Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sicheren Füllstandsmessung sowie ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Ausführung dieses Verfahrens.

In der Prozessautomatisierungstechnik werden allgemein Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Flierzu basiert die Funktionsweise der Feldgeräte auf jeweils geeigneten Messprinzipien, um die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder

Leitfähigkeit zu erfassen. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen werden 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 ^J ‘ im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein zentraler Vorteil solcher Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich dabei der Begriff„Radar“ auf Signale mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz. Übliche

Frequenzbänder, bei denen Radar-basierte Füllstandsmessung durchgeführt wird, liegen bei 2 GHz, 6 GHz 26 GHz oder 79 GHz. Der Begriff„Optisches Signah bezieht sich auf elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz zwischen 300 GHz (Infrarot) und 3000 THz (Ultraviolett). Der Begriff

„Ultraschair bezieht sich auf akustische Signale mit einer Frequenz zwischen 12 kHz und 10 MHz.

Im Fall von Radar- und Ultraschall-basierter Füllstandsmessung bildet das Pulslaufzeit-Prinzip ein etabliertes Messprinzip. Hierbei werden pulsförmige Signale zyklisch in Richtung des Füllguts ausgesandt und die Laufzeit pulsförmigen Empfangssignals gemessen. Auf Basis dieses Messprinzips können Füllstandsmessgeräte mit vergleichsweise geringem

schaltungstechnischem Aufwand realisiert werden. Sofern bei Radar-basierter Füllstandsmessung eine komplexere

Schaltungstechnik in Kauf genommen werden kann, bietet sich zur

Füllstandsmessung auch FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) als Messprinzip an. Dieses Messprinzip beruht darauf, das Radar-Signal zwar kontinuierlich, jedoch mit modulierter Frequenz auszusenden. Dabei liegt die Frequenz des Signals in einem festgelegten Frequenzband im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz. Kennzeichnend für FMCW ist hierbei, dass die Sende-Frequenz nicht konstant ist, sondern sich periodisch innerhalb des festgelegten Frequenzbandes ändert. Bei einer Mittenfrequenz von 79 GFIz beträgt das Frequenzband beispielsweise 2 GFIz, also von 78 GFIz bis

80 GFIz. Auch bei FMCW wird das Aussenden bzw. Empfangen der Signale in aufeinanderfolgende Messzyklen gegliedert.

Die zeitliche Änderung der Frequenz ist bei FMCW standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise Dreiecks-Form auf. Eine Sinus förmige Änderung kann prinzipiell jedoch auch eingesetzt werden. Im

Gegensatz zum Pulslaufzeit-Verfahren wird die Entfernung bzw. der Füllstand bei Implementierung des FMCW-Verfahrens auf Basis der instantanen

Frequenzdifferenz des aktuellen Empfangssignals zum ausgesendeten Signal bestimmt. Das Messprinzip von FMCW und dem Pulslaufzeit-Verfahren wird beispielsweise in„Radar Level Detection, Peter Devine, 2000“ beschrieben.

Jedes der oben genannten Messprinzipien bzw. jeder Signaltyp weist individuelle Vor- und Nachteile auf: Während durch Signale mit hohen

Bandbreiten, also bei hohen Frequenzen, eine potentiell höhere

Messgenauigkeit erreicht werden kann, kann bei Signalen mit tiefen

Frequenzen aufgrund des breiteren Strahlkegels der Füllstand tendenziell auch bei schwappenden oder schäumenden Füllgütern bestimmt werden. Je nach Beschaffenheit des Füllgutes kann es wiederum Vorkommen, dass das ausgesendete Signal je nach Signal-Typ (Ultraschall, Radar oder optisch) an der Füllgut-Oberfläche gestreut, absorbiert oder transmittiert wird, anstatt wie gewollt reflektiert zu werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur

Füllstandsmessung bereitzustellen, mit dem der Füllstand unabhängig von den Rahmenbedingungen sicher bestimmt werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Messung eines Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes. Das Verfahren umfasst dabei zumindest folgende Verfahrensschritte:

