DK172230B1 - Apparat til måling af fyldestand - Google Patents

Description

DK 172230 B1 i

Den foreliggende opfindelsen angår et apparat til måling af fyldestand i en beholder omfattende en sende- og modtageindretning, som ret-ter lyd eller ultralydimpulser mod fyldegodsoverfladen og modtager de tilbagekastede pulser, der reflekteres fra fyldegodsoverfladen, og om-5 sætter dem til elektriske modtagesignaler, samt med et beregningskredsløb tilsluttet sende- og modtageindretningen, som i en signalbehandlingsvej omfatter følgende elementer: et indhyl 1 ingskurvekredsløb, som frembringer et indhyllingskurve-signal svarende til modtagesignalernes indhyllingskurve, 10 - en analog-til-digital omsætter, som periodisk aftaster indhyl -1ingskurvesignalet og digitaliserer disse aftastede værdier, en signalbehandlingsanordning, som indeholder et lager, i hvilket de digitaliserede aftastede værdier lagres til frembringelse af en afstands- og løbetidsafhængig amplitudeprofil for målestrækningen, 15 og som analyserer amplitudeprofilen til bestemmelse af løbetiden for det mest sandsynlige nytteekkosignal.

Ved et fra US-A-4 700 569 kendt apparat til måling af fyldestanden overføres i et første afsnit af hver sendeperiode indhyllingskurvesigna-20 let til signalbehandlingsanordningen, og i et andet afsnit af hver sendeperiode overføres mindst et yderligere lavfrekvent elektrisk signal, som er kendetegnende for et parameter for lyd- eller ultralydbølger. En væsentlig fordel ved frembringelsen af indhyllingskurvesignalet består i, at målestrækningens amplitudeprofil opretholdes, uden at det er nød-25 vendigt at overføre og bearbejde signaler med ultralydimpulsernes høje frekvens. Der kan fra amplitudeprofilen hentes informationer om yderligere parametre, som er afgørende for en præcis bestemmelse af lyd- eller ultralydbølgernes løbetid i beholderen. Eksempelvis kan man ved udnyttelse af den i lageret nedlagte digitaliserede amplitudeprofil skelne 30 forstyrrelses-ekkosignaler, i særdeleshed sådanne, som stammer fra faste genstande i beholderen eller forårsages af flerfoldige refleksioner, fra nytte-ekkosignalet, således at fejlmålinger på grund af sådanne forstyrrelses-ekkosignaler i vidt omfang kan undgås. Det har imidlertid vist sig, at løbetidsmåling stadigvæk generes af forstyrrelsesekkosignaler, 35 der kommer fra hindringer, der bevæger sig i forhold til fyldestandsmåleapparatet, idet sådanne forstyrrelsesekkosignaler er helt uregelmæssige og optræder med hele tiden skiftende løbetider. Ved målinger i DK 172230 B1 2 beholdere opstår sådanne forstyrrelsesekkosignaler navnlig ved refleksioner mod ifyldestrømmen, når der fyldes fyldemateriale i beholderen samtidig med måling fra oven.

Fra DD-A-131 671 er det kendt at adskille ekkosignaler, der kommer 5 fra bevægelige hindringer pga. den frekvensforskydning, der skyldes Dopplereffekten, fra de ekkosignaler, der kommer fra faste genstande.

Med dette formål må de modtagne signaler føres gennem et frekvensbestemmelsestrin. På udgangen af frekvensbestemmelsestrinnet findes der imidlertid ingen amplitudeinformation, men kun en frekvensinformation tilba-10 ge. Denne foranstaltning er derfor ikke anvendelig, fordi amplitudeprofilen for målestrækningen skal lagres og analyseres.

Opfindelsen har til formål at tilvejebringe et fyldestandsmåleapparat, hvor løbetidsmålingen ikke generes af forstyrrelsesekkosignaler fra bevægelige hindringer, og hvor amplitudeinformationen for ekkosigna-15 ler fra ikke-bevægelige hindringer opnås.

