Dokumentenidentifikation |
DE102005049500A1 03.05.2007 |
Titel |
Verfahren zur Bestimmung des Füllstands anhand der Laufzeit eines hochfrequenten Messsignals |
Anmelder |
Endress + Hauser GmbH + Co. KG, 79689 Maulburg, DE |
Erfinder |
Michalski, Bernhard, 79689 Maulburg, DE; Buser, Dominik, Möhlin, CH; Scherr, Stefan, 79400 Kandern, DE |
Vertreter |
Andres, A., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 79415 Bad Bellingen |
DE-Anmeldedatum |
13.10.2005 |
DE-Aktenzeichen |
102005049500 |
Offenlegungstag |
03.05.2007 |
Veröffentlichungstag im Patentblatt |
03.05.2007 |
IPC-Hauptklasse |
G01F 23/28(2006.01)A, F, I, 20051013, B, H, DE
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IPC-Nebenklasse |
G01S 13/88(2006.01)A, L, I, 20051013, B, H, DE
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Zusammenfassung |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands (I) anhand der Laufzeit (t) eines hochfrequenten Messsignals (SHF), das in ein niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignal (SZF) transformiert wird, wobei der Transformationsfaktor (kT) aus einer Differenzfrequenz (fSweep) zwischen einer Pulsrepetierfrequenz (fPRF) und einer Abtastfrequenz (fSampl) ermittelt wird, wobei die Pulsrepetierfrequenz (fPRF) oder die Abtastfrequenz (fSampl) anhand einer Regelung mit einer Regelgröße (c_var) durch einen entsprechenden Regelalgorithmus so verändert wird, dass ein Sollwert der Differenzfrequenz (fSweep_setpoint) geregelt wird, wobei ein Gradient (grad) aus zumindest zwei Werten bestimmt wird, wobei anhand des Gradienten (grad) und der Differenzfrequenz (fSweep) oder der Differenzzeit (tSweep) bei eingestellter Regelgröße (c_var) ein Arbeitspunkt (OP) der Regelung bestimmt wird und dementsprechend der Regelalgorithmus angepasst wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch einen Regelalgorithmus eine schnelle, sichere und exakte Einregelung der Differenzfrequenz zwischen Frequenzen von zwei Oszillatoren auf einen vorbestimmten Sollwert der Differenzfrequenz zu gewährleisten.
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Beschreibung[de] |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des
Füllstands anhand der Laufzeit eines hochfrequenten Messsignals, das mittels
eines Transformationsverfahrens mit einem bestimmten Transformationsfaktor in ein
niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignal transformiert wird.
Derartige Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes
in einem Behälter werden häufig in den Messgeräten der Automations-
und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt. Von der Anmelderin werden beispielsweise
Messgeräte unter dem Namen Micropilot oder Levelflex produziert und vertrieben,
welche nach dem Laufzeit-Messverfahren arbeiten und dazu dienen, einen Füllstand
eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen. Nach
der Methode der geführten Mikrowelle bzw. der Zeitbereichreflektometrie oder
der TDR-Messmethode (Time Domain Reflection) wird ein Hochfrequenzimpuls entlang
eines Sommerfeldschen oder Goubauschen Wellenleiters oder entlang eines Koaxialwellenleiters
ausgesendet, welcher bei einer Diskontinuität des DK-Wertes (Dielektrizitätskonstanten)
des den Wellenleiter umgebenden Mediums teilweise zurückreflektiert wird. Nach
der freistrahlenden Laufzeitmessmethode werden beispielsweise Mikrowellen über
eine Antenne in einen Freiraum bzw. Prozessraum ausgesendet, und die an der Mediumsoberfläche
reflektierten Echowellen werden nach der abstandsabhängigen Laufzeit des Signals
wieder von der Antenne empfangen. Anhand der Zeitdauer zwischen dem Aussenden der
Hochfrequenzimpulse und dem Empfang der reflektierten Echosignale lässt sich
der Abstand des Messgerätes zu der Mediumsoberfläche ermitteln. Unter
Berücksichtigung der Geometrie des Behälterinnern wird dann der Füllstand
des Mediums als relative oder absolute Größe ermittelt. Die Laufzeit-Messmethode
lässt sich im wesentlichen in zwei Ermittlungsverfahren einteilen: Das erste
Ermittlungsverfahren beruht auf einer Zeitmessung, die ein impulsfolgenmoduliertes
Signal für die zurückgelegte Wegstrecke erfordert; ein zweites weit verbreitetes
Ermittlungsverfahren ist die Bestimmung der Kippfrequenzdifferenz des ausgesendeten
kontinuierlichen Hochfrequenzsignals zum reflektierten, empfangenen Hochfrequenzsignal
(FMCW – Frequency-Modulated Continuous Wave). Im Allgemeinen wird in den
folgenden Ausführungen keine Beschränkung auf ein bestimmtes Ermittlungsverfahren
vorgenommen.
Ein allgemeines Problem bei allen Laufzeitmessmethoden mit hochfrequenten
Messsignalen im GHz-Bereich (Gigahertz) ist, dass zur Auswertung des hochfrequenten
Messsignale Hochfrequenzbauteile verwendet werden müssen, die für solch
hohe Frequenzbereiche ausgelegt sind. Diese Hochfrequenzbauteile haben den Nachteil,
dass ihre Herstellung aufwendig und die Anschaffung sehr teuer ist. Eine Möglichkeit
die hochfrequenten Messsignale mit günstigen Niederfrequenz-Bauteilen auszuwerten
besteht darin, die hochfrequenten Messsignale mittels einer sequentiellen Abtastung
in den Niederfrequenzbereich abzubilden. Das Verfahren zur sequentiellen Abtastung
von hochfrequenten Messsignalen stellt eine Möglichkeit der Transformation
in den Niederfrequenzbereich dar, wobei in diesem Verfahren aus einer Vielzahl gleichsam
hochfrequente, periodisch abgetasteter Messsignale ein zeitgedehntes Zwischenfrequenzsignal
erzeugt wird. Dieser zusätzliche Verarbeitungsschritt wird durchgeführt,
weil es keine entsprechend kostengünstigen Datenverarbeitungseinheiten, z.B.
DSPs (Digitale Signal Prozessoren), gibt, welche hochfrequente Messsignale zuverlässig
verarbeiten können.
Ein Ansatz zur Erzeugung eines zeitgedehnten Zwischenfrequenzsignals
ist das Mischerprinzip, bei dem zwei Oszillatoren zwei Schwingungen mit geringfügig
unterschiedlichen Frequenzen erzeugen. Durch die geringfügige 'Verstimmung'
der Frequenzen der beiden Schwingungen entsteht eine linear mit jeder Messperiode
ansteigende Phasenverschiebung, was einer linear ansteigenden Zeitverzögerung
entspricht. Das Mischerprinzip wird beispielsweise in der DE
31 07 444 A1 mittels eines hochauflösenden Impulsradar-Verfahrens
beschrieben. Ein Generator erzeugt erste Mikrowellenpulse und strahlt sie über
eine Antenne mit einer vorgegebenen Sendewiederholfrequenz in Richtung der Oberfläche
des Füllguts aus. Ein weiterer Generator erzeugt Referenz-Mikrowellenpulse,
die den ersten Mikrowellenpulsen entsprechen, sich jedoch von diesen in der Wiederholfrequenz
geringfügig unterscheiden. Das Echosignal und das Referenzsignal werden beispielsweise
durch einen Frequenzumsetzer bzw. Mischer gemischt, wodurch ein Zwischenfrequenzsignal
entsteht. Das Zwischenfrequenzsignal hat den gleichen Verlauf wie das Echosignal,
ist gegenüber diesem jedoch um einen Transformationsfaktor gestreckt, der gleich
einem Quotienten aus der Pulsrepetierfrequenz und der Frequenzdifferenz zwischen
der Pulsrepetierfrequenz der ersten Mikrowellenpulse und Abtastfrequenz der Referenz-Mikrowellenpulse
ist. Bei einer Pulsrepetiertrequenz von einigen Megahertz, einer Frequenzdifferenz
von wenigen Hertz und einer Mikrowellenfrequenz von einigen Gigahertz liegt die
Frequenz des Zwischenfrequenzsignals weit unterhalb von 200 kHz. Der Vorteil der
Transformation auf die Zwischenfrequenz ist, dass relativ langsame und damit kostengünstige
elektronische Bauteile zur Signalerfassung und/oder Signalauswertung verwendet werden
können. Verwiesen wird in diesem Zusammenhang auch auf das Deutsche Gebrauchsmuster
DE 29815069 U1, das diese bekannte
Transformationstechnik bei einem TDR-Füllstandsmessgerät
beschreibt. Diese Abtastschaltung besitzt zwei Oszillatoren, von denen wenigstens
einer in der Frequenz variierbar ausgestaltet ist, wobei ein Oszillator den Sendegenerator
und der andere Oszillator den Abtastpulsgenerator steuert. Ein Frequenzmischer bildet
aus den beiden Frequenzen die Differenz, welche zur Einstellung bzw. Regelung des
möglichst konstanten Transformationsfaktors auf einen Sollwert über einen
Rückkopplungszweig verwendet wird.
