DE10047667A1 - Leistungsarmes Radar-Füllstandmeßgerät mit verbesserter Diagnose - Google Patents

Leistungsarmes Radar-Füllstandmeßgerät mit verbesserter Diagnose

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Abstract

Durch die vorliegende Erfindung wird ein leistungsarmes Radar-Füllstandmeßgerät mit verbesserter Diagnose bereitgestellt. Ein Mikrowellentransceiver erzeugt ein Mikrowellensignal, das entlang eines Endelements, durch eine Bezugsimpedanzunstetigkeitsstelle und in eine Prozeßproduktgrenzfläche übertragen wird. Ein erster Anteil des Signals wird durch die Bezugsimpedanzunstetigkeitsstelle reflektiert, und ein zweiter Anteil wird durch eine Prozeßproduktgrenzfläche reflektiert. Ein Diagnosesignal wird basierend auf einer Kenngröße des reflektierten ersten Signalanteils bereitgestellt. Ein Füllstandausgangssignal wird basierend auf dem reflektierten ersten und dem reflektierten zweiten Signalanteil bereitgestellt.

Description

In der Prozeßsteuerungsindustrie werden Prozeßvaria­ blensender oder -transmitter zum Überwachen von Prozeßvaria­ blen oder -parametern verwendet, die Substanzen zugeordnet sind, z. B. Festkörpern, Schlämmen, Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen in chemischen, Zellstoff-, Erdöl-, pharmazeuti­ schen, Nahrungs- oder Futter- bzw. Lebensmittel- und anderen Verarbeitungsanlagen. Prozeßvariablen oder -parameter sind z. B. Druck, Temperatur, Durchfluß, Füllstand, Trübung, Dich­ te, Konzentration, chemische Zusammensetzung und andere Kenngrößen. Ein Prozeßvariablentransmitter kann ein mit der erfaßten Prozeßvariablen in Beziehung stehendes Ausgangs­ signal über eine Prozeßsteuerungsschleife einem Kontrollraum zuführen, so daß der Prozeß überwacht und gesteuert werden kann.
Die Prozeßsteuerungsschleife kann eine beliebige Konfi­ guration aus zwei oder mehr Leitern sein, die dazu geeignet sind, mit Prozeßinformationen in Beziehung stehende Signale zu übertragen. Beispielsweise kann die Prozeßsteuerungs­ schleife eine 4-20 mA-Zweidraht-Prozeßsteuerungsschleife sein. Ein mit einer solchen Prozeßsteuerungsschleife verbun­ dener Prozeßvariablentransmitter steuert die Menge des durch die Schleife fließenden Stroms, so daß der Strom der Prozeß­ variablen entspricht. In einigen Ausführungsformen von Pro­ zeßsteuerungsschleifen können die Aktivierungspegel ausrei­ chend niedrig sein, so daß die Schleife auch unter Störungs­ bedingungen im allgemeinen nicht genug elektrische Energie überträgt, um Funken oder Überschläge zu erzeugen. Dadurch wird die Einhaltung bzw. Erfüllung der intrinsischen Sicher­ heitsspezifikationen ermöglicht, die im Factory Mutual Ap­ proval Standard mit dem Titel "Intrinsically Safe Apparatus and Associated Apparatus for Use in Class I, II and III, Di­ vision 1 Hazardous (Classified) Locations,", Class Number 3610, veröffentlicht im Okober 1988, dargestellt sind. Die Erfüllung der intrinsichen Sicherheitsspezifikationen ist insbesondere in entzündbaren oder entflammbaren Umgebungen wichtig, weil dadurch derart niedrige Leistungspegel gewähr­ leistet werden, daß die Wahrscheinlichkeit einer unerwünsch­ ten Erzeugung von Funken oder Überschägen reduziert wird. Leistungsarme Prozeßvariablentransmitter sind bei solch niedrigen Energiepegeln betreibbar, daß sie die gesamte er­ forderliche elektrische Leistung von einer 4-20 mA-Prozeß­ steuerungsschleife empfangen können. Die Prozeßsteuerungs­ schleife kann außerdem digitale Signale aufweisen, die gemäß einem Prozeßindustrie-Standardprotokoll, z. B. gemäß dem HART®-Protokoll, auf der Schleife überlagert werden.
