JPH05505470A - 工業用タンク等の充てんレベル測定装置のための電気回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、工業用タンク等の充てんレベル測定装置のための電気回路であって、 該電気回路はマイクロ波用の送信部および受信部を備えており、さらに窓とアン テナを有する導波管を備えており、流体表面から反射された信号および送信信号 が混合段へ導びかれるよに、該混合段の低周波の出力信号がＡ／Ｄ変換器を介し て、充てんレベル値を算出するマイクロプロセッサへ加えられる形式の電気回路 に関する。

マイクロ波領域における信号を送信し、この信号がタンク中に存在する媒体の表 面で反射されさらに受信器により受信される形式の、マイクロ波で作動される充 てんレベル測定装置は公知である。この信号から充てんレベル測定装置と媒体の 表面との間の距離が電子回路装置を用いてめられる。この回路装置には、マイク ロプロセッサと評価用の電子計算器も配属されている。この種のマイクロ波充て んレベル測定装置で工業用タンクのようなタンクに対して使用するためには、タ ンク室を電子送信部および受信部と分離する必要がある。何故ならばタンク中に は、高いまたは低い作動温度の下で、タンクが爆発性のおよび／または浸食性の および／または有毒性の媒体を含む時は、負圧または過圧が存在するからである 。前記の使用の目的で、タンクの屋根を貫通して突出する導波管の中に石英ガラ ス等から成る円筒状の導波管窓が設けられている。この窓は、マイクロ波の透過 に有利な低い誘電子損失を有する。この種の充てんレベル測定装置は、電圧で制 御される発振器を用いて、その周波数が連続的に変化する送信信号を発生する。

この信号は、結合器−を用いてマイクロ波を発生し、このマイクロ波は、窓の設 けられている導波管とアンテナを介して、流体表面へ方向づけられる。流体表面 から反射された電磁波はアンテナにより受信されさらに本体により電気的な周波 信号へ変換される。この信号は混合器へ導びかれる。充てんレベルに依存する、 タンク中のマイクロ波の走行時間により、受信信号は送信信号に対して周波数偏 差を生ぜさせられる。この周波数偏差は充てんレベル高さに正比例する。信号− および受信信号は混合段を用いて低周波の信号に変換されディジタル化されてマ イクロプロセッサにおいて処理される。しかし欠点は、導波管中に設けられてい る光学的窓はマイクロ波の反射により障害信号−その振幅は有効信号の振幅より も著しく高い−を生ぜさせることである。実際に混合段の出力信号は、マイクロ 波信号の生じ得るモード変化によりおよび／または光学的窓の複数回の反射によ り、流体表面から反射された有効信号のエネルギー密度成分よりも著しく高くな り得るエネルギー密度成分を含む。種々異なる充てんレベル高さの場合に現われ るエネルギー密度スペクトルのスペクトル線は、低い周波数の場合は光学的窓の 反射に起因する著しく高い値を生ぜさせるが、しかし高い周波数の場合はより大 きい測定区間のためより低い値を生ぜさせる。例えば光学的窓の汚れの場合に生 ずる低周波の高いエネルギー成分は、低い充てんレベルの場合も存在する。

エネルギー密度の、低周波の値と高周波の値との間の変動は、４０倍から５０倍 にもなり、さらに工業用タンクの場合はそれ以上にもなる。

ドイツ連邦共和国特許公開公報第３１３４２４３号に、導波管窓のない充てんレ ベル測定装置が示されており、この装置においては混合段とＡ／Ｄ変換器の間に 、不所望の周波を除去するフィルタが設けられている。距離情報は混合周波の内 容であるため、不所望の周波の除去は相応の有効信号も除去してしまいさらにこ の周波数範囲における距離測定が全〈実施できなくなってしまう。

これに対して本発明の課題は、上位概念の形式の回路を、距離情報の検出を損な うことなく障害信号を減衰させるように、構成することである。

この課題は本発明により、混合段とＡ／Ｄ変換器の間に、低周波の障害周波を減 衰させる下側遮断周波数を有する帯域通過フィルタが設けられていることにより 、解決されている。

本発明によれば帯域通過フィルタにより、周波数帯域の次のような低周波範囲だ けが減衰される、即ち一方では光学的窓に起因する障害周波が、他方では比較的 高い充てんレベルの場合に高いエネルギー密度で発生する有効周波が存在する前 記の低周波範囲だけが減衰される。これにより低周波の障害周波が実質的に除去 されて、有効信号は、評価に適するエネルギー密度で通過される。他方、帯域通 過フィルタの基本周波数を上回わる有効信号−これは充てんレベル測定装置と媒 体の表面との間の著しく大きい距離のために著しく小さいエネルギー密度しか有 しない−は減衰されずに通過される。

