(57)【要約】本発明は、特にマイクロ波バーストを用いて機能し、かつ、容器（２００）内のレベルを表す計測値（ＸＨ ）を生成するのに使用されるレベル計測装置に関する。このレベル計測装置は送受信機（２）を備えており、この送受信機を使用することで、その送信信号（Ｓ２  ）及び受信信号（Ｅ２  ）によって、充填レベルにより影響を受ける中間周波信号（ＺＦ）を生成する。この充填レベル計測装置はまた、変換器要素（１）を備えており、これは、その動作時に上記送信信号によって制御され、特にはパルス化された伝送波（Ｓ１  ）を容器（２００）中に注入し、充填物質（２０１）からの反射エコー波（Ｅ１  ）を上記受信信号（Ｅ２  ）に変換する。上記中間周波信号（ＺＦ）は、充填レベル計測装置の制御部（３）に供給され、揮発性データメモリ（３３）内に走査シーケンス（ＡＦ）の形式でデジタル的に格納される。このことにより、充填レベルを決定する上で振幅情報と位相情報の利用も可能となる。従って、この充填レベル計測装置は、非常に高速に、かつミリメートルの精度で正確に、充填レベルを計測することができる。【選択図】図１
2004522153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波、特にはマイクロ波バーストを用いて動作し、容器（２００）内のレベルを表すレベル値（ＸＨ）を生成するレベル計測装置であって、
送信信号（Ｓ２）及び受信信号（Ｅ２）により、レベル依存の中間周波信号（ＺＦ）を生成する送受信機部（２）と、
動作中に、前記送信信号（Ｓ２）の制御下で波動（Ｓ１）、特にはパルス波、を前記容器（２００）内に結合させ、かつ、前記容器（２００）の内容物（２０１）から反射されたエコー波（Ｅ１）を前記受信信号（Ｅ２）に変換する変換器要素（１）と、
前記中間周波信号（ＺＦ）を表すサンプリングシーケンス（ＡＦ）を少なくとも一時的に格納する揮発性データメモリ（３３）を有する制御部（３）と、
を備えるレベル計測装置。
【請求項２】
前記サンプリングシーケンス（ＡＦ）から得られた振幅情報により前記レベル値（ＸＨ）を決定する請求項１記載のレベル計測装置。
【請求項３】
前記サンプリングシーケンス（ＡＦ）から得られた位相情報により前記レベル値（ＸＨ）を決定する請求項２記載のレベル計測装置。
【請求項４】
前記揮発性データメモリ（３３）は、前記サンプリングシーケンス（ＡＦ）とディジタルサイン波信号シーケンスとの数値的な乗算を表す第１の信号シーケンス（ＳＩＮＡＦ）を少なくとも一時的に保持し、及び／又は、
前記揮発性データメモリ（３３）は、前記サンプリングシーケンス（ＡＦ）とディジタルコサイン波信号シーケンスとの数値的な乗算を表す第２の信号シーケンス（ＣＯＳＡＦ）を少なくとも一時的に保持する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレベル計測装置。
【請求項５】
前記揮発性データメモリ（３３）は、前記第１の信号シーケンス（ＳＩＮＡＦ）の少なくとも一部の数値的な下方変換を表す第１の直角信号シーケンス（Ｑ）を少なくとも一時的に保持し、及び／又は、
前記揮発性データメモリ（３３）は、前記第２の信号シーケンス（ＣＯＳＡＦ）の少なくとも一部の数値的な下方変換を表す第２の直角信号シーケンス（Ｉ）を少なくとも一時的に保持する請求項４記載のレベル計測装置。
【請求項６】
前記揮発性データメモリ（３３）は、特には前記第１の直角信号シーケンス（Ｑ）を生成する役割を有し、かつ、前記第１の信号シーケンス（ＳＩＮＡＦ）の少なくとも一部の時間平均の変化を表す第１の平均値シーケンス
2004522153.tif 000004
を、少なくとも一時的に保持し、及び／又は、
前記揮発性データメモリ（３３）は、特には前記第２の直角信号シーケンス（Ｉ）を生成する役割を有し、かつ、前記第２の信号シーケンス（ＣＯＳＡＦ）の少なくとも一部の時間平均の変化を表す第２の平均値シーケンス
2004522153.tif 000005
を、少なくとも一時的に保持する請求項４又は５記載のレベル計測装置。
【請求項７】
前記揮発性データメモリ（３３）は、前記サンプリングシーケンス（ＡＦ）のデータレコード（ａｆｊ）の位相に相当し、かつ、前記第１の直角信号シーケンス（Ｑ）のデータレコード（ｑｉ）の、前記第２の直角信号シーケンス（Ｉ）の本質的に同一位置のデータレコード（ｉｊ）による数値的な除算を表すデータレコード（ｑｉ／ｉｊ）を、少なくとも一時的に保持する請求項４乃至６のいずれか１項に記載のレベル計測装置。
【請求項８】
前記揮発性データメモリ（３３）は、前記中間周波信号（ＺＦ）の少なくとも一部の時間的な位相変化に相当する第１のディジタル位相シーケンス（Ｑ／Ｉ）を、少なくとも一時的に保持する請求項７記載のレベル計測装置。
【請求項９】
前記揮発性データメモリ（３３）は、前記中間周波信号（ＺＦ）の時間的な振幅変化を表すディジタル包絡線（ＥＮＶ）を少なくとも一時的に保持する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレベル計測装置。
【請求項１０】
前記揮発性データメモリ（３３）は、前記サンプリングシーケンス（ＡＦ）のデータレコード（ａｆｊ）の位相に相当し、かつ、該データレコード（ａｆｊ）の、前記包絡線（ＥＮＶ）の本質的に同一位置のデータレコード（ｅｎｖｊ）による数値的な除算を表すデータレコード（ａｆｊ／ｅｎｖｊ）を、少なくとも一時的に保持する請求項９記載のレベル計測装置。
【請求項１１】
前記揮発性データメモリ（３３）は、前記中間周波信号（ＺＦ）の少なくとも一部の時間的な位相変化に相当する第２のディジタル位相シーケンス（ＡＦ／ＥＮＶ）を、少なくとも一時的に保持する請求項９又は１０記載のレベル計測装置。
【請求項１２】