In jüngster Zeit wurden leistungsarme Zeitbereichre­ flektometrie-Radar (LPTDRR)-geräte verwendet, um Produkt­ füllstände oder -pegel (z. B. von Flüssigkeiten oder Festkör­ pern) in Speicherbehältern zu messen. In der Zeitbereichre­ flektometrie wird elektromagnetische Energie von einer Quel­ le entlang eines Hochfrequenz- oder Mikrowellen-Wellenlei­ ters (auch als Endelement (termination) bekannt) übertragen und an einer Unstetigkeitsstelle reflektiert. Die Laufzeit der empfangenen Energie ist von dem Medium abhängig, durch das sie übertragen wird, sowie von der zurückgelegten Strec­ ke. Ein Typ einer LPTDRR-Einrichtung ist als Mikrolei­ stungsimpulsradar (MIR)-gerät bekannt, das durch das La­ wrence Livermore National Laboratory entwickelt wurde.
Industriell verwendete leistungsarme Radarfüllstandmeß­ geräte, z. B. Radarfüllstandtransmitter, sind vielen rauhen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. In einigen Einrichtungen oder Anlagen können Transmitter Schwingungen und/oder extre­ men Temperaturschwankungen ausgesetzt sein. Durch solche Be­ dingungen kann die physische Kopplung zwischen der Mikrowel­ lenerzeugungsschaltung und dem Wellenleiter beeinträchtigt werden. Wenn die Kopplung schlechter wird oder unterbrochen ist, wird die Fähigkeit des Transmitters, eine Anzeige des Prozeßproduktfüllstands bereitzustellen, beeinträchtigt. Au­ ßerdem können, wenn der Wellenleiter in das Prozeßprodukt eingetaucht ist, Fehler im Füllstandausgangssignal auftre­ ten.
Mit Fortschritten bzw. Weiterentwicklungen in der Pro­ duktfüllstandmeßtechnik wächst der Bedarf an Radarfüllstand­ meßgeräten, die Bedingungen identifizieren können, bei denen die Genauigkeit bzw. Präzision des Füllstandausgangssignals beeinträchtigt sind. Durch ein solches Gerät würde eine ver­ besserte Prozeßsteurung und eine verbesserte Wartung bereit­ gestellt, weil Gerätefehlerbedingungen schnell identifiziert und behoben werden könnten und keine fehlerhaften Füll­ standausgangssignale erzeugt würden.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein leistungsarmes Radar-Füllstandmeßgerät mit verbesserter Diagnose bereitge­ stellt. Ein Mikrowellentransceiver erzeugt ein Mikrowellen­ signal, das enlang eines Endelements, durch eine Referenzim­ pedanzunstetigkeitsstelle und in eine Prozeßproduktgrenzflä­ che bzw. ein Interface übertragen wird. Ein erster Anteil des Signals wird durch die Referenzimpedanzunstetigkeits­ stelle und ein zweiter Signalanteil durch die Prozeßprodukt­ grenzfläche reflektiert. Ein Diagnosesignal wird basierend auf einer Kenngröße des ersten reflektierten Signalanteils bereitgestellt. Ein Füllstandausgangssignal wird basierend auf dem ersten und dem zweiten reflektierten Signalanteil bereitgestellt.
Durch Merkmale der Erfindung werden wesentliche Vortei­ le gegenüber herkömmlichen Techniken bereitgestellt. Durch ein leistungsarmes Radar-Füllstandmeßgerät kann erfindungs­ gemäß eine Diagnose bezüglich des Endelements bereitgestellt werden, das sich in ein Prozeßprodukt erstreckt. Eine solche Diagnoseinformation ermöglicht eine effektive Systemwartung sowie eine genauere Prozeßsteuerung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung nä­ her erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm der Umgebung von Ausführungsformen erfindungsgemäßer leistungsarmer Radar-Füllstandmeßgeräte;
Fig. 2 ein Blockdiagramm zum Darstellen einer Schaltung einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3A-3C Signaldiagramme zum Darstellen ver­ schiedener Betriebsbedingungen von Ausführungsformen erfin­ dungsgemäßer leistungsarmer Radar-Füllstandmeßgeräte;
Fig. 4 ein Systemblockdiagramm zum Darstellen eines Verfahrens zum Bereitstellen eines Diagnoseausgangssignals gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf Aus­ führungsformen von leistungsarmen Radar-Füllstandtrans­ mittern und die Weise beschrieben wird, auf die eine Diagno­ se bereitgestellt wird, ist für Fachleute erkennbar, daß in­ nerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definier­ ten Schutzumfangs der Erfindung Änderungen in Ausführungs­ formen und im Detail vorgenommen werden können.
