DE20016962U1 - Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes - Google Patents
Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter zur Erfassung des Grenzstandes eines GutesInfo
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Description
Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter
zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes
Technisches Gebiet:
Die Erfindung betrifft ein Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes, nach dem Prinzip der TDR-Messung.
Stand der Technik:
Zur Bestimmung des Grenz- oder Füllstandes von Medien in einem Behältnis sind Sensoren für die Füllstands- bzw. Grenzstandsmessung auf der Basis der Zeitbereichsreflektometrie (time domain reflectometry, TDR) bekannt. Eine Übersicht gibt US-A-5,609,059. Derartige Sensoren basieren auf der Laufzeitmessung elektromagnetischer Signale, die sich entlang eines offenen Wellenleiters, der in das Medium hineinragt, ausbreiten. Der Wellenleiter ist beispielsweise eine Sommerfeldleitung, eine Goubau-Leitung, ein Koaxialkabel, ein Mikrostreifen oder eine koaxiale oder parallele Anordnung von zwei Leitungen. Das Medium bewirkt an der Grenzfläche zum Außenmedium bzw. auch im Falle von Schichtbildung innerhalb des Mediums aufgrund der sprunghaften Änderung seiner dielektrischen Eigenschaften eine Diskontinuität in den Übertragungseigenschaften des eintauchenden Wellenleiters, so daß sich entlang bzw. innerhalb des Wellenleiters ausbreitende Pulse an diesen Stellen wenigstens teilweise reflektiert werden. Aus dem rückreflektierten Signal kann somit die Distanz bzw. Höhe einer Grenzschicht bestimmt werden, indem der Zeitpunkt des Empfangs des rückreflektierten Pulses mit dem Zeitpunkt des Aussendens verglichen wird.
Im Betrieb eines TDR-Sensors wird mit jeder Periode eines Sende-Triggersignals (Xts), einer gegebenen Pulsrepetierfrequenz, ein Sendepuls erzeugt und ausgesendet; eine typische Pulsrepetierfrequenz liegt zwischen einigen 100 kHz bis zu einigen MHz. Das periodisch rückreflektierte Signal (Xsonde) wird einer Signalabtastschaltung zugeführt, um den zeitlich kurzen Vorgang zeitgedreht darstellbar und auswertbar zu machen. Diese wird mit dem Triggersignal der Abtastfrequenz getriggert , wobei das periodische Signal Xsonde zu den Abtast-Triggerzeitpunkten abgetastet wird. Durch eine zeitproportionale
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Verzögerung des Abtast-Triggersignals gegenüber dem Sende-Triggersignal, beispielsweise durch eine etwas geringere Frequenz des Abtast-Triggersignals gegenüber dem Sende-Triggersignal, oder durch eine Phasenmodulation des Abtast-Triggersignals gegenüber dem Sende-Triggersignal erzeugt die Abtasteinrichtung ein Ausgangssignal, dessen Amplitudenverlauf durch die entsprechenden Augenblickswerte des Sondensignals gegeben ist. Das Ausgangssignal stellt somit ein zeitgedehntes Bild des Sondensignals Xsonde dar. Nach Filterung und Verstärkung bildet dieses Ausgangssignal bzw. ein zeitlicher Ausschnitt desselben das Reflexionsprofil Xvideo, aus welchem die Laufzeit des rückreflektierten Signals und damit der Abstand der Grenzschicht ermittelt werden kann.
