandergeschaltete Zwischenspeicher vorsieht, ist es möglich, langsamere Speicherbausteine zu verwenden, die damit auch kostengünstiger sind.

Die A/D-Wandler bzw. einzelnen Zwischenspeichereinrichtungen können mit einer einzigen Endspeichereinheit verbunden sein, es ist selbstverständlich auch möglich, Einzelendspeicherbausteine vorzusehen, die wiederum alle mit der Auswerteeinrichtung verbunden sind, also für einen Zugriff der Auswerteeinrichtung zur Verfügung stehen.

Prinzipiell geht es darum, die erforderliche hohe Abtastfrequenz des A/D-Wandlers bei den hohen Frequenzen der "ungedehnten" empfangenen Mikrowellensignalen aufrecht zu erhalten und trotzdem handelsübliche Bausteine verwenden zu können. Durch die abwechselnde Abspeicherung und verschiedenen Zwischenspeichereinrichtungen ist dies erstmals durchführbar, alternativ hierzu ist eben die Verwendung mehrerer A/D-Wandler möglich.

A/D-Wandler, die die geforderte hohe Taktzeit zum Abtasten der Mikrowellensignale mit sehr hoher Frequenz leisten können, bedürfen zwar teilweise einer Leistung von bis zu fünf Watt, jedoch durch die Inbetriebnahme des A/D-Wandlers für eine Zeitspanne von 1 ns bis 0,5 Mikrosekunden und insbesondere 10 ns bis 0,3 Mikrosekunden kann ein Betrieb auch an einer 4-20 mA Zweidrahtschleife durchgeführt werden. Die genannten Zeitspannen reichen aus, um die erforderliche Abtastung eines Mikrowellensignals durchzuführen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum direkten Digitalisieren gemäß den vorgenannten Erläuterungen kann als einzelne Baueinheit beabstandet von den übrigen Bauteilen eines Füllstandsmessgerätes angeordnet sein. Insbesondere ist es aber zweckmäßig, derartige Vorrichtungen bzw. eine solche Schaltung unmittelbar im Füllstandmessgerät vorzusehen. Diese ist dann vorzugsweise im Gehäuse der Füllstandsmessvorrichtung untergebracht.

Abschließend ist anzumerken, dass zur direkten Digitalisierung vorzugsweise ein oder mehrere A/D-Wandler in Kombination mit Zwischenspeichern eingesetzt werden. Die Verwendung von Zwischenspeichern kann aber unter Umständen auch unterbleiben. In diesem Fall würden die digitalen Ausgangswerte des zumindest einen A/D-Wandlers direkt in eine Endspeichereinheit geschrieben werden, auf die eine Auswerteeinrichtung zugreift. Die mögliche Abtastfrequenz, mit der die Hüllkurve digitalisiert wird, hängt im wesentlichen von der Schnelligkeit der Endspeichereinheit ab. Die Schnelligkeit der verfügbaren A/D-Wandler reicht aus, um die geforderte Abtastfrequenz zu erzielen, aber die entsprechende Anzahl von Digitalwerten müssen auch mit der entsprechenden Geschwindigkeit in die Speichereinheit geschrieben werden können. Je schneller die Endspeichereinheit abspeichern kann, umso höher kann dann auch die Abtastfrequenz bzw. Abtastrate sein, ohne dass Zwischenspeicher notwendig sind.

Eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung sieht dementsprechend vor, Abtastwerte aus zeitlich hintereinander empfangenen Echosignalen für eine Hüllkurve zu verwenden. Da für die Ermittlung eines Füllstands die Zeit zwischen Aussendung des Mikrowellenimpulses und Empfang des an der Füllgutoberfläche reflektierten Echosignals gemessen wird, wird für diese Zeit ein Maximalwert vorgegeben, der den maximalen Messbereich des Geräts definiert. In dieser Zeit wird normalerweise durch den A/D-Wandler das Echosignal in gleichen Zeitabständen abgetastet. Ist aus dieser Hüllkurve der Füllstand bestimmt, wird der nächste Impuls ausgesendet, die Echosignale abgetastet und daraus wieder der Füllstand bestimmt. Werden hierbei die Abtastwerte nunmehr so erzeugt, dass die Zeitpunkte der Abtastungen von Zyklus zu Zyklus im Echosignal an der selben Stelle sind, kann eine Verdopplung der Abtastrate erzielt werden, indem die Abtastung der zweiten Hüllkurve um eine halbe Abtastzeit verschoben wird. Um eine Hüllkurve mit der doppelten Abtastrate zu erhalten müssen somit zwei Hüllkurven mit der niedrigeren Abtastrate erzeugt werden. Für eine Ermittlung des Füllstandes sind somit zwei Zyklen notwendig. Dieses Verfahren kann angewendet werden, wenn sich die Echosignale von Zyklus zu Zyklus wenig ändern; jede Änderung verfälscht die zusammengesetzte Hüllkurve und führt damit zu Messfehlern. Mit diesem Verfahren kann auch eine Verdreifachung, Vervierfachung, usw. erreicht werden. Mittels der genannten Variante wäre ebenfalls eine direkte Digitalisierung der Hüllkurven ohne Zwischenschaltung von Zwischenspeichern oder Verwendung mehrerer A/D-Wandler möglich. Mit anderen Worten: nur mit einem A/D-Wandler kann durch Abtastung mehrerer Hüllkurven mit jeweils einer niedrigen Abtastrate insgesamt eine hohe Abtastrate erzielt werden, und gleichzeitig ohne Zwischenschaltung von Zwischenspeichern eine Abspeicherung der vom A/D-Wandler kommenden Digitalwerte in eine verfügbare Endspeichereinheit erfolgen. Die zur Auswertung dienende Hüllkurve, die schlussendlich in der Endspeichereinheit in Form von Digitalwerten verfügbar ist, setzt sich hier also aus mehreren Hüllkurven zusammen, die zeitlich hintereinander generiert und mit "niedriger" Frequenz vom A/D-Wandler abgetastet wurden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden sind zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Behälters mit Füllstandmessgerät,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Elektronikbauteile eines Füllstandmessgerätes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 ein Detail der Ausführungsform gemäß der Fig. 2 und dazugehöriges Abtast- und Speicherschema,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 5 ein Detail der Ausführungsform gemäß der Fig. 4 und dazugehöriges Abtast- und Speicherschema,
Fig. 6 eine schematisierte Darstellung der Elektronikbauteile einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik,
Fig. 7 eine Darstellung eines Mikrowellenpulses,
Fig. 8 eine Darstellung einer Hüllkurve,
Fig. 9 eine Darstellung eines Monopulses und
Fig. 10 eine Darstellung einer Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur direkten Digitalisierung mehrerer Hüllkurven zur Erzeugung einer digitalen Hüllkurve, auf die eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Füllstandshöhe zugreift.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Eingangs wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 6-9 die prinzipielle Arbeitsweise und der prinzipielle Aufbau eines Füllstandmessgerätes nach dem Stand der Technik erläutert. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, ist im Deckenbereich eines Behälters 1 ein Füllstandmessgerät 2 installiert, das aus einer Elektronikeinheit 3 und einer Hornantenne 4 besteht. Das Füllstandmessgerät 2 ist über eine Zweidrahtschleife 9 mit einem entfernt liegenden Steuerstand oder dergleichen verbunden. Über die Zweidrahtschleife 9, die insbesondere als 4-20 mA-Zweidrahtschleife ausgebildet ist, erfolgt sowohl die Kommunikation als auch die Energieversorgung des Füllstandmessgerätes 2. In der Elektronikeinheit 3 werden Mikrowellenpulse erzeugt und über die Hornantenne 4 in Richtung des im Behälter 1 befindlichen Schüttgutes 7 abgestrahlt. Die Mikrowellenpulse 5 werden an der Schüttgutoberfläche 8 reflektiert und als Echosignal 6 von der Hornantenne 4 wieder aufgefangen.