Der Nachteil bei der Einregelung der Differenzfrequenz auf einen Sollwert
nach dem Stand der Technik ist, dass die Regelung sehr lange Zeit in Anspruch nimmt
und es unter bestimmten Umständen zu einer Einregelung auf einen falschen Sollwert
der Differenzfrequenz kommt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch einen Regelalgorithmus
eine schnelle, sichere und exakte Einregelung der Differenzfrequenz der Signale
von zwei Oszillatoren auf einen vorbestimmten Sollwert der Differenzfrequenz zu
gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur
Bestimmung des Füllstands anhand der Laufzeit eines hochfrequenten Messsignals,
das mittels eines Transformationsverfahrens mit einem bestimmten Transformationsfaktors
in ein niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignal transformiert wird, gelöst,
wobei der Transformationsfaktor aus einer Differenzfrequenz oder einer Differenzzeit
eines Differenzsignals zwischen einem Pulsrepetiersignal mit einer Pulsrepetierfrequenz
und einem Abtastsignal mit einer Abtastfrequenz erzeugt und ermittelt wird, wobei
die Pulsrepetierfrequenz und/oder die Abtastfrequenz anhand einer Regelung mit einer
Regelgröße durch einen entsprechenden Regelalgorithmus so verändert
werden/wird, dass die Differenzfrequenz auf einen Sollwert der Differenzfrequenz
oder die Differenzzeit auf einen Sollwert der Differenzzeit geregelt wird, wobei
zwischen zumindest zwei Werten der Differenzfrequenz oder zwischen zumindest zwei
Werten der Differenzzeit in Abhängigkeit von der Regelgröße ein Gradient
bestimmt wird, wobei anhand des Gradienten und der Differenzfrequenz oder der Differenzzeit
bei eingestellter Regelgröße ein Arbeitspunkt der Regelung bestimmt wird,
und dementsprechend der Regelalgorithmus angepasst wird. Durch die Ermittlung des
Gradienten ist es möglich die Lage des Arbeitspunktes der Regelung in dem sicheren
und kritischen Regelbereich, unter Berücksichtigung des Messwerts der Differenzfrequenz
oder der Differenzzeit an dem Arbeitspunkt, zu bestimmen. Liegt der Arbeitspunkt
in einem kritischen Regelbereich, wird die Regelgröße in einen definierten
Zustand mit einem Arbeitpunkt im sicheren Regelbereich gesetzt, und von dort wird
der Regelalgorithmus gestartet und ausgeführt. Ist nach Ermittlung des Gradienten
der Arbeitspunkt im sicheren Regelbereich lokalisiert worden, so ändert der
Regelalgorithmus in der Regel-/Auswerteeinheit die Regelgröße, so dass
sich der aktuelle Arbeitspunkt dem Sollwert des Arbeitspunktes annähert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist vorgesehen, dass die Polarisation oder das Vorzeichen der Differenzfrequenz
des Differenzsignals oder der Differenzzeit mittels des Gradienten ermittelt wird.
Durch die Ermittlung der Polarisation bzw. des Vorzeichens der Differenzfrequenz
bzw. Differenzzeit ist es möglich zu erkennen, ob der erste Oszillator bzw.
Abtasttaktoszillator gegenüber dem zweiten Oszillator bzw. Sendetaktoszillator
langsamer oder schneller getaktet ist. Diese Polarisations-Erkennung ist notwendig,
da durch den Aufbau des Regelkreises nur die Differenzfrequenz zwischen der Abtastfrequenz
gegenüber der Pulsrepetierfrequenz ermitteln wird, egal welcher Oszillator
zur Erzeugung der Abtastfrequenz oder der Pulsrepetierfrequenz schneller oder langsamer
getaktet ist. Der Abtasttaktoszillator mit der Abtastfrequenz weist im Normalfall
einen etwas langsameren Taktzyklus als der Sendetaktoszillator mit der Pulsrepetierfrequenz
auf. Der Fall, dass der Abtasttaktoszillator einen schnelleren Taktzyklus bzw. eine
höhere Frequenz als der Sendetaktoszillator aufweist, ist bei dem Transformationsverfahren
nicht erwünscht, demzufolge wird ein Einregeln der Differenzfrequenz auf einen
Sollwert in diesem kritischen Regelbereich verhindert.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist, dass eine
Regelkennlinie des Differenzsignals aufgenommen wird, indem die Differenzfrequenz
oder die Differenzzeit in Abhängigkeit von der sich ändernden Regelgröße
bestimmt und abgespeichert wird. Die Regelkennlinie kann aufgenommen werden, indem
der gesamte Bereich die Regelgröße einmalig durchlaufen wird und die entsprechenden
Werte der Differenzfrequenz bzw. Differenzzeit ermittelt und abgespeichert werden.
Diese Daten werden in einem Diagramm dargestellt, wobei entsprechend der Differenzzeit
eine Polstelle oder entsprechend der Differenzfrequenz eine Nullstelle mit einer
Umkehrstelle im Diagramm erkennbar wird. Aufgrund dieser Polstelle bzw. Nullstelle
können zumindest zwei identische Werte der Differenzfrequenz bzw. der Differenzzeit
bei zwei unterschiedlichen Regelgrößen ermittelt werden. Einer dieser
Werte bzw. Arbeitspunkte liegt in einem kritischen Regelbereich, in dem der Abtasttaktoszillator
gegenüber dem Sendetaktoszillator einen schnelleren Taktzyklus aufweist. Der
andere Arbeitspunkt liegt in einem sicheren Regelbereich, in dem der Abtasttaktoszillator
gegenüber dem Sendetaktoszillator einen langsameren Taktzyklus aufweist. Anhand
des Gradienten und dem Diagramm kann eine Aussage über den Einregelungsvorgang
getroffen werden. In dem Diagramm wird ein geeigneter Sollwert des Arbeitspunktes
ermittelt, auf den die Regelung mit dem Regelalgorithmus einregelt. Außerdem
kann das Regelverhalten des Regelkreises überwacht werden, da sich dieses aufgrund
äußerer Einflüsse oder Alterungserscheinungen ändern kann. Somit
wird im Hinblick auf die vorausschauende Wartung der Vorrichtung der Regelkreis
auf Fehler und Alterungserscheinungen überwacht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, dass der Regelalgorithmus den Arbeitspunkt in einen definierten
sicheren Regelbereich zurücksetzt, indem die Regelgröße auf einen
Minimalwert zurückgesetzt wird, wenn der Arbeitspunktes in einem kritischen
Regelbereich der Regelung ermittelt wird. Der Arbeitspunkt wird in einen sicheren
Regelbereich überführt, indem die Regelgröße, z.B. eine Regelspannung
auf einen definierten Minimalwert, der im sicheren Regelbereich liegt, zurück
geregelt wird. Von diesem Minimalwert ausgehend ändert der Regelalgorithmus
in der Regel-/Auswerteeinheit die Regelgröße schrittweise, so dass sich
der aktuelle Arbeitspunkt dem Sollwert des Arbeitspunktes beständig annähert.