マイクロ波、特にはマイクロ波バーストを用いて動作し、容器（２００）内のレベルを表すレベル値（ＸＨ）を生成するレベル計測装置であって、
送信信号（Ｓ２）及び受信信号（Ｅ２）により、レベル依存の中間周波信号（ＺＦ）を生成する送受信機部（２）と、
動作中に、前記送信信号（Ｓ２）の制御下で波動（Ｓ１）、特にはパルス波、を前記容器（２００）内に結合させ、かつ、前記容器（２００）の内容物（２０１）から反射されたエコー波（Ｅ１）を前記受信信号（Ｅ２）に変換する変換器要素（１）と、
前記中間周波信号（ＺＦ）の振幅変化に対する前記中間周波信号（ＺＦ）の正規化を表し、かつ、前記中間周波信号（ＺＦ）の時間的な位相変化に相当するディジタル位相シーケンス（ＡＦ／ＥＮＶ）を、少なくとも一時的に格納する揮発性データメモリ（３３）を有する制御部（３）と、
を備えるレベル計測装置。
【請求項１３】
前記中間周波信号（ＺＦ）用の対数増幅器（３７）を備える請求項１又は１２記載のレベル計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を用いて動作するレベル計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば液体タンクや大型容器のような容器内のレベルを、特にほぼ連続的に計測するのに、マイクロ波を用いて動作する計測装置がよく採用される。そのようなレベル計測装置を用いて、レーダーの原理に基づきレベルを計測する場合、電磁波、特に約０．５から３０ＧＨｚの搬送周波数の範囲内にある電磁波が、レベルを測定すべき物質に対して、アンテナを介して空間波として送信されるか、或いは表面導波路を介して導波として送信される。物質を構成する体積（volume）内の電気インピーダンスの不連続性のために、上記電磁波の一部が特に物質の表面で反射され、表面導波路又はアンテナを介しエコー信号としてレベル計測装置へ戻って来る。
【０００３】
そのようなレベル計測装置において、レベルの測定はしばしばパルスレーダー法に基づいて行われる。このパルスレーダー法では、いわゆるバーストと呼ばれる短いマイクロ波のパルス群が、物質へ向けて数メガヘルツの範囲内のパルス繰り返し数で送信されて、少なくともその一部がそこで反射され、上述したようにしてエコー信号としてレベル計測装置へ戻ってくる。マイクロ波パルス群の走行時間、すなわち信号の送信時刻からエコーの受信時刻までの計測時間が、測定すべきレベルの大きさとして提供される。
【０００４】
例えば米国特許第５，６１４，９１１号、欧州特許公開第９５５ ５２７号、及び独国特許公開第４４ ０７ ３６９号のそれぞれには、パルスレーダー法を利用した、マイクロ波を用いて動作するレベル計測装置が示されており、このレベル計測装置は、
パルス化された送信信号及び受信信号により、レベル依存（level-dependent）のアナログ中間周波数信号を生成するマイクロ波送受信機部と、
動作中に上記送信信号の制御下で波動を容器内に結合させ、かつ、容器の内容物から反射されたエコー波を上記受信信号に変換する変換器要素と、
アナログ包絡線信号を生成する中間周波信号用の振幅復調器を有する包絡線算出部と、
を備えている。
【０００５】
独国特許公開第４４ ０７ ３６９号に記載されているように、上記の包絡線信号は、閾値トリガ型のカウンタ段を制御する、すなわち、このカウンタ段の２カウントの平均値がレベル依存の走行時間を表すように制御する役割を有していてもよい。例えば欧州特許公開第９５５ ５２７号に記載されているように、上記のアナログ包絡線信号は、デジタル化されてもよく、また、矩形波ウインドウで周期的に復調された後、一時的に各部分毎に格納されてもよい。このようにして生成された、包絡線のサンプリングシーケンスから、信号の送信時刻とエコー信号の受信時刻の両方を測定することが可能であり、それから適切な算出技術  −特にはマイクロコンピュータで実行される技術−  を用いて走行時間を算出することが可能である。
【０００６】
高精度で  −特には１ミリメートルの精度で−  レベルを計測するためには、包絡線信号上にマッピング（map）された中間周波信号の振幅情報に加えて、送信信号の位相に対する受信信号の位相についての情報が必要であるかもしれない、ということが判明しており、このことは例えば欧州特許公開１ ０６９ ４３８号又は独国特許公開４４ ０７ ３６９号に記載されている。そのような付加的な位相情報を得るために、独国特許公開第４４ ０７ ３６９号に開示のレベル計測装置は、更に、中間周波信号用のアナログ直角復調器（quadrature demodulator）を有する位相算出部を備えており、このアナログ直角復調器は、中間周波信号の実部を表すアナログ第１直角信号と、中間周波信号の虚部を表すアナログ第２直角信号とを生成する。
【０００７】
上記のレベル計測装置の大きな問題点は、上記の包絡線算出部と位相算出部が両方ともディスクリート設計であるということである。このような設計、特にアナログデバイスの占める割合が大きいという理由により、例えば計測精度や算出速度を向上させるために、送信信号のパルス繰り返し数を増大させたり、測定及び算出のサイクル時間を減少させようとしても、それは非常に小さな規模でしか可能にならない。更に、測定された走行時間の精度が十分であることを確実にするためには、使用される構成部品のそれぞれが、部品パラメータのばらつきが小さく、かつ長期に渡って安定しているタイプの等級に属していなければならず、しかも、高精度に配線されていなければならず、その結果、コストが高くなる。
【発明の開示】
【０００８】
従って、本発明の目的は、レベル計測装置を提供することにあり、特には、レベル計測用に振幅情報と位相情報の両方を用い、かつ、レベル計測中の算出速度を大幅に向上させることを可能にして、センチメートルの精度で正確に計測する装置を提供することにある。更には、本発明のレベル計測装置は、大規模集積化に適するようにすることを目的とする。
