JP2875255B2

JP2875255B2 - 容器内の充填物の充填状態を測定するための方法

Info

Publication number: JP2875255B2
Application number: JP10155726A
Authority: JP
Inventors: フィッチュカルステン; ルプケヴォルフガング; ゲルストペーター; ラウユルゲン
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 1999-03-31
Anticipated expiration: 2018-06-04
Also published as: DE19723646C2; DE19723646A1; JPH1114436A; EP0882957B1; CA2240923C; EP0882957A2; CA2240923A1; EP0882957A3; US5948979A; DE59814277D1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、容器内の充填物の
充填状態を、レーダー原理に従って測定するための方法
であって、距離測定装置のアンテナを用いてマイクロ波
を放射し、反射されたマイクロ波を受信し、前記アンテ
ナは最高充填レベルよりも上方に配置されており、受信
されたマイクロ波を評価し、当該評価により、充填物表
面で反射されたエコー波を検出し、該エコー波の伝搬時
間を測定し、充填物表面と距離測定装置のアンテナとの
距離を測定された伝搬時間から計算する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】容器内の測定すべき充填状態は、充填レ
ベル、すなわち容器底部より上にある充填物表面の高
さ、または充填物容積である。公知の方法では充填レベ
ルが、容器底部上にあるアンテナの既知の取付レベル
と、アンテナから充填物表面までの測定距離との差とし
て直接得られる。充填物容積は各容器ごとに、充填レベ
ルに対して一義的関係にあり、従って測定された充填レ
ベルから得られる。

【０００３】この方法を適用する際に容器が空であれ
ば、マイクロ波が充填物表面ではなく容器底部で反射さ
れる。このことは容器底部が扁平であれば問題とはなら
ない。マイクロ波はこの場合、直接経路でアンテナに反
射され、その伝搬時間はアンテナと容器底部との間の距
離に相応する。この距離を空距離と称する。空距離は発
生する最大距離であるから、距離測定装置で受信された
マイクロ波を評価するには、この空距離までの距離領域
で行えばよい。

【０００４】しかしこの方法を、湾曲した容器底部、例
えばいわゆるボール型底部を有する容器に適用する場
合、マイクロ波は容器が空の場合には湾曲した容器底部
にて直接経路でアンテナには反射されず、容器壁面で複
数回反射されて初めてアンテナに達する。これは入射角
が９０゜とは異なるからである。従ってマイクロ波の伝
搬時間は空距離よりも格段に大きな距離に相応する。受
信されたマイクロ波の評価を空距離までの距離領域でだ
け行えば、この場合はエコー波が全く検出されず、従っ
て距離測定装置は容器の空状態を指示するのではなく、
エラー状態を指示する。

【０００５】この問題を解決するためにこれまで湾曲し
た容器底部を有する容器では、受信されたマイクロ波の
評価を連続的に、空距離よりも格段に大きな距離領域で
行っている。最大充填状態（１００％）に相応する最小
の伝搬時間と非常に少ない充填状態（例えば０．０１
％）に相応する伝搬時間との間のエコー波測定伝搬時間
はすべて正しい充填状態に割り当てられ、それより大き
な伝搬時間はすべて０％の充填状態に割り当てられる。

【０００６】この解決手段の欠点は、容器が部分的また
は完全に満たされているような通常の測定動作でも常に
非常に大きな時間領域ないしは距離領域を測定しなけれ
ばならないことである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、冒頭
に述べた形式の方法において、湾曲した容器底部を有す
る容器が部分的または完全に満たされている通常の測定
動作で、受信されたマイクロ波の評価を空距離までの距
離領域に制限することができ、しかも容器の空状態が確
実に識別され指示されるように構成することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題は本発明によ
り、通常の測定動作では受信されたマイクロ波を、距離
測定装置のアンテナと容器底部との間隔に相応する空距
離までの距離領域で評価し、当該距離領域でエコー波が
検出されない場合、拡張された距離領域で評価を行い、
空距離よりも大きな拡張された距離領域で検出されたエ
コー波を空距離に割り当てることによって解決される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の適用では、受信されたマ
イクロ波の評価が、空距離の際に終了する距離領域に常
にまずは制限される。この距離領域でエコー波が検出さ
れない場合だけ（このことは容器が空である場合であ
る）、評価が拡張された距離領域で行われる。空距離よ
りも大きなこの拡張された距離領域でエコー波が検出さ
れれば、エコー波が湾曲した容器底部から反射されたも
のであることが分かり、容器は空である。これに対して
拡張された距離領域でもエコー波が検出されなければ、
エラー状態が存在し、このことを指示することができ
る。