本発明によれば、相応の固定の遮断周波数を有する帯域通過フィルタを選定でき る。この遮断周波数によって、光学的窓に起因する障害周波数のスペクトルが検 出される。実際の場合は、充てんレベル測定装置の結合器−と流体表面との間の ０．１〜３諷の距離により発生される距離周波数に相応する遮断周波数が適切で あると示されている。下側遮断周波数は有利にマイクロプロセッサによってもま たは計算器によっても制御できる。または帯域通過フィルタは複数個の選択可能 な遮断周波数へ設定可能である。マイクロプロセッサにより周波数分析が実施さ れ、さらに障害周波数の成分に依存して帯域通過フィルタの遮断周波数が設定さ れる。遮断周波数の適合化は充てんレベルに依存させても有利である。高い充て んレベルの場合は周波数偏移が蕃しく小さいため、この測定範囲においてはでき るだけ減衰がないように動作されるべきである。光学的窓に起因する障害周波数 は好適に空のタンクで測定され、マイクロプロセッサにおいて記憶され、さらに 計算器による信号の際に考慮される。

Ａ／Ｄ変換器の過制御を阻止する目的で、好適に帯域通過フィルタにマイクロプ ロセッサにより制御される増幅器段が配属されている。この増幅器段は前記の帯 域通過フィルタの入力側にまたは出力側に配属するかまたはこれと一体化するこ とができる。

本発明の実施例が図面に示されている。箪１図は充てんレベル測定装置の回路装 置である。第２図は送信信号と受信信号との間に現われる周波数偏移のダイヤグ ラム図である。第３図は混合段により形成される低周波信号図である。第４図は Ａ／Ｄ変換器により形成されるエネルギー密度スペクトル図である。

第１図に示されている様にのこぎり波発生器１等を用いて、電圧で制御される発 振器２が制御される。この発生器は、その周波数が連続的に変化する電気信号ｆ ａを発生する。この周波の時間経過が例えば第２図において曲線ｆｓにより示さ れている。送信信号ｆｓは結合器−３により電磁波（マイクロ波）へ変換される 。この電磁波は導波管４を通過し光学的窓５とアンテナ６を介して、工業的タン ク７等の中に存在する流体の表面へ導びかれる。流体表面から反射されたマイク ロ波は、アンテナ６により再び受信されさらに結合器−３により電気信号ｆｒへ 変換される。この電気信号は混合器８へ導びかれる。結合器−３から流体表面へ の往復のマイクロ波走行時間により、流体レベルに依存する、送信信号からの周 波数偏差Δｆが形成される（第２図参照）。この周波数偏差は式（１）で示され る。

この場合、記号【、に、電磁波の走行時間が１次近似で次のように適用される。

ｈ＝結合器−と流体表面との距離、Ｃ＝光速。

式（１）と（２）から次の式が得られる。

この式の示す様に周波数偏差は充てんレベル高さに比例する。

送信信号ｆｓと受信信号ｆｒは混合器８へ導びかれる。

混合器の出力信号は低い周波数の距離信号Δｆを含む。これは第３図に理想的な 信号曲線として示されている。実際はこの出力信号は、タンク内壁、タンク取り 付は体等におけるマイクロ波の反射により生ずる別の周波成分を含む。この種の 障害周波は、測定信号を処理するマイクロプロセッサを用いて、いわゆる学習過 程の範囲内でめて抑圧される。この目的で混合器８の低周波出力信号Δｆは、高 域通過フィルタ９と低域通過フィルタ１０から成る帯域通過フィルタを介してＡ ／Ｄ変換器１２へ導びかれて、離散した個数のサンプリングによりディジタル化 される。相続くディジタル値から、マイクロプロセッサ１３が周波数分析を実施 して離散的なエネルギー密度スペクトルをめる。

出力信号Δｆが理想的に完全な正弦波状の経過を有するならば、エネルギー密度 スペクトルは、第４図に示されている様にわずかな数の周波数直線だけから形成 される。この場合、両側の線は、周波数分析用の信号Δｆの印加の、制限された 時間により発生される。

実際は混合段８の出力信号Δｆは、マイクロ波信号の生じ得るモード変化により 、および／または光学的窓での複数回の反射により、流体表面から反射される有 効信号の成分よりも著しく高くなることのあるエネルギー密度成分を含む。種々 異なる充てんレベル高さにおいて現われる、エネルギー密度スペクトルのスペク トル線は、低い周波数の場合は、光学的窓の反射に起因する著しく高い値を生ぜ させる。しかし一層高い周波数の場合は、より大きい測定区間に起因して、一層 低い値を生ぜさせる。例えば光学的窓が汚れている場合に生ずる高い低周波エネ ルギー成分は、低い充てんレベルの場合も存在する。エネルギー密度の、低い周 波数値と高い周波数値との間の変動は、４０倍〜５０倍の間の値に、さらに工業 的タンク等の場合はそれを越える値になり得る。

発生した障害周波はまず空のタンクの場合においてめられ、 マイクロプロセッサ１３の中に記憶され、さらに計算器による処理の際に考慮さ れる。測定の際に現われる低周波の障害成分を減衰させる目的で、帯域通過フィ ルタが下側の遮断周波数を有する。高域通過フィルタ９と低域通過フィルタ１ｏ の遮断周波数は次のように設計されている。即ち充てん高さが最大の場合に、こ の中を著しく小さい出力信号Δｆがほとんど減衰されずに通過されるようにし、 他方、高域通過フィルタ９の最低遮断周波数は、空のタンクの場合に現われる周 波数偏差により定められるように、設計されている。Ａ／Ｄ変換器１２の最小サ ンプリング周波数は、シャノンの定理により定められる。実際は遮断周波数は次 のように選定できる。即ちこの遮断周波数が、流体表面とアンテナとの間の距離 がｏ、１〜３．０．の値の時の充てんレベル高さにおける低周波の周波数偏差に 相応するように、選定することができる。