Ifølge opfindelsen opnås dette derved, at der i beregningskredsløbet parallelt med signalbehandlingsvejen, som indeholder indhyl 1 ings-kurvekredsløbet, er tilvejebragt en frekvensdetektor til konstatering af overensstemmelse mellem de modtagne signaler og sendefrekvensen, og at 20 der i signalbehandlingsvejen ligger et af frekvensdetektorens udgangssignal styret gatekredsløb, som i afhængighed af resultatet af frekvensdetekteringen alene åbnes for sådanne modtagesignaler, som har samme frekvens som sendesignalerne.

Ved et fyldestandsmåleapparat ifølge opfindelsen udelukkes alle 25 modtagne signaler, hvis frekvens ikke svarer til sendefrekvensen fra digitalisering og videre behandling. Heriblandt hører pga. Dopplerfre-kvensforskydningen alle modtagne signaler, der skyldes reflektioner mod bevægelige hindringer. Derimod videreføres alle modtagne signaler, hvis frekvens stemmer overens med sendefrekvensen uændret til digitalisering 30 og videre signalbehandling. I lageret indlægges derfor den fuldstændige amplitudeprofil for sådanne frekvensoverensstemmende modtagelsessignaler, så de står til rådighed for analysen med henblik på at bestemme det mest sandsynlige nytteekkosignal til bestemmelse af løbetiden.

Hensigtsmæssige udformninger og videre udførelsesformer af opfin-35 del sen er angivet i underkrav.

Yderligere ejendommeligheder og fordele ved opfindelsen vil fremgå af den følgende detaljerede beskrivelse af et udførelseseksempel under 3 DK 172230 B1 henvisning til tegningen, hvorpå fig. 1 viser en skematisk afbildning af målingen i en beholder med et fyldestandsmåleapparat, 5 fig. 2 er et rutediagram over elektronikken i fyldestandsmåleappa ratet fra fig. 1 ifølge en udførelsesform for opfindelsen, fig. 3 er tidsdiagrammer over signaler, der kan optræde i elektronikken fra fig. 2.

10 Fig. 1 viser en beholder 10, der er delvist fyldt med risledygtigt fyldemateriale 12. Fyldematerialet 12 kan være pulverformigt eller kornet eller bestå af større elementarbestanddele. Det indføres i beholderen 10 fra oven eksempelvis over et transportbånd 14, hvorfra det falder ned i beholderen som påfyldestrøm 16, og det kan på beholderens 10 lave-15 ste sted udtages gennem en styrbar tømmeåbning 18. Endvidere er der vist enkelte faste hindringer 19 i beholderen 10.

Til kontinuerlig måling er der over beholderen 10 arrangeret et fyldestandsmåleapparat 20, som sender lyd- eller ultralydimpulser nedad i beholderen 10, og som modtager ekkoimpulser reflekteret fra overfladen 20 af fyldematerialet 12. Tidsafstanden mellem udsendelse af en lyd- eller ultralydimpuls og modtagelsen af en ekkoimpuls svarer til lydudbredelsestiden fra fyldestandsmåleapparatet 20 til fyldegodsoverfladen og tilbage igen til fyldestandsmåleapparatet. Når lydhastigheden er kendt, kan fyldegodsoverfladens afstand fra fyldestandsmåleapparatet og dermed fyl-25 deniveauet i beholderen 10 bestemmes derudfra.

Fyldestandsmåleapparatet 20 omfatter på kendt måde en elektroakustisk transducer 22 samt tilhørende elektronik 24. Den elektroakustiske transducer 22 fungerer skiftevis som sendetransducer til at udsende lyd eller ultralydsendeimpulser og i pauserne mellem to sendeimpulser som 30 modtagetransducer, der omsætter de reflekterede ekkoimpulser til elektriske modtagelsessignaler. Tidsafstanden mellem to på hinanden følgende sendeimpulser er længere end den størst forekommende udbredelsestid for en lyd- eller ultralydimpuls fra fyldestandsmåleapparatet til fyldegods-overfladen og tilbage igen. Elektronikken 24 omfatter kredsløb, som an-35 slår den elektroakustiske transducer 22 med periodiske mellemrum til udsendelse af sendeimpulser, kredsløb til forstærkning og behandling af de elektriske modtagelsessignaler fra den elektroakustiske transducer 22 og DK 172230 B1 4 kredsløb til at udfinde den søgte fyldstand fra tidsafstanden mellem sendeimpulser og de modtagne ekkoimpulser. Generelt ønskes det ikke blot at frembringe løbetiden for lyd- eller ultralydimpulser, mens også at analysere form og amplitude af modtagelsessignalerne fra den elektroa-5 kustiske transducer 22, fordi der derfra kan opnås informationer om forholdene i beholderen 10, der kan tjene til at fastlægge det mest sandsynlige nytteekkosignal og dermed opnå en mere nøjagtig løbetidsmåling. Denne yderligere information findes i indhyllingskurven, dvs. tidsamplitudeprofilen for modtagelsessignalet fra den elektroakustiske transducer 10 22.

