Füllgutes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren und genauen Ermittlung des Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes mittels eines Ultraschall- oder Radarbasierten Füllstandsmessgerätes.

In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in

Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, oder vergleichbaren Geräten zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.

Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose

Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Dabei werden unter dem Begriff„Behälter" im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher überwiegend Ultraschall- oder Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung beziehen sich der Begriff Ultraschall auf Schall- Wellen in einem Frequenzbereich zwischen 14 KHz und 1 GHz; Der Begriff„Radar" auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Ein etabliertes Messprinzip bildet hierbei das Pulslaufzeit-Messprinzip. Hierbei werden Ultraschall- oder Mikrowellenpulse zyklisch in Richtung des Füllguts ausgesandt und die Laufzeit bis zum Empfang des entsprechenden Echo-Pulses gemessen. Auf Basis dieses Messprinzips können Füllstandsmessgeräte mit vergleichsweise geringem

schaltungstechnischem Aufwand realisiert werden. Ein Radar-basiertes

Füllstandsmessgerät, welches nach dem Puls-Laufzeit-Verfahren arbeitet, ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2012 104 858 A1 beschrieben. Das Ultraschall-basierte Pendant ist unter anderem in der Patentschrift EP 1480021 B1 gezeigt. Sofern eine komplexere Schaltungstechnik in Kauf genommen werden kann, bietet sich zur Radar-basierten Füllstandsmessung auch FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave") als Messprinzip an. Bezüglich eines typischen Aufbaus von FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten sei exemplarisch auf die Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 490 A1 verwiesen.

Das Messprinzip von FMCW- Radar basierten Entfernungsmessverfahren beruht darauf, ein kontinuierliches Mikrowellen-Signal mit einer modulierten Frequenz auszusenden. Dabei liegt die Frequenz des Signals in einem festgelegten Frequenzband im Bereich einer standar ^d isierten Mittenfrequenz. Kennzeichnend für FMCW ist hierbei, dass die

Sende-Frequenz nicht konstant ist, sondern sich periodisch innerhalb eines definierten Frequenzbandes ändert. Die zeitliche Änderung ist hierbei standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise Dreiecks-Form auf. Eine Sinus-förmige Änderung kann prinzipiell jedoch auch verwendet werden. Im Gegensatz zum Pulslaufzeit-verfahren wird die Entfernung bzw. der Füllstand bei Implementierung des FMCW -Verfahrens auf Basis der momentanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen

Empfangssignal und dem momentan ausgesendeten Sendesignal bestimmt.

Bei jedem dieser Messprinzipien (Ultraschall, Pulsradar, und FMCW) wird zur Ermittlung des Füllstandes anhand des Empfangssignals eine entsprechende Auswertungskurve erstellt. Bei Verwendung von Ultraschall entspricht die Auswertungskurve grundsätzlich direkt dem zeitlichen Amplitudenverlauf des Empfangssignals. Im Falle des Pulsradar- basierten Verfahrens wird die Auswertungskurve aufgrund der hohen Pulsfrequenz hingegen durch Unterabtastung des Empfangssignals erstellt. Dadurch bildet die Auswertungskurve das rohe Empfangssignal zeitgedehnt ab. Bei Implementierung des FMCW-Verfahrens wird die Auswertekurve durch Mischen des Sendesignals mit dem Empfangssignal erstellt. In allen Fällen spiegelt die Auswertungskurve jedoch die Amplitude des Empfangssignals in Abhängigkeit der Messdistanz wieder. Der Füllstand wird aus der Auswertungskurve beispielsweise durch Detektion und örtlicher Zuweisung eines lokalen Maximums bestimmt. Um das entsprechende Maximum zweifelsfrei erkennen zu können, ist es hierzu bekannt, die Auswertungskurve mittels eines geeigneten Filterverfahrens wie Mittelwert-, Maximalwert- oder Tiefpassfilterung zu glätten, um im Anschluss den Füllstand anhand der geglätteten Auswertungskurve bestimmen zu können. Dabei bietet eine geringe Glättung den Vorteil, dass Maxima örtlich besser aufgelöst werden können. Hierdurch lässt sich der Füllstand genauer bestimmen. Dies wird durch eine stärkere Glättung eingeschränkt, allerdings sinkt durch eine stärkere Glättung die Fehler- bzw. Störanfälligkeit der Füllstandsmessung. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Füllgut, dessen Füllstand zu bestimmen ist, eine sehr raue bzw. unebene Füllgut-Oberfläche aufweist, so dass das Empfangssignal stark verrauscht ist. Vor allem bei welligen oder nicht-flüssigen Füllgütern wie Korngütern ist dies zu beobachten, wobei die korrekte Füllstandsmessung in letzterem Fall zudem durch die Bildung von Schüttgut-Kegeln erschwert werden kann. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, auch bei schwierigen Mess- Umgebungen eine genaue und sichere Füllstandsmessung zu gewährleisten.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes mittels eines entsprechenden