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様は、マイクロ波、特にはマイクロ波バーストを用いて動作し、容器内のレベルを表すレベル値を生成するレベル計測装置を提供するものであり、このレベル計測装置は、
送信信号及び受信信号により、レベル依存の中間周波信号を生成する送受信機部と、
動作中に、上記送信信号の制御下で波動、特にはパルス波、を上記容器内に結合させ、かつ、上記容器の内容物から反射されたエコー波を上記受信信号に変換する変換器要素と、
上記中間周波信号を表すサンプリングシーケンスを少なくとも一時的に格納する揮発性データメモリを有する制御部と、
を備えている。
【００１０】
本発明の第２の態様は、マイクロ波、特にはマイクロ波バーストを用いて動作し、容器内のレベルを表すレベル値を生成するレベル計測装置を提供するものであり、このレベル計測装置は、
送信信号及び受信信号により、レベル依存の中間周波信号を生成する送受信機部と、
動作中に、上記送信信号の制御下で波動、特にはパルス波、を上記容器内に結合させ、かつ、上記容器の内容物から反射されたエコー波を上記受信信号に変換する変換器要素と、
上記中間周波信号の振幅変化に対する上記中間周波信号の正規化を表し、かつ、上記中間周波信号の時間的な位相変化に相当するディジタル位相シーケンスを、少なくとも一時的に格納する揮発性データメモリを有する制御部と、
を備えている。
【００１１】
本発明の上記２つの態様における第１の好ましい実施例では、上記レベル計測装置は中間周波信号用の対数増幅器（logarithmic amplifier）を備えている。
本発明の第２の好ましい実施例では、上記レベル計測装置は、上記サンプリングシーケンスから得られた振幅情報により上記レベル値を決定する。
【００１２】
本発明の第３の好ましい実施例では、上記レベル計測装置は、上記サンプリングシーケンスから得られた位相情報により上記レベル値を決定する。
本発明の第１の態様における第４の好ましい実施例では、上記揮発性データメモリは、上記サンプリングシーケンスとディジタルサイン波信号シーケンスとの数値的な乗算を表す第１の信号シーケンス、及び／又は、上記サンプリングシーケンスとディジタルコサイン波信号シーケンスとの数値的な乗算を表す第２の信号シーケンスを、少なくとも一時的に保持する。
【００１３】
本発明の第１の態様における第５の好ましい実施例では、上記揮発性データメモリは、上記第１の信号シーケンスの少なくとも一部の数値的な下方変換（downconversion）を表す第１の直角信号シーケンス（quadrature-signal sequence）、及び／又は、上記第２の信号シーケンスの少なくとも一部の数値的な下方変換を表す第２の直角信号シーケンスを、少なくとも一時的に保持する。
【００１４】
本発明の第１の態様における第６の好ましい実施例では、上記揮発性データメモリは、特には上記第１の直角信号シーケンスを生成する役割を有し、かつ、上記第１の信号シーケンスの少なくとも一部の時間平均の変化を表す第１の平均値シーケンス、及び／又は、特には上記第２の直角信号シーケンスを生成する役割を有し、かつ、上記第２の信号シーケンスの少なくとも一部の時間平均の変化を表す第２の平均値シーケンスを、少なくとも一時的に保持する。
【００１５】
本発明の第１の態様における第７の好ましい実施例では、上記揮発性データメモリは、上記サンプリングシーケンスのデータレコードの位相に相当し、かつ、上記第１の直角信号シーケンスのデータレコードの、上記第２の直角信号シーケンスの本質的に同一位置（equal-locus）のデータレコードによる数値的な除算を表すデータレコードを、少なくとも一時的に保持する。
【００１６】
本発明の第１の態様における第８の好ましい実施例では、上記揮発性データメモリは、上記中間周波信号の少なくとも一部の時間的な位相変化に相当する第１のディジタル位相シーケンスを、少なくとも一時的に保持する。
【００１７】
本発明の第１の態様における第９の好ましい実施例では、上記揮発性データメモリは、上記中間周波信号の時間的な振幅変化を表すディジタル包絡線を、少なくとも一時的に保持する。
【００１８】
本発明の第１の態様における第１０の好ましい実施例では、上記揮発性データメモリは、上記サンプリングシーケンスのデータレコードの位相に相当し、かつ、このデータレコードの、上記包絡線の本質的に同一位置のデータレコードによる数値的な除算を表すデータレコードを、少なくとも一時的に保持する。
【００１９】
本発明の第１の態様における第１１の好ましい実施例では、上記揮発性データメモリは、上記中間周波信号の少なくとも一部の時間的な位相変化に相当する第２のディジタル位相シーケンスを、少なくとも一時的に保持する。
【００２０】
本発明の基本思想は、ディジタル的に格納された生データを生成することであり、この生データとは、すなわち、計測量  −特には容器の内容物のレベル−  についての情報の可能な限り最大の内容を有し、かつ、その後の算出処理  −特にはレベルを算出する処理−  の基になるアナログ前処理の可能な限り最小の内容を有するデータである。本発明はまた、メモリの増大が必要とされるにも係わらず、算出速度における有意義な改善が高精度でなされ得るという驚くべき認識のもとに達成される。
【００２１】
本発明の効果の１つは、中間周波信号の変換とサンプリングシーケンスの処理の両方が、パルス繰り返し数の変更、送信信号の搬送周波数のドリフト、算出サイクル時間の変更等のような境界条件の変更に、非常に簡単な方法で適用できるということである。
【００２２】
本発明のもう１つの効果は、ディジタル化されるべき中間周波信号の信号対雑音比を十分に確保するのに要求される回路要素の数が大幅に低減されるということである。