Eine sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist, dass der Regelalgorithmus den Arbeitspunkt auf den Sollwert des Arbeitspunkts
einregelt, indem die Regelgröße stetig verändert wird, wenn der Arbeitspunkt
in einem definierten sicheren Regelbereich der Regelung ermittelt wird. Der Regelalgorithmus
regelt die aktuelle Differenzfrequenz auf den Sollwert der Differenzfrequenz oder
die aktuelle Differenzzeit auf den Sollwert der Differenzzeit ein, indem die Regelgröße,
z.B. eine Regelspannung, kontinuierlich erniedrigt oder erhöht wird, je nachdem
ob der aktuelle Arbeitspunkt oberhalb oder unterhalb des Sollwerts des Arbeitspunktes
lokalisiert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, dass von dem Regelalgorithmus eine Störung erkannt
wird, falls der Arbeitspunkt permanent im Störungsbereich oberhalb eines maximalen
Grenzwerts der Differenzfrequenz oder unterhalb eines minimalen Grenzwerts der Differenzzeit
ermittelt wird. Da eine Differenzzeit unterhalb dieses minimalen Grenzwertes oder
da Differenzfrequenz oberhalb dieses maximalen Grenzwerts in der Regelung nicht
vorkommen können, muss einen Störung der Hardware vorliegen. Diese Feststellung
einer Störung des Regelkreises kann als Meldung an einem Display der Füllstandsmessvorrichtung
dargestellt werden oder über den Feldbus an eine Leitstelle oder andere Feldgeräte
übermittelt werden. Des Weiteren ist es möglich, dass durch die Feststellung
einer Störung des Regelkreises die Regel-/Auswerteinheit bzw. das gesamte Messgerät
neu initialisiert und somit die Regelung in einen definierten Anfangszustand bringt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird vorgeschlagen, dass bei einem definierten Grenzwert der Regelabweichung
der Differenzfrequenz von dem Sollwert der Differenzfrequenz oder der Differenzzeit
von dem Sollwert der Differenzzeit in dem Regelalgorithmus ein Fehlerzähler
inkrementiert wird, wenn dieser Grenzwert überschritten wird, oder dekrementriert
wird, wenn dieser Grenzwert eingehalten wird. Falls die Messwerte der Differenzzeit
oder der Differenzfrequenz ein gewisses Maß von den vorgegebenen Sollwerten
der Differenzzeit oder den vorgegebenen Sollwerten der Differenzfrequenz abweichen,
z.B. ±1 &mgr;s (Mikrosekunde) oder 1 mHz (Millihertz), wird ein Fehlerzähler
aktiviert. Der Fehlerzähler wird um „eins" erhöht, falls der aktuelle
Messwert außerhalb der festgesetzten Grenzen liegt und um „eins" erniedrigt,
falls der aktuelle Messwert die festgesetzten Grenzen einhält.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, dass ein maximaler Zählwert des Fehlerzählers
eingestellt wird, bei dem der Fehlerzähler gelöscht wird, der Regelalgorithmus
unterbrochen wird und der Arbeitspunkt in einen definierten sichereren Regelbereich
der Regelkennlinie durch Zurückfahren der Regelgröße auf einen Minimalwert
versetzt wird. Erzeugt der Fehlerzähler einen so genannten Überlauf, wenn
der aktuelle Zählwert den festgesetzte maximale Zählwert von beispielsweise
100 überschreitet, wird eine Einregelung in einem sicheren Regelbereich erneut
gestartet, indem die Regelgröße auf einen Minimalwert zurückgefahren
wird. Der maximale Zählwert des Fehlerzählers bestimmt hierbei die Fehlertoleranz
des Regelsystems bzw. Regelkreises.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist darin zu sehen, dass als Regelgröße bis zu einem ersten
Toleranzwert eine große Regelabweichung der Differenzfrequenz von dem Sollwert
der Differenzfrequenz oder der Differenzzeit vom Sollwert der Differenzzeit ein
pulsweitenmoduliertes Regelsignal von dem Regelalgorithmus bewirkt wird. Der erste
Toleranzwert legt fest, in welchem Bereich der Abweichungen der aktuellen Differenzzeit
bzw. der aktuellen Differenzfrequenz von deren Sollwerten ein pulsweitenmodulieres
Regelsignal zur Regelung und Ansteuerung der Frequenzregeleinheit angewendet wird.
Das pulsweitenmodulierte Regelsignal eignet sich für große Abweichungen
der aktuellen Differenzzeit bzw. der aktuellen Differenzfrequenz von deren Sollwerten,
da große Änderungen in der Regelgröße bzw. Regelspannung erreicht
werden können, während eine Feineinregelung der Differenzfrequenz bzw.
Differenzzeit auf den Sollwert bei kleinen Abweichungen nur erschwert
möglich ist. Dieser erste Toleranzwert einer großen Regelabweichung liegt
beispielsweise bei 5 ms (Millisekunde).
Eine ergänzende vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist darin zu sehen, dass als Regelgröße bei einem zweiten Toleranzwert
einer mittleren Regelabweichung der Differenzfrequenz von dem Sollwert der Differenzfrequenz
oder der Differenzzeit vom Sollwert der Differenzzeit ein impulsfolgenmoduliertes
Regelsignal von dem Regelalgorithmus erzeugt wird. Ab einem zweiten Toleranzwert
wird aus den zuvor beschriebenen Gründen, nämlich dass ein pulsweitenmoduliertes
Regelsignal zur Feineinregelung des Istwerts auf den Sollwert der Differenzzeit
bzw. Differenzfrequenz nicht geeignet ist, ein impulsfolgenmoduliertes Regelsignal
angewendet. Die Regel-/Auswerteinheit bzw. Mikrocontroller erzeugen abhängig
von deren Betriebsfrequenz kurze Pulse, die das impulsfolgenmodulierte Regelsignal
ergeben. Der Mikrocontroller erzeugt maximal kurze Pulse, die je nach erforderlicher
Regelgröße als eine entsprechende Pulsfolge die Frequenzregeleinheit ansteuern.
Dieser zweite Toleranzwert einer mittleren Regelabweichung liegt beispielsweise
bei 1 &mgr;s (Mikrosekunde).
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass bei einem dritten Toleranzwert
einer kleinen oder tendenziellen Regelabweichung der Differenzfrequenz von dem Sollwert
der Differenzfrequenz oder der Differenzzeit vom Sollwert der Differenzzeit nicht
sofort mit einer entsprechenden Regelgröße entgegen geregelt wird, sondern
eine Tendenz der Regelabweichungen bestimmt wird und ein tendenzielles Regelsignal,
das zu den nachfolgenden impulsfolgenmodulierten Regelsignalen oder zu den pulsweitenmodulierten
Regelsignalen hinzugefügt wird, erzeugt wird. Liegt die aktuelle Regelabweichung
der Differenzzeit beispielsweise im Bereich von einigen &mgr;s (Mikrosekunde)
und/oder entspricht diese einer tendenziellen Regelabweichung, so wird nicht sofort
nachgeregelt, sondern diese minimalsten Änderungen werden in die späteren
impulsfolgenmodulierten oder pulsweitenmodulierten Regelsignale mit eingerechnet.
Da sich solche kleinen Regelabweichungen unterhalb des dritten Toleranzwertes nur
sehr schwer durch ein Nachregeln bzw. ein Nachführen der Regelgröße
korrigieren lassen, wird durch die rechnerische Integration dieser tendenziellen
Regelabweichungen in die größeren und mittleren Regelabweichungen eine
Möglichkeit geschaffen, die Regelung genauer und stabiler zu gestalten. Ein
Überschwingen und ein folgendes Einschwingen der Regelung kann dadurch vermieden
werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher
erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem
gleichen Bezugszeichen versehen worden. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur
Ermittlung des Füllstandes in einem Behälter;
2 ein Ausführungsbeispiel des Regelkreis der Vorrichtung
zur Erzeugung der Zwischenfrequenz mit der Sende-/Empfangseinheit und Regel-/Auswerteeinheit;
3 ein Ausführungsbeispiel der Regelkennlinie mit
den sicheren und kritischen Regelbereichen und dem Störungsbereich; und
4 ein Ausführungsbeispiel eines schematischen
Zustandsdiagramms der Signale in des in 2 dargestellten
Regelkreises.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Ermittlung der Distanz
d bzw. des Füllstands l anhand der Laufzeit t von hochfrequenten Messsignalen
SHF aufgezeigt. Dazu weist die Vorrichtung 1 vornehmlich eine
mit dem Messumformer 2 verbundene Messeinheit 3 auf, mittels der
das hochfrequente Messsignal SHF bzw. Sendesignal STX in einen
das Füllgut 5 umfassenden Prozessraum 6 des Behälters
7 eingekoppelt und ausgesendet wird. Die Messeinheit 3 ist durch
eine Öffnung, z.B. einen Stutzen, in den Prozessraum 6 des Behälters
7 eingeführt. Die Messeinheit 3 bzw. das Wandlerelement kann,
wie in 1 dargestellt, als eine Antenne 3a
und insbesondere als eine Hornantenne, eine Stabantenne, eine Parabolantenne oder
auch eine Planarantenne, ausgestaltet sein, die das Sendesignal STX in
den Prozessraum 6 des Behälters 7 frei abstrahlt. Anstelle
von in den Prozessraum 6 frei abstrahlenden Antennen 3a kann als
Messeinheit 3, wie in der 2 dargestellt, auch
ein Oberflächenwellenleiter 3b in der Vorrichtung 1 zur Füllstandsmessung
verwendet werden, der das hochfrequente Messsignal SHF aufgrund des Skin-Effekts
an dessen Oberfläche entlang führt.