- Aussenden eines ersten Signals in Richtung des Füllgutes,

- Empfang eines entsprechenden ersten Empfangssignals nach

Reflektion des ersten Signals im Inneren des Behälters,

- Aussenden eines zweiten Signals in Richtung des Füllgutes, wobei das zweite Signal zumindest eine definierte, vom ersten Signal

abweichende Eigenschaft aufweist,

- Empfang eines entsprechenden zweiten Empfangssignals nach

Reflektion des ersten Signals im Inneren des Behälters,

- Bestimmung eines ersten Füllstandswertes anhand des ersten

Empfangssignals und Bestimmung eines zweiten Füllstandswertes anhand des zweiten Empfangssignals, und

- Bestimmung des ersten Füllstandswertes oder des zweiten

Füllstandswertes als Füllstand, sofern der erste Füllstandswert und der zweite Füllstandswert übereinstimmen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Füllstand somit redundant bestimmt. Dies ermöglicht es, das zugrundeliegende Füllstandsmessgerät konform zu hohen Sicherheits-Standards (beispielsweise dem„Safety Integrity Level 3, SIL3“ gemäß der Normenreihe IEC61508) auszulegen.

Dementsprechend kann im ungewissen Fall, in dem der erste Füllstandswert und der zweite Füllstandswert nicht übereinstimmen, ein Fehlersignal ausgegeben werden.

Sofern der Vergleich der zwei unabhängig voneinander ermittelten

Füllstandswerte ergibt, dass der erste Füllstandswert und der zweite

Füllstandswert nicht übereinstimmen, kann zumindest bei signifikanter Abweichung durch Subtraktion des ersten Füllstandswertes vom zweiten Füllstandswert ein Differenzwert berechnet werden. Ein solcher Differenzwert entspricht gegebenenfalls der Dicke einer einzelnen Phase des Füllgutes oder der Dicke einer Schaumschicht. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich eingesetzt werden, um solche etwaigen Zusatzparameter zu bestimmen.

Um die auszusendenden Signale mit voneinander abweichenden

Eigenschaften zu beaufschlagen, können erfindungsgemäß unterschiedliche Lösungen implementiert werden. Im einfachsten Fall kann das zweite Signal (unabhängig vom Signaltyp der zwei Signale, also Radar oder Ultraschall) mit einer Leistung oder einer Frequenz, die von der Leistung bzw. der Frequenz des ersten Signals abweicht, ausgesendet werden. In diesem Fall können beide Signale, das erste Signal und das zweite Signal, beispielsweise entweder als Radar- oder als Ultraschall-Signale ausgesendet werden.

Wenn das erste Signal und das zweite Signal jeweils beide als Radar-Signal ausgesendet werden, kann zur Einstellung der unterschiedlichen Signal- Eigenschaften jedoch auch das erste Signal nach dem FMCW-Prinzip und das zweite Signal nach dem Pulslaufzeit-Prinzip ausgesendet werden.

Dementsprechend sind bei dieser Auslegung der erste Füllstandswert anhand des FMCW-Prinzips und der zweite Füllstandswert anhand des Pulslaufzeit- Prinzips zu bestimmen. Anstelle dessen kann als erstes Signal auch ein Radar-Signal ausgesendet werden, während als zweites, abweichendes Signal ein Ultraschall-Signal ausgesendet wird. Denkbar ist es zudem, wenn als erstes Signal und/oder als zweites Signal ein optisches Signal

ausgesendet wird. Erzeugt werden kann ein optisches Signal beispielsweise mittels eines Lasers.