本発明及びその更なる効果は、実施例についての以下の記載を添付図面と共に参照することにより、一層明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１及び図２を参照すると、マイクロ波を用いて動作するレベル計測装置の実施例が示されており、このレベル計測装置は物質２０１で満たされ得る容器２００に取り付けられている。
【００２４】
このレベル計測装置は、パルスレーダー法に基づき容器２００内の物質２０１のレベルを測定する役割を有しており、適切な制御部３を用いることで、上記物質の瞬間レベルを表す計測値ＸＨ  −例えばディジタル値−  を提供する。
【００２５】
そのために、レベル計測装置は、図１に示されるように変換器要素１を備えており、この変換器要素１は好ましくはエレクトロニクスケース１００に取り付けられている。この変換器要素１により、変調され、かつ無線周波搬送波よりも低い周波数を有する、パルス化された電磁波Ｓ１が、物質２０１を備える体積（volume）内に結合され、この物質に対して空間波として送信される。マイクロ波を用いて動作するレベル計測装置において通例となっているように、送信信号Ｓ２の搬送周波数は数ギガヘルツの範囲内  −特には０．５から３０ＧＨｚの範囲内−  にある。
【００２６】
変換器要素１は、マイクロ波Ｓ１を放射する、例えば図示されているようなホーンアンテナか、或いはロッドアンテナ、パラボラアンテナ、平面アレーアンテナであってもよい。そのような空間波の代わりに、例えば、導波路を介して案内される表面波がレベル計測用に使用されてもよく、これは最初に述べた通りである。
【００２７】
体積内での  −特には物質２０１の表面での−  インピーダンスの不連続性のために、放射波Ｓ１はその少なくとも一部が反射されて、それに対応するエコー波Ｅ１に変換され、このエコー波は逆方向に進行して変換器要素１によって受信される。
【００２８】
変換器要素１に結合された送受信機部２は、所定のパルス波形及びパルス幅を有する、線路を伝導するコヒーレントな波束  −いわゆるバースト−  を生成かつ処理する役割を有し、また、このバーストによりレベル依存のアナログ中間周波信号ＺＦを生成する役割を有している。個々のバーストのパルス波形は、一般に、所定幅の針状又は半波状パルスの波形に相当するが、もし必要であれば、他の適切なパルス波形をバースト用に使用してもよい。
【００２９】
送受信機部２は、エレクトロニクスケース１００内に収納されており、図２に示されるように、送信信号Ｓ２として第１のバーストシーケンスを生成するための電子バーストジェネレータ２１を備えている。この種のレベル計測装置において通例となっているように、送信信号Ｓ２の搬送周波数は約０．５から３０ＧＨｚまでの間にあり、そのパルス繰り返し数は数メガヘルツの範囲  −特には１から１０ＭＨｚの範囲−  に設定されているが、もし必要であるならば、搬送周波数及び／又はパルス繰り返し数は上記範囲を超えて設定されてもよい。
【００３０】
送信信号Ｓ２は、バーストジェネレータ２１の第１の信号出力に現れ、送受信機部２の方向性結合器２２により変換器要素１へ伝送される。変換器要素１は、方向性結合器２２の第１の信号出力に結合されており、上記信号を送信波Ｓ１に変換する。それとほぼ同時に、送信信号Ｓ２が方向性結合器２２の第２の信号出力にも現れる。
【００３１】
上述したように、測定される体積内で上記の方法で生成されたエコー波Ｅ１は、レベル計測装置の変換器要素１によって受信され、逆に第２のバーストシーケンスに変換される。この第２のバーストシーケンスは、受信信号Ｅ２としての役割を有し、また、方向性結合器２２の第２の信号出力にも現れる。従って、送信信号Ｓ２と受信信号Ｅ２との加算、すなわちＳ２＋Ｅ２が、方向性結合器２２の第２の出力に提供される。
【００３２】
特には、もし、この種のレベル計測装置では通常のことであるように、送信信号Ｓ２の搬送周波数及び／又はパルス繰り返し数が、方向性結合器２２の第２の信号出力に現れる加算信号の直接の算出と、特には走行時間の直接の計測とが、ほとんど不可能である、又は多数の回路要素を備えることによってのみ可能である、といった程度に高く選択されている場合は、送受信機部２は、無線周波搬送波上で変調された上記加算信号を引き延ばすことで上記の搬送周波数及びパルス繰り返し数をもっと低周波の数キロヘルツの範囲へとシフトさせる役割を有するミキサ２３を含んでいるのが好ましい。
【００３３】
加算信号Ｓ２＋Ｅ２を引き延ばすために、これらの信号が方向性結合器２２の第２の信号出力からミキサ２３の第１の信号入力へと供給される。同時に、局発振器信号Ｍ２としての役割を有する第３のバーストシーケンスが、ミキサ２３の第２の信号入力へ加えられる。局発振器信号Ｍ２のパルス繰り返し数は、送信信号Ｓ２よりもわずかに低く選択されるが、局発振器信号Ｍ２は送信信号Ｓ２とほぼ同一の搬送周波数を有している。信号Ｍ２もバーストジェネレータ２１によって生成され、図２に示されるように、バーストジェネレータの第２の信号出力に提供される。
【００３４】
ミキサ２３により上記の加算信号が局発振器信号Ｍ２で増幅変調された後、ローパスフィルタにかけられる。このようにして、加算信号Ｓ２＋Ｅ２は、中間周波信号ＺＦとしての役割を有する信号上にマッピングされる。この中間周波信号ＺＦは、上記加算信号について引き延ばしファクタによって引き延ばされたものであり、相対的に低い周波数を有している。上記引き延ばしファクタは、送信信号Ｓ２のパルス繰り返し数と、送信信号Ｓ２のパルス繰り返し数及び局発振器信号Ｍ２のパルス繰り返し数の差との商に等しい。この種のレベル計測装置では、このような方法で生成された中間周波信号ＺＦの搬送周波数は一般に５０から２００ｋＨｚの範囲内にあり、もし必要ならば、この周波数範囲はもっと高く又はもっと低く選択されてもよい。