Fig. 1 zeigt leistungsarme Radar-Füllstandtransmitter 100, die an Speicherbehältern 12, 13 und 17 montiert sind, die Prozeßprodukte 14, 18 bzw. 21 enthalten. Weil die Radar­ transmitter leistungsarm sind bzw. eine geringe Leistungs­ aufnahme haben, können die Transmitter 100 vollständig durch Energie betrieben werden, die über eine 4-20 mA- Prozeßsteuerungsschleife empfangen wird.
Die Füllstandtransmitter 100 weisen Gehäuse 16 und End­ elemente 110 auf. Die Transmitter 100 sind in verschiedenen Konfigurationen mit Prozeßsteuerungsschleifen 20 verbunden, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Transmitter 100 übertragen mit Höhen der Prozeßprodukte in Beziehung stehende Informa­ tionen über die Prozeßsteuerungsschleifen 20 an einen Kon­ trollraum 30 (der schematisch durch Spannungsquellen und Wi­ derstände dargestellt ist) oder an andere, mit den Prozeß­ steuerungsschleifen 20 verbundene Vorrichtungen (nicht dar­ gestellt). Die Schleifen 20 sind Spannungsquellen für die Transmitter 100 und können ein beliebiges Industriestandard- Kommunikationsprotokoll verwenden, z. B. ein 4-20 mA-, ein Profibus-, ein HART® - (Highway Adressable Remote Transducer) oder ein FOUNDATIONTM-Feldbusprotokoll. Das FOUNDATIONTM- Feldbusprotokoll ist ein digitales Mehrpunkt-Kommunikations­ protokoll, das zum Verbinden von Feldgeräten und anderen Prozeßvorrichtungen in den Prozeßsteuerungssystemen vorgese­ hen ist. Die physische Schicht des FOUNDATIONTM-Feldbus­ protokolls ist durch Instrument Society of America Standard ISA-S50.02-1992 und seine Ergänzung gemäß Entwurf-2 mit Da­ tum 1995 definiert.
Fig. 1 zeigt verschiedene Anwendungen, in denen Radar- Füllstandmeßgeräte geeignet sind. Das Prozeßprodukt 14 im Behälter 12 ist beispielsweise ein Fluid bzw. eine Flüssig­ keit mit über dem Produkt 14 angeordneter Luft, während das Prozeßprodukt 18 im Behälter 13 ein Festkörper ist (der mit einem vorgegebenen Schüttwinkel dargestellt ist). Das Pro­ zeßprodukt 21 im Behälter 17 ist ein Fluid, dessen Füllstand mit einem Rohr 23 kommuniziert, in das sich eines der End­ elemente 110 erstreckt. Obwohl in Fig. 1 Behälter 12, 13 und 17 dargestellt sind, können Ausführungsformen ohne Behälter realisiert werden, wie beispielsweise in einem See oder in einem Reservoir.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines über eine Prozeß­ steuerungsschleife 20 mit einem Kontrollraum 30 verbundenen leistungsarmen Radar-Füllstandtransmitters. Die in einem Ge­ häuse 16 des Transmitters 100 angeordnete elektrische Schal­ tung weist einen Controller 130, einen leistungsarmen Mikro­ wellentransceiver 140, eine Schleifeninformationsübertra­ gungseinrichtung 143 und ein Leistungsversorgungsmodul 40 auf. Der Transmitter 100 weist außerdem ein Endelement 110 auf, das sich in das im Behälter 12 enthaltene Prozeßprodukt 14 erstreckt. Für weitere Informationen über die Komponenten des Transmitters 100 sowie über die verschiedenen Wechsel­ wirkungen zwischen diesen Komponenten wird auf die mitanhän­ gige Anmeldung mit der Seriennummer 09/321143, eingereicht am 27. Mai 1999, mit dem Titel "Low Power Radar Level Trans­ mitter Having Reduced Ground Loop Errors", verwiesen, die auf den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen ist.