In dem Messumformer 2 der Vorrichtung 1 werden die
Sendesignale STX in einer Sende-/Empfangseinheit 17 erzeugt
und an die aussendende Messeinheit 2 übermittelt. Ausgesandte Sendesignale
STX, die beispielsweise wieder an der Oberfläche 4 des
Füllguts 5 reflektiert worden sind, werden von Messeinheit
2 empfangen und zurück an die Sende-/Empfangseinheit 17 geleitet,
in der die empfangenen Reflexionssignale SRX vorverarbeitet werden. Die
hochfrequenten Messsignale SHF, bestehend aus Sendesignalen STX
und aus Reflexionssignalen SRX, werden beispielsweise in der Sende-/Empfangseinheit
17 über ein Abtastverfahren bzw. eine sequentielle Abtastung mit zwei
in der Frequenz leicht versetzten Hochfrequenzimpulsfolgen in ein
zeitgedehntes, niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignal SZF umgewandelt.
Das auf diese Weise herunter gemischte Zwischenfrequenzsignal SZF kann
anschließend im niederfrequenten Bereich von einer Regel-/Auswerteeinheit
15 ausgewertet werden und die Laufzeit t bzw. der Laufweg x des ausgesandten
hochfrequenten Messsignals SHF ermittelt werden.
Dementsprechend wird bei der Methode der geführten Mikrowelle,
der Zeitbereichsreflektometrie bzw. der TDR-Messmethode (Time Domain Reflection)
ein Sendesignal STX beispielsweise entlang eines Sommerfeldschen oder
Goubauschen Oberflächenwellenleiters 3b oder Koaxialwellenleiters
ausgesendet, welches bei einer Diskontinuität des DK-Wertes (Dielektrizitätskonstanten)
des den Oberflächenwellenleiter 3b umgebenden Füllguts
5 zurückreflektiert wird. Durch die vom Füllgut 5 verursachten
Impedanzsprünge innerhalb des Prozessraums 6 des Behälters
7, insbesondere an der Grenzschicht 4 zwischen Freiraum und Füllgut
5 im Behälter 7, wird das Sendesignal STX zumindest
teilweise zurück reflektiert. Aufgrund dessen ein entsprechendes, meist schwächeres
Reflexionssignal SRX in entgegengesetzter Richtung an dem Oberflächenwellenleiter
3b zur Sende-/Empfangseinheit 17 zurück läuft.
Die von der Antenne 3a frei abgestrahlten und die an dem
verlustfreien Oberflächenwellenleiter 3b geführten hochfrequenten
Messsignale SHF breiten sich im freien Prozessraum 6 des Behälters
7 in Luft- oder Schutzgas-Atmosphäre näherungsweise mit Lichtgeschwindigkeit
c0 aus. Diese Sendesignale STX werden an im Abstrahlungskegel
der Antenne 3a oder in der Nähe des Oberflächenwellenleiters
3b befindlichen Oberflächen 4 von Medien mit einem höheren
DK-Wert, beispielsweise dem Füllgut 4, als dem der Luft oder des Schutzgases
teilweise oder vollständig zurückreflektiert. Über die gemessene
Laufzeit t des ausgesendeten Sendesignals STX zum reflektierten Reflexionssignal
SRX wird durch eine Umrechnung über die Formel der Wellengeschwindigkeit
die zurückgelegte Laufstrecke x bzw. Distanz d ermittelt. Diese Differenzstrecke
bzw. diese Distanz d entspricht der Höhe h des Behälters 7 minus
dem Füllstand l des Füllguts 5 im Behälter 7. Da
die Höhe h des Behälters 7 bzw. die Position der Einkopplung
des Sendesignals STX bekannt ist, lässt sich somit der Füllstand
l und gegebenenfalls sogar das Volumen, bzw. bei Kenntnis der Dichte des Füllguts
5, die Masse des Füllguts 5 im Behälter 7 ermitteln.
Die Kommunikations-/Versorgungseinheit 14 hat die Aufgabe
die Kommunikation mit einer beispielsweise entfernten Leitstelle oder einem anderen
Messgerät bzw. Feldgerät über einen Feldbus 9 zu regeln
und die Messwerte, z.B. den Füllstand l, oder Konfigurationsdaten der Vorrichtung
1 zu empfangen und zu versenden. Der Feldbus 9 arbeitet nach den
üblichen Kommunikationsstandards, wie z.B. Foundation Fieldbus oder Profibus-PA,
und ist beispielsweise in einer in der Prozessmesstechnik üblichen Zweileitertechnik
ausgestaltet. Die Versorgung der Vorrichtung 1 mit Energie kann zusätzlich
zur Energieversorgung der Vorrichtung 1 über den Feldbus
9 nach dem Zweileiter-Standard mittels einer separaten Energieversorgungsleitung
8 erfolgen. Die Kommunikations-/Versorgungseinheit 14 kann als
ein integraler Teil der Regel-/Auswerteeinheit 15 ausgestaltet sein.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel
eines Blockschaltbildes der Vorrichtung 1 gezeigt, das den Messumformer
2 der Vorrichtung zur Erzeugung der Zwischenfrequenz SZF mit
einer Sende-/Empfangseinheit 17 und Regel-/Auswerteeinheit 15
zeigt. Die Sende-/Empfangseinheit 17 kann grundlegend in einen HF-Schaltungsteil
21 mit Sendeimpulsgenerator 18, Abtastschaltung 19, und
Sende-/Empfangsweiche 23, in dem grundsätzlich HF-Signale erzeugt
und verarbeitet werden, und einen NF-Schaltungsteil 20 mit Sendetaktoszillator
13, Abtasttaktoszillator 12, Frequenzumsetzer 11, in
dem grundsätzlich NF-Signale erzeugt und verarbeitet werden, eingeteilt werden.
Die einzelnen Schaltungselemente im HF-Schaltungsteil 21 sind erfahrungsgemäß
in analoger Schaltungstechnik aufgebaut, d.h. es werden analoge Messsignale erzeugt
und verarbeitet. Dahingegen können die einzelnen Schaltungselemente im NF-Schaltungsteil
20 entweder auf der Basis von digitaler Schaltungstechnik und/oder analoger
Schaltungstechnik aufgebaut sein. Unter dem Gesichtspunkt des rasanten Fortschritts
der digitalen Signalverarbeitung ist es auch denkbar, den HF-Schaltungsteil
21 mit digitalen Schaltungselementen auszuführen. Es sind auch die
verschiedensten Variationen der einzelnen Schaltungselemente in digitaler und analoger
Schaltungstechnik denkbar, die hier nicht explizit ausgeführt werden. Deshalb
ist die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform aus 2
nur als ein Beispiel aus vielen möglichen Ausführungsmöglichkeiten
anzusehen. Die Kommunikations-/Versorgungseinheit 14 wurde aus Gründen
der Reduktion der Darstellung auf das Wesentliche nicht in 2
nochmals explizit dargestellt.
Bei der Laufzeitmessung von gepulsten hochfrequenten Messsignalen
SHF wird die an die Messeinheit 3 angekoppelte Sende-/Empfangseinheit
17 dazu eingesetzt, zueinander kohärente Wellenpakete von vorgebbarer
Pulsform und Pulsweite, so genannte Bursts bzw. kurze Wellenpakete, zu erzeugen
und zu verarbeiten. Die Pulsform eines einzelnen Bursts bzw. eines einzelnen kurzen
Wellenpakets entspricht üblicherweise nadelförmigen oder sinusoiden, halbwellenförmigen
Impulsen von vorgebbarer Pulsweite. Es können aber auch, falls erforderlich,
andere geeignete Pulsformen für diese Bursts verwendet werden.