【００３５】
中間周波信号ＺＦが送受信機部２から出力される前に、この中間周波信号ＺＦは、もし必要であれば、もちろん適当な方法で前増幅（preamplify）されてもよく、従って、その後の回路での処理に向くように形状を変えてもよい。
【００３６】
送受信機部２を制御し、かつ中間周波信号ＺＦから計測レベル値ＸＨを得るために、このレベル計測装置は、上述のように制御部３を備えており、この制御部３もエレクトロニクスケース１００内に収納されていてよい。
【００３７】
本発明によれば、制御部３は、特には、中間周波信号ＺＦをディジタル化し、それを、レベル値ＸＨの測定用に中間周波信号ＺＦについての振幅情報及び位相情報の両方がディジタル形式で利用できるよう、各部分に分けて格納する役割を有している。
【００３８】
そのために、中間周波信号ＺＦは、図２に概略的に示されるように、好ましくは所定オーダ及び適宜調整されたカットオフ周波数のローパスフィルタ３１  −例えばＲＣ受動又は能動フィルタ−  を介して、制御部３に供給される。このローパスフィルタ３１は、中間周波信号ＺＦを帯域制限してエイリアス（aliases）を避け、そして、その信号に適当な方法でディジタル化するための前処理を施す役割を有している。これを達成するために、周知のナイキストサンプリング定理（Nyquist sampling theorem）によれば、カットオフ周波数は、中間周波信号の通過成分がサンプルされたサンプリング周波数の０．５倍よりも低くいが、０．２倍よりも低くないように選択される。もし、中間周波信号ＺＦが既に必要な方法で帯域制限されている場合には、ローパスフィルタ３１は省略可能である。
【００３９】
ローパスフィルタ３１の出力は、制御部３のアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ３２に結合されており、このＡ／Ｄコンバータは、ローパスフィルタ３１を介して加えられた中間周波信号ＺＦを、それに対応するディジタルの中間周波信号ＺＦＤに変換する役割を有している。Ａ／Ｄコンバータ３２としては、例えば上記のサンプリング周波数でクロック可能なシリアル又はパラレルコンバータ等、従来のＡ／Ｄコンバータのいずれかを使用可能である。適切なＡ／Ｄコンバータのタイプは、例えば、リニアテクノロジー社（Linear Technology Corp.）のサンプリング用Ａ／ＤコンバータＬＴＣ１４１５ であり、これは、１２ビットの分解能と、１．２５ＭＨｚよりも小さいか又は等しい許容サンプリング周波数とを有している。
【００４０】
もし、Ａ／Ｄコンバータ３２  −例えば上記のＬＴＣ１４１５−  が正の信号値だけを変換するように設計されている場合、Ａ／Ｄコンバータ３２の参照電圧は、予測される最小信号値がコンバータの入力で中間周波信号ＺＦＤの少なくとも１つのビット  −特には最上位ビット（ＭＳＢ）−  に設定されるように選択されなければならない。言い換えれば、ＤＣ成分が、ローパスフィルタ３１の出力に現れる信号に加算されることで、その信号がＡ／Ｄコンバータ３２上で大きさ可変のＤＣ信号として作用するようにしなければならない。
【００４１】
本発明の一発展例によれば、図３に示されるように、ローパスフィルタ３１は対数アンプ（対数増幅器）３７を介してＡ／Ｄコンバータ３２に接続されている。この対数アンプ３７  −例えばアナログデバイス社（Analog Devices）のタイプＡＤ６３７又はＡＤ８３０７−  は、中間周波信号ＺＦの位相情報を保持したままその振幅情報を圧縮する役割を有しており、このようにすることで、上記の１２ビットＡ／Ｄコンバータの代わりに、例えば８ビットＡ／Ｄコンバータを使用してほぼ同様な高精度を達成することが可能である。もし必要であれば、対数アンプ３７は、例えばローパスフィルタ３１の前段に直接接続されてもよい。
【００４２】
Ａ／Ｄコンバータ３２の出力に提供されるディジタル中間周波信号ＺＦＤは、例えば内部データバスを介して、制御部３の揮発性データメモリ３３に、部分毎に読み込まれる。そこでは、それは特に、現在の中間周波信号ＺＦを表す、ディジタルで格納されたデータレコードの集団という形式を持つ、有限のサンプリングシーケンスＡＦとして、制御部３のディジタルレベル計算部３４に利用可能である。データメモリ３３は、例えば、スタティック又はダイナミックのランダムアクセスメモリであってもよい。
【００４３】
サンプリングシーケンスＡＦからレベル値ＸＨを得るために、レベル計算部３４は、例えば内部データバスを介してデータメモリ３３及びその中に格納されたデータレコードへ、少なくとも一時的なアクセス  −特には読み込みアクセス−  が可能になっている。レベル計算部３４は、図２に概略的に示されるように、マイクロプロセッサ３０及びその中で実行される計算機プログラムによって都合良く実現される。
【００４４】
本発明の好ましい実施例においては、制御部３は、メモリマネージャ３５を更に備えている。このメモリマネージャ３５は、分離されたサブ回路として設計されており、例えば内部データバスを介してマイクロプロセッサ３０と通信しつつ、データメモリ３３を管理し、かつ、特にはディジタル中間周波信号ＺＦＤのサンプリングとサンプリングシーケンスＡＦの生成とを制御して、マイクロプロセッサ３０の負担を軽減する役割を有している。十分な計算速度を達成するため、メモリマネージャ３５のクロックは、Ａ／Ｄコンバータ３２よりも何倍も速い  −特には８倍、１０倍、又は１２倍も速い−  のが好ましい。
【００４５】
メモリマネージャ３５は、プログラマブルアレイロジック（ＰＡＬ）やフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のような、プログラマブル機能を有するメモリにおいて実現されるのが好ましい。もし必要であれば、メモリマネージャ３５は、マイクロプロセッサ３０又はもう１つ別のマイクロプロセッサ（不図示）と、その中で実行される適当な計算機プログラムとによって実現されてもよい。