Die Erzeugung von Mikrowellenpulse 5 bzw. von Pulspaketen und die Verarbeitung reflektierter Pulse 6 wird anhand der Fig. 6-9 näher beschrieben. Der Mikrowellenpuls wird in einem Pulsgenerator 10 erzeugt und über einen Zirkulator 11 oder über einen Richtkoppler an die Hornantenne 4 weitergeleitet und von dort aus abgestrahlt. Das empfangene Echosignal wird wiederum über den Zirkulator 11 oder Richtkoppler an einen Vorverstärker 12 weitergeleitet, der zur Verstärkung des empfangenen Mikrowellensignals dient. Dem Vorverstärker 12 ist ein Mischer 19 nachgeschaltet, der wiederum mit einem Lokaloszillator 20 verbunden ist. Im Mischer 19 wird das empfangene Echosignal mit dem Festfrequenzsignal des Lokaloszillators 20 vermischt zur Umsetzung des Echosignals in einen tieferen Frequenzbereich (insbesondere kHz-Bereich). Bei dieser Umsetzung wird durch geeignete Abstimmung der Oszillatoren 10 und 20 eine Zeitdehnung des empfangenen Echosignals erreicht; für nähere Details hierzu wird beispielsweise auf die DE 31 07 444 C2 verwiesen.
Das Ausgangssignal des Mischers 19, das dem Mikrowellenpulspaket 21 gemäß Fig. 7 der dem Monopuls 23 gemäß der Fig. 9 entspricht, wird dann durch einen Tiefpassfilter 13 gefiltert und durch einen A/D-Wandler 14 digitalisiert. Durch den Tiefpassfilter 13 wird eine Hüllkurve 22 gemäß der Fig. 8 gebildet. Um dem A/D-Wandler einen größeren Dynamikbereich zur Verfügung zu stellen, kann vor dem A/D-Wandler 14 ein logarithmischer oder steuerbarer Verstärker vorgesehen werden.
Die digitalisierten Werte aus dem A/D-Wandler 14 werden zur weiteren Verarbeitung in einem Speicher 17 gespeichert. Auf diesen Speicher greift eine Signalverarbeitungs- oder Auswerteeinrichtung 18 zu, die hier nicht näher ausgeführt ist, da sie dem Stand der Technik entspricht. Das Starten des A/D-Wandlers 14 und das transferieren der gewandelten Werte in den Speicher 16 übernimmt eine Steuerung 15. Alternativ hierzu kann die Steuerung 15 oder der Pulsgenerator 10 den Startzeitpunkt der Pulsgenerierung und damit den Start des Messvorgangs vorgeben.
Es sei hier noch angemerkt, dass bei aktuellen Ausführungen die Bauteile 14, 15, 17 und 18 meist Bestandteile eines Mikroprozessors sind oder von einem solchen ausgeführt werden. Werden als Sendepulse Pulspakete verwendet, ist vor einer eventuellen Logarithmierung des Signals ein Gleichrichter vorzusehen.
Im Gegensatz zu diesem Stand der Technik wird nun erfindungsgemäß entsprechend einer ersten Ausführungsform vorgesehen, den Mischer 19 und den zugehörigen Lokaloszillator 20 wegzulassen; siehe Fig. 2. Dafür ist der A/D-Wandler 14 und der zugehörige Speicher 17 gemäß der Fig. 3 ausgestaltet, d. h. der A/D-Wandler 14 greift auf das "ungedehnte" Echosignal zu. Um die für die gewünschte Messgenauigkeit erforderliche Abtastrate zu erzielen und übliche Speicherbausteine verwenden zu können, ist allerdings der A/D-Wandler 14 mit mehreren Zwischenspeichern 16a, 16b verbunden, die wiederum mit der Endspeichereinheit 17 aus mehreren Speicherbausteinen 17a, 17b verbunden sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Endspeichereinheit 17 für jeden Zwischenspeicher 16a, 16b einzeln vorzusehen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
Wird nun der erste Datenwert im Zwischenspeicher 16a abgespeichert, so steht zur Abspeicherung des nächsten Datenwertes der Zwischenspeicher 16b zur Verfügung. Zur selben Zeit ist bereits vom Zwischenspeicher 16a der gespeicherte Wert in den Endspeicher 17 geschrieben worden, so dass nun für den dritten Datenwert wieder der Zwischenspeicher 16a zur Verfügung steht. Somit sind dann schlussendlich in der Endspeichereinheit 17 bzw. 17a, 17b alle Datenwerte vorhanden. Wenn einzelne Endspeichereinheiten 17a, 17b vorhanden sind, dann ist der erste, dritte und fünfte Datenwert usw. in der Speichereinheit 17a und der zweite, vierte und sechste Datenwert usw. in der Speichereinheit 17b abgespeichert. Beide Endspeichereinheiten 17a, 17b sind wiederum für die Auswerteeinrichtung 18 verfügbar.