Die Sende-/Empfangseinheit 17 umfasst hierzu einen von dem Sendetaktoszillator
13 getriggerten Sendeimpulsgenerator 18 zum Erzeugen einer als
ein Sendesignal STX dienenden ersten Burstfolge. Die Impulse des Sendesignals
STX sind mit einer Hochfrequenz fHF des Sendeimpulsgenerators
18 geträgert, die in etwa im Bereich zwischen 0.5 und 78 GHz liegt,
und überdies mit einer Pulsrepetierfrequenz fPRF bzw. Schussrate
getriggert, die auf einen Frequenzbereich von einigen Megahertz, insbesondere einen
Frequenzbereich von 1 MHz bis 10 MHz eingestellt ist. Diese Pulsrepetierfrequenz
fPRF zum Ansteuern des Sendeimpulsgenerators 18 wird von einem
Sendetaktoszillator 13 erzeugt. Die Hochfrequenz fHF und/oder
Pulsrepetierfrequenz fPRF können aber auch, falls erforderlich,
außerhalb der jeweils angegebenen Frequenzbereiche liegen.
Das an dem Signalausgang des Sendeimpulsgenerators 14 anliegende
Sendesignal STX wird mittels einer Sende-/Empfangsweiche 23,
insbesondere mittels eines Richtkopplers oder eines Hybrid-Kopplers, der Sende-/Empfangseinheit
17 in das an einem ersten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche
23 angeschlossene Messeinheit 3, z.B. Antenne 3a oder
Oberflächenwellenleiter 3b, eingekoppelt. Praktisch gleichzeitig liegt
das Sendesignal STX außerdem an dem zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche
23 an. Die in der oben beschriebenen Art und Weise im Messvolumen
6 des Behälters 5 erzeugten Reflexionsmesssignale SRX
werden, wie bereits erwähnt, von der Vorrichtung 1 mittels der Messeinheit
3 wieder empfangen und am zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche
23 ausgekoppelt. Dementsprechend kann am zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche
23 eine mittels des Sendesignals STX und des Reflexionsmesssignals
SRX gebildete Gesamtmesssignal STX+SRX abgegriffen
werden.
Ein direktes Auswerten der am zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche
8 anliegenden hochfrequenten Gesamtmesssignale STX+SRX,
insbesondere ein direktes Messen der Laufzeit t, ist praktisch nicht mehr oder nur
mit einem hohen technischen Aufwand, z.B. durch Einsatz von Hochfrequenzelektronik-Bauteilen,
möglich. Aufgrund dessen umfasst die Sende-/Empfangseinheit 2 ferner
eine Abtastschaltung 19, die das hochfrequent geträgerte Gesamtmesssignal
STX+SRX zeitlich in dergestalt dehnt, dass die Hochfrequenz
fHF und die Pulsrepetierfrequenz fPRF in einen niedrigeren
Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz transformiert werden. Zum zeitlichen
Dehnen des Gesamtmesssignals STX+SRX wird dieses einem mit
dem zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche 23 verbundenen ersten
Signaleingang der Abtastschaltung 19 zugeführt. Gleichzeitig mit dem
Gesamtmesssignal STX+SRX ist an einem zweiten Signaleingang
der Abtastschaltung 19 ein Abtastsignal SSampl des Abtastoszillators
12 angelegt. Eine Abtastfrequenz fSampl bzw. Taktrate, mit der
das Abtastsignal SSampl getaktet ist, ist im Normalfall etwas kleiner
eingestellt als die Pulsrepetierfrequenz fPRF des Sendesignals STX.
Mittels der Abtastschaltung 19 wird das Gesamtmesssignal STX+SRX
auf ein Zwischenfrequenzsignal SZF abgebildet, das um einen Transformationsfaktor
KT gegenüber dem Gesamtmesssignal STX+SRX
zeitlich gedehnt ist. Diese Abtastschaltung 19 tastet aufgrund des Frequenzversatzes
zwischen der Pulsrepetierfrequenz fPRF und der Abtastfrequenz fSampl
das Gesamtmesssignal STX+SRX in jeder Periode bei unterschiedlicher
Phasenlage ab, wodurch ein zeitgedehntes Zwischenfrequenzsignal SZF mit
dem zuvor beschriebenen Transformationsfaktor kT entsteht. Die Abtastschaltung
19 ist beispielsweise als ein HF-Frequenzumsetzer bzw. HF-Mischer mit einem
Abtastimpulsgenerator, der die gleiche Phasenlage und Frequenz der Burstfolge wie
der Sendeimpulsgenerator 18 aufweist, oder ein schneller Abtastschalter
ausgestaltet. Als Abtastschalter können beispielsweise HF-Dioden oder schnelle
Transistoren zum Einsatz kommen.
Der Transformationsfaktor kT, mit dem das Gesamtmesssignal
STX+SRX in ein niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignal SZF
umgewandelt wird, entspricht dabei einem Quotienten der Pulsrepetierfrequenz fPRF
des Sendesignals STX geteilt durch eine Differenz der Pulsrepetierfrequenz
fPRF des Sendesignal STX und der Abtastfrequenz fSampl
des Abtastsignals SSampl.
Eine Zwischenfrequenz fZF des so erzeugten Zwischenfrequenzsignals
SZF liegt bei derartigen Vorrichtungen 1 zur Ermittlung des
Füllstands l üblicherweise in einem Frequenzbereich von 50 bis 200 kHz;
falls erforderlich kann der Frequenzbereich aber auch höher oder niedriger
gewählt werden. Empirisch wird in den Messgeräten der Anmelderin die Zwischenfrequenz
fZF auf ca. 160 kHz eingestellt. Die Abhängigkeit der Zwischenfrequenz
fZF von dem Verhältnis von Abtastfrequenz fSampl und
Pulsrepetierfrequenz fPRF, wie in der zweiten Gleichung (GI. 2) gezeigt,
lässt sich aus der ersten Gleichung (GI. 1) herleiten.
Falls erforderlich, wird das Zwischenfrequenzsignal SZF,
das gegenüber der Gesamtmesssignale STX+SRX um einen
Transformationsfaktor kT zeitgedehnt ist, in geeigneter Weise durch eine
Filter-/Verstärkereinheit 22 als ein gefiltertes Zwischenfrequenzsignal
SgefZF verstärkt und gefiltert, bevor es in der Regel-/Auswerteeinheit
15 oder weiteren Auswertungsschaltungen als Echokurve
oder Hüllkurve ausgewertet wird.
Diese Differenzfrequenz fSweep wird aus zwei Gründen
bestimmt; erstens wird durch diesen Regelkreis 24 die momentane Ansteuerung
und Triggerung des Abtasttaktoszillators 17 und möglicherweise auch
des Sendetaktoszillators 18 durch die Regel-/Auswerteeinheit
15 überprüft und zweitens wird aus dem Quotienten der bekannten
oder gemessenen Pulsrepetierfrequenz fPRF und der Differenzfrequenz fSweep
ein Transformationsfaktor kT in der Regel-/Auswerteeinheit
15 ermittelt. In der Regel-/Auswerteeinheit 15 kann ferner auch
schon die Laufzeit t der Messsignale, sowie der Füllstand l durch Echosignalauswertung
des gefilterten Zwischenfrequenzsignals SZF und durch die Kenntnis des
Transformationsfaktors kT ermittelt werden.
In dieser Ausgestaltung wird in dem NF-Schaltungsteil 20
der Sende-/Empfangseinheit 17 durch das sequentielle Abtasten der Pulsrepetiertrequenz
fPRF mit der Abtastfrequenz fSampl mittels eines Frequenzumsetzers
11 eine Differenzfrequenz fSweep zwischen dem Abtasttaktoszillator
13 und dem Sendetaktoszillator 12 ermittelt. Diese Differenzfrequenz
fSweep bzw. deren Differenzzeit tSweep wird in der Regel-/Auswerteeinheit
15 verarbeitet und gemessen. Die Differenzzeit tSweep entspricht
dem Kehrwert der Differenzfrequenz fSweep. Über einen Rückkoppelzweig
steuert die Regel-/Auswerteeinheit 15 den ansteuerbaren Abtasttaktoszillator
13 entsprechend der ermittelten Differenzfrequenz fSweep oder
der Differenzzeit tSweep wieder an. Durch diesen Aufbau ist ein Regelkreis
24 geschaffen worden, der die Differenzfrequenz fSweep weitgehend
auf dem gewünschten Sollwert der Differenzfrequenz fSweep_setpoint,
z.B. 21,73913 Hz, einstellt. Das Ansteuern des steuerbaren Abtasttaktoszillators
13 und gegebenenfalls des Sendetaktoszillators 12 erfolgt durch
eine Frequenzregeleinheit 10, die bei spannungsgesteuerten Oszillatoren,
z.B. VCO oder Oszillator mit einer parallelen frequenzveränderlicher Kapazitätsdiode,
eine Regelspannung VC als entsprechende Regelgröße c_var ausgibt
oder die bei digital ansteuerbaren Oszillatoren, z.B. NCO, einen digitalen Regelwert
Vdig als Regelgröße c_var ausgibt. Die Frequenzregeleinheit
10 wird mittels einer so genannten Dreipunktregelung durch ein Aufwärts-Regelsignal
RUp und ein Abwärts-Regelsignal RDown von der Regel-/Auswerteeinheit
15 so eingestellt, dass eine am Ausgang der Frequenzregeleinheit
10anliegende Regelgröße c_var den steuerbaren Abtastoszillator
12 entsprechend ansteuert. Die entsprechende Ansteuerung des Abtastoszillators
12 erfolgt in der Art und Weise, dass die Erzeugung des definierten Sollwerts
der Differenzfrequenz fsweep_setpoint zwischen der Pulsrepetierfrequenz
fPRF und der Abtastfrequenz fSample bewirkt wird. Als Regelgröße
c_var kann beispielsweise entweder ein Regelspannung VC oder ein digitaler
Regelwert Vdig verwendet werden. Die Frequenzregeleinheit 10
ist beispielsweise als ein RC-Glied bzw. eine Ladungspumpe ausgestaltet, welche
die Regelspannung VC, die die Abtastfrequenz fSampl des Abtastoszillators
12 regelt, stabilisiert. Mit Aufwärts-Regelsignalen RUp
wird beispielsweise die Ladungsspannung der Ladungspumpe erhöht und mit Abwärts-Regelsignalen
RDown erniedrigt. Die eingestellte Regelgröße c_var bzw. Regelspannung
VC wird über eine Messleitung von der Regel-/Auswerteeinheit
15 ermittelt. Diese Ermittlung ist notwendig, da im Normalfall nur die
Differenzfrequenz fsweep ermittelt wird und zur Bestimmung des Gradienten
die tatsächlich erzeugte Regelgröße c_var bzw. Regelspannung VC
benötigt wird. In der Regel-/Auswerteeinheit 15 ist beispielsweise
ein Mikrocontroller 16 integriert, der die Regelung steuert und den Regelalgorithmus
ausführt.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel
der Regelkennlinie con_char der Differenzzeit tsweep mit den sicheren
Regelbereich E und kritischen Regelbereichen A, B, C, F, sowie dem Störungsbereich
D dargestellt. Auf der Ordinate des Koordinatensystems ist die Differenzzeit tSweep
und auf der Abszisse des Koordinatensystems ist die Regelspannung VC
als Regelgröße c_var angezeigt. Als Regelgröße c_var ist in
diesem Beispiel eine analoge Regelspannung VC angezeigt worden; dessen
ungeachtet ist auch jede andere Regelgröße c_var wie beispielsweise ein
digitaler Regelwert Vdig oder eine mechanische Regelgröße anwendbar.
Die Regelkennlinie con_char der Differenzzeit tsweep ist in
3 komplett dargestellt, jedoch ist es auch möglich,
dass nur abschnittsweise einzelne Eigenschaften, wie z.B. Grenzwertüberschreitung
und/oder der Gradient grad der Regelkennlinie con_char bei einer aktuellen Regelspannung
Vact, ermittelt werden. Die Regelkennlinie con_char der Differenzzeit
tsweep bzw. die abschnittsweise bestimmte Eigenschaften können beispielsweise
dadurch erzeugt werden, dass an dem Abtastoszillator 12 aus 2
die Regelspannung VC bzw. Regelgröße c_var stetig verändert
wird und entsprechende Werte der Differenzzeit tsweep bzw. Differenzfrequenz
fSweep von der Regel-/Auswerteeinheit 15 bestimmt und abgespeichert
werden. Aus der Ermittlung dieser Werte kann auf die Lage des aktuellen Arbeitspunktes
OP in den entsprechenden Regelbereichen A, B, C, D, E, F zurück geschlossen
werden. Liegt der Arbeitspunkt OP in einem kritischen Regelbereich A, B, C, F oder
einem Störungsbereich D, so wird der Regelalgorithmus unterbrochen und eine
erneute Einregelung in einem sicheren Regelbereich E gestartet. Die Initiierung
der Regelung in einem sicheren Regelbereich E erfolgt beispielsweise dadurch, dass
die Regelspannung VC auf einen Minimalwert der Regelspannung Vmin
gebracht wird und folglich stetig erhöht wird, bis ein Sollwert des Arbeitspunktes
OP_setpoint bzw. ein Sollwert der Differenzzeit tSweep_setpoint durch
die Regel-/Auswerteeinheit 15 ermittelt wird. Ein Arbeitspunkt
OP kann nicht in den kritischen Regelbereichen A, B liegen, da die Regelspannung
VC sich erfindungsgemäß nur zwischen einem Minimalwert der
Regelspannung Vmin und einem Maximalwert der Regelspannung Vmax
einstellen lässt. Diese Begrenzungswerte der Regelspannung VC wurden
deshalb erzeugt, da diese Differenzzeit tSweep unterhalb eines minimalen
Grenzwerts der Differenzzeit tSweep_min, z.B. unter 1 ms (Millisekunde),
liegen und hier Arbeitspunkte OP und Gradienten grad nicht exakt ermittelt werden
können.
Die Lage des Sollwerts des Arbeitspunktes OP_setpoint ist so gewählt,
dass ein Einregeln der Differenzzeit tSweep bzw. Differenzfrequenz fSweep
durch eine entsprechende Regelspannung VC leicht möglich ist. Ist
hingegen die Lage des Sollwerts der Differenzzeit tSweep_setpoint bzw.
des Sollwerts der Differenzfrequenz tSweep_setpoint so gewählt,
dass eine geringfügige Änderung der Regelspannung VC eine große
Änderung der Differenzzeit tSweep bzw. Differenzfrequenz fSweep
verursacht, indem der Arbeitspunkt OP an einer Stelle der Regelkennlinie con_char
liegt, an der der Gradient grad sehr groß ist, so ist eine exakte Einregelung
auf den Sollwert des Arbeitspunktes OP_setpoint nur erschwert möglich ist.
Aufgrund des Gradienten grad wird bestimmt mit welcher Genauigkeit die Regelspannung
VC verändert werden muss, damit eine bestimmte Änderung der
Differenzzeit tSweep bzw. Differenzfrequenz fSweep erreicht
werden kann. Demzufolge wird bei Ermittlung eines großen Gradienten grad die
Regelspannung VC mit einer höheren Genauigkeit durch einen exakteren,
langsameren Regelalgorithmus, der nur kleine Änderungen der Spannung vornimmt
verändert. Ist hingegen der Gradient grad klein, wird die Regelspannung VC
in größeren Änderungsschritten verändert, da sich hier eine
Änderung der Differenzzeit tSweep nicht so stark auswirkt.
Die Regelkennlinie con_char bzw. die Regelcharakteristik der Differenzzeit
tSweep weist bei einer bestimmten Polstellen-Regelspannung VPol
eine Polstelle auf. An dieser Polstelle der Regelkennlinie con_char sind die Abtastfrequenz
fSample des angesteuerten Abtastoszillators 12 und die Pulsrepetiertrequenz
fPRF des Pulsrepetieroszillators 13 exakt gleich. Aufgrund der
Polstelle der Regelkennlinie con_char der Differenzzeit tSweep ist es
möglich, die selbe Differenzzeit tSweep mittels einer ersten Regelspannung
VC1 im sicheren Regelbereich E und mittels einer zweiten Regelspannung
VC2 im kritischen Regelbereich F zu erzeugen. Die erste Regelspannung
VC1 im sicheren Regelbereich E ist hierbei entsprechend kleiner als die
Polstellen-Regelspannung VPol und die zweite Regelspannung VC2
im kritischen Regelbereich F ist entsprechend größer als die Polstellen-Regelspannung
VPol ausgelegt. Oberhalb eines maximalen Grenzwerts der Differenzzeit
tSweep_max, der über dem Sollwert der Differenzzeit tSweep_setpoint
liegt, wird der Regelalgorithmus unterbrochen und die Regelung der Differenzzeit
tSweep bzw. der entsprechenden Differenzfrequenz fSweep im
sicheren Regelbereich E wieder erneut gestartet. Durch die Bildung dieses maximalen
Grenzwerts der Differenzzeit tSweep_max ist eine schnelle Regelung der
Differenzzeit tSweep auf einen Sollwert der Differenzzeit tSweep_setpoint
erst möglich. Die Regelung in dem kritischen Regelbereich C um die Polstelle,
in der die Differenzzeit tSweep hohe, unzweckmäßige Werte annimmt
und dadurch lange Mess- und Regelzeiten verursacht, wird folglich verhindert. Der
konträre Fall, dass die Regelkennlinie con_char bzw. die Regelcharakteristik
der Differenzfrequenz fSweep – gewissermaßen der Kehrwert
der Differenzzeit tSweep – eine Nullstelle mit einem Umkehrpunkt
aufweist, ist aufgrund der Analogie zu obigen Ausführungen in 2
nicht explizit ausgeführt worden.