Das Endelement 110 ist in das Prozeßprodukt 14 im Be­ hälter 12 einführbar. Eine solche Konfiguration (bei der das Endelement tatsächlich mit dem Prozeßprodukt in Kontakt steht) ist als Kontakt-Füllstandmessung bekannt. Das Endele­ ment 110 ist auf dem Fachgebiet der Füllstandtransmitter be­ kannt und kann eine beliebige geeignete Übertragungsleitung, ein Wellenleiter oder eine Antenne sein. Das Endelement 110 wird auch als Kontaktsonde oder einfach als Sonde bezeich­ net. Eine Übertragungsleitung ist ein System von Material­ grenzen, die einen kontinuierlichen Weg von einem Ort zu ei­ nem anderen bilden und in der Lage sind, elektromagnetische Energie entlang dieses Weges zu übertragen. In einigen Aus­ führungsformen ist das Endelement 110 eine Bandkabelantenne mit Kabeln oder Leitern 115 und 120, die mit einem Bodenbe­ reich 125 verbunden sind und in das Produkt 14 im Behälter 12 eingeführt werden können, und das wahlweise eine Basis­ platte 155 aufweist. Das Endelement 110 kann auch ein Mono­ pol-, Koaxial-, Doppelleitungs-, Einzelleitungs- oder Mi­ krostreifen-Endelement mit einer geeigneten Anzahl von Lei­ tungen sein.
Der leistungsarme Mikrowellentransceiver 140 ist mit dem Endelement 110 betrieblich verbunden. Der Transceiver 140 kann ein beliebiger leistungsarmer Mikrowellentranscei­ ver sein, der innerhalb der Leistungsgrenzen des leistungs­ armen Radar-Füllstandtransmitters 100 betreibbar ist. Bei­ spielsweise kann der Transceiver 140 ein Mikroleistungsim­ pulsradar (MIR)-transceiver des in jedem der beiden US- Patente Nr. 5609059 mit dem Titel ELECTRONIC MULTI-PURPOSE MATERIAL LEVEL SENSOR und Nr. 5610611 mit dem Titel HIGH AC­ CURACY ELECTRONIC MATERIAL LEVEL SENSOR von Thomas E. McEwan diskutierten Typs sein. Der Transceiver 140 ist dazu geeig­ net, ein Mikrowellensignal zu erzeugen, das entlang des End­ elements 110 geführt wird, und von einer Referenzimpedanzun­ stetigkeitstelle (z. B. der Basisplatte 155) und von der Grenzfläche 127 reflektierte Signale zu empfangen. Eine Re­ ferenzimpedanzunstetigkeitsstelle ist eine im Weg des über­ tragenen Mikrowellensignals angeordnete beliebige Komponente mit einer lokalen Impedanz, die sich von derjenigen ihrer Umgebung schrittweise unterscheidet. Beispiele einer solchen Unstetigkeitsstelle sind die Basisplatte 155, ein Serienkon­ densator oder ein beliebiges anderes geeignetes Bauteil. Die Sendesignalfrequenz kann innerhalb eines weiten Frequenzbe­ reichs liegen, z. B. zwischen etwa 250 MHz und etwa 20 GHz oder mehr. Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Frequenz des Sendesignals etwa 2 GHz. Gemäß einer anderen Ausfüh­ rungsform liegt die Sendesignalimpulsbreite im Bereich von etwa 200 ps bis etwa 2 ns, was grob einer Frequenz zwischen etwa 500 MHz und 5 GHz entspricht. Die Grenzfläche bzw. das Interface 127 ist typischerweise eine Luft/Produkt- Grenzfläche, sie kann jedoch eine beliebige Grenze zwischen zwei Substanzen mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten sein. Daher kann die Grenzfläche 127 eine Luft/Produkt- Grenzfläche oder eine Produkt/Produkt-Grenzfläche sein, wo­ bei ein Produkt über dem anderen angeordnet ist.
