Verfahren zur Ermittlung und überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter nach einem Laufzeitmessverfahren

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und

überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter nach einem Laufzeitmessverfahren gemäß dem Anspruch 1.

[0002] Entsprechende 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 solche Füllstandsmessgeräte unter dem Namen Prosonic, Levelflex und Micropilot 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. Diese Füllstandsmessgeräte senden ein periodisches Sendesignal im Mikrowellen- oder Ultraschalbereich mittels eines Sende-/Empfangselementes in Richtung Oberfläche eines Füllguts und empfangen die reflektierten Echosignale nach einer abstandsabhängigen Laufzeit. Handelsübliche mit Mikrowellen arbeitende Füllstandsmessgeräte lassen sich grundlegend in zwei Klassen einteilen; eine erste Klasse, bei der die Mikrowellen mittels einer Antenne in Richtung des Füllguts gesendet, an der Füllgutoberfläche reflektiert und anschließend nach einer abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen werden und eine zweite Klasse, bei der die Mikrowellen entlang eines Wellenleiters in Richtung des Füllguts geführt werden, an der Füllgutoberfläche aufgrund des dort bestehenden Impedanzsprunges reflektiert werden und die reflektierten Wellen entlang des Wellenleiter wieder zurück geleitet werden.

[0003] Aus den empfangenen Echosignalen wird in der Regel eine die

Echoamplituden als Funktion der Laufzeit darstellende Echofunktion gebildet, wobei jeder Wert dieser Echofunktion der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand vom Sendeelement reflektierten Echos entspricht.

[0004] In dieser ermittelten Echofunktion wird ein Nutzecho bestimmt, das der

Reflexion des Sendesignals an der Füllgutoberfläche entspricht. Aus der Laufzeit des Nutzechos ergibt sich bei einer bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Sendesignale unmittelbar der Abstand zwischen der Füllgutoberfläche und dem Sendeelement.

[0005] Um die Echokurvenauswertung zu vereinfachen werden nicht die empfangen Rohsignal der Impulsfolgen verwendet, sondern es wird die Einhüllende, die so genannte Hüllkurve, ermittelt. Die Hüllkurve wird beispielsweise dadurch gewonnen, dass das Rohsignal der Impulsfolgen gleichgerichtet und anschließend über einen Tiefpass gefiltert wird.

[0006] Es gibt eine Vielzahl verschiedener Verfahren zur Bestimmung des Nutzechos in einer Hüllkurve, die sich in zwei grundlegend Methoden einteilen lassen. Entweder die statischen Ermittlungsmethoden mit statischen Echosuchalgorithmen und oder die dynamischen Ermittlungsmethoden mit dynamischen Echosuchalgorithmen.

[0007] Gemäß einem ersten Verfahren nach einer statischen Echosuchmethode wird durch einen statischen Echosuchalgorithmus das Nutzecho, das eine größere Amplitude als die übrigen Echos aufweist, ausgewählt. Es wird somit das Echo in der Hüllkurve mit der größten Amplitude als Nutzecho ermittelt.

[0008] Gemäß einem zweiten Verfahren nach einer statischen Echosuchmethode wird durch einen statischen Echosuchalgorithmus angenommen, dass das Nutzecho das nach dem Sendeimpuls das erste eintreffende Echo in der Hüllkurve ist. Es wird somit das erste Echo in der Hüllkurve als Nutzecho ausgewählt.

[0009] Es ist möglich, beide Verfahren in einem statischen Echosuchalgorithmus miteinander zu kombinieren, indem z.B. ein so genannter Erstechofaktor definiert wird. Der Erstechofaktor ist ein vorgegebener Faktor, um den ein Echo eine bestimmte Amplitude übersteigen muss, um als Nutzecho erkannt zu werden. Alternativ kann eine laufzeit-abhängige Echoschwelle definiert werden, die ein Echo übersteigen muss, um als Nutzecho erkannt zu werden.