Im Unterschied zu der in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist bei der Alternative gemäß der Fig. 4 auf dem Zirkulator oder Richtkoppler 11 verzichtet. Durch die Verwendung eines Monopulses 23 gemäß der Fig. 9 kann zudem auf den Tiefpassfilter 13 und eine eventuelle Gleichrichtung im Vorverstärker 12 verzichtet werden. Die Kombination eines A/D-Wandlers 14 und einer Endspeichereinheit 17 entspricht der gemäß der Fig. 3. Als Alternative zu der Ausbildung gemäß der Fig. 3 ist in den Ausführungsformen der Fig. 2 und 4 auch eine mehrere A/D-Wandler 14a, 14b umfassende Vorrichtung gemäß der Fig. 5 verwendbar. Durch die Verwendung von zwei oder mehr A/D-Wandlern kann die Abtastrate erhöht werden.
Die zwei A/D-Wandler 14a und 14b sind jeweils mit einer Endspeichereinheit 17a und 17b verbunden. Der erste Wert des Echosignals wird im A/D-Wandler 14a erfasst und in der Endspeichereinheit 17a abgespeichert. Der nächste Wert wird von dem A/D-Wandler 14b gewandelt und in die zugehörige Endspeichereinheit 17b abgespeichert. Der nächste Wert des Echosignals wird dann wieder vom ersten A/D-Wandler 14a gewandelt. Während die Digitalisierung eines Wertes in einem A/D-Wandler 14a, 14b erfolgt, wird im anderen "Zweig" die Abspeicherung vorgenommen, so dass für den nächsten Takt der andere A/D- Wandler wieder zur Verfügung steht.
Eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Fig. 10 veranschaulicht. So wird eine erste Hüllkurve 24 von einem einzigen A/D-Wandler mit einer vorbestimmten Abtastrate abgetastet, d. h. die entsprechenden analogen Werte werden ohne Zeitdehnung wie beim Stand der Technik ansonsten üblich in Digitalwerte gewandelt. Diese Digitalwerte werden dann unmittelbar, vorzugsweise ohne Zwischenspeicher, in eine Endspeichereinheit, hier nicht dargestellt, abgespeichert. Die aus einem weiteren reflektierten Mikrowellensignal erzeugte weitere Hüllkurve 25 wird mit der gleichen Abtastrate wie die erste Hüllkurve abgetastet, jedoch sind die Takte beim Abtasten der ersten Hüllkurve 24 und der zweiten Hüllkurve 25 zueinander versetzt, hier um eine halbe Abtastzeit. Auch diese unmittelbar digitalisierten Werte der zweiten Hüllkurve werden in die Endspeichereinheit geschrieben. Damit sind nun in der Endspeichereinheit ausreichend viele Digitalwerte vorhanden, die durch Zusammenfügen der beiden hintereinander erzeugten Hüllkurven 24, 25 eine gemeinsame Hüllkurve repräsentieren, aus der dann durch die Auswerteeinrichtung die Füllstandshöhe bestimmt wird. Durch die mehrmalige Abtastung verschiedener Hüllkurven, die dann zu einer einzigen Hüllkurve für die Auswerteeinrichtung in Digitalform abgespeichert wird, ist es möglich, mit niedriger Frequenz eine direkte Digitalisierung vorzunehmen, die eine Abspeicherung unmittelbar in eine Endspeichereinheit zulässt, auf die dann die Auswerteeinrichtung zugreifen kann.
Selbstverständlich ist es auch möglich, verschiedene Merkmale der einzelnen beschriebenen alternativen Ausführungsformen der Erfindung miteinander zu kombinieren. Bezugszeichenliste 1 Behälter
2 Füllstandmessgerät
3 Gehäuse mit Elektronik
4 Hornantenne
5 abgesandter Mikrowellenpuls
6 reflektierter Mikrowellenpuls
7 Schüttgut
8 Schüttgutoberfläche
9 4-20 mA-Zweidrahtschleife
10 Oszillator
11 Zirkulator
12 Vorverstärker
13 Tiefpassfilter
14 A/D-Wandler
14a A/D-Wandler
14b A/D-Wandler
15 Steuerung
16a Zwischenspeicher
16b Zwischenspeicher
17 Endspeichereinheit
17a Endspeicherbaustein
17b Endspeicherbaustein
18 Auswerteeinrichtung
19 Mischer
20 Lokaloszillator
21 Mikrowellenpuls
22 Hüllkurve
23 Monopuls
24 erste Hüllkurve
25 zweite Hüllkurve