種々の作動条件へおよび障害の影響へ適合調整する目的で、高域通過フィルタ９ に複数個の可調整の遮断周波数が配属されている。しかも有利にこの高域通過フ ィルタ９はマイクロプロセッサ１３により制御される、即ち可制御の高域通過フ ィルタが用いられる。これにより、変化した作動条件たとえば汚れ等により増加 した障害成分が実質的に抑圧される。この場合、マイクロプロセッサ１３はエネ ルギ密度値からこの種の変化を算出して、高域通過フィルタ９の遮断周波数を相 応に適合調整する。所属の制御線路が第１図に１４で示されている。

Ａ／Ｄ変換器は、低周波信号の最高値に起因する、分解能を低下させる過制御か ら保護される。高価な高分解能のＡ／Ｄ変換器ではな（、帯域通過フィルタの入 力側にまたは中にまたは出力側に、マイクロプロセッサ１３により線路１５を介 して制御される、Ａ／Ｄ変換器１２の過制御を阻止する増幅器段１１が設けられ ている。

実質的に同じ充てん高さの場合は、帯域通過フィルタの遮断周波数を一層高（選 定すると好適である。このことも遮断周波数の設定調整または制御により実施で きる。

第４図に示されている様に、エネルギー密度スペクトルは１本の個別のスペクト ル線から形成されるのではなく、通常は、隣り合う複数本の線を含む。１本の線 は１つの個別の距離に相応するため、複数本の側の線が充てんレベル高さの算出 の目的で、例えば側の線の振幅の重み付けにより用いることができる。リニヤな 重み付けならば、周波数特性の平らな範囲において適するのであろう。周波数曲 線が、フィルタの一定ではない範囲にある時は、重み付けの場合に“ロールオブ が係数として考慮される。測定区間の周波数出力が既知の場合は、著しく正確な 測定の目的で、補正を、離散的なスペクトル線も補間の際に考慮することができ る。

要　約　書 マイクロ波用の送信部および受信部を備えており、さらに窓とアンテナを有する 導波管を備えている構成の工業用タンク等の充てんレベル測定装置のために、電 気回路が提案されており、この場合、流体表面から反射された信号および送信信 号が混合段（８）へ導びかれるようにし、該混合段の低周波の出力信号がＡ／Ｄ 変換器（１２）を介して、充てんレベル値を算出するマイクロプロセッサ（１３ ）へ加えられる。光学的窓等におけるマイクロ波の反射に起因する障害信号を除 去する目的で、混合段（８）とＡ／Ｄ変換器（１２）の間に、帯域通過フィルタ （９，１０）が設けられており、その下側遮断周波数が低周波の障害周波を減衰 させる。この下側周波数は、マイクロプロセッサにより制御されるか、または帯 域通過フィルタ（９，１０）が複数個の選択可能な遮断周波数へ設定可能にされ る。Ａ／Ｄ変換器の過制御を阻止する目的で、帯域通過フィルタ（９，１０）に 、マイクロプロセッサ（１３）により制御される増幅器段（１１）が配属されて いる。

国際調査報告

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．工業的タンク等の充てんレベル測定装置のための電気回路であって、該電気 回路はマイクロ波用の送信部および受信部を備えており、さらに窓とアンテナを 有する導波管を備えており、流体表面から反射された信号および送信信号が混合 段へ導びかれるようにし、該混合段の低周波の出力信号がＡ／Ｄ変換器を介して 、充てんレベル値を算出するマイクロプロセッサへ加えられる形式の電気回路に おいて、混合段（８）とＡ／Ｄ変換器（１２）の間に、低周波の障害周波を減衰 させる下流遮断周波数を有する帯域通過フィルタ（９，１０）が設けられている ことを特徴とする、工業用タンク等の充てんレベル測定装置のための電気回路。
2. ２．帯域通過フィルタ（９，１０）の下側遮断周波数が、充てんレベル測定装置 の結合器−と流体表面との間の約０．１〜３ｍの距離により発生される距離周波 数に相応する請求項１記載の電気回路。
3. ３．帯域通過フィルタ（９，１０）の下側遮断周波数がマイクロプロセッサ（１ ３）により制御される請求項１又は２記載の電気回路。
4. ４．帯域通過フィルタ（９，１０）が複数個の遮断周波数へ設定可能にされてい る請求項１又は２記載の電気回路。
5. ５．帯域通過フィルタ（９，１０）の入力側にまたは内部にまたは出力側に、マ イクロプロセッサ（１３）により制御される、Ａ／Ｄ変換器（１２）の過制御を 阻止する増幅器段（１１）が設けられている請求項１から４までのいずれか１項 記載の電気回路。