[0010] Gemäß einem dritten Verfahren wird dem Füllstandsmessgerät einmalig der aktuelle Füllstand mitgeteilt. Das Füllstandsmessgerät kann anhand

des vorgegebenen Füllstandes das zugehörige Echo als Nutzecho identifizieren und z.B. durch einen geeigneten dynamischer Echosuchalgorithmus verfolgen. Derartige Verfahren werden als Echoverfolgung bezeichnet. Dabei werden z.B. in jedem Messzyklus Maxima des Echosignals oder der Echofunktion bestimmt und aufgrund der Kenntnis des im vorangegangenen Messzyklus ermittelten Füllstandes und einer anwendungsspezifischen maximal zu erwartenden änderungsgeschwindigkeit des Füllstandes das Nutzecho ermittelt. Aus einer Laufzeit des so ermittelten aktuellen Nutzechos ergibt sich dann der neue Füllstand.

[0011] Ein viertes Verfahren ist in der DE 102 60 962 A1 beschrieben. Dort wird das Nutzecho anhand von zuvor in einem Speicher abgelegten Daten ermittelt. Dabei werden aus empfangenen Echosignalen Echofunktionen abgeleitet, die die Amplituden der Echosignale in Abhängigkeit von deren Laufzeit wiedergeben. Die Echofunktionen sind in einer Tabelle abgelegt, wobei jede Spalten zur Aufnahme jeweils einer Echofunktion dient. Die Echofunktionen sind in den Spalten in einer Reihenfolge abgelegt, welche den jeweiligen Echofunktionen zugehörige Füllstand entspricht. Im Betrieb werden das Nutzecho und der zugehörige Füllstand anhand der Echofunktion des aktuellen Sendesignals mit Hilfe der Tabelle bestimmt.

[0012] In der DE 103 60 710 A1 ist ein fünftes Verfahren beschrieben, bei dem periodisch Sendesignale in Richtung des Füllgutes gesendet werden, deren Echosignale aufgenommen und in eine Echofunktion umgewandelt werden, mindestens eine Echoeigenschaft der Echofunktion bestimmt wird, und anhand der Echoeigenschaften mindestens einer vorherigen Messung eine Vorhersage für die bei der aktuellen Messung zu erwartenden Echoeigenschaften abgeleitet wird. Es werden die Echoeigenschaften der aktuellen Messung unter Einbeziehung der Vorhersage bestimmt, und anhand der Echoeigenschaften der aktuelle Füllstand ermittelt. Dieses Verfahren kommt im weitesten Sinne einer Echoverfolgung nahe.

[0013] In der DE 10 2004 052 110 A1 ist ein sechstes Verfahren beschrieben, das Verbesserung der Nutzechoerkennung durch eine Echobewertung

und Klassifizierung der Echos in der Hüllkurve erreicht.

[0014] Diese oben beschriebenen Verfahren arbeiten für sich genommen jeweils bei einer Vielzahl von Anwendungen einwandfrei. Probleme treten jedoch immer dann auf, wenn das vom Füllstand stammende Echo anhand des Verfahrens nicht zweifelsfrei identifiziert werden kann.

[0015] Beim ersten Verfahren treten beispielsweise Messprobleme auf, falls Einbauten im Behälter vorhanden sind, die die Sendesignale besser reflektieren, als die Füllgutoberfläche.

[0016] Bei der Echoverfolgung gemäß dem dritten Verfahren treten

Messprobleme auf, falls im Betrieb das Nutzecho über ein Störecho läuft und nachfolgend das s Störecho als ein falsches Nutzecho weiter verfolgt wird. Desweitern taucht ein Problem auf, falls beim Einschalten, das vorhergehende Nutzechosignal mit dem tatsächlichen nicht mehr übereinstimmt oder das vorhergehende Nutzechosignal nicht bekannt ist.

[0017] Wird versehentlich ein anderes Echo als das Füllstandsecho als Nutzecho klassifiziert, besteht die Gefahr, dass ein falscher Füllstand ausgegeben wird, ohne dass dies bemerkt wird. Dies kann je nach Anwendung zu einer überfüllung von Behältern, zum Leerbetrieb von Pumpen oder anderen zum Teil mit erheblichen Gefahren verbundenen Ereignissen führen.

[0018] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes, angepasstes und selbstlernendes Verfahren zur Auswertung von Nutzechosignalen in Echokurven der Laufzeitmessung von Messsignalen aufzuzeigen.

[0019] Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die im Anspruch 1 angeführten Merkmale gelöst.