Claims

1. Verfahren zum direkten Digitalisieren von an einer Füllgutoberfläche (8) eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllgutes (7) reflektierten Mikrowellensignalen (6), bei dem die an der Füllgutoberfläche (8) reflektierten Mikrowellensignale (6) in ihrer Frequenz unverändert abgetastet werden und die daraus resultierenden Analogwerte in Digitalwerte gewandelt werden, wobei aufeinanderfolgende Digitalwerte in verschiedenen Zwischenspeichern (16a, 16b) abgespeichert werden, und die zwischengespeicherten Digitalwerte aus den Zwischenspeichern (16a, 16b) ausgelesen und in einer Endspeichereinheit (17; 17a, 17b) abgespeichert werden, auf die eine Auswerteeinrichtung (18) zum Ermitteln der Füllstandshöhe zugreift.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlung der empfangenen Mikrowellensignale (6) mit Hilfe eines einzigen A/D-Wandlers (14) erfolgt, dessen Digitalwerte in den verschiedenen Zwischenspeichern (16a, 16b) abgespeichert werden, und dass gleichzeitig die Digitalwerte der gerade beschriebenen Zwischenspeicher (16a, 16b) sukzessiv in der Endspeichereinheit (17; 17a, 17b) abgespeichert werden, so dass diese Zwischenspeicher (16a, 16b) wieder zum Abspeichern von Digitalwerten aus dem A/D-Wandler (14) bereitstehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Umwandlung der empfangenen Mikrowellensignale (6) mit Hilfe eines einzigen A/D-Wandlers (14) erfolgt,
die Digitalwerte aus dem A/D-Wandler (14) in den verschiedenen Zwischenspeichern (16a, 16b) abgespeichert werden,
die Digitalwerte der Zwischenspeicher (16a, 16b) ausgelesen und in weiteren Zwischenspeichern abgespeichert werden und
die Digitalwerte aus den weiteren Zwischenspeichern ausgelesen und in der Endspeichereinheit (17; 17a, 17b) abgespeichert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Endspeichereinheit mehrere Speicherbausteine (17a, 17b) umfasst.