【００１０】エコー波が空距離までの距離領域で再び検
出されると直ちに、距離領域の拡張が中止される。従っ
て距離領域の拡張は容器が空である比較的希な場合だけ
に制限される。

【００１１】拡張された距離領域は少なくとも、この中
で湾曲した容器底部で反射され多重反射の後にアンテナ
に到達するすべてのエコー波が検出されるような大きさ
に選定される。簡単な場合には拡張された距離領域は測
定装置の最大測定領域と同じにする。

【００１２】本発明により得られる利点は有利な実施例
に従い、受信されたマイクロ波の評価のために、そのエ
コープロフィールを評価のために設けられた距離領域で
記録するときに顕著である。この場合は受信されたマイ
クロ波の検出と、そのエコープロフィールの記録とが非
常に多数の測定過程に対して、空距離までの比較的小さ
な距離領域に制限される。

【００１３】本発明のさらなる利点と詳細は図面に示さ
れた実施例から明らかである。

【００１４】

【実施例】図１は、湾曲した容器底部１２、例えばいわ
ゆるボール型底部を有する容器１０を示す。容器１０は
レベルＦまで充填物１４によって満たされる。容器１０
内の充填状態として充填レベルＦまたは充填レベルＦに
相応する充填物１４の容積が示される。全長にわたって
同じ横断面積を有する容器の場合、充填物容積は充填レ
ベルＦに比例する。この前提が満たされない容器の場
合、充填レベルＦと充填物容積との間の関係は計算また
は実験で求められ、曲線またはテーブルにより示され
る。いずれの場合でも、容器内の充填状態を検出するた
めには充填レベルＦの測定で十分である。

【００１５】図１に示された容器１０では、充填レベル
Ｆの測定がマイクロ波によりパルスレーダー原理で動作
する距離測定装置２０によって実行される。距離測定装
置２０は送受信アンテナ２２を有し、このアンテナは送
受信スイッチ２４を介して送信回路２６および受信評価
回路２８と接続されている。送信回路は周期的時間間隔
で超高周波パルスを形成し、このパルスはアンテナに供
給される。アンテナ２２は、容器１０で発生し得る最高
充填レベルＦｍａｘの上に次のように配置されている。
すなわち、アンテナが送信回路２６から到来した超高周
波パルスをマイクロ波の形態で下方に放射し、下から到
来したマイクロ波を受信するように配置されている。ア
ンテナ２２により受信されたマイクロ波（これにはとく
に充填物１４の表面１６で反射されたエコー波が含まれ
る）は受信評価回路２８に供給される。受信評価回路２
８では、アンテナ２２により受信されたマイクロ波が評
価され、充填物表面で反射されたエコー波が検出され、
その伝搬時間が測定される。アンテナ２２によるマイク
ロ波パルスの送信時点から充填物表面１６で反射された
エコー波がアンテナ２２に到達するまでの測定伝搬時間
から、マイクロ波の既知の伝搬速度に基づいて、アンテ
ナ２２と充填物表面１６との間の距離Ｄを計算すること
ができる。充填レベルＦは、容器底部１２の上にあるア
ンテナ２２の既知の取付レベルＨ０と測定された距離Ｄ
との間の差から得られる。

【００１６】Ｆ＝Ｈ０−Ｄ受信されたマイクロ波を受信評価回路２８で評価するた
めに通常はマイクロ波のエコープロフィールが記録され
る。エコープロフィールはパルスレーダーの場合はマイ
クロ波のエンベロープ曲線によって定められる。このエ
ンベロープ曲線Ｈと伝搬時間ｔの関数としての線図、ま
たは同じ経過であるがマイクロ波の進んだ区間ｘの関数
としての線図が図１に、容器の右側に示されている。こ
こで時間軸ｔないしは距離軸ｘは下方に向かって伸びて
おり、エンベロープ曲線Ｈの振幅を示す横軸は右に伸び
ている。この形式の表示は、エンベロープ曲線と測定す
べき充填レベルＦとの関係を明確にする。エンベロープ
曲線Ｈは、最高充填レベルＦｍａｘに相応する距離Ｄｍ
ｉｎと取付レベルＨ０に相応する距離ＤＬ（容器の空に
相当し、“空距離”とも称する）との間でほぼ比較的に
小さな値Ｒを有する。この値Ｒはノイズレベルに相応す
る。しかしエンベロープ曲線は、アンテナ２２から充填
物表面１６までの間隔に相応する距離Ｄにおいて、格段
に高いピークＥを有する。このピークは充填物表面１６
で反射されたエコー波によるものである。時間尺度では
エコーピークＥの位置は、マイクロ波が区間Ｄを通過す
るのに必要な伝搬時間の２倍の値に相応する。なぜなら
マイクロ波はこの区間はアンテナ２２から充填物表面１
６へ、そして再びアンテナ２２へと２回通過しなければ
ならないからである。