[0020] Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0021] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zur besseren übersicht und zur Vereinfachung die Elemente, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

[0022] Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Messgeräts zur Ermittlung des Füllstands mit einer entsprechenden Echofunktion,

[0023] Fig. 2 eine Echofunktion mit durch einen statischen Echosuchalgorithmus bestimmten Bewertungsfunktion, und

[0024] Fig. 3 eine Echofunktion mit durch einen dynamischen Echosuchalgorithmus bestimmten Echoverfolgung.

[0025] In Fig. 1 ist ein nach dem Laufzeit-Messverfahren arbeitendes Messgerät 1 zur Ermittlung des Füllstand F eines Mediums 7 gezeigt, das auf einem Behälter 5 an einem Stutzen montiert ist. Bei dem gezeigten Messgerät 1 handelt es sich um eine frei in den Prozessraum abstrahlendes Sende-/Empfangselement 6 mit einem Messumformer 9. Der Messumformer 9 weist zumindest eine Sende-/Empfangseinheit 3, die die Erzeugung und den Empfang der Messsignale ausführt, eine Regel-/Auswerteeinheit 4, die zur signaltechnische Verarbeitung der Messsignale und zur Steuerung des Messgeräts 1 befähigt, und außerdem eine Kommunikationseinheit 2, die die Kommunikation über ein Bussystem sowie die Energieversorgung des Messgeräts 1 steuert und regelt, auf. In der Regel-/Auswerteeinheit 4 ist beispielsweise ein Speicherelement integriert, in dem die Messparameter und Echoparameter abgelegt sind und in dem Messfaktoren und Echofaktoren abgespeichert werden. Das Sende-/Empfangselement 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise als eine Hornantenne ausgeführt, jedoch kann als Sende-/Empfangselement 6 jede bekannte Antennenform, wie z.B. Stab- oder Planarantenne ausgestaltet sein. In der Sende-/Empfangseinheit 3 wird ein Messsignal beispielsweise in Form eines hochfrequenten Sendesignals S erzeugt und über das Sende-/Empfangselement 6 in einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik in Richtung Medium 7 abgestrahlt. Nach einer von der zurückgelegten Strecke x abhängigen Laufzeit t werden die an der Grenzfläche 8 des Mediums 7 reflektierten Sendesignale S als Reflexionssignal R wieder von der Sende-/Empfangselement 6 und der Sende-/Empfangseinheit 3 empfangen. Die nachgeschaltete Regel-/Auswerteeinheit 2 ermittelt aus den Reflexionssignalen R eine Echofunktion 10, die die Amplituden der

Echosignale 14 dieser Reflexionssignale R in Abhängigkeit der zurückgelegten Strecke x oder der entsprechenden Laufzeit t darstellt. Durch eine Analog/Digitalwandlung der analogen Echofunktion 10 bzw. der Echokurve 10 wird eine digitalisierte Hüllkurve 11 erzeugt. Im Weiteren wird nur noch der Begriff der Echofunktion 10 verwendet, wobei dieser Begriff ebenfalls die Begriffe der Echokurve 10, der Hüllfunktion bzw. der Hüllkurve 11 impliziert.

[0026] Eine die Messsituation im Behälter 5 abbildende Echofunktion 10 ist proportional zur Laufstrecke x des Sendesignals S dargestellt. Zum besseren Verständnis sind Bezugslinien den entsprechenden Echosignalen 18 in der Echofunktion 10 zugeordnet, so dass das Ursache-Wirkungs-Prinzip auf einen Blick erfasst werden kann. Im Anfangsbereich der Echofunktion 10 ist das Abklingverhalten bzw. das so genannten Klingeln zu sehen, das aufgrund von Mehrfachreflexionen oder auch durch Ansatzbildung in dem Sende-/Empfangselement 6 oder dem Stutzen entstehen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur alleine, wie explizit in Fig. 1 dargestellt, in frei abstrahlenden Mikrowellen-Messgeräten 1 umsetzbar, sondern ein Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in weiteren Laufzeitmesssystemen, wie beispielsweise TDR-Messgeräten oder Ultraschall-Messgeräten ausführbar.