5. Verfahren zum direkten Digitalisieren von an einer Füllgutoberfläche (8) eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllgutes (7) reflektierten Mikrowellensignalen (6), bei dem die an der Füllgutoberfläche (8) reflektierten Mikrowellensignale (6) in ihrer Frequenz unverändert abgetastet werden und die daraus resultierenden Analogwerte mit Hilfe von mehreren A/D-Wandlern (14a, 14b) in Digitalwerte gewandelt werden, wobei jeweils aufeinanderfolgende Analogwerte von verschiedenen A/D-Wandlern (14a, 14b) in Digitalwerte gewandelt werden, die dann in einer Endspeichereinheit (17; 17a, 17b) abgespeichert werden, auf die eine Auswerteeinrichtung (18) zum Ermitteln der Füllstandshöhe zugreift.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalwerte der einzelnen A/D-Wandler (14a, 14b) in jedem A/D-Wandler (14a, 14b) zugeordneten Zwischenspeichern (16a, 16b) abgespeichert werden, aus denen die Digitalwerte ausgelesen und in der Endspeichereinrichtung (17, 17a, 17b) abgespeichert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Digitalwerte der Zwischenspeicher (16; 16a, 16b) ausgelesen und in weiteren Zwischenspeichern abgespeichert werden, und
die Digitalwerte aus den weiteren Zwischenspeichern ausgelesen und in der Endspeichereinheit (17; 17a, 17b) abgespeichert werden.

8. Vorrichtung zum direkten Digitalisieren von an einer Füllgutoberfläche (8) eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllgutes (7) reflektierten Mikrowellensignalen (6), mit
einer Empfangsschaltung (11, 12, 13), in die das reflektierte Mikrowellensignal (6) einzuspeisen ist und die zu dessen Verstärkung ausgebildet ist, jedoch dessen Frequenz unverändert lässt,
einem mit der Empfangsschaltung (11, 12, 13) verbundenen A/D-Wandler (14), der zum Abtasten des verstärkten Mikrowellensignals ausgebildet ist und die daraus resultierenden Analogwerte in Digitalwerte wandelt,
mehreren Zwischenspeichereinrichtungen (16a, 16b), die jeweils mit dem A/D- Wandler (14) verbunden sind,
einer Endspeichereinheit (17), die mit den Zwischenspeichereinheiten (16a, 16b) verbunden ist, und
einer Steuereinrichtung (15), die dafür sorgt, dass aufeinanderfolgende Digitalwerte in verschiedenen Zwischenspeichereinrichtungen (16a, 16b) zwischengespeichert werden, und die zwischengespeicherte Digitalwerte in die Endspeichereinheit (17; 17a, 17b) umgespeichert werden, die dann einer Auswerteeinrichtung (18) zum Ermitteln der Füllstandshöhe zur Verfügung stehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Zwischenspeichereinrichtung (16a, 16b) und der Endspeichereinheit (17; 17a, 17b) eine weitere Zwischenspeichereinrichtung geschaltet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Endspeichereinheit mehrere Speicherbausteine (17a, 17b) umfasst.

11. Vorrichtung zum direkten Digitalisieren von an einer Füllgutoberfläche (8) eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllgutes (7) reflektierten Mikrowellensignalen (6), mit
einer Empfangsschaltung (11, 12, 13), in die das reflektierte Mikrowellensignal (6) einzuspeisen ist und die zu dessen Verstärkung ausgebildet ist, jedoch dessen Frequenz unverändert lässt,
mehreren, jeweils mit der Empfangsschaltung (11, 12, 13) verbundenen A/D- Wandlern (14a, 14b), die jeweils zum Abtasten des verstärkten Mikrowellensignals ausgebildet sind und die daraus resultierenden Analogwerte in Digitalwerte wandeln,
einer Endspeichereinheit (17, 17a, 17b), die mit den A/D-Wandlern (14a, 14b) verbunden sind, um die einzelnen Digitalwerte abzuspeichern, und
einer Steuereinrichtung (15), die dafür sorgt, dass die einzelnen A/D-Wandler (14a, 14b) hintereinander das verstärkte Mikrowellensignal abtasten und jeweils einen Analogwert in einen Digitalwert wandeln, und dafür sorgt, dass die einzelnen Digitalwerte in der Endspeichereinheit (17; 17a, 17b) abgespeichert werden, die dann einer Auswerteeinrichtung (18) zum Ermitteln der Füllstandshöhe zur Verfügung stehen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die einzelnen A/D-Wandler (14a, 14b) und der Endspeichereinheit (17; 17a, 17b) jeweils ein oder mehrere Zwischenspeichereinrichtungen geschaltet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-12, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine A/D-Wandler (14; 14a, 14b) für eine Zeitspanne von 1 ns-0,5 µs, insbesondere 10 ns-0,3 µs in Betrieb ist.