Füllstandsmessgerätes, folgende Verfahrensschritte umfassend:

Aussenden eines Sendesignals in Richtung des Füllgutes,

Empfangen eines von der Messdistanz abhängigen Empfangssignals,

Erstellen einer Auswertungskurve anhand von zumindest dem Empfangssignal, - Glätten der Auswertungskurve mittels zumindest eines Filterverfahrens, und

Bestimmung des Füllstandes anhand der geglätteten Auswertungskurve.

Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass die Auswertungskurve in Abhängigkeit der Messdistanz verschieden stark geglättet wird. Somit kann der Füllstand L bei verschiedensten Einsatzzwecken einerseits sicher und andererseits trotzdem sehr genau bestimmt werden. Dabei lässt sich das Verfahren nicht nur anwenden, wenn das Sendesignal in Form eines Ultraschallsignals, ausgesendet wird, sondern auch, wenn das Sendesignal in Form eines Radar-Signals, insbesondere eines Radar-Signals nach dem FMCW- oder Pulslaufzeit- Verfahren, ausgesendet wird.

Zur Glättung der Auswertungskurve kann als Filterverfahren beispielsweise eine Tiefpassfilterung, eine insbesondere gleitende Mittelwertfilterung und/oder eine insbesondere gleitende Maximalwertfilterung eingesetzt werden. Dementsprechend bezieht sich die Begriff„Filterung" bzw.„Glättung" im Rahmen der Erfindung ausdrücklich nicht auf das vollständige Ausblenden einzelner Teilbereiche der Auswertungskurve.

Die erfindungsgemäße Veränderung der Glättung über die Messdistanz kann auf verschiedene Arten eingestellt werden: Für den Fall, dass als Filterverfahren eine Mittelwertfilterung und/oder eine Maximalwertfilterung eingesetzt werden/wird, kann der Mittelwertfilter und/oder der Maximalwertfilter beispielsweise mit einer Fensterbreite, die sich in Abhängigkeit der Messdistanz ändert, ausgelegt werden. Hierzu kann die Fensterbreite linear oder nichtlinear, insbesondere exponentiell und/oder logarithmisch, mit der Messdistanz verändert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die Fensterbreite in zumindest zwei verschiedenen Teilbereichen der Messdistanz konstant mit voneinander verschiedenen Breiten einzustellen. In diesem Zusammenhang ist die Fensterbreite als diejenige Anzahl der nebeneinander liegenden Messpunkte der Auswertungskurve definiert, aus denen jeweils ein Mittelwert und/oder ein Maximalwert bestimmt wird. Diese Definition kann entsprechend auch auf die Länge des jeweiligen Segmentes der Messdistanz, über die sich diese Anzahl der nebeneinander liegenden Messpunkte erstreckt, übertragen werden.

Neben Variante, die Glättung über die Messdistanz mittels der Fensterbreite zu ändern, ist es auch möglich, in zumindest einem Teilbereich der Messdistanz ein von einem angrenzenden Teilbereich abweichendes Filterverfahren zu implementieren, um so in den einzelnen Teilbereichen eine unterschiedliche Glättung über die Messdistanz zu erreichen.

Unabhängig davon, ob in verschiedenen Teilbereichen unterschiedliche Filterverfahren eingesetzt werden, bzw. unabhängig davon, auf welche Art (linear exponentiell, etc.) die Stärke der Filterung bei dem jeweiligen Filterverfahren eingestellt wird, ist es in der praktischen Anwendung von Vorteil, wenn die Messdistanz in einen Nahbereich, einen mittleren Teilbereich und einen Fembereich unterteilt ist, wobei die Glättung im

Nahbereich und im Endbereich im Vergleich zum mittleren Teilbereich geringer eingestellt ist. Denn gerade in den äußeren beiden Teilbereichen kommt es häufig vor, dass die Auswertungskurve von parasitären Mehrfach-Echos, Behälterboden-Echos oder geräteinternen Echos geprägt ist.