[0027] Nach heutigem Stand der Technik gibt es verschiedene Ansätze, die exakte Position X ₁ des Nutzechosignal 15 in der ermittelten Echofunktion 10 oder der digitalen Hüllkurve zu bestimmen. Von der exakten Bestimmung der Messposition des Füllstands F in der Echofunktion 10 hängt ab, welche Messgenauigkeit mit diesem Echomessprinzip unter den gegebenen Messbedingungen erreicht werden kann.

[0028] Ein statischer Ansatz, den Füllstand zu bestimmen, ist in der Echofunktion 10 in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 2 ist die Echofunktion 10 aus Fig. 1 vergrößert und in die Horizontale gedreht dargestellt. Auf der Abszissenachse ist die benötigte Laufzeit t oder der zurückgelegte Weg x des Messsignals im Behälter 5 aufgetragen, und die Ordinatenachse enthält die Amplitudenwerte Amp der Echofunktion 10.

[0029] In dem Diagramm wird eine Bewertungskurve B präsentiert, die mittels einem statischen Echosuchalgorithmus, z.B. eine mathematische Filterfunktion in Form einer gleitenden Mittelwertbildung, aus der jeweiligen Echofunktion 10 oder einer bei der Inbetriebnahme ermittelten Echofunktion 10 im leeren Behälter 5 ermittelt wird. Diese Bewertungskurve B wird zur Ermittlung der Nutzechosignale 15 in der Echofunktion 10 verwendet. Dementsprechend wird diese Bewertungskurve B als Bezugslinie bzw. Abbruchkriterium für den statischen Echosuchalgorithmus 12 von Nutzechosignalen 15 in der Echofunktion 10 verwendet. Demzufolge ist es möglich, die Nutzechosignale 15 in der Echofunktion 10 mittels der Bewertungskurve B zu identifizieren. Die Signalanteile, die oberhalb der Bewertungskurve B liegen, werden von dem statischen Echosuchalgorithmus 12 als Nutzechosignale 15 erkannt.

[0030] Außerdem ist eine Ausblendkurve D gezeigt, anhand der Störsignale R und Rauschsignale N, die beispielsweise durch Störreflexionen an Einbauten im Behälter, durch Mehrwegeausbreitung und durch Mehrmodenausbreitung, durch Schaum- und Ansatzbildung des Mediums und durch turbulente Mediumsoberflächen entstehen können, ausgeblendet werden.

[0031] Zur Festlegung der Messbedingungen und der Auswertungsbedingung mittels der statischen und dynamischen Echosuchalgorithmen 12,13 ist je nach Messgerät 1 und Anwendung eine Fülle von verschiedenen Parametern erforderlich. Zu den Parametern zählen auch Angaben über die Geometrie des verwendeten Behälters 5, eine Leerdistanz, bei der das Füllstandsmessgerät 1 erkennen soll, dass ein mit dem Medium 7 gefüllter Behälter leer ist, und eine Füllstandsobergrenze, bei der das Füllstandsmessgerät 1 erkennen soll, dass der Behälter 5 voll ist. Hinzu kommt eine in der Regel anwendungsabhängige messgerätspezifische Blockdistanz, innerhalb derer keine Füllstandsmessung möglich ist, ein Untergrundsignal, das bei der Messung auszublenden ist, sowie Materialeigenschaften des Mediums 7, wie z.B. dessen Dielektrizitätskonstante.

[0032] Auch Auswahlvorschriften zur Bestimmung des Nutzechosignals 15 spielen eine wichtige Rolle. Diese statischen Auswahlvorschriften werden in der Industrie häufig als Erstechofaktor bezeichnet. Solche statischen Auswahlvorschriften können je nach Anwendung vorgeben, dass dasjenige Echo mit der kürzesten Laufzeit als Nutzecho auszuwählen ist, dass dasjenige Echo mit der größten Amplitude als Nutzecho auszuwählen ist, oder dass das Nutzecho anhand einer Gewichtungsfunktion ausgewählt wird, die die Laufzeiten und die Amplituden der Echosignale berücksichtigt.