På i og for sig kendt måde kan den elektroakustiske transducer 22, der arbejder skiftevis som sende- og modtagetransducer, alternativt erstattes af to separate transducere, hvoraf den ene alene anvendes som sendetransducer og den anden alene som modtagetransducer.

15 Et væsentligt problem ved en fyldstandsmåling baseret på et sådant ekkolodsprincip ligger i, at der foruden nytteekkoimpulserne, som re-flektreres fra fyldegodsets overflade som antydet i fig. 1 ved pilen N, også kan optræde forstyrrelsesekkoimpulser, der reflekteres fra andre hindringer i beholderen, og som er overlejret nytteekkoimpulserne. Mens 20 forstyrrelsesimpulser, der hidrører fra faste hindringer 19 i beholderen som antydet ved pilen F, hele tiden optræder med konstant løbetid og derfor let kan erkendes ved analyse af modtagesignalets amplitudeprofil og udskadeliggøres, fører navnlig de ekkosignaler, som reflekteres fra fyldegodsdele i påfyldningsstrømmen 16 ned i beholderen som antydet i 25 fig. 1 ved pilen S, til en væsentlig forstyrrelse af fyldestandsmålingen. Disse forstyrrelsesekkosignaler optræder med stadigt skiftende løbetider fordelt over hele intervallet af løbetider.

Fig. 2 viser et rutediagram for en udførelsesform af elektronikken, som gør det muligt at uskadeliggøre forstyrrelsesekkoimpulser S fra 30 påfyldestrømmen 16, uden at de informationer, der ligger i indhyllingskurven, dvs. tidsamplitudeprofilen for modtagelsessignalerne, går tabt. Diagrammerne A-D i fig. 3 viser tidsforløbet for forskellige signaler, som kan optræde på de punkter i kredsløbet i fig. 2, som er angivet med de samme bogstaver.

35 I fig. 2 er igen vist den elektroakustiske transducer 22, som er forbundet med udgangen på en sendeimpulsoscillator 30. Sendeimpulsoscil-latoren 30 sender med periodiske tidsmellemrum et pulsformigt elektrisk 5 DK 172230 B1 svingningstog med frekvensen for den lyd- eller ultralydimpuls, der skal udsendes, som oscillatorpuls til den elektroakustiske transducer 22, som derved anslås til udsendelse af en lyd- eller ultralydsendeimpuls. Varigheden af lyd- eller ultralydsendeimpulsen er kort i forhold til sen-5 deperiodens varighed, som er bestemt ved de periodiske tidsmellemrum mellem de efter hinanden følgende sendeimpulser.

Den elektroakustiske transducer 22 er endvidere forbundet med indgangen af en forstærker 31, som forstærker de elektriske signaler fra transduceren 22. Til disse signaler hører først og fremmest impulser 10 svarende til lyd- eller ultralydsendeimpulserne. Efter bortklingning af de enkelte sendeimpulser arbejder den elektroakustiske transducer som modtagetransducer, som omsætter indfaldende lyd- eller ultralydimpulser til elektriske modtagelsessignaler, som føres til forstærkeren 31. Da niveauet af de modtagne signaler er lille i forhold til sendeimpulsni-15 veauet, begrænses de elektriske signaler svarende til sendeimpulserne ved i og for sig bekendte foranstaltninger for at undgå overstyring af forstærkeren 31.

Forstærkeren 31 afgiver derved på sin udgang i hver sendeperiode et signal, f.eks. som vist i diagrammet A i fig. 3. Begyndelsen af måle-20 perioden er bestemt af sendeimpulsen E, hvis amplitude er begrænset.