Problematisch bei derartigen Sensoren ist die hohe Störempfindlichkeit gegenüber hochfrequenten Störsignalen. Ein Störsignal, welches auf den Wellenleiter einkoppelt, überlagert sich dem rückreflektierten Signal und wird ebenfalls von der breitbandigen Abtastschaltung erfaßt. Ein typisches schmalbandiges Störsignal wird bei Tests zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) durch eine Trägerschwingung mit einer Grundfrequenz von 80 MHz bis 1 GHz mit einer niederfrequenten Amplitudenmodulation (z.B. 1 kHz) nachgebildet. Befindet sich die Trägerfrequenz in der Nähe eines ganzzahligen Vielfachen der Abtastfrequenz, d.h. innerhalb eines sogen. „Frequenzempfangsfensters", so kann diese Störung durch eine Tiefpaßfilterung nach der Abtasteinrichtung nicht unterdrückt werden. Da das Störsignal nach Art einer Bandpaßabtastung mit der Abtastfrequenz abgetastet wird, ist dem Reflexionsprofil gegenüber dem ungestörten Fall eine Schwingung überlagert, welche dessen Auswertung erschwert und u.U. verfälscht.
Aufgrund des Meßprinzips mit einer breitbandigen Empfangsschaltung und einer Sonde, die als Stabantenne wirkt, ist der Einkoppelfaktor von Störungen sehr hoch. Damit ist das Nutzsignal bei einer Störung, die in einem Frequenzempfangsfenster liegt, in der Regel nur sehr schwer auswertbar.
Durch die DE 298 15 069 Ul ist ein TDR-Grenzstandssensor bekannt geworden, welcher aus einem in ein Gut eintauchenden Wellenleiter besteht, an den eine Samplingschaltung angeschlossen ist, welche einen Sendeimpuls-
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generator zur Erzeugung eines gepulsten Hochfrequenzwellensignals, einen Empfänger zum Empfang des Hochfrequenzwellensignals, eine Sende-/Empfangstrennung zum Trennen des gesendeten und empfangenen Hochfrequenzwellensignals, einen Abtaster zum Abtasten des empfangenen Hochfrequenzwellensignals, einen Abtastpulsgenerator zur Steuerung des Abtasters und einen Zwischenspeicher zur temporären Speicherung des empfangenen Hochfrequenzwellensignals aufweist. Die Samplingschaltung besitzt zwei Oszillatoren, von denen wenigstens einer in der Frequenz variierbar ist, deren einer den Sendegenerator und der andere den Abtastpulsgenerator steuert.
Ein Frequenzmischer bildet aus den beiden Frequenzen die Differenz, welche zur Einstellung des Zeitdehnungsfaktors auf einen Sollwert wird. Das reflektierte Signal einer derartige Vorrichtung ist jedoch nur schlecht bzw. schwer auszuwerten, weil sich das Signal und das reflektierte Signal fast überlagern und nur sehr schwer mit einem hohen baulichen Aufwand noch ausreichend zu trennen sind.
Aus der DE-A-1815752 ist eine Abtast- oder Samplingschaltung bekannt, bei der der abzutastende Puls auf eine gesperrte Empfangsdiode gegeben wird, die durch den Abtastpuls öffnet. Des weiteren sind Sampling-Schaltungen auf der Basis von vier Dioden bekannt, die in einer Brückenschaltung miteinander gekoppelt sind.
Technische Aufgabe:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zeitbereichsreflektometer mit erhöhter Störsicherheit zu schaffen, welcher universell und insbesondere auch für Güter mit kleiner Dielektrizitätskonstante DK (DK zwischen 2 bis 5) einsetzbar sein soll und der daneben eine verbesserte Betriebsgenauigkeit aufweist.
Offenbarung der Erfindung sowie deren Vorteile:
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes, mit einer Halterung als Prozeßdurchführung und einer daran angeordneten elektrischen Leitung, welche aus zwei parallel zueinander angeordneten elektrisch leitenden Stäben besteht, die mit einem Ende in der Halterung befestigt sind
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und deren anderes Ende in das zu überwachende Gut eintaucht und auf die gleichzeitig in einer elektrischen Schaltung erzeugte Hochfrequenzpulse als geführte Mikrowelle nach dem Prinzip der TDR-Messung über eine mit den Stäben verbundene, zur Laufzeitverlängerung dienende Koaxialleitung aufgebbar sind, wobei der eine Stab mit der Innenleiter des Koaxialkabels und der andere Stab über den Außenleiter des Koaxialkabels mit Masse der Schaltung verbunden ist und wobei die an der Grenzschicht des Gutes zur Luft reflektierten Signale in die elektrische Schaltung zurückgeleitet und die Bestimmung und Auswertung der Kurvenform des Reflexionssignals zur Bestimmung des Grenzstandes dient.