In 4 ist ein Zustandsdiagramm der Signale
des Regelkreises 24 aus 2 aufgezeigt. Das
Zustandsdiagramm besteht aus fünf Signalkennlinien, die alle derselben Zeiteinheit
bzw. Zeitskala ts folgen. Die oberste, erste Signalkennlinie der Versorgungsspannung
P zeigt den Zeitpunkt der Initialisierung des Mikrocontrollers Int_&mgr;C bzw.
den Startzeitpunkt der Spannungsversorgung des Mikrocontrollers 16 bzw.
der gesamten Regel-/Auswerteeinheit 15 an. Die dritte und vierte Signalkennlinie
gibt die Regelsignale RC zur Aufwärts-Regelung RUP und
zur Abwärts-Regelung RDown an, die Signale zur Ansteuerung einer
Frequenzregeleinheit 10 aufzeigen. Die fünfte Signalkennlinie stellt
die Regelspannung VC dar, die beispielsweise von der Frequenzregeleinheit
10 ausgegeben wird und einen spannungsgesteuerten Abtasttaktoszillator
12 steuert. Die Rückkopplung des Regelkreises 24 bzw. die
Ansteuerung des Abtasttaktoszillators 12 über eine Frequenzregeleinheit
10 wird durch die Signalkennlinien drei, vier und fünf erreicht. Die
zweite Signalkennlinie des Differenzsignals SSweep mit der variierenden
Differenzzeit tSweep stellt das erzeugte Regelergebnis des Regelkreises
24 dar.
Durch Einschalten der Versorgungsspannung P wird der Mikrocontroller
16 bzw. die Regel-/Auswerteeinheit 15 initialisiert. Dabei kommt
es vor, dass aufgrund zurückliegender Regelprozessphasen und dem Betriebszustand
oder Einschwingverhalten der elektrischen Bauteile in diesem Zustand eine nicht
zuvor definierbare aktuelle Regelspannung Vact am Abtastoszillator
12 anliegt. Aus diesem Grund wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren
zuerst eine Arbeitspunkterkennung OP_ID durchgeführt, die in einem ersten Regelschritt
eine erste Differenzzeit tSweep1 mit der entsprechenden aktuellen Regelspannung
Vact bzw. vierten Regelspannung VC4 ermittelt. Darauf folgend
wird in einem weiteren Regelschritt eine zweite Regelspannung VC2 eingestellt
und eine entsprechende zweite Differenzzeit tSweep2
ermittelt wird. Aus dem Quotienten der Differenz der ersten Differenzzeit
tSweep1 und zweiten Differenzzeit tSweep2 zu der Differenz
der entsprechenden Regelspannungen VC4, VC2 wird ein Gradient
grad bzw. eine Steigung bestimmt. Entsprechendes ist auch mit Erzeugen einer ersten
Regelspannungen VC1 und einer dritten Regelspannung VC3 und
Ermitteln der entsprechenden Differenzzeiten tSweep1, tSweep2
durchführbar. Durch die Ermittlung des Gradienten grad und durch die Ermtittlung
des Überschreitens oder Einhaltens des Grenzwerts der Differenzfrequenz tSweep_setpoint
kann sehr schnell bestimmt werden, ob der Arbeitspunkt OP der Regelung in einem
kritischen Regelbereich A, B, C, F oder in einem sicheren Regelbereich E liegt.
In 4 ist das Beispiel aus 3
aufgegriffen worden, dass die aktuelle Regelspannung Vact bei der Initialisierung
des Mikrocontrollers Init_&mgr;C bzw. der Initialisierung der Regel-/Auswerteeinheit
15 im kritischen Regelbereich F lokalisiert wurde und ein diesem kritischen
Regelbereich F entsprechender Gradient grad existiert. In diesem Fall regelt der
Regelalgorithmus die aktuelle Regelspannung Vact auf einen Minimalwert
der Regelspannung Vmin herunter, wodurch eine erneute Einregelungsphase
im sicheren Regelbereich E gestartet wird. Beim Start dieser Einregelungsphase liegt
eine große Abweichung der aktuellen Differenzzeit tSweep zum Sollwert
der Differenzzeit tSweep_setpoint vor. Weshalb die aktuelle Differenzfrequenz
tSweep durch eine plusweitenmodulierte Regelung C_PWM mit pulsweitenmodulierten
Regelsignalen RPWM, die sowohl als Aufwärts-Regelsignale RUp
als auch Abwärts-Regelsignale RDown ausgestaltet sind, verändert
wird. Die Aufwärts-Regelsignale RUp und Abwärts-Regelsignale
RDown steuern hierbei die Frequenzregeleinheit 10 an, welche
eine entsprechende Regelspannung VC erzeugt. Ein an der Frequenzregeleinheit
10 anliegendes Aufwärts-Regelsignal RUp bewirkt einen Anstieg
der Regelspannung VC am Ausgang der Frequenzregeleinheit 10.
Hingegen bewirkt ein an der Frequenzregeleinheit 10 anliegendes Abwärts-Regelsignal
RDown ein Absinken der Regelspannung VC. Ist die Abweichung
der aktuellen Differenzzeit tSweep zum Sollwert der Differenzzeit tSweep_setpoint
nur noch gering, so wird in eine impulsfolgenmodulierte Regelung C_Toggle mit impulsfolgenmodulierten
Regelsignalen RToggle gewechselt, in der die Frequenzregeleinheit
10 nur noch mit kurzen Impulsfolgen von sehr kurzen Impulsen angesteuert
wird. Durch die kurzen Impulse der impulsfolgenmodulierten Regelsignale RToggle
ist es möglich, dass nur noch eine geringfügige Änderung der Differenzfrequenz
tSweep vorgenommen werden kann. Durch dieses Verfahren, dass bei geringen
Abweichungen der Differenzzeit tSweep von dem Sollwert der Differenzzeit
tSweep_setpoint ein impulsfolgenmoduliertes Regelsignal RToggle
zur Feineinregelung eingesetzt wird, tritt nur ein geringes Einschwingverhalten
der Regelung auf. Ist die Differenzzeit tSweep auf den Sollwert der Differenzzeit
tSweep_setpoint eingeregelt, so ist der Sollwert des Arbeitspunktes OP_setpoint
im sicheren Regelbereich E eingestellt. Durch einzelne kurze Impulse des Abwärts-Regelsignals
RDown und des Aufwärts-Regelsignals RUp kann bei einer
eingeregelten Differenzzeit tSweep auf den Sollwert der Differenzzeit
tSweep_setpoint einer tendenziellen Regelabweichung entgegengewirkt werden.
Hierzu wird beispielsweise die Periode je nach Tendenz der Regelabweichung unterbrochen,
bzw. ein oder mehrer kurze Impulse werden ausgelassen.
