Title:
Verfahren zur Bestimmung des Füllstands anhand der Laufzeit eines hochfrequenten Messsignals
Kind Code:
B4


Abstract:

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. embedded image




Inventors:
Michalski, Bernhard (79689, Maulburg, DE)
Buser, Dominik (Möhlin, CH)
Scherr, Stefan (79400, Kandern, DE)
Application Number:
DE102005049500A
Publication Date:
05/03/2007
Filing Date:
10/13/2005
Assignee:
Endress+Hauser SE+Co. KG, 79689 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE10106681A1N/A2003-01-02
DE29815069U1N/A1998-12-24
DE3107444A1N/A1982-10-21



Attorney, Agent or Firm:
Andres, Angelika, Dipl.-Phys., 79418, Schliengen, DE
Claims:
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 (tSweep_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.

Description:

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 Behälterinnem 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 Pulsrepetierfrequenz 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 µs (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 pulsweitenmoduliertes 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 µs (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 µs (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 Homantenne, 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. kT=fPRFfDiff=fPRFfPRFfSamplfHFfZFembedded image

Eine Zwischenfrequenz fZF des so erzeugten Zwischenfrequenzsignals SZF liegt bei derartigen Vorrichtungen 1 zur Ermittlung des Füllstands I 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 (Gl. 2) gezeigt, lässt sich aus der ersten Gleichung (Gl. 1) herleiten. fZF=fHF(1fSamplfPRF)embedded image

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 I 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 Pulsrepetierfrequenz 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 10 anliegende 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 fSweep­_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 Pulsrepetierfrequenz 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_µC 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 Ermittlung 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_µC 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.

Bezugszeichenliste

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 19
Sendeimpulsgenerator 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_µC
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