Zwei unterschiedliche Ausführungen der Prozeßdurchführung sind besonders vorteilhaft. Entweder ist die Prozeßdurchführung eine zylinderförmige Prozeßverschraubung mit einem Metallgewinde, innerhalb derselben sich die Halterung, welche aus einem isolierenden Material ausgeführt sein kann, sowie die Stäbe befinden, wobei der Wellenwiderstand der Koaxialleitung an denjenigen der elektrischen Schaltung angepasst sein kann, jedoch nicht an den Wellenwiderstand der Prozeßverschraubung angepasst ist, so dass zwischen den Wellenwiderständen Sprünge bestehen und dadurch auch an der Prozeßverschraubung eine gewünschte Reflexion entsteht, welche dazu dient, den Beginn des Reflexionssignals eindeutig zu bestimmen. Der Wellenwiderstand der Koaxialleitung und der elektrischen Schaltung kann beispielsweise zwischen 65 &OHgr;-85 &OHgr;, vorzugsweise 75 &OHgr;, liegen.
Oder die Prozeßdurchführung ist eine zylinderförmige Prozeßverschraubung aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Teflon (PTFE) oder PEEK (Polyetheretherketon), welches ein teilkristalliner Thermoplast ist, innerhalb derselben sich die Stäbe befinden. Auch hier ist der Wellenwiderstand der Prozeßverschraubung nicht bzw. nicht genau an den Wellenwiderstand der Laufzeit- bzw. der Koaxialleitung angepasst.
Das Zeitbereichsreflektometer besitzt den Vorteil, dass damit, insbesondere aufgrund von zwei parallel verlaufenden Stäben, eine gute Reflexion der reflektierten Pulse erreicht wird, welche durch die Laufzeitleitung eine ausreichende zeitliche Trennung von den Sendepulsen aufweisen, so dass die
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Reflexionseigenschaften, nämlich die sich ergebenden Kurvenformen der reflektierten Signale, gut ausgewertet werden können. In einer weiteren Ausführungsvariante des Zeitbereichsreflektometers sind die Stäbe mit Teflon oder mit Keramik beschichtet, wobei bei der Verwendung von Teflon die Dicke der Teflonschicht vorzugsweise zwischen 0,1 mm bis 1 mm beträgt.
In einer weiteren Ausgestaltung des Zeitbereichsreflektometers beträgt die aus der Prozeßdurchführung herausragende Länge 1 der Stäbe zwischen 2 cm bis 15 cm, vorzugsweise 5 cm bis 7 cm. Vorzugsweise beträgt die Länge der Koaxialleitung von der elektrischen Schaltung bis zum Anschluss an die in der Halterung sitzenden Enden der Stäbe mindestens 30 cm, vorzugsweise 30 cm bis 60 cm. Die Koaxialleitung dient zur Laufzeitverlängerung der reflektierten Pulse, um die Reflexionsstelle von dem Sendeimpuls zeitlich zu verschieben, was durch eine Nichtanpassurig der Wellenwiderstände von Prozeßverschraubung und Laufzeitleitung noch erhöht wird.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung beträgt der Abstand (d) der Stäbe zwischen 10 mm bis 30 mm, wie auch die Höhe (s) der Prozeßdurchführung zwischen 2 cm und 5 cm betragen kann.