Mens den elektriske exciteringsimpuls fra sendeimpulsosci11 atoren 30 er en firkantimpuls, fremkommer der på indgangen af forstærkeren 31 en eksponentielt henklingende impuls, idet den elektroakustiske transducer 22 udviser en eftersvingning efter exciteringsimpulsens ophør.

25 I en tidsafstand bestemt ved afstanden af fyldegodsoverfladen fra den elektroakustiske transducer 22 fremkommer der efter enden af sendeimpulsen E en nytteekkoimpuls N, der svarer til den fra fyldegods-overfladen reflekterede lyd- eller ultralydekkoimpuls. Denne nytteekko-impuls N er et svingningstog med sendefrekvensen for lyd- eller ultra-30 lydbølgen og med en indhyl!ingskurve, som i forhold til den oprindelige firkantform for sendeimpulsen er mere eller mindre udtværet eller deformeret. Mellem sendeimpulsen E og nytteekkoimpulsen N er der i diagrammet A i fig. 3 indtegnet en forstyrre!sesekkoimpuls S, som er reflekteret fra den i beholderen nedfaldende påfyldningsstrøm 16, samt en forstyr-35 relsesekkoimpuls F, der er reflekteret fra en fast hindring 19 i beholderen 10. Naturligvis kan der inden for dette interval af sendeperioden opstå talrige yderligere forstyrrelsesekkoimpulser S af denne art med DK 172230 B1 6 forskellige løbetider stammende fra forskellige dele af påfyldestrømmen 16 samt forstyrrelsesekkoimpulser F reflekteret ved faste hindringer i beholderen. På grund af flerfoldige reflektioner kan der også optræde forstyrrelsesekkoimpulser efter nytteekkoimpulsen N.

5 Efter forstærkeren 31 er der tilsluttet et indhyl 1ingskurvekreds- løb 32 udformet på en sådan måde, at det på udgangen afgiver et signal, som svarer til indgangssignalets indhyl 1 ingskurve. Indhyllingskurve-kredsløb, som udfører denne funktion, er almindeligt kendt. I det enkleste tilfælde kan indhyllingskurvekredsløbet være en ampiitudedemodula-10 tor, som ensretter den amplitudemodulerede bærebølgesvingning med frekvensen for lyd- eller ultralydbølgen og fører den gennem et lavpasfil- ter. Når der til indgangen på indhyllingskurvekredsløbet 32 føres det i diagram A viste signal, fremkommer der således på udgangen det lavfrekvente signal vist i diagrammet E, som indeholder indhyllingskurven E' 15 for sendeimpulsen E, indhyllingskurven N' for nytteekkoimpulsen N og indhyl 1ingskurverne F' og S' for forstyrre!sesekkoimpulserne F hhv. S. Generelt gengiver indhyllingskurvesignalet tidsamplitudeprofilen for udgangssignalet fra den elektroakustiske transducer 22, og det indeholder den fulde amplitudeinformation for det modtagne signal. Da indhyllings-20 kurvesignalet er lavfrekvent, kan det lettere behandles videre og lettere overføres over længere strækninger, eksempelvis til et beregningsapparat anbragt på et sted i afstand fra beholderen 10.

Indhyllingskurvesignalet frembragt på udgangen af indhyl 1ingskurvekredsløbet 32 føres i kredsløbet i fig. 2 gennem et forsinkelsestrin 25 33 og et gatekredsløb 34 til en analog-til-digital omsætter 35. I ana-log-til-digital omsætteren 35 aftastes indhyllingskurvesignalet periodisk, og hver af aftasteværdierne omsættes til et digitalsignal i form af en kodegruppe med et cifferantal svarende til den ønskede opløsning.