Der Controller 130 ist mit dem Mikrowellentransceiver 140 verbunden und dazu geeignet, eine Prozeßprodukthöhe ba­ sierend auf den reflektierten Mikrowellensignalen zu berech­ nen. Der Controller 130 ist außerdem in der Lage, ein Dia­ gnosesignal basierend auf einer Kenngröße eines durch die Refrenzunstetigkeitsstelle reflektierten ersten Signals be­ reitzustellen. In einigen Ausführungsformen basiert das Dia­ gnosesignal auf der Amplitude des reflektierten ersten Si­ gnals. Der Controller 130 verwendet bekannte mathematische Funktionen, um Daten von den reflektierten Impulsen herzu­ leiten. In solchen mathematischen Funktionen können bei­ spielsweise Daten der Signalamplitude, der Signallaufzeit, der Signalneigung und der Signalfläche verwendet werden. Der Controller 130 berechnet den Füllstand des Prozeßprodukts 14 als Funktion einer Laufzeit des reflektierten Signals.
Die Schleifeninformationsübertragungseinrichtung 143 ist mit dem Controller 130 verbunden und über Anschlüsse 41 mit der Prozeßsteuerungsschleife 20 verbindbar. Die Schlei­ feninformationsübertragungseinrichtung 143 ist dazu geeig­ net, mit der Prozeßprodukthöhe in Beziehung stehende Infor­ mationen sowie Diagnoseinformationen über die Prozeßsteue­ rungsschleife 20 zu übertragen. Solche Informationen können durch die Schleifeninformationsübertragungseinrichtung 143 unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Schaltung, z. B. eines bekannten UART (Universal Asynchronous Receiver Trans­ mitter) (nicht dargestellt), über die Zweidrahtschleife 20 digital übertragen werden. Alternativ kann die Schleifenin­ formationsübertragungseinrichtung 143 den Schleifenstrompe­ gel zwischen beispielsweise 4 und 20 mA unter Verwendung ei­ nes D/A-Wandlers oder einer anderen geeigneten Vorrichtung steuern. Auf diese Weise kann der Transmitter 100 Produkthö­ heninformationen und Diagnoseinformationen an den Kontroll­ raum 30 oder an andere Controller oder Vorrichtungen über­ tragen, die mit der Prozeßsteuerungsschleife 20 verbunden sind.
Das Leistungsversorgungsmodul 40 ist mit dem leistungs­ armen Mikrowellentransceiver 140, dem Controller 130 und der Schleifeninformationsübertragungseinrichtung 143 verbunden. Das Leistungsversorgungsmodul 40 ist mit der Prozeßsteue­ rungsschleife 20 verbindbar, um Leistung von der Schleife 20 zu empfangen und die empfangene Leistung dem leistungsarmen Mikrowellentransceiver 140, dem Controller 130 und der Schleifeninformationsübertragungseinrichtung 143 zuzuführen. Das Leistungsversorgungsmodul 40 kann außerdem die empfange­ ne Leistung für den Transceiver 140, den Controller 130 und die Schleifeninformationsübertragungseinrichtung 143 kondi­ tionieren.