Die vorgenannte Aufgabe wird ebenso durch ein Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter zur Erfassung des Grenz- bzw. Füllstandes eines Gutes gelöst, mit einer elektrisch isolierenden Halterung und einer daran angeordneten elektrischen Leitung, welche aus einem elektrisch leitenden Stab besteht, der mit einem Ende in der Halterung befestigt ist und dessen anderes Ende in das zu überwachende Gut eintaucht, wobei der Stab von einem Becher umgeben ist und auf den Stab gleichzeitig in einer elektrischen Schaltung erzeugte Hochfrequenzpulse als geführte Mikrowelie nach dem Prinzip der TDR-Messung über eine mit der Leitung verbundene, zur Laufzeitverlängerung dienende Koaxialleitung aufgebbar sind, wobei der Stab mit dem Innenleiter des Koaxialkabels und der Becher über den Außenleiter des Koaxialkabels mit Masse der Schaltung verbunden ist und wobei die an der Grenzschicht des Gutes zur Luft reflektierten Signale in die elektrische Schaltung zurückgeleitet und die Bestimmung und Auswertung der Kurvenform des Reflexionssignals zur Bestimmung des Grenzstandes dient.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:
Figur la + b eine Ansicht und eine Draufsicht auf eine zylinderförmige
Prozeßverschraubung aus Teflon (PTFE)
Figur 2 ein Blockschaltbild einer Meßeinrichtung mit daran ange-
ordneter Prozeßverschraubung gemäß Figur 1 und
Figur 3 eine zylinderförmige Prozeßverschraubung mit Metallgewinde.
Eine Prozeßverschraubung gemäß der Figur 1 besteht zum Beispiel aus einem Zylinder 1 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Teflon, der auf seinem Außenmantel ein Gewinde 2 aufweist und der eine Höhe s von ungefähr 4 cm besitzt. Innerhalb des Zylinders 1 sind symmetrisch zwei metallische Stäbe 3, 4 angeordnet, welche den Teflon-Zylinder 1 durchragen. Die Stäbe 3, 4 weisen eine freie Stablänge zwischen 2 bis 15 cm auf, vorzugsweise von 5 bis 7 cm. An den oberen Enden der Stäbe 3, 4 sind die zwei Leitungen 6, 7 eines Koaxialkabels 5, welches eine Laufzeitleitung darstellt, angeschlossen.
In Figur 3 ist eine weitere zylinderförmige metallische Prozeßverschraubung 11 mit einem Außengewinde 12 dargestellt, wobei innerhalb der Prozeßverschraubung sich eine isolierende Halterung 15 als Kern befindet, in welcher zwei parallel zueinander verlaufende metallische Stäbe 13, 14 angeordnet sind, die die Prozeßverschraubung nach oben durchragen.
Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Meßschaltung, bestehend aus einer zylinderförmigen Prozeßverschraubung 1 aus Teflon gemäß Figur 1, wobei an die aus dem Zylinder 1 ragenden hinteren Enden das Koaxialkabel 5 angeschlossen ist. Das Koaxialkabel 5 endet in einer TDR-Schaltung 8.
Im Betrieb des TDR-Sensors bzw. der TDR-Sensorelektronik 8 wird mit jeder Periode eines Sende-Triggersignals Xts, welches die Pulsrepetierfrequenz fPRF aufweist, ein Sendepuls Xs erzeugt und ausgesendet; eine typische Pulsrepetierfrequenz liegt zwischen einigen 100 kHz bis zu einigen MHz. Das periodisch rückreflektierte Signal Xsonde wird einer Signalabtastschaltung zugeführt, um den zeitlich kurzen Vorgang zeitgedeht darstellbar und auswertbar zu machen. Diese wird mit dem Triggersignal Xta der Abtastfrequenz fA getriggert , wobei
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das periodische Signal Xsonde zu den Abtast-Triggerzeitpunkten abgetastet wird. Durch eine zeitproportionale Verzögerung des Abtast-Triggersignals gegenüber dem Sende-Triggersignal, beispielsweise durch eine etwas geringere Frequenz des Abtast-Triggersignals gegenüber dem Sende-Triggersignal, oder durch eine Phasenmodulation des Abtast-Triggersignals gegenüber dem Sende-Triggersignal erzeugt die Abtasteinrichtung ein Ausgangssignal, dessen Amplitudenverlauf durch die entsprechenden Augenblickswerte des Sondensignals gegeben ist. Das Ausgangssignal stellt somit ein zeitgedehntes Bild des Sondensignals Xsonde dar. Nach Filterung und Verstärkung bildet dieses Ausgangssignal bzw. ein zeitlicher Ausschnitt desselben das Reflexionsprofil Xvideo, aus welchem die Laufzeit des rückreflektierten Signals und damit der Abstand der Grenzschicht ermittelt werden kann.