Zur Durchführung des Verfahrens nach einer der zuvor genannten Ausführungsvarianten hat ein entsprechendes Füllstandmessgerät zumindest folgende Komponenten zu umfassen:

Eine Sendeeinheit, die in Abhängigkeit des implementierten Messprinzips ausgelegt ist, das Sendesignal in Form einer Ultraschall- oder Radar-Welle auszusenden (im Falle von Radar insbesondere ab Frequenzen oberhalb von 70 GHz ein halbleiterbasierter Primärstrahler; bei Ultraschall z. B. eine

entsprechende Schaltung mit einem Piezo-Schwinger),

Eine Empfangseinheit wie bspw. eine Horn-Antenne oder eine Resonator- Struktur, die ausgestaltet ist, um das korrespondierende Empfangssignal zu empfangen, und

Eine Auswerteeinheit (beispielsweise als Microcontroller oder FPGA realisiert), die konzipiert ist, um

o anhand von zumindest dem Empfangssignal die Auswertekurve zu

erstellen,

o die Auswertekurve in Abhängigkeit der Messdistanz verschieden zu

glätten, und

o anhand der geglätteten Auswertekurve den Füllstand zu bestimmen. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : Eine typische Anordnung eines Füllstandsmessgerätes, Fig. 2: eine ungeglättete, sowie eine durch Maximalwertfilterung geglättete

Auswertungskurve, und

Fig. 3: verschiedene Varianten zur Glättung der Auswertungskurve in Abhängigkeit der Messdistanz.

Zum allgemeinen Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 eine typische Anordnung eines Ultraschall- oder Radar-basierten Füllstandsmessgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. Im Behälter 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das

Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Dazu ist das Füllstandsmessgerät 1 in einer vorbekannten Einbauhöhe h oberhalb des Füllgutes 3 am Behälter 2 angebracht. Hierbei kann der Behälter 2 je nach Anwendung bis zu mehr als 100 m hoch sein. Unabhängig vom implementierten Messprinzip (Ultraschall, Pulsradar, FMCW) umfasst das

Füllstandsmessgerät 1 als grundlegende Funktionsblöcke:

- eine Sendeeinheit, die ausgelegt ist, das Sendesignal SHF auszusenden (für Ultraschall beispielsweise ein entsprechend angesteuertes Piezo-Element; Bei

Radar ab 70 GHz beispielsweise einen Halbleiter-basierten Primärstrahler), eine Empfangseinheit zum Empfang des entsprechenden Empfangssignals EHF, und

eine Auswerteeinheit, die konzipiert ist, um auf Basis des Empfangssignals EHF ein Auswertekurve zu erstellen bzw. zu glätten und anhand dessen den Füllstand

L zu bestimmen.

In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über ein Bussystem, etwa„PROFIBUS", „HART" oder„Wireless HART" mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den

Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Es können auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter 2 vorhandene Zuflüsse zu steuern. Wie aus Fig. 1 ersichtlich wird, ist das Füllstandsmessgerät 1 so am Behälter 2 angeordnet, dass es Radar- oder Ultraschall-basierte Sendesignale SHF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 3 aussendet. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Empfangssignale EHF nach einer Laufzeit t. Hierbei hängt die Laufzeit t von der Messdistanz d bzw. von der Entfernung h - L zur Füllgut-Oberfläche ab. Zur Ermittlung des Füllstandes L wird das Empfangssignal EHF in Form einer

Auswertungskurve A(d) aufgezeichnet. Sofern das Füllstandsmessgerät 1 auf Basis von Ultraschall arbeitet, entspricht die Auswertungskurve A(d) unmittelbar dem zeitlichen (und somit dem von der Messdistanz d abhängigen) Amplituden-Verlauf des Empfangssignals EHF- Im Falle des Pulsradar-Prinzips wird die Auswertungskurve A(d) aufgrund der hohen Pulsfrequenz durch das Füllstandsmessgerät 1 in der Regel durch Unterabtastung des Empfangssignals EHF erstellt. Sofern im Füllstandsmessgerät 1 das FMCW-Verfahren implementiert ist, wird die Auswertekurve durch Mischen des Sendesignals SHF mit dem Empfangssignal EHF erstellt. Wie in Fig. 2 gezeigt wird, spiegelt die Auswertungskurve A(d) jedoch unabhängig vom implementierten Messprinzip die Amplitude des

Empfangssignals in Abhängigkeit der Messdistanz wieder.

In Fig. 1 ist schematisch angedeutet, dass das Füllgut 3 in Form eines Schüttgutes mit entsprechendem Schüttgutkegel vorliegt. Dementsprechend ist die in Fig. 2 gezeigte, korrespondierende Auswertungskurve A(d) vergleichsweise stark verrauscht. Aus der ungefilterten Auswertungskurve A(d) ist es daher unter diesen Bedingungen nicht mit ausreichender Sicherheit möglich, dasjenige Amplituden-Maximum der Auswertungskurve A(d), das durch Reflektion des Sendesignals SHF an der Füllgut-Oberfläche hervorgerufen wurde, korrekt zuzuordnen. Aus diesem Grund ist zur Bestimmung des Füllstands L daher in der Regel eine Filter-basierte Glättung der Auswertungskurve A(d) erforderlich. In Fig. 2 ist aus diesem Grund zusätzlich die per Maximalwertfilterung und

anschließender Mittelwertbildung geglättete Auswertungskurve A(d) dargestellt. Im Vergleich zu einer Tiefpassfilterung bietet dies den Vorteil, dass hierdurch kein Verlust bzw. keine Verringerung der Amplitude bewirkt wird.

Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, resultiert durch die Maximalwertfilterung ein Kurvenverlauf, der grob den lokalen Maxima der ungefilterten Auswertungskurve A(d) folgt. Je stärker dabei die Filterung ist (das heißt, je größer dabei die Fensterbreite, über die die

Maximalwerte gemittelt werden), desto stärker werden kleine lokale Maxima

ausgeblendet.

Fig. 2 illustriert außerdem, dass auf Basis der geglätteten Auswertungskurve A(d) der Füllstand L einem lokalen Maximum zugeordnet werden kann. Eine sehr hochgenaue Zuordnung des Füllstandswertes L ist dabei jedoch aufgrund des stark geglätteten Maximums nicht möglich. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die

Auswertungskurve A(d) in Abhängigkeit der Messdistanz verschieden, also mit verschiedenen Filter-Stärken, zu glätten. Hierzu gibt es, wie in Fig. 3 dargestellt ist, unterschiedliche Umsetzungsmöglichkeiten: Eine erste Möglichkeit zur Messdistanz-abhängigen Glättung besteht darin, die

Messdistanz in verschiedene Teilbereiche I, II, III zu gliedern und in jedem der

Teilbereiche I, II, II jeweils eine konstante Filter-Stärke einzustellen, wobei die Filterstärke von der des angrenzenden Teilbereichs I, II, III abweicht. Diese potentielle Art der Umsetzung ist in Kurve (a) von Fig. 3 verdeutlicht. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es auch denkbar, den Filter so einzustellen, dass sich die Filter-Stärke zumindest in einem der Teilbereiche I, II, III kontinuierlich ändert. Diesbezüglich ist in Kurve (b) von Fig. 3 eine lineare Änderung der Filter-Stärke dargestellt. Wie durch Kurve (c) angedeutet wird, ist jedoch auch jegliche andere Art der kontinuierlichen Änderung, wie logarithmisch, exponentiell, etc., implementierbar.

Bei allen der in Fig. 3 gargestellten Verläufe (a, b, c) ist die Glättungsstärke im

Nahbereich I und im Fembereich III (jeweils in Bezug zum Füllstandsmessgerät 1 ) im Vergleich zum mittleren Teilbereich II der Messdistanz d erniedrigt. Diese Strategie, die Glättung im Nahbereich I und im Endbereich III zu abzuschwächen (bzw. die Glättung im mittleren Teilbereich II zu verstärken) ist besonders geeignet, um den Füllstand L auf erfindungsgemäße Weise sicher und trotzdem genau bestimmen zu können:

Insbesondere im Nahbereich I und im Endbereich III kann das Empfangssignal EHF VOH parasitären Mehrfach-Echos, Behälterboden-Echos oder geräteinternen Echos gestört sein.

Neben der Änderung der Filterstärke bzw. der Stärke der Glättung besteht zudem eine weitere Variante zur Umsetzung der Erfindung darin, in unterschiedlichen Teilbereichen I, II, III der Messdistanz jeweils unterschiedliche Filtertypen einzusetzen: Bezogen auf Fig. 3 bedeutet dies beispielsweise, die Auswertungskurve A(d) im mittleren Teilbereich II mittels einer Tiefpassfilterung zu glätten, während in den anderen Teilbereichen I, III eine Maximalwertfilterung implementiert ist. Dabei wird die Stärke der Glättung im Fall von Maximalwert- oder Mittelwert-Filterung durch Vergrößerung der Fensterbreite erhöht. Bei Tiefpassfilterung wird die Filterstärke entsprechend durch den Dämpfungsfaktor des Tiefpasses eingestellt. Bezugszeichenliste

1 Füllstandsmessgerät

2 Behälter

3 Füllgut

4 Übergeordnete Einheit

A(d) Auswertungskurve

d Messdistanz

EHF Empfangssignal

F Füllstand

h Einbauhöhe

SHF Sendesignal

l, IS, Iii Teilbereiche