Udgangen af analog-til-digital omsætteren 35 er forbundet med en 30 digital signalbehandlingsindretning 36, eksempelvis i form af en passende programmeret mikrocomputer. Den digitale signalbehandlingsindretning 36 rummer en lagerindretning, hvori kodegrupper fra analog-til-digital omsætteren 35, som repræsenterer det digitaliserede modtagelsessignal fra mindst én sendeperiode, omend fortrinsvis fra flere efter hinanden 35 følgende sendeperioder, kan lagres, så der i lageret fremkommer en amplitudeprofil for målestrækningen, som er afhængig af afstanden eller løbetiden. Denne amplitudeprofil udglattes statistisk og analyseres ef- 7 DK 172230 B1 ter erfaringsværdier. På basis af denne analyse bestemmes forstyrrelsesekkoer F fra faste hindringer 19 og den ekkoimpuls, der med størst sandsynlighed er den fra fyldegodsoverfladen reflekterede nytteekkoimpuls, og endelig bestemmes løbetiden for den sandsynligste nytteekkoimpuls til 5 at frembringe fyldestanden. Gennem denne ekkobehandling kan uønskede effekter, som kan optræde ved bestemte modtageforhold, såsom dobbelte og flerfoldige reflektioner, forstyrrelsesekkoer fra indbyggede dele i beholderen o.lign., bedre beherskes. Imidlertid kan målingen ved massive forstyrrelser fra uregelmæssige forstyrrelsesekkoimpulser forårsaget af 10 påfyldestrømmen stadig være meget vanskelig eller endog helt umulig.

Til at eliminere sådanne forstyrrelser ved forstyrrelsesekkoimpul-ser stammende fra påfyldningsstrømmen indeholder kredsløbet i fig. 2 en frekvensdetektor 37, der er indsat parallelt med den signalbehandlingsvej, som indeholder indhyl 1ingskurvekredsløb 32, og er tilkoblet udgan-15 gen på forstærkeren 31. En anden indgang på frekvensdetektoren 37 er forbundet med sendeimpulsosci11 atoren 30, og frekvensdetektorens 37 udgang er forbundet med gatekoblingens 34 styreindgang.

Frekvensdetektoren 37 modtager fra sendeimpulsoscillatoren et signal med frekvensen for sendeimpulserne og sammenligner hele tiden fre-20 kvensen for modtagesignalet, der fremkommer for udgangen af forstærkeren 31, med denne sendefrekvens. Når frekvensdetektoren 37 finder overensstemmelse af modtagesignalets frekvens med sendefrekvensen, leverer det på styreindgangen til gatekredsløbet 34 et styresignal, som holder gatekredsløbet 34 åbent, således at indhyl!ingskurvesignalet, som overføres 25 gennem forsinkelsesleddet 33, slippes igennem til analog-til-digital omsætteren 35. Når der på den anden side ikke er overensstemmelse mellem modtagesignalets frekvens og sendefrekvensen, spærres gatekredsløbet 34 ved et udgangssignal fra frekvensdetektoren 37.

Frekvensdetektoren 37 frembringer i kombination med gatekoblingen 30 34 den virkning, at indhyllingskurvesignaler S', der stammer fra forstyrrel sesekkoimpul ser S fra påfyldningsstrømmen 16, ikke når frem til analog-til-digital omsætteren. Herved udnyttes den omstændighed, at påfyldningsstrømmen 16 bevæger sig i forhold til ekkolodsapparatet 20, således at ekkoimpulser reflekteret fra påfyldningsstrømmen 16 pga. Dopp-35 lereffekten udviser en frekvensforskydning i forhold til sendefrekvensen. Frekvensdetektoren 37 må naturligvis være udformet på en sådan måde, at den kan detektere denne ringe Dopplerfrekvensforskydning og ændre 8 DK 172230 B1 det styresignal, den afgiver på sin udgang, således at gatekredsløbet 34 spærres.

På den anden side opviser ekkoimpulser F, N, som er reflekteret mod faste hindringer og mod fyldegodsoverfladen, sendefrekvensen, idet 5 disse reflektionsplaner er i ro i forhold til fyldestandsmåleapparatet. Indhyl 1ingskurvesignalerne F', Ν', som svarer til disse ekkoimpulser, slippes derfor af gatekredsløbet 34 videre igennem til analog-ti1-digi-tal omsætteren 35.

Diagrammet C i fig. 3 viser udgangssignalet fra gatekredsløbet 34 10 under den antagelse, at der ikke indgik noget forsinkelsesled 33. I dette udgangssignal er forstyrrelsesekkoimpulsens S indhyl 1 ingskurve S' helt undertrykt. Imidlertid behøver frekvensdetektoren 37 en vis tid for at fastlægge frekvensoverensstemmelsen mellem sine to indgangssignaler med tilstrækkelig nøjagtighed, idet den er nødt til at sammenligne flere 15 svingninger. Åbningen af gatekredsløbet 34 sker derfor først en vis tid efter starten på nytteekkoimpulsen, således at den første del af indhyl -lingskurven Ν' går tabt. Dette kan føre til en forvanskning af amplitudeinformationen.