An die TDR-Schaltung 8 ist über eine NAMUR-Schnittstelle 9 - oder an deren Stelle eine RS 232-Schnittstelle - ein PC 10 mit einem Mikroprozessor angeschlossen.
Die Messkurven der Reflexionssignale werden softwaremäßig ausgewertet und Maxima und/oder Minima und/oder Wendepunkte bestimmt. Aus diesen charakteristischen Kurvenpunkten ergibt sich, dass sich das reflektierte Signal bei unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten DK ändert. Zum Beispiel haben die folgenden Stoffe unterschiedliche Reflexionskurven aufgrund unterschiedlicher DK-Werte: Wasser 80, Honig 19-30, Salz 3,3, Pflanzenöl 2-3, Zucker 2,3 und Motorenöl 2 bis 6. Diese Unterschiede in der Lage von charakteristischen Kurvenpunkten der Kurven der unterschiedlichen Reflexionssignale sind auswertbar, beispielsweise softwaremäßig.
Unter der Leerlaufmessung wird derjenige reflektierte Puls aus dem Sendeimpuls verstanden, welcher bei Leerlauf an den Stabenden reflektiert wird, das heißt, ohne dass die Stabenden mit dem Gut in Berührung stehen. Bei Grenzstand hängt die Stärke der Reflexion vom DK-Wert ab, was bei hohen DK-Werten dazu führt, dass der größte Teil am Übergang von Luft zum Medium reflektiert wird und die in das Gut eintauchenden Stabenden kaum noch Auswirkungen auf den Signalverlauf haben. In beispielsweise einer Vier-Dioden-Sampling-Schaltung der TDR-Schaltung 8 wird der Sende- und
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Reflexionspuls abgetastet und zeitgedehnt, damit das Signal im Mikrokontroller 10 einfacher ausgewertet werden kann.
Der Kurvenverlauf, der im Prinzip immer ähnlich ist, unterscheidet sich jedoch signifikant bezüglich des DK-Wertes des zu messenden Gutes. Den Kurven verlaufen ist zu entnehmen, dass je höher der DK-Wert eines Gutes liegt, desto höher ist die kurvenmäßige Überhöhung zwischen Sendepuls und Reflexionspuls.
Schwierigkeiten können sich nur bei niedrigen DK-Werten von Gütern ergeben, wenn diese unter dem Wert von DK = 3 liegen, jedoch lassen sich Güter mit einem kleinen DK-Wert in der Größenordnung von 3 noch genau diskriminieren. Diese Tatsache ist im Kern auf die Verwendung von zwei parallel zueinander verlaufenden Stäben zurückzuführen, wobei bei der Verwendung einer Prozeßverschraubung aus Teflon sowohl Güter mit hohem DK-Wert als auch Güter mit niedrigerem DK-Wert gut ausgewertet werden können. Dabei zeigt sich, dass Stäbe mit einer freien Länge zwischen 5 bis 7 cm die besten Ergebnisse liefern.