【００４６】
メモリマネージャ３５は、この種のレベル計測装置において通例となっているように、例えば、幾つかのサンプリングシーケンスの平均値又はメジアンの形態を実現するために使用されてもよい。
【００４７】
パルスレーダー技術によるレベル値ＸＨの測定は、上述したように、エコー波Ｅ１のレベル依存の走行時間の算出に基づいており、この走行時間はもはや、データメモリ３３内にサンプリングシーケンスＡＦの形態で保持された振幅情報及び位相情報により高精度に測定可能である。
【００４８】
中間周波信号ＺＦの振幅情報は、例えば、サンプリングシーケンスＡＦをディジタル的に補正することによって、すなわち、単に、レベル計算部３４内で、サンプリングシーケンスＡＦの全てのデータ群の絶対値を作成した後、最大値検出  −すなわち、中間周波信号ＺＦの振幅変化をディジタル包絡線ＥＮＶの形態にモデル化するのに、選択された局所的な最大値のデータ群を使用する、そのような最大値検出−  を行うことによって、得ることが可能である。そのようなディジタル的に作成された包絡線を得るために、当業者に良く知られた、走行時間測定のための算出方法を容易に適用可能である。特には、欧州特許公開第６６８  ４８８号、欧州特許公開第８８２  ９５７号、欧州特許公開第１  ０６９  ４３８号、国際特許公開第９４／１４０３７号、国際特許公開第９５／０８７８０号が参考になる。しかし、必要に応じて、当業者に周知の他のディジタル振幅復調方法を使用してもよい。
【００４９】
上記包絡線ＥＮＶの他に、ディジタル形式の中間周波信号ＺＦの実部と虚部を表す、上述した２つの直角信号が、位相情報を得るために上記サンプリングシーケンスＡＦから導かれる。これを行うために、サンプリングシーケンスＡＦが、レベル計算部３４により、例えば、少なくとも部分毎に  −特には、先にディジタル的に検出された有用エコーの領域毎に−  所定周波数の  −特には、中間周波信号ＺＦの搬送周波数にほぼ等しい周波数の−  ディジタルサイン波信号シーケンス及びディジタルコサイン波信号シーケンスと乗算されて、図４のような第１のディジタル信号シーケンスＳＩＮＡＦ及び第２のディジタル信号シーケンスＣＯＳＡＦが生成されるようにしてもよく、これらも例えばデータメモリ３３に格納される。
【００５０】
この場合、以下の周知の関係式
ＥＮＶ  ＝  √Ｑ２  ＋Ｉ２
を用いることにより、直角信号シーケンスＱ、Ｉが、上述のディジタル包絡線ＥＮＶを生成するために  −すなわち振幅情報を得るために−  利用されることも可能である。
【００５１】
ディジタル直角信号シーケンスＱ、Ｉを生成するために、上記の信号シーケンスＳＩＮＡＦ、ＣＯＳＡＦが、例えば、ディジタル的にローパスフィルタリングされて、周知の三角関数関係（trigometric relationships）に従い、それに対応する振幅値又は位相値に数値的に変換されてもよい。ここで、これら振幅値又は位相値から、レベル値ＸＨがほぼ直接的に計算される。この技術は、参照となる独国特許公開４４  ０７  ３６９号に記載されており、これには上記技術が直角下方変換（quadrature downconversion）として言及されている。
【００５２】
本発明の好ましい実施例は、レベル値ＸＨを高精度  −特にはミリメートルの精度−
で測定する役割を有しているが、この実施例においては、近似測定  −特にはディジタル中間周波信号ＺＦＤの二分の一又は四分の一までの範囲内の精度での測定−  が、参照点としての役割を有する第１のデータレコードｅｎｖＲと、レベルエコー又は有用エコーとしての役割を有する第２のデータレコードｅｎｖＮとに基づいて行われる。
【００５３】
上記２つのデータレコードｅｎｖＲ及びｅｎｖＮは、特には上記の参照点及び有用エコーの範囲内にあるサンプリングシーケンスＡＦに固有の振幅情報を表すものであるが、これらデータレコードｅｎｖＲ及びｅｎｖＮのそれぞれが上記のようにディジタル化された包絡線からどのようにして選択されなければならないかは、パルスレーダー原理に基づくレベル計測装置における当業者にとって周知であり、それは少なくとも独国特許公開第４４  ０７  ３６９号又は欧州特許公開第１  ０６９  ４３８号に詳細に述べられており、従って、このステップについての一層詳細な説明は省略可能である。もし必要であるならば、データレコードｅｎｖＲ、ｅｎｖＮはサンプリングシーケンスＡＦから直接的に測定されることも可能である。
【００５４】
容器内のレベルを表す走行時間を最終的に決定するために、上記参照点で作成されたデータ群ｑＲ／ｉＲにほぼ一致する有用エコーのデータ群ｑＮ／ｉＮが、特には２つの直角信号シーケンスＱ、Ｉの個々のデータレコードから作成されたそれぞれのデータ群ｑｊ／ｉｊ（ｊは現在選択された直角データレコードの指数）により、１データレコード毎に決定される。ここで、上記の直角信号シーケンスＱ、Ｉのデータレコードは、サンプリングシーケンスＡＦの下方変換（downconversion）をディジタル的に表しており、例えば第２のデータレコードｅｎｖＮの予測された又は既に決定された指数範囲内にあるスタートデータ群で始まる。このようにして見いだされた２つのデータ群ｑＲ／ｉＲ、ｑＮ／ｉＮは、例えば、数値的に実現されたアークタンジェント関数、すなわちａｒｃｔａｎ（ｑＲ／ｉＲ）、ａｒｃｔａｎ（ｑＮ／ｉＮ）を繰り返し使用することにより、走行時間にほぼ直接的に対応する位相値に容易に尺度変換（rescale）することが可能となる。
【００５５】