Dette problem afhjælpes ved hjælp af forsinkelsesleddet 33. Det 20 bibringer indhyl 1ingskurvesignalet en forsinkelse, som svarer til den tid, frekvensdetektoren 37 behøver for frekvensbestemmelsen. Herved opnås det, at gatekredsløbet 34 er åbent allerede ved starten af indhyl-lingskurven N' for nytteekkoimpulen N på gatekoblingen. Udgangssignalet fra gatekoblingen 34 svarer derfor til diagrammet D i fig. 3. Det inde-25 holder hele indhyllingskurven for nytteekkoimpulsen N samt også indhyl-1ingskurverne for forstyrrelsesekkoimpulsen F og andre komponenter i modtagesignalet, som har sendefrekvensen, mens indhyl 1ingskurver for alle signal komponenter med frekvenser, der afviger fra sendefrekvensen, er undertrykt.

30 I den digitale signalbehandlingsenheds 36 lager lagres ikke tids amplitudeprofilen for hele modtagelsessignalet, men tidsamplitudeprofilen for ekkosignaler, der har den oprindelige sendefrekvens.

Signalforsinkelsen ved forsinkelsesleddet 33 påvirker ikke løbetidsmålingen, idet indhyllingskurvesignalet svarende til sendeimpulsen E 35 og indhyllingskurvesignalet svarende til nytteekkoimpulsen N forsinkes lige meget, så tidsafstanden T^, som anvendes til løbetidsmålingen, er uændret.

9 DK 172230 B1

Det er klart, at en fagmand kan tænke sig ændringer i forhold til det beskrevne kredsløb. F.eks. kan forsinkelsesleddet 33 og gatekredsløbet 34 alternativt til placeringen efter indhyllingskurvekredsløbet 32 være arrangeret før dette kredsløb.

5

Claims (3)

10 DK 172230 B1

1. Apparat (20) til måling af fyldestanden i en beholder (10) omfattende en sende- og modtageenhed, som retter lyd- eller ultralydimpulser 5 mod fyldegodsoverfladen og opfanger tilbagekastede impulser (N) reflekteret fra fyldegodsoverfladen og omsætter dem til elektriske modtagesignaler, og med et analysekredsløb tilsluttet sende- og modtageenheden, som i en signalbehandlingsvej (32-36) omfatter følgende elementer: et indhyllingskurvekredsløb (32), som frembringer et indhyl- 10 1ingskurvesignal svarende til modtagesignalernes indhyllingskurve, en analog-til-digital omsætter (35), som periodisk aftaster indhyl 1 ingskurvesignalet og digitaliserer disse aftastede værdier, en signalbehandlingsanordning (36), som indeholder et lager, i hvilket de digitaliserede aftastede værdier lagres til frembring- 15 else af en afstands- og løbetidsafhængig amplitudeprofil for målestrækningen, og som analyserer amplitudeprofilen til bestemmelse af løbetiden for det mest sandsynlige nytteekkosignal, KENDETEGNET ved, 20. at der i analysekredsløbet parallelt med signalbehandlingsvejen til at frembringe indhyllingskurvesignalet er tilvejebragt en frekvensdetektor (37) til analysering af, om der er overensstemmelse mellem modtagesignalernes frekvens og sendefrekvensen, 25. at der i signalbehandlingsvejen er tilvejebragt et af frekvensde tektorens udgangssignal styret gatekredsløb (34), som i afhængighed af resultatet af frekvensdetekteringen kun åbnes for sådanne modtagesignaler, som har en frekvens, der svarer til sendefrekvensen. 30

2. Apparat ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, AT der i signalbehandlingsvejen er indsat et forsinkelsesled (33) efter tilslutningspunktet for frekvensdetektoren (37) og før gatekredsløbet (34).

3. Apparat ifølge krav 2, KENDETEGNET ved, AT gatekredsløbet (34) er arrangeret i signalbehandlingsvejen efter indhyllingskurvekredsløbet (32).