【００１７】エンベロープ曲線Ｈの有効エコーＥを検出
するために、種々の方法を適用することができる。第１
の方法は、エンベロープ曲線の最大値を検出し、これに
有効エコーを割り当てるのである。別の方法では、最大
振幅を有するエコー、すなわちエンベロープ曲線の最大
値に加えて、時間的に最初に到来したエコーも検出す
る。この最初のエコーの振幅が調整可能な係数分だけ低
減した最大振幅よりも大きければ、最初のエコーが有効
エコーとして選択される。この条件は例えば、第１のエ
コーの振幅が最大振幅を２０ｄＢだけ低減した値より大
きくなければならないということである。有効エコーの
検出は通常の場合、全体または部分的に満たされた容器
において、距離０または少なくとも最大充填状態に相応
する最小距離Ｄｍｉｎから空距離ＤＬまでの距離領域で
行われる。従ってエンベロープ曲線Ｈもまたこの領域で
記録すればよい。

【００１８】図２は、図１の構成を容器が完全に空であ
る場合に対して示す。この場合は、マイクロ波が容器底
部１２で反射される。従ってエコーピークは空距離ＤＬ
になければならない。しかし図２では、エコーピーク
Ｅ’が格段に大きな距離Ｄ’にある。これは、マイクロ
波が湾曲した容器底部では入射角が９０゜と異なるため
入射方向に対して直接アンテナ２２に反射されず、容器
壁面で複数回反射して初めてアンテナ２２に達するから
である。

【００１９】前に説明した受信評価回路２８では通常の
測定動作では、受信されたマイクロ波のエンベロープ曲
線が空距離ＤＬまでの距離領域でしか評価されないか
ら、容器が空の場合は容器底部１２が湾曲しているため
評価される領域にエコーピークが発生しない。従って一
方では容器１０が空であることが識別されず、他方では
距離測定装置２０が故障しているという印象が生じる。

【００２０】この現象は次の手段によって回避される。

【００２１】１．エンベロープ曲線Ｈの評価の際に、空
距離ＤＬまでの評価される距離領域にエコーが存在しな
ければ、新たにエンベロープ曲線を記録するが、このと
きは拡張された距離領域に対して記録する。この拡張さ
れた距離領域は有利には距離測定装置の最大測定領域に
相応する。エンベロープ曲線の評価の際に空距離ＤＬを
越えたこの拡張距離領域で、図２のエコーＥ’のように
エコーが検出されれば、このエコーにはその伝搬時間に
相応する距離Ｄ’を割り当てるのではなく、空距離ＤＬ
を割り当てる。このことによって一方では容器が空であ
ることが正しく指示され、他方では距離測定装置２０が
正しく動作していることが検出される。

【００２２】２．拡張距離領域でのエンベロープ曲線の
評価の際にもエコーが検出されなければ、エラー状態が
指示される。

【００２３】このようにして、受信されたマイクロ波の
評価が例えばそのエンベロープ曲線の記録により通常の
測定動作では容器のレベルに相応する領域に制限され
る。しかし容器が空である場合には容器底部が湾曲して
いても空状態が正しく指示され、エラー状態が間違って
指示されることが回避される。

【００２４】受信されたマイクロ波の評価を拡張距離領
域で行うことは付加的に次の条件と結びつけることがで
きる。すなわち、最後に測定された充填状態が基準充填
状態（例えば最大充填状態の２０％）よりも小さいとい
う条件と結びつけることができる。このことによって、
例えばマイクロ波の経路が撹拌機と交差することにより
エコーが短時間失われてしまった場合でも評価領域の切
り替わることが回避される。