[0033] Um diese statischen Auswahlvorschriften an sich ändernde

Messbedingungen anzupassen, sind in Fig. 3 einer leicht vergrößerten Darstellung der Echofunktion aus Fig. 2 mit eine erfindungsgemäßen Kombination der statischen Echosuchalgorithmus 12 und des dynamischen Echosuchalgorithmus 13 aufgezeigt. Aufgrund der von sich ändernden Messbedingungen oder Veränderungen am Messgerät 1 verändert sich die die ermittelte Echofunktion 10. Die aktuelle Echofunktion 10 ist durch eine kontinuierliche Linie dargestellt und die alte Echofunktion 10 ist als gepunktet Line abgebildet. Durch den direkten Vergleich lassen sich Positionsänderungen dx der Position X ₁ und Amplitudenänderungen dA der Amplitude A ₁ in den Echosignalen 14 und dem Nutzechosignal 15 feststellen. Erfindungsgemäß wird mittels eines dynamischen Echoverfolgungsalgorithmus 13 eine Echoverfolgung der Echosignale 14 und des Nutzechosignals 15 durchgeführt. Entweder wird hierzu vor einem erstem Messzyklus die Position X ₁ des Nutzechosignals 15 mittels einer statischen Echosuchalgorithmus 12 bestimmt oder die Position X ₁ des Nutzechosignals 15 wird von dem Bediener des Messgeräts 1 aus der dargestellten Echofunktion 10 bzw. Hüllkurve 11 ausgewählt oder als entsprechender Parameter eingegeben. An dieser Position X ₁ wird von dem dynamischen Echosuchalgorithmus 13 ein Suchfenster 19 platziert. Dieses Suchfenster 19 hat eine vorgegebene Breite und Höhe und ist so angeordnet, dass ausgehend von der Position X ₁ nach einer Positionsänderung dx in beide gegenläufigen Richtungen nach dem Echosignal 14 oder dem Nutzechosignal 15 gesucht werden

kann. Als Position X ₁ wird der Scheitelpunkt oder ein definierter Punkt im Bereich des Echosignals 14 oder des Nutzechosignals 15 verwendet. Die Breite und Höhe der Suchfenster kann sich auch beispielsweise an die Höhe und Impulsbreite des Echosignals 14 und des Nutzechosignals 15 anpassen. Aus den Positionsänderung dx und der Amplitudenänderung dA können Rückschlüsse auf änderungen in der Ausblendkurve D, der Bewertungskurve B und den Echoparametern E gemacht werden. Die Bewertungskurve B und die Ausblendkurve D werden anhand der neuen Positionsdaten der Echosignale 14 und der Nutzechosignale 15 neu berechnet oder angeglichen. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird der statische Echosuchalgorithmus 12 aufgrund der änderungen in den Ermittlungsparametern, wie z. B. der Ausblendkurve D, der Bewertungskurve B und den Echoparametern E, an die sich ändernden Messbedingungen angepasst. Die änderungshistorie der Ausblendkurve D, der Bewertungskurve B und den Echoparametern E werden in einem so genannten Schleppzeiger 20 gespeichert, der einen minimalen und maximalen Zustand festhält. Bezogen auf den zuvor beschriebenen Erstechofaktor zeigt der Bereich zwischen dem minimalen Zustand und dem maximalen Zustand des Erstechofaktors im Schleppzeiger 20 den Bereich an, in dem eine Ermittlung des Nutzechosignals 15 möglich ist.

Bezugszeichenliste

1. Feldgerät, Messgerät

2. Regel-/Auswerteeinheit

3. Sende-/Empfangseinheit

4. Kommunikationseinheit

5. Behälter

6. Sende-/Empfangselement

7. Medium

8. Grenzschicht, Oberfläche

9. Messumformer

10. Echofunktion, Echokurve

11. Hüllfunktion, Hüllkurve

12. statischer Echosuchalgorithmus

13. dynamischer Echosuchalgorithmus

14. Echosignal

15. Nutzechosignal

16. maximales Echosignal

17. erste Echosignal

18. Störechosignal

19. Suchfenster

20. Schleppzeiger

21. Nulllinie

[0035] Amp Amplitudenwert [0036] A ₁ Amplitude

[0037] A _max maximaler Amplitude [0038] dA Amplitudenänderung [0039] S Sendesignal [0040] R Reflexionssignal [0041] K Störsignal [0042] x Weg, Laufweg [0043] X ₁ Position [0044] dx Positionsänderung [0045] t Zeit, Laufzeit

[0046] F Füllstand [0047] D Ausblendkurve [0048] B Bewertungskurve