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Claims (9)
1. Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes, mit einer Halterung (1) als Prozeßdurchführung und einer daran angeordneten elektrischen Leitung, welche aus zwei parallel zueinander angeordneten elektrisch leitenden Stäben (3, 4, 13, 14) besteht, die mit einem Ende in der Halterung (1) befestigt sind und deren anderes Ende in das zu überwachende Gut eintaucht und auf die gleichzeitig in einer elektrischen Schaltung (8) erzeugte Hochfrequenzpulse als geführte Mikrowelle nach dem Prinzip der TDR-Messung über eine mit den Stäben verbundene, zur Laufzeitverlängerung dienende Koaxialleitung (5) aufgebbar sind, wobei der eine Stab (3, 4, 13, 14) mit der Innenleiter des Koaxialkabels (5) und der andere Stab über den Außenleiter des Koaxialkabels (5) mit Masse der Schaltung (8) verbunden ist und wobei die an der Grenzschicht des Gutes zur Luft reflektierten Signale in die elektrische Schaltung zurückgeleitet und die Bestimmung und Auswertung der Kurvenform des Reflexionssignals zur Bestimmung des Grenzstandes dient.
2. Zeitbereichsreflektometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozeßdurchführung eine zylinderförmige Prozeßverschraubung (11) mit einem Metallgewinde (12) ist, innerhalb derselben sich die isolierende Halterung (15) sowie die Stäbe (13, 14) befinden, wobei der Wellenwiderstand der Koaxialleitung (5) an denjenigen der Prozeßverschraubung (1, 11) unangepasst gewählt ist.
3. Zeitbereichsreflektometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozeßdurchführung eine zylinderförmige Prozeßverschraubung (1) aus elektrisch isolierendem Material, wie Teflon (PTFE) oder PEEK, ist, innerhalb derselben sich die Stäbe (13, 4) befinden, wobei der Wellenwiderstand der Koaxialleitung (5) an denjenigen der Prozeßverschraubung (1) unangepasst ist.
4. Zeitbereichsreflektometer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (3, 4, 13, 14) mit einer Beschichtung, wie Teflon, Keramik oder PEEK, beschichtet sind, wobei bei der Verwendung von Teflon oder PEEK die Dicke der Beschichtung vorzugsweise zwischen 0,1 mm bis 1 mm beträgt.
5. Zeitbereichsreflektometer nach einem der vorherigen Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Prozeßdurchführung (1, 11) herausragende Länge (1) der Stäbe zwischen 2 cm bis 15 cm, vorzugsweise 5 cm bis 7 cm, beträgt.
6. Zeitbereichsreflektometer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Laufzeitleitung (5) zur Trennung des Sendeimpulses vom Reflexionsimpuls von der elektrischen Schaltung (8) bis zum Anschluss an die in der Halterung sitzenden Enden der Stäbe (3, 4, 13, 14) mindestens 30 cm, vorzugsweise 30 cm bis 60 cm, beträgt.
7. Zeitbereichsreflektometer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) der Stäbe (3, 4, 13, 14) bei spezifisch gewählten Reflexionseigenschaften und Wellenwiderständen zwischen 10 mm bis 30 mm beträgt.
8. Zeitbereichsreflektometer nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (s) der Prozeßdurchführung (1, 11) zwischen 2 cm und 5 cm beträgt.
9. Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes, mit einer Halterung und einer daran angeordneten elektrischen Leitung, welche aus einem elektrisch leitenden Stab besteht, der mit einem Ende in der Halterung befestigt ist und dessen anderes Ende in das zu überwachende Gut eintaucht, wobei der Stab von einem Becher umgeben ist und auf den Stab gleichzeitig in einer elektrischen Schaltung erzeugte Hochfrequenzpulse als geführte Mikrowelle nach dem Prinzip der TDR-Messung über eine mit der Leitung verbundene, zur Laufzeitverlängerung dienende Koaxialleitung aufgebbar sind, wobei der Stab (3, 4, 13, 14) mit dem Innenleiter des Koaxialkabels (5) und der Becher über den Außenleiter des Koaxialkabels (5) mit Masse der Schaltung (8) verbunden ist und die an der Grenzschicht des Gutes zur Luft reflektierten Signale in die elektrische Schaltung zurückgeleitet und die Bestimmung und Auswertung der Kurvenform des Reflexionssignals zur Bestimmung des Grenzstandes dient.
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