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Messumformer
- 3
- Messeinheit
- 3a
- Antenne
- 3b
- Oberflächenwellenleiter
- 4
- Oberfläche, Grenzschicht
- 5
- Füllgut; Medium
- 6
- Prozessraum
- 7
- Behälter
- 8
- Energieversorgungsleitung
- 9
- Feldbus
- 10
- Frequenzregeleinheit
- 11
- Frequenzumsetzer
- 12
- erster Oszillator, Abtasttaktoszillator
- 13
- zweiter Oszillator, Sendetaktoszillator
- 14
- Kommunikations-/Versorgungseinheit
- 15
- Regel-/Auswerteeinheit
- 16
- Mikrocontroller
- 17
- Sende-/Empfangseinheit
- 18
- Sendeimpulsgenerator
- 19
- Abtastschaltung
- 20
- NF-Schaltungsteil
- 21
- HF-Schaltungsteil
- 22
- Verstärker-/Filtereinheit
- 23
- Sende-/Empfangsweiche
- 24
- Regelkreis
- SHF
- hochfrequentes Messsignal
- STX
- Sendesignal
- SRX
- Reflexionssignal
- SZF
- Zwischenfrequenzsignal
- SSweep
- Differenzsignal
- SPRF
- Pulsreptiersignal
- fPRF
- Pulsreptierfrequenz
- SSample
- Abtastsignal
- fSample
- Abtastfrequenz
- fSweep
- Differenzfrequenz
- tSweep
- Differenzzeit
- tSweep1
- erste Differenzzeit
- tSweep2
- zweite Differenzzeit
- fSweep_setpoint
- Sollwert der Differenzfrequenz
- tSweep_setpoint
- Sollwert der Differenzzeit
- tSweep_max
- maximaler Grenzwert der Differenzzeit
- tSweep_min
- minimaler Grenzwert der Differenzzeit
- P
- Versorgungsspannung
- Init_&mgr;C
- Initialisierung des Mikrocontrollers
- C_PWM
- plusweitenmodulierte Regelung
- C_Toggle
- impulsfolgenmodulierte Regelung
- OP
- Arbeitspunkt
- OP_setpoint
- Sollwert des Arbeitspunkt
- OP_ID
- Arbeitspunkterkennung
- RC
- Regelsignale
- RUp
- Aufwärts-Regelsignale
- RDown
- Abwärts-Regelsignale
- RPWM
- pulsweitenmoduliertes Regelsignal
- RToggle
- impulsfolgenmoduliertes Regelsignal
- c_var
- Regelgröße
- c_var1
- erste Regelgröße
- c_var2
- zweite Regelgröße
- grad
- Gradient; Änderungsmaß; Steigung
- VC
- Regelspannung
- VC1
- erste Regelspannung
- VC2
- zweite Regelspannung
- VC3
- dritte Regelspannung
- VC4
- vierte Regelspannung
- Vmax
- Maximalwert der Regelspannung
- Vmin
- Minimalwert der Regelspannung
- Vact
- aktuellen Regelspannung, Istwert der Regelspannung
- Vset
- Sollwert der Regelspannung
- VPol
- Polstellen-Regelspannung
- Vdig
- digitaler Regelwert
- con_char
- Regelkennlinie
- E
- sichere Regelbereiche
- A, B, C, F
- kritische Regelbereiche
- D
- Störungsbereich
- kT
- Transformationsfaktor
- d
- Distanz
- h
- Höhe
- l
- Füllstand
- t
- Laufzeit
- ts
- Zeitskala
- x
- Laufstrecke
|
Anspruch[de] |
Verfahren zur Bestimmung des Füllstands (l) anhand der Laufzeit
(t) eines hochfrequenten Messsignals (SHF), das mittels eines Transformationsverfahrens
mit einem bestimmten Transformationsfaktors (kT) in ein niederfrequenteres
Zwischenfrequenzsignal (SZF) transformiert wird,
– wobei der Transformationsfaktor (kT) aus einer Differenzfrequenz
(fSweep) oder einer Differenzzeit (tSweep) eines Differenzsignals
(SSweep) zwischen einem Pulsrepetiersignal (SPRF) mit einer
Pulsrepetierfrequenz (fPRF) und einem Abtastsignal (SSampl)
mit einer Abtastfrequenz (fSampl) erzeugt und ermittelt wird,
– wobei die Pulsrepetierfrequenz (fPRF) und/oder die Abtastfrequenz
(fSampl) anhand einer Regelung mit einer Regelgröße (c_var)
durch einen entsprechenden Regelalgorithmus so verändert werden/wird, dass
die Differenzfrequenz (fSweep) auf einen Sollwert der Differenzfrequenz
(fSweep_setpoint) oder die Differenzzeit (tSweep) auf einen
Sollwert der Differenzzeit (tSweep_setpoint) geregelt wird,
– wobei zwischen zumindest zwei Werten der Differenzfrequenz (fSweep)
oder zwischen zumindest zwei Werten der Differenzzeit (tSweep) in Abhängigkeit
von der Regelgröße (c_var) ein Gradient (grad) bestimmt wird,
– wobei anhand des Gradienten (grad) und der Differenzfrequenz (fSweep)
oder der Differenzzeit (tSweep) bei eingestellter Regelgröße
(c_var) ein Arbeitspunkt (OP) der Regelung bestimmt wird, und dementsprechend der
Regelalgorithmus angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Polarisation oder das Vorzeichen
der Differenzfrequenz (fSweep) des Differenzsignals (SSweep)
oder der Differenzzeit (tSweep) mittels des Gradienten (grad) ermittelt
wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Regelkennlinie (con_char) des
Differenzsignals (SSweep) aufgenommen wird, indem die Differenzfrequenz
(fSweep) oder die Differenzzeit (tSweep) in Abhängigkeit
von der sich ändernden Regelgröße (c_var) bestimmt und abgespeichert
wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei der Regelalgorithmus den Arbeitspunkt
(OP) in einen definierten sicheren Regelbereich (E) zurücksetzt, indem die
Regelgröße (c_var) auf einen Minimalwert zurückgesetzt wird, wenn
der Arbeitspunktes (OP) in einem kritischen Regelbereich (A; B; C; F) der Regelung
ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Regelalgorithmus den Arbeitspunkt
(OP) auf den Sollwert des Arbeitspunkts (OP_setpoint) einregelt, indem die Regelgröße
(c_var) stetig verändert wird, wenn der Arbeitspunkt (OP) in einem definierten
sicheren Regelbereich (E) der Regelung ermittelt wird
Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei von dem Regelalgorithmus
eine Störung erkannt wird, falls der Arbeitspunkt (OP) permanent im Störungsbereich
(D) oberhalb eines maximalen Grenzwerts der Differenzfrequenz (fSweep)
oder unterhalb eines minimalen Grenzwerts der Differenzzeit (tSweep)
ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 5 oder 6, wobei bei einem definierten
Grenzwert der Regelabweichung der Differenzfrequenz (fSweep) von dem
Sollwert der Differenzfrequenz (fSweep_setpoint) oder der Differenzzeit
(tSweep) von dem Sollwert der Differenzzeit (tSweep_setpoint)
in dem Regelalgorithmus ein Fehlerzähler inkrementiert wird,
wenn dieser Grenzwert überschritten wird, oder dekrementriert wird, wenn dieser
Grenzwert eingehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein maximaler Zählwert des Fehlerzählers
eingestellt wird, bei dem der Fehlerzähler gelöscht wird, der Regelalgorithmus
unterbrochen wird und der Arbeitspunkt (OP) in den definierten sichereren Regelbereichen
(E) der Regelkennlinie (con_char) durch Zurückfahren der Regelgröße
(c_var) auf einen Minimalwert versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, wobei als Regelgröße (c_var)
bis zu einem ersten Toleranzwert eine große Regelabweichung der Differenzfrequenz
(fSweep) von dem Sollwert der Differenzfrequenz (fSweep_setpoint)
oder der Differenzzeit (tSweep) vom Sollwert der Differenzzeit (tSweep_setpoint)
ein pulsweitenmoduliertes Regelsignal (RPWM) von dem Regelalgorithmus
bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 7 oder 9, wobei als Regelgröße
(c_var) bis zu einem zweiten Toleranzwert einer mittleren Regelabweichung der Differenzfrequenz
(fSweep) von dem Sollwert der Differenzfrequenz (fSweep_setpoint)
oder der Differenzzeit (tSweep) vom Sollwert der Differenzzeit (fSweep_setpoint)
ein impulsfolgenmoduliertes Regelsignal (RToggle) von dem Regelalgorithmus
bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 7, 9 oder 10, wobei bis zu einem dritten
Toleranzwert einer tendenziellen Regelabweichung der Differenzfrequenz (fSweep)
von dem Sollwert der Differenzfrequenz (fSweep_setpoint) oder der Differenzzeit
(tSweep) vom Sollwert der Differenzzeit (tSweep_setpoint)
nicht sofort mit einer entsprechenden Regelgröße (c_var) entgegen geregelt
wird, sondern eine Tendenz der Regelabweichungen bestimmt wird und ein tendenzielles
Regelsignal (SDrift), das zu dem impulsfolgenmodulierten Regelsignal
(RToggle) oder zu dem pulsweitenmodulierten Regelsignal (RPWM)
hinzugefügt wird, erzeugt wird.
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Patent Zeichnungen (PDF)
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