本発明のもう１つの好ましい実施例においては、まず、直角信号シーケンスＱ、Ｉによって生成可能な、レベル計測に関連する全てのデータ群ｑｊ／ｉｊ又は少なくとも一部のデータ群を作成し、それらを中間周波信号の時間的な位相変化に相当する位相シーケンスＱ／Ｉの形でデータメモリ３３内に格納することにより、レベル値ＸＨが決定される。続いて、所定の参照点及び有用エコーを参酌しつつ、データレコードｅｎｖＲ、ｅｎｖＮが、それぞれの関連するデータ群ｑＲ／ｉＲ、ｑＮ／ｉＮから得られた上記位相値がこれらの範囲内で可能な限り正確に一致するよう、それぞれ互いに適応させられる（図４参照）。
【００５６】
直角信号シーケンスＱ、Ｉを決定する上記方法を改善するために、本発明の更なる好ましい実施例においては、信号シーケンスＳＩＮＡＦ、ＣＯＳＡＦを算出する役割を有し、レベル計算部３４で実現されるディジタルローパスフィルタが、以下のように、都合良く代わりに用いられる。２つのディジタル信号シーケンスＳＩＮＡＦ、ＣＯＳＡＦが、まず最初に、例えばデータメモリ３３内に格納される。従来行われていたような後段のローパスフィルタリング処理は、本件のようなディジタル信号処理においては、計算上の複雑さが膨大であり、大量の格納領域が必要とされるが、そのような処理を行う代わりに、直角信号シーケンスＱ、Ｉが、信号シーケンスＳＩＮＡＦの時間平均と信号シーケンスＣＯＳＡＦの時間平均とに基づき決定される。ここで、上記の時間平均は、一期間ずつ決定される。この時間平均は、関心事である上記の参照点及び有用エコーの周辺範囲、すなわち第１及び／又は第２のデータレコードｅｎｖＲ  、ｅｎｖＮ  の範囲内においてのみ決定される。
【００５７】
２つの信号シーケンスＳＩＮＡＦ、ＣＯＳＡＦの時間平均の変化は、いずれにせよ非常に速くかつ容易に数値的に決定され得るが、驚いたことに、これら時間平均の変化は、信号シーケンスＳＩＮＡＦ、ＣＯＳＡＦの選択されたデータレコードのみ  −好ましくは第１及び／又は第２のデータレコードｅｎｖＲ  、ｅｎｖＮ  の上記範囲に相当する局所的な最大値及び最小値−  を使用して上記平均値の時間変化を計算することによって、遥かに一層容易に、特には一層少ない計算処理で決定され得るということが判明した。
【００５８】
そのような平均値シーケンス
2004522153.tif 000003
は、信号シーケンスＳＩＮＡＦ、ＣＯＳＡＦの少なくとも一部の時間平均の変化を表しており、都合良くデジタル化されて格納されてもいるが、これら平均値シーケンスは、回帰解析、特には線形の回帰解析が、信号シーケンスＳＩＮＡＦ、ＣＯＳＡＦの少なくとも２つの選択された又は計算された最大値を表す第１のデータ集合と、同様に信号シーケンスＳＩＮＡＦ、ＣＯＳＡＦの少なくとも２つの選択された又は計算された最大値を表す第２のデータ集合とを用いて実行される（図５参照）。回帰によって決定された関数は信号シーケンスＳＩＮＡＦ、ＣＯＳＡＦの包絡線を記述することになるが、この関数を形成する規則として上記のようにして得られた２組のパラメータ集合から、信号シーケンスＳＩＮＡＦ、ＣＯＳＡＦの包絡線を表す２組のパラメータ集合におけるそれぞれ一致する２つのパラメータの平均値  −すなわち例えば０．５・（ａ０  ＋ａｕ）、０．５・（ｂ０  ＋ｂｕ）−  を決定することによって、１組のパラメータ集合が上記平均値の時間変化を関数的に記述する規則  −例えばａ０・ｘ＋ｂ０  、ａｕ・ｘ＋ｂｕ（図５）−  として容易に得られる。
【００５９】
ここで述べた方法は、特には、線形回帰でさえ、すなわち、平均値の決定が非常に単純化されていても、第１及び／又は第２のデータレコードｅｎｖＲ、ｅｎｖＮの範囲内における２つの信号シーケンスＳＩＮＡＦ、ＣＯＳＡＦの実際の時間平均と比較して生じる測定エラーはほとんど無視できる程に小さい、という驚くべき認識に基づいている。
【００６０】
ディジタルのローパスフィルタリング処理を実現する方法と、上記平均化処理を実現する方法との比較実験では、後者の方法で、同様な計測精度でありながら、計算処理の複雑さにおいて１０から５０ファクターの低減が容易に達成され得るのが示された。なおここで、直角信号シーケンスＱ、Ｉの局所的な最大値又は最小値の高精度の決定は、本出願人の米国特許出願第６０／２６４，０２８号  −これは本出願の出願日前にはまだ公開されていない−  に記載された、ディジタルデータシーケンスの局所的な極値の決定方法を用いることによっても行い得るものである。
【００６１】
本発明の他の発展例は、特にはサンプリングシーケンスＡＦから走行時間を得るのに必要とされる計算時間及び格納領域量を低減する役割をも有しているが、これは直角信号シーケンスＱ、Ｉの生成なしで実行されるものであり、高精度のレベル計測に必要とされる位相情報をサンプリングシーケンスＡＦからほぼ直接的に得るようにしている。これは、データレコードｅｎｖＲ  を包絡線ＥＮＶから選択するか、或いはそれをサンプリングシーケンスＡＦから決定することによって、かつ、図６に概略的に示されるように、サンプリングシーケンスＡＦにおいて、例えば関連するデータレコードの指数によって表される場所又は走行時間位置にあるデータレコードａｆＲが上記関連するデータレコードｅｎｖＲの場所又は走行時間位置にほとんど一致するということを正確に決定することによってなされる。２つのデータレコードａｆＲ、ｅｎｖＲの数値の簡単な除算により、データレコードａｆＲの位相に相当するデータ群ａｆＲ／ｅｎｖＲ  −特にはこの位相のサインに比例するデータ群−  が非常に簡単かつ素早く得られる。
【００６２】
しかし、１レコードずつの除算は、図６にも示されるように、包絡線ＥＮＶ及びサンプリングシーケンスＡＦの全体に渡って行われるのが好ましく、このようにすることで、中間周波信号ＺＦが、包絡線ＥＮＶによって表される振幅変化に対して正規化される。その結果得られるディジタル位相シーケンスＡＦ／ＥＮＶは、データメモリ３３に格納されて、中間周波信号ＺＦの少なくとも一部の位相変化がディジタル的にマッピングされる。