Im Betrieb erzeugt der Transceiver 140 Mikrowellensi­ gnale, die dem Endelement 110 zugeführt werden. Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, wird ein erster Signalanteil an der Referenzimpedanzunstetigkeitsstelle (z. B. an der Basisplatte 155) reflektiert, und ein zweiter Signalanteil wird an der Grenzfläche 127 zwischen dem Produkt 14 und der Luft (oder an der Grenzfläche zwischen zwei beliebigen Materialien mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten) reflektiert. Die reflektierten ersten und zweiten Signalanteile laufen über Leitungen 115 und 120 des Endelements 110 zurück und werden durch den Transceiver 140 empfangen. Der reflektierte erste Signalanteil ist auch als Bezugsimpuls bekannt. Durch Veran­ lassen einer ersten Reflexion (Bezugsimpuls) des Mikrowel­ lensignals an der Unstetigkeitsstelle 155 wird ein geeigne­ tes Referenzsignal für einen Vergleich mit dem Zeitpunkt be­ reitgestellt, an dem das von der Grenzfläche 127 reflektier­ te Signal empfangen wird. Typischerweise wird das Zeitinter­ vall zwischen der Ankunft des reflektierten ersten Signalan­ teils (d. h. des Bezugsimpulses) und der Ankunft des reflek­ tierten zweiten Signalanteils gemessen und mit dem Prozeß­ produktfüllstand in Beziehung gesetzt. Diese Laufzeit zeigt die durch die Mikrowellen zurückgelegte Strecke und damit den Füllstand des Produkts 14 im Behälter 12 an. Die Bezie­ hung zwischen der zurückgelegten Strecke und der Laufzeit ist in Gleichung 1 dargestellt:
wobei:
T/2 = eine Hälfte der Laufzeit des Mikrowellenimpulses (die Laufzeit, die der Mikrowellenimpuls für seine Übertragung entlang der Probe nach unten zur Grenzfläche benötigt);
εr = Dielektrizitätskonstante des Materials, durch das der Mikrowellenimpuls läuft (für Luft be­ trägt εr = 1);
C = Lichtgeschwindigkeit; und
D = von der Oberseite der Sonde zur Grenzfläche zu­ rückgelegte Strecke.
Ein Merkmal der verschiedenen Ausführungsformen ist die Fähigkeit, vom reflektierten ersten Signalanteil Diagnosein­ formationen über das Endelement zu erhalten. Beispielsweise werden durch einen Vergleich zwischen der aktuell gemessenen Bezugsimpulsamplitude und einer während Normalbedingungen gemessenen Bezugsimpulsamplitude spezifische Diagnoseinfor­ mationen erhalten.
Die Fig. 3A-3C zeigen Signaldiagramme zum Darstel­ len verschiedener Betriebsbedingungen von Ausführungsformen erfindungsgemäßer leistungsarmer Radar-Füllstandmeßgeräte.
Fig. 3A zeigt ein Signaldiagramm eines unter Normalbe­ dingungen reflektierten Mikrowellensendesignals. Das reflek­ tierte Signal weist einen ersten reflektierten Anteil bzw. einen Bezugsimpuls 160 und einen zweiten reflektierten An­ teil 162 auf. Wie vorstehend beschrieben, zeigt das Inter­ vall zwischen den Signalanteilen 160 und 162 eine Prozeßpro­ dukthöhe an. Wie außerdem ersichtlich ist, weist der Impuls 160 ein lokales Minimum bzw. ein Tal 164 auf, das zwischen einem oberen Grenzwert 166 und einem unteren Grenzwert 168 liegt. Die Grenzwerte 166 und 168 werden typischerweise ge­ setzt, wenn der Transmitter 100 in Betrieb genommen wird, oder während bekannten normalen Betriebsbedingungen, z. B. während einer Kalibrierung. Dadurch kann, wenn festgestellt wird, daß das Tal 164 innerhalb der Grenzwerte 166, 168 liegt, ein Diagnoseausgangssignal bereitgestellt werden, das anzeigt, daß der Transmitter 100 geeignet arbeitet, und daß geeignete bzw. zuverlässige Füllstandinformationen erhalten werden.
Fig. 3B zeigt ein Signaldiagramm eines reflektierten Mikrowellensendesignals für den Fall, daß das Endelement 110 vollständig in das Prozeßprodukt eingetaucht ist. Das Pro­ zeßprodukt kann mit der Bezugsimpedanzunstetigkeitsstelle 155 in Kontakt kommen, so daß durch Eintauchen der Unstetig­ keitsstelle 155 in das Prozeßprodukt die Reflexion des Be­ zugsimpulses so verändert wird, daß der eingetauchte Zustand erfaßbar ist. Dadurch können, wenn das Tal 164 des Bezugsim­ pulses 160 über dem oberen Grenzwert 166 liegt, Diagnosein­ formationen bereitgