Die Meßschaltung und die Kontrollstelle sind über eine Zweidrahtleitung miteinander verbunden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung, erfolgen sowohl die Energieversorgung der Vorrichtung als auch der Datenaustausch zwischen der Meßschaltung und der Kontrollstelle über die Zweidrahtleitung.

Aufgrund dieser Doppelfunktion der Zweidrahtleitung und der damit einhergehenden Kosteneinsparung werden Zweidraht-Meßgeräte in zunehmenden Maße in der industriellen Prozeßtechnik eingesetzt. Als ein wichtiger Industrie-Standard ist in diesem Zusammenhang der ISA-A 50. 1- Standard zu nennen, bei dem Gleichstromwerte zwischen 4mA und 20mA den jeweiligen Meßwert charakterisieren und über die Zweidrahtleitung übertragen werden.

Nicht ganz unproblematisch ist bei Zweidraht-Meßgeräten, daß selbst im Falle eines sehr geringen Strompegels von z. B. 4 mA über die Zweidrahtleitung noch genügend Leistung zum Betreiben der Meßschaltung bzw. der einzelnen Komponenten der Meßschaltung zur Verfügung gestellt wird. Die Leistungs- versorgung ist hierbei natürlich um so kritischer, je höher der Leistungsbedarf der Meßschaltung bzw. der Komponenten der Meßschaltung ist.

Prinzipiell bestehen zwei Möglichkeiten, um das Problem in den Griff zu bekommen. Entweder wird die Meßschaltung aus Komponenten mit einem entsprechend geringen Energieverbrauch zusammengesetzt-eine Lösung, die einen kontinuierlichen Betrieb der Meßschaltung möglich macht-, oder Komponenten mit einem vergleichsweise hohen Energieverbrauch werden intermittierend betrieben. Beim intermittierenden Betrieb wird nur während der sog. Aktivierungsphase Energie verbraucht wird, während die darauffolgende Erholungsphase dazu genutzt wird, einen Energiespeicher aufzuladen, der dann in der nachfolgenden Aktivierungsphase den aktivierten Komponenten der Meßschaltung wiederum die erforderliche Leistung zur Verfügung stellen kann.

Als Beispiel für ein Zweidraht-Meßgerät der zuerst genannten Art wird auf die US- A 5,672,975 verwiesen. Als Beispiel für eine Vorrichtung mit intermittierendem Betrieb sei die EP 0 687 375 B1 genannt.

In der Europäischen Patentschrift ist die Meßfrequenz des Meßwertgebers so ausgelegt, daß die entsprechende Leistungsaufnahme größer ist als die bei minimalem Strom und minimaler Spannung über die Zweidrahtleitung zur Verfügung gestellte Leistung. Da die verbrauchte Leistung während des Betriebs des Meßwertgebers die verfügbare Leistung übersteigt, zeigt sich in der Leistungsbilanz zwangsläufig ein Defizit. Sobald eine Fühlerschaltung ein Defizit erkennt, setzt die Meßschaltung die Ausführung des Meßprogramms aus, bis das Defizit nicht mehr besteht. Kurz gesagt, wird bei dieser bekannten Lösung ein Defizit in einem Energiespeicher diagnostiziert. Anhand dieses Defizits wird dann eine verlängerte Zykluszeit vorausberechnet-die Meßfrequenz wird also entsprechend geändert. Letztendlich bedeutet dies, daß immer abgeschätzt wird, wann der Energiespeicher vollständig oder bis zu einem gewissen Niveau aufgeladen ist. Nach Ablauf der geschätzten Zeit wird dann ein Meßsignal ausgesendet. Diese bekannt gewordene Lösung hat den Nachteil, daß sie überzogen lange Deaktivierungsphasen in Kauf nimmt. Hierdurch wird die Meßrate des Meßsystems-und damit die Meßgenauigkeit des Füllstandsmeßgeräts-herabgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Optimierung der Leistungssteuerung bei einem Füllstandsmeßgerät vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, die die Meßschaltung frühestens aktiviert, wenn die Energie in dem Energiespeicher einen vorgegebenen Level erreicht. Hierbei kann der Level beispielsweise so bemessen sein, daß er zumindest den Energiebedarf der Meßschaltung während der Aktivierungsphase deckt. Bevorzugt ist der Level jedoch durch den Zustand definiert, wenn die Energiespeichereinheit vollständig oder nahezu vollständig aufgeladen ist.

Gegenüber dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Lösung drei entscheidende Vorteile auf : - Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine erhöhte Sicherheit aus : Während die Meßschaltung, die aus dem Stand der Technik bekannt geworden ist, erst reagiert, wenn eine kritische Spannung unterschritten ist, ist im Falle der erfindungsgemäßen Lösung der Energiespeicher immer möglichst vollständig aufgeladen. Dies ist-ganz allgemein gesprochen-vor allem dann wichtig, wenn zwischen dem Energiespeicher und dem Energieverbraucher DC/DC-Wandler eingesetzt werden : Um die nötige Energie aus dem Energiespeicher zu beziehen, wird der DC/DC-Wandler gemäß =U/R den Strom umgekehrt proportional zur Speicherspannung aus dem Energiespeicher ziehen.

Dies bedeutet im Falle der bekannt gewordenen Lösung, daß bei kritisch niedrigen Speicherspannungen der Konstantstromverbrauch aus dem Energiespeicher ansteigt, was ein Erholen des Systems mit abnehmender Spannung immer unwahrscheinlicher macht.

- Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist kürzere Zyklusraten als der Stand der Technik auf : Da im Falle einer ungenügenden Energiezufuhr die Energie auf einem Niveau nahe des Maximums gehalten wird und nicht auf einem niedrigen kritischen Niveau, reduziert sich auch maßgeblich die Spannung über den Stromregler, welcher den Strom einstellt. Diese Restspannung führt übrigens zwangsläufig zu einem Wandeln von elektrischer Energie in Wärme gemäß der Formel P=U o 1. Wird der Energiespeicher immer vollständig oder fast vollständig aufgeladen, so reduziert sich diese Spannung und damit die in Wärme umgewandelte Energie. Der hierdurch gewonnene Energieanteil steht den Komponenten der Meßschaltung daher zusätzlich zur Verfügung.

- Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist parameterunabhängig : Da nicht die Zykluszeit berechnet wird, sondern stets der Ladezustand des Energie-speichers betrachtet wird, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung unabhängig von dem Konstantstromverbrauch, dem Impulsstromverbrauch und der Energiezufuhr. Es muß lediglich gewährleistet sein, daß der Energiespeicher ohne Impuls geladen wird, was bedeutet, daß der Strom des Verbrauchers kleiner sein muß als die Sromzufuhr, und die Energie-entnahme während der Aktivierungsphase darf den Energiespeicher nicht zu weit entleeren. Dies ist jedoch letztendlich eine Frage der Dimensionierung der Meßschaltung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß es sich bei der Prozeßgröße um den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter handelt. Insbesondere handelt es sich bei dem Sensor um einen Füllstandssensor, der Meßsignale in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet und der die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Echosignale empfängt. Bei den Meßsignalen handelt es sich um elektromagnetische Signale, z. B. Mikrowellensignale, oder um Ultraschall-signale. Im Falle von Mikrowellensignalen breiten sich diese entweder im Freifeld aus, oder sie werden über ein leitfähiges Element in den Behälter hineingeführt. Entsprechende Meßgeräte werden von der Anmelderin unter den Bezeichnungen'Micropilot'bzw.

'Levelflex'bzw.'Prosonic'angeboten und vertrieben.

Der eigentliche Füllstandsmeßwert wird bei den sog. Laufzeitverfahren anhand des Nutzechosignals der digitalen Hüllkurve bzw. der Echokurve ermittelt. Hierbei repräsentiert die Echokurve die Amplitudenwerte der Echosignale als Funktion der Laufzeit der Meßsignale auf dem Weg zwischen der Antenne und der Oberfläche des Füllguts. Anhand der Echokurve wird das Nutzechosignal bestimmt, welches den Signalanteil darstellt, der an der Oberfläche des Füllguts reflektiert wird.

Vorrichtungen, die den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter über die Laufzeit von Meßsignalen bestimmen, nutzen die physikalische Gesetzmäßig-keit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Im Falle der Füllstandsmessung entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen Antenne und Oberfläche des Füllguts. Der Füllstand selbst ergibt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der Antenne von dem Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllgutes von der Antenne.

Werden hochfrequente Mikrowellensignale als Meßsignale eingesetzt, so werden die Echosignale vor der Auswertung üblicherweise über ein sequen-tielles Abtastverfahren in den Niederfrequenzbereich transformiert. Das durch die Transformation kreierte Zwischenfrequenzsignal wird anschließend ausgewertet.

Das Zwischenfrequenzsignal zeichnet sich dadurch aus, daß es den gleichen Verlauf wie die Hüllkurve hat ; allerdings ist es gegenüber dieser um einen definierten Zeitdehnungsfaktor gestreckt. Der Vorteil der Trans-formation auf die Zwischenfrequenz ist vornehmlich darin zu sehen, daß relativ langsame und damit kostengünstige elektronische Bauteile zur Signalerfassung und/oder Signalauswertung verwendet werden können. Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur sequentiellen Abtastung von Echo-signalen ist übrigens in der DE 31 07 444 A1 beschrieben.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei der Energiespeichereinheit um einen Kondensator. Eine günstige Weiterbildung sieht darüber hinaus vor, daß zu dem Kondensator eine Speicherbegrenzungseinheit parallel geschaltet ist. Bei der Speicherbe- grenzungseinheit handelt es sich beispielsweise um eine Z-Diode.

Um stets sicherstellen zu können, daß der Leistungsbedarf des Füllstands- meßgeräts gedeckt ist, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, daß die Regel-/Auswerteschaltung die Aktivierungsphase einleitet, sobald in der Meßschaltung bzw. an einer Komponente der Meßschaltung ein vorgegebener Stromwert und/oder Spannungswert erreicht wird.

Insbesondere hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Regel- /Auswerteeinheit die Aktivierungsphase erst zu einem Zeitpunkt einleitet, wenn der vorgegebene Stromwert und/oder Spannungswert während eines vorbestimmten Zeitintervalls konstant sind/ist. Insbesondere gibt die Regel- /Auswerteeinheit eine zusätzliche Mindestwartezeit vor, bevor sie die Aktivierungsphase einleitet.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt : Fig. 1 : ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 : ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3 : ein Flußdigagramm zur Einleitung der Aktivierungsphase, Fig. 4 : ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausgestaltung der getakteten Meßschaltung, Fig. 5 : eine schematische Darstellung des Spannungstransienten, der bevorzugt zur Ermittlung der Taktrate der Meßschaltung herangezogen wird, und Fig. 6 : eine Darstellung unterschiedlicher Spannungsverläufe an einer Speichereinheit, die erfindungsgemäß genutzt wird.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Ein Füllgut 11 ist in dem Behälter 8 gelagert. Zur Bestimmung des Füllstandes L dient das Füllstandsmeßgerät 1, das in einer Öffnung 10 im Deckel 9 des Behälters 8 montiert ist. Über die Antenne 17 werden in der Signalerzeugungs-/Sendeeinheit 5 erzeugte Sendesignale, insbesondere Mikrowellenpulse, in Richtung der Oberfläche des Füllguts 11 abgestrahlt. An der Oberfläche des Füllguts 11 werden die Meßsignale als sog. Nutzecho-signale reflektiert. Diese Echosignale werden in der Empfangseinheit 6 empfangen und gegebenenfalls auf die Zwischenfrequenz transformiert. Insbesondere wird-wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben-die zeitgedehnte digitale Hüllkurve gebildet, die die Amplitudenwerte der Echo-signale als Funktion der Laufzeit zwischen Antenne 17 und Oberfläche des Füllguts 11 beschreibt. Die korrekte Taktung von Absendung der Sende-signale und Empfang der Echosignale durch die Sendeeinheit 5 bzw. die Empfangseinheit 6 erfolgt über die Sende-Empfangsweiche 7. Es versteht sich von selbst, daß anstelle der einen Antenne 17 auch eine separate Sendeantenne und eine separate Empfangsantenne zum Einsatz kommen können. Erfindungsgemäß wird die Taktrate der Meßschaltung 3 von der Regel-/Auswerteschaltung 4 so gesteuert, daß sichergestellt ist, daß der Leistungsbedarf der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 während der Aktivierungsphase über die Zweidrahtleitung 12,13 vollständig gedeckt ist und andererseits die'Schußrate'möglichst groß ist.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der wesentlichen Komponenten der erfindungs- gemäßen Vorrichtung 1 zu sehen. Über die Energieversorgungseinheit 21 wird die Energiespeichereinheit 16 mit Energie versorgt. Bevorzugt wird die Energiespeichereinheit 16 mit einem Konstantstrom aufgeladen. Erkennt die Speicherüberwachungseinheit 23, daß der vorgegebene Level'PowerGood'in der Energiespeichereinheit 16 erreicht ist, so erhält der Mikroprozessor 22 die Information, daß er die nächste Aktivierungsphase auslösen kann. Der Level 'PowerGood'bedeutet bevorzugt, daß die Energiespeichereinheit 16 näherungsweise vollständig aufgeladen ist. Nachfolgend triggert der Mikroprozessor 22 die Sendeeinheit 5, und die Sendeeinheit 5 sendet ein Meßsignal aus. Über die Energiespeichereinheit 16 wird übrigens auch der Mikroprozessor 22 mit Energie versorgt.

Die Einleitung einer Aktivierungsphase bzw. die Aussendung eines Meßsignals wird bevorzugt gemäß einem Programm gesteuert, das in dem Mikroprozessor 22 abgespeichert ist. Vorgegebenen werden PowerGood und MinCycleTime. Wie bereits erwähnt, kennzeichnet PowerGood bevorzugt den Level, der durch die näherungsweise maximal aufgeladene Energiespeicher-einheit 16 definiert ist.

MinCycleTime kennzeichnet eine maximale Schußrate. Diese maximale Schußrate wird nicht überschritten-selbst dann nicht, wenn die zur Verfügung stehende Energie eigentlich für ein früheres Einleiten der Aktivierungsphase genügen würde.

Gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Flußdiagramm wird bei Erreichen des Levels 'PowerGood'mit der Aussendung des Meßsignals bzw. mit der Einleitung der nächsten Aktivierungsphase gewartet, bis MinCycleTime abgelaufen ist.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Energieversorgung der Meßschaltung mit Strommodulation dargestellt. Bei der Energiespeicher-einheit 16 handelt es sich im gezeigten Fall um einen Kondensator 18 mit der Kapazität Cs. Der Kondensator 18 wird mit einem Konstantstrom Is solange aufgeladen, bis die Spannung Us die maximale Spannung der Zener-Diode 20-oder allgemein : der Speicherbegrenzungseinheit 19-erreicht hat. Die Diode 20 ist so gewählt, daß die während der Aktivierungsphase zur Verfügung stehende Energie optimal auf die zu betreibenden Komponenten der Meßschaltung 3 abgestimmt ist. Sobald die Spannung Us die an der Diode 20 maximal mögliche Spannung Dz erreicht hat, fließt der Strom Is nicht mehr in den Kondensator 18, sondern wird von der Z-Diode 20 in Wärme umgewandelt. Sobald dieser Zustand und nur wenn dieser Zustand vollständig erreicht oder theoretisch fast erreicht ist, wird die Aktivierungsphase von der Regel-/Auswerteeinheit 4 eingeleitet.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung des Spannungstransienten, der bevorzugt zur Ermittlung der Taktrate der Meßschaltung 3 herangezogen wird.

Insbesondere ist in Fig. 5 der typische Verlauf der Spannung Us (sh. auch Fig. 4) gegen die Zeit t aufgetragen. Der Spannungsverlauf wird beispiels-weise mit einem Mikroprozessor, der z. B. Teil der Regel-/Auswerteeinheit 4 ist, verfolgt.

Während der Aktivierungsphase, also während der Puls-Zeit Tp wird ein Meßsignal in Richtung auf das Füllgut 11 ausgesendet ; der Kondensator 18 wird teilweise entladen. Während der Erholungszeit TR wird der Kondensator 18 wieder aufgeladen. Während der Mindestwartezeit TF wird der Kondensator 18 niaht weiter aufgeladen. In dieser Zeit verläuft der Transient der Spannung parallel zur zeitachse. Eine Beobachtung der Spannung Us zur Enu. ennung des waagerechten Transienten während der Zeit TF kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungs-gemäßen Vorrichtung 1 als Kriterium dafür herangezogen werden, wann die die Meßschaltung 3 die nächste Aktivierungsphase einleitet.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann anstelle des Spannungstransienten die Spannung bzw. der Strom an der Speicherbegrenzungseinheit 19 als Indikator für die Einleitung der nächsten Aktivierungsphase herangezogen werden. Beobachtet man z. B. den Strom oder die Spannung an der Diode 20, so kann eine Entscheidung darüber getroffen werden, ob die Energiespeichereinheit 16 vollständig aufgeladen ist.

Alternativ kann die Spannung über dem Stromregler hinzugezogen werden : Ist die Versorgungsspannung UB kleiner als die durch die Speicherbe-grenzungseinheit 19 resultierende Spannung Us (z. B. die Spannung an der Diode 20), so wird das o. g. Kriterium nie erreicht. In diesem Fall wird die Spannung über der Stromsenke im voll aufgeladenen Zustand eine bestimmte Schwelle unterschreiten.

Bezugnehmend auf das in Fig. 2 gezeigte Beispiel bedeutet dies, daß UB-US = 0V ist. Daher ist es möglich, die Spannung über der Stromsenke als weiteres Kriterium für die nächste Aktivierungsphase heranzuziehen. Eine optimierte Lösung kann durch eine Kombination der beiden zuletzt genannten Kriterien erzielt werden.

Eine weitere Alternative zur Bestimmung der Einleitung der Aktivierungsphase sieht die Berechnung der maximalen Spannung vor. Berechnet man die nach Spezifikation der Klemmenspannung niedrigste Spannung Us = UTH während der Mindestwartezeit TF, so kann diese als Grenzspannung für die Einleitung der nächsten Aktivierungsphase verwendet werden. Hier entscheidet insbesondere ein einfacher Komparator über die Zulässigkeit einer neuen Aktivierungsphase.

Gemäß einer bevorzugten Variante der erfindungs-gemäßen Vorrichtung 1 ist darüber hinaus vorgesehen, daß die Schwellen-spannung UTH eine Funktion des Stromes I sein kann. Hierdurch läßt sich die'Schußrate'bzw. die Meßfrequenz des Füllstandsmeßgeräts 1 weiterhin optimieren. In diesem Fall wird die Energiespeichereinheit 16 nicht mehr vollständig aufgeladen, da der theoretische Wert zur Erfüllung der Worst-Case-Bedingung kleiner als die tatsächliche Spannung Us während der Mindest-Wartezeit TF sein muß.

Fig. 6 zeigt eine Darstellung unterschiedlicher Spannungsverläufe an einem Energiespeicher, der erfindungsgemäß zur Optimierung der Schußrate bei einem Füllstandsmeßgerät genutzt wird. Als Energiespeicher wird beispiels-weise ein Elektrolytkondensator 18 verwendet, wobei ein Hauptgedanke der Erfindung darin besteht, diesen Kondensator 18 immer auf einem Spannungs-niveau zu halten, das möglichst nahe an der maximal zur Verfügung stehenden Klemmenspannung liegt.

Der Spannungsverlauf nach einem Stromverbrauchsimpuls-also bei Aussendung eines Meßpulses-wird in der Fig. 6 bei drei verschiedenen Ausgangsniveaus gezeigt. Hierbei ist der Spanungsverlauf des Kondensators 18 ein Maß für das Energieniveau des Energiespeichers.

Bevorzugt wird der Kondensator 18 jeweils möglichst bis zur maximalen Klemmenspannung U aufgeladen. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung ist einerseits darin zu sehen, daß die Verlustleistung, welche über dem Stromregeler thermisch verbraucht wird, verringert wird ; andererseits wird das Energieniveau des Energiespeichers auf ein höheres Niveau geregelt. Dies ist vor allem beim Einsatz eines DC-DC-Wandlers zur Leistungsoptimierung wichtig, da der Strom, welcher dem Energiespeicher entzogen wird, umgekehrt proportional zu der Spannung ist. Somit ist auch die Erholzeit umgekehrt proportional zu der jeweiligen Ausgangsspannung-je höher das Ausgangsniveau ist, um so geringer ist die Erholzeit und um so schneller kann der nachfolgende Sendeimpuls ausgesendet werden.

Außerdem liegt ein Spannungsniveau, welches näherungsweise der maximalen Klemmenspannung entspricht, weit entfernt von dem kritischen Punkt. Als kritischer Spannung wird das Spannungsniveau angesehen, bei dem der Spannungsabfall in Folge der Aussendung eines Meßsignals so groß ist, daß der 'point of no return"erreicht wird. Bei Erreichen dieses Spannungswertes fällt die Spannung am Kondensator 18 auf Null ab.