Korrespondierend zu dem Verfahren umfasst die Erfindung ein Radar basiertes Füllstandsmessgerät zur Durchführung derjenigen

Ausführungsvarianten des Verfahrens, die rein auf Radar-Signalen basieren. Folgende Komponenten umfasst dieses Füllstandsmessgerät:

- Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, das erste Signal und das zweite Signal jeweils als Radar-Signal in Richtung des Füllgutes auszusenden, - eine Empfangseinheit, die konzipiert ist, um nach Reflektion des ersten Signals und des zweiten Signals im Inneren des Behälters

entsprechende Empfangssignale zu empfangen,

- eine Auswertungseinheit, die ausgelegt ist, um

o anhand des ersten Empfangssignals einen ersten Füllstandswert zu ermitteln,

o anhand des zweiten Empfangssignals einen zweiten

Füllstandswert zu ermitteln, und

o den ersten oder zweiten Füllstandswert als Füllstand

auszugeben, sofern der erste Füllstandswert und der zweite

Füllstandswert übereinstimmen.

Zur Übermittlung des Füllstandes, bzw. des ersten und/oder zweiten

Füllstandswertes oder auch eines etwaigen Fehlersignals kann das

Füllstandsmessgerät eine entsprechende Schnittstelle aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können diese Werte auch an einem Display des

Füllstandsmessgerätes angezeigt werden.

In Bezug zum Füllstandsmessgerät wird unter dem Begriff„Einheit im

Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den jeweiligen Bestimmungszweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw.

Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine (halbleiterbasierte) Digitalschaltung wie einem Microcontroller oder einen Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden

Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Füllstandsmessgerätes im Sinne der Erfindung potentiell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 : Eine typische Anordnung eines Radar- oder Ultraschallbasierten Füllstandsmessgerätes.

Zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 eine typische Anordnung eines Radar- oder Ultraschall-basierten Füllstandsmessgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. In dem Behälter 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Dazu ist das Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des maximal zulässigen Füllstands L am Behälter 2 angebracht. Je nach Einsatzgebiet kann die Einbauhöhe h des Füllstandsmessgerätes 1 über dem Behälterboden bis zu mehr als 100 m betragen.

In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine Schnittstelle 1 1 , die auf einem entsprechenden Bussystem wie etwa„Ethernet“,„PROFIBUS“,

„FIART“ oder„Wireless FIART“ basiert, mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem, einer dezentralen Datenbank oder einem Flandgerät wie einem Mobilfunkgerät verbindbar. Flierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Über die Schnittstelle 1 1 können jedoch auch der Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter 2 vorhandene Zu- oder Abflüsse zu steuern.

Unabhängig vom implementierten Messprinzip ist das Füllstandsmessgerät 1 so ausgerichtet, dass es entsprechende Signale Si, S2 über eine Antenne 12 in Richtung des Füllgutes 3 aussendet. Dabei werden die Signale S1 _, S2 je nach Signaltyp (Radar, Ultraschall) und dem implementierten Messverfahren (Pulslaufzeit oder FMCW) in einer entsprechenden Signalerzeugungs-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 generiert.

An der Oberfläche des Füllgutes 3 werden die ausgesendeten Signale Si,2 reflektiert, so dass die entsprechenden Empfangssignale Ei _, 2 nach einer korrespondierenden Signallaufzeit durch eine Empfangseinheit des

Füllstandsmessgerätes 1 empfangen werden. Der Füllstand L lässt sich aus den Empfangssignalen EI ,2 bestimmen, da die Signallaufzeit der Signale Si _, 2, Ei ,2 gemäß d = h - L von der Entfernung d des Füllstandsmessgerätes 1 zur Füllgut-Oberfläche abhängt. Dementsprechend bestimmt eine hierfür ausgelegte Auswertungseinheit des Füllstandsmessgerätes 1 den Füllstand L auf Basis der Empfangssignale E _{I ,} 2. Je nach Beschaffenheit des Füllgutes 3 oder Zustand des

Füllstandsmessgerätes 1 kann der Füllstand L gegebenenfalls nicht mit ausreichender Sicherheit korrekt bestimmt werden, beispielsweise wenn aufgrund von chemischen Prozessen im Behälter 2 eine Schaumbildung auftritt. Auch eine Ansatzbildung an der Antenne 12 des

Füllstandsmessgerätes 1 kann eine korrekte Füllstandsmessung je nach Typ des ausgesendeten Signals Si, S2 verhindern. Damit das Füllstandsmessgerät 1 ein hohes Maß an Gerätesicherheit aufweisen kann, beispielsweise entsprechend dem„Safety Integrity Level 3 (SIL3)“ gemäß der Norm

IEC61508, muss das Füllstandsmessgerät 1 jedoch zumindest in der Lage sein, eine Fehlermeldung auszugeben, sofern der ermittelte Füllstand L nicht valide ist.