14. Füllstandmessgerät, das nach dem Laufzeitprinzip funktioniert und Mikrowellensignale aussendet, mit einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8-13.

15. Füllstandmessgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät an eine Zweidrahtschleife (9) anschließbar ist, über die sowohl die Energieversorgung als auch die Kommunikation erfolgt.

16. Füllstandmessgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweidrahtschleife eine 4-20 mA Zweidrahtschleife (9) ist.

17. Verfahren zum direkten Digitalisieren von an einer Füllgutoberfläche (8) eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllgutes (7) reflektierten Mikrowellensignalen (6), bei dem ein an der Füllgutoberfläche (8) reflektiertes Mikrowellensignal (6) in seiner Frequenz unverändert abgetastet wird und die daraus resultierenden Analogwerte mit Hilfe eines A/D- Wandlers (14) in Digitalwerte gewandelt werden, die dann in einer Endspeichereinheit (17) abgespeichert werden, und zumindest ein weiteres, zeitlich späteres an der Füllgutoberfläche (8) reflektiertes Mikrowellensignal (6) in seiner Frequenz unverändert, aber zur ersten Abtastung versetzt abgetastet wird und die daraus resultierenden Analogwerte mit Hilfe eines A/D-Wandlers (14) in Digitalwerte gewandelt werden, die dann ebenfalls in der Endspeichereinheit (17) abgespeichert werden, wobei die gesamten abgespeicherten Digitalwerte eine Hüllkurve repräsentieren und für eine Auswerteeinrichtung (18) zum Ermitteln der Füllstandshöhe zur Verfügung stehen.

18. Vorrichtung zum direkten Digitalisieren von an einer Füllgutoberfläche (8) eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllgutes (7) reflektierten Mikrowellensignalen (6), mit
einer Empfangsschaltung (11, 12, 13), in die das reflektierte Mikrowellensignal (6) einzuspeisen ist und die zu dessen Verstärkung ausgebildet ist, jedoch dessen Frequenz unverändert lässt,
einem mit der Empfangsschaltung (11, 12, 13) verbundenen A/D-Wandler (14), der zum Abtasten des verstärkten Mikrowellensignals ausgebildet ist und die daraus resultierenden Analogwerte in Digitalwerte wandeln,
einer Endspeichereinheit (17), die mit dem A/D-Wandler (14) verbunden ist, um die einzelnen Digitalwerte abzuspeichern, und
einer Steuereinrichtung (15), die dafür sorgt, dass der A/D-Wandler (14) ein erstes verstärktes Mikrowellensignal abtastet und die Analogwerte in Digitalwerte wandelt, und dafür sorgt, dass der A/D-Wandler (14) zumindest ein weiteres zeitlich späteres verstärktes Mikrowellensignal versetzt abtastet und diese Analogwerte auch in Digitalwerte wandelt, und dafür sorgt, die gesamten Digitalwerte in der Endspeichereinheit (17) abgespeichert werden, die dann einer Auswerteeinrichtung (18) zum Ermitteln der Füllstandshöhe zur Verfügung stehen.