【００２５】拡張距離領域にエコーが検出されるか否
か、または充填状態が指示されるか否かの決定は、調整
可能な閾値に依存するようにすることができる。この閾
値は、エコー振幅がエコーとして受容されるためには越
えなければならないＳ／Ｎ比に対する最小値を表す。こ
の閾値は典型的には、１０ｄＢのオーダーにある。

【００２６】図２からも空距離ＤＬの定義が分かる。空
距離はアンテナ２２から湾曲した容器底部の点までの距
離に相応し、この点にアンテナ２２から送信されたマイ
クロ波が到達し、反射される。この距離は、アンテナ２
２によって容器１０内で測定できる最大の距離である。
到達点を通る水平面はまた充填レベルＦと取付レベルＨ
０に対する基準面である。容器１０は、充填物表面１６
がこの基準面にあるかまたはこれより下であると空であ
る。

【００２７】前に説明した有利な実施例では、充填状態
測定がパルスレーダー原理に従って行われる。しかし本
発明のこの場合に制限されるものではなく、例えばエコ
ープロフィールを作成することのできる、レーダー原理
以外の方式で動作する方法にも適する。このことはＦＭ
ＣＷ法（周波数変調持続掃引レーダー）に対して当ては
まる。ＦＭＣＷ法では連続的マイクロ波が送信され、こ
のマイクロ波は周期的に線形周波数変調を、例えば鋸歯
関数に従って受けている。従って受信されたエコー信号
の周波数は、受信時点で送信信号が有している瞬時周波
数に対して周波数差を有している。そしてこの周波数差
はエコー信号の伝搬時間に依存する。送信信号と受信信
号との周波数差は、２つの信号の混合と混合信号のフー
リエスペクトル評価によって得ることができる。従って
この周波数差は反射面とアンテナとの間隔に相応し、周
波数特性曲線はエコー振幅の大きさに相応する。従って
この場合、このフーリエスペクトルはエコープロフィー
ルを表し、このエコープロフィールはパルスレーダーの
場合に得られるエコープロフィールと同じように評価す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーダー原理に従って容器内の充填状態を測定
するための装置の概略図である。

【図２】図１の構成において容器が空の場合の概略図で
ある。

【符号の説明】

１０容器１２容器底部１４充填物２０距離測定装置２２アンテナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ヴォルフガングルプケドイツ連邦共和国シュタイネンハンス−トーマ−シュトラーセ１ (72)発明者ペーターゲルストドイツ連邦共和国ヴァイルラインジーベンユーヒェルテン（番地なし) (72)発明者ユルゲンラウドイツ連邦共和国レーラッハビュールシュトラーセ 16 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01F 23/284

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】容器内の充填物の充填状態を、レーダー
原理に従って測定するための方法であって、距離測定装置のアンテナを用いてマイクロ波を放射し、
反射されたマイクロ波を受信し、前記アンテナは最高充填レベルよりも上方に配置されて
おり、受信されたマイクロ波を評価し、当該評価により、充填物表面で反射されたエコー波を検
出し、該エコー波の伝搬時間を測定し、充填物表面と距
離測定装置のアンテナとの距離を測定された伝搬時間か
ら計算する方法において、通常の測定動作では受信されたマイクロ波を、距離測定
装置のアンテナと容器底部との間隔に相応する空距離ま
での距離領域で評価し、当該距離領域でエコー波が検出されない場合、拡張され
た距離領域で評価を行い、空距離よりも大きな拡張された距離領域で検出されたエ
コー波を空距離に割り当てる、ことを特徴とする、容器
内の充填物の充填状態を測定するための方法。
【請求項２】前記拡張された距離領域は、距離測定装
置の最大距離測定領域に相応する、請求項１記載の方
法。
【請求項３】受信されたマイクロ波を評価するため
に、該マイクロ波のエコープロフィールを、評価のため
に設けられた距離領域で記録する、請求項１または２記
載の方法。
【請求項４】拡張された距離領域での評価を、前もっ
て測定された充填状態が所定の基準充填状態よりも小さ
い場合にだけ行う、請求項１から３までのいずれか１項
記載の方法。
【請求項５】拡張された距離領域でエコー波が検出さ
れない場合、エラー状態を指示する、請求項１から４ま
でのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】拡張された距離領域では、受信されたマ
イクロ波のうち振幅が所定の閾値を上回るマイクロ波だ
けをエコー波として検出する、請求項１から５までのい
ずれか１項記載の方法。