Um dies sicherzustellen, werden vom Füllstandsmessgerät 1

erfindungsgemäß zwei Signale S1, S2 mit jeweils unterschiedlichen

Eigenschaften ausgesendet. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung nicht relevant, ob das erste Signal S1 gleichzeitig, oder abwechselnd zum zweiten Signal S2 ausgesendet wird. Auf Basis jedes der beiden Signale S1, S2 empfängt das Füllstandsmessgerät 1 ein separates Empfangssignal Ei, E2, so dass anhand jedes einzelnen der zumindest zwei unterschiedlichen

Empfangssignale Ei, E2 ein separater Füllstandswert bestimmt wird. Sofern der erste Füllstandswert, der auf Basis des ersten Empfangssignals Ei ermittelt ist, mit dem auf dem zweiten Empfangssignal E2 basierenden

Füllstandswert übereinstimmt, wird dieser Füllstandswert als valider Füllstand L ausgegeben. Durch das erfindungsgemäße Aussenden der Signale S1, S2 mit unterschiedlichen Eigenschaften arbeitet das Füllstandsmessgerät also redundant. Im unsicheren Fall, wenn der erste Füllstandswert nicht mit dem zweiten Füllstandswert übereinstimmt, kann das Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise eine entsprechende Fehlermeldung über die Schnittstelle 11 ausgeben oder an einem Display anzeigen. Die erfindungsgemäße Abweichung der Eigenschaften zwischen den zwei auszusendenden Signalen Si, S2 kann auf verschiedene Weisen erreicht werden: So kann das erste Signal S1 beispielsweise als Radar-Signal abgestrahlt werden, während das zweite Signal S2 als Ultraschall-Signal ausgesendet wird. Es können auch beide Signale S1, S2 als Radar-Signale ausgesendet werden, wobei im Falle des ersten (Empfangs-) Signals S1, Ei bzw. zur Ermittlung des ersten Füllstandswertes das FMCW-Verfahren angewendet wird, während das zweite Signal S2 pulsförmig ausgesendet wird, so dass das Füllstandsmessgerät 1 den zweiten Füllstandswert auf Basis des Pulslaufzeit-Verfahrens ermittelt.

Unabhängig vom implementierten Signaltyp oder dem angewendeten

Messverfahren können die Signale S1, S2 jedoch auch lediglich mit einer abweichenden Sende-Leistung und/oder einer abweichenden Sende- Frequenz erzeugt werden, um Redundanz herzustellen. Denkbar wäre zudem, eines der zwei Signale S1, S2 als Laser-Signal auszusenden und den korrespondierenden Füllstandswert mittels Interferometrie oder einem anderen Laufzeitverfahren zu ermitteln. Auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Füllstandsmessgerät 1 zudem dahingehend erweitert werden, dass es den vom ersten Signal S1, Ei ermittelten Füllstandswert vom zweiten Füllstandswert subtrahiert und dadurch einen Differenzwert berechnet, sofern der erste Füllstandswert und der zweite Füllstandswert signifikant auseinander liegen. Dies kann ein Zeichen für Schaumbildung sein, so dass der Differenzwert die Schaumdicke bzw. eine Trennschicht-Dicke zwischen zwei Phasen des Füllgutes repräsentiert. Der ermittelte Differenzwert kann in diesem Fall wiederum über die Schnittstelle 11 oder ein etwaiges Display des Füllstandsmessgerätes 1 ausgegeben werden. Bezugszeichenliste

1 Füllstandsmessgerät

2 Behälter

3 Füllgut

4 Übergeordnete Einheit

d Messdistanz

Ei, E ₂ Empfangssignale

h Einbauhöhe bzw. Messbereich L Füllstand

Si, S ₂ Ausgesendete Signale