【００６３】
容器内のレベルを表す走行時間を決定するために、好ましくは例えば、データレコードｅｎｖＮの予測される又は決定された位置にあって、サンプリングシーケンスＡＦの関連する  −すなわちほぼ同一位相の−  データレコードａｆＮにあるスタートデータで再び開始する、サンプリングシーケンスＡＦのデータレコードａｆｊと、包絡線データレコードｅｎｖｊとから作成された、それぞれのデータ群の１レコードずつの比較ａｆｊ／ｅｎｖｊ（ｊは現在選択された直角データレコードの指数）が行われることで、参照点のデータ群ａｆＲ／ｅｎｖＲにほとんど一致する有用エコーのデータ群ａｆＮ／ｅｎｖＮを決定することが可能である。数値的に実現されるアークサイン関数を使用することによって、走行時間計測に関係する２つのデータ群ａｆＲ／ｅｎｖＲ、ａｆＮ／ｅｎｖＮが位相に比例するデータへと容易に尺度変換され得る。
【００６４】
上述のように、サンプリングシーケンスの個々のデータレコードを、包絡線ＥＮＶにおけるそれぞれの同位置にある同一位相のデータレコードで数値的に除算することにより、振幅情報と共にサンプリングシーケンスＡＦ中に含まれる位相情報が振幅情報から分離されることで、サンプリングシーケンスＡＦから抽出される。
【００６５】
データ群ａｆＲ／ｅｎｖＲを用いて位相情報を得るもう１つの可能性は、データレコードｅｎｖＮと、それに対応するサンプリングシーケンスＡＦの同一位置のデータレコードａｆＮとから、有用エコー用のデータ群ａｆＮ／ｅｎｖＮを決定して、これら２つのデータ群を上述の方法で位相に比例するデータに尺度変換し、そしてこのように得られた２つの値の差をとることである。この位相差を、ここで述べたような種類のレベル計測装置内でディジタル形式で入手可能と考えられる中間周波信号ＺＦのその瞬間の波長で除算することにより、それに対応する補正値が、データ群ａｆＮ／ｅｎｖＮから直接得られる位相値として決定され得る。
【００６６】
しかし、もし必要であるならば、ここで提案された以外の方法が、サンプリングシーケンスＡＦから振幅情報及び／又は位相情報をディジタル的に得るために使用されてもよい。
【００６７】
例えば包絡線ＥＮＶ及び位相シーケンスＡＦ／ＥＮＶから得られる走行時間、又は直角信号シーケンスＱ、Ｉから得られる走行時間により、サンプリングシーケンスＡＦからレベル値ＸＨを決定するのに必要な算出方法は、例えばマイクロプロセッサ３０で実行される計算機プログラムのような、この技術分野の当業者に周知の方法で実現されてもよい。必要なプログラムコードは、制御部３内においてマイクロプロセッサ３０が読み込みアクセスする書き込み可能メモリ３６  −特にはＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＥＰＲＯＭ、又はＥＥＰＲＯＭのような永久メモリ−  において容易に実現可能である。
【００６８】
更なる好ましい実施例においては、マイクロプロセッサ３０は、アナログデバイス社のタイプＡＤＳＰ２１０６５のようなディジタル信号プロセッサで実現される。もし必要であるならば、制御部３は、マイクロプロセッサ３０に加えて、例えば信号プロセッサを含んでいてもよい。
【００６９】
このレベル計測装置は、例えばフィールドバス（不図示）に接続されることで、遠隔制御室や、内部電源部４を介してレベル計測装置に供給される外部電源へと接続されてもよい。計測装置のデータ  −特には計測されたレベル値ＸＨ−  をフィールドバスに送信するために、レベル計測装置は、適当なデータインタフェースを有する通信部５を更に備えている。更には、この通信部５は、状況に応じて、特には計測装置のデータを可視化するための、及び／又はレベル計測装置の調整を可能にするための、表示及び制御部５２を含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】容器内のレベルを計測するために該容器に設けられたレベル計測装置を示す図である。
【図２】マイクロ波を用いて動作するレベル計測装置の機能要素を示すブロック図である。
【図３】図２のレベル計測装置の発展例の機能要素を示すブロック図である。
【図４】レベル計測に使用される好ましい実施例による、図２のレベル計測装置により生成されてディジタル的に格納されたサンプリングシーケンスであって、レベル依存の中間周波信号とそれから得られた信号シーケンスとを表すサンプリングシーケンスを、概略的かつ大幅に単純化して示す図である。
【図５】図４のディジタル的に格納されたサンプルシーケンスを処理するための、図２のレベル計測装置において実行可能な方法の好ましい実施例を概略的に示す図である。
【図６】図４のディジタル的に格納されたサンプリングシーケンスを、それから得られた、他の好ましい実施例による他のディジタル信号シーケンスと共に、概略的かつ大幅に単純化して示す図である。
【図２】
2004522153.tif 000006
【図３】
2004522153.tif 000007
【国際公開パンフレット】
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2004522153.tif 000009
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2004522153.tif 000035
2004522153.tif 000036
【国際調査報告】
2004522153.tif 000037
2004522153.tif 000038
2004522153.tif 000039
2004522153.tif 000040
2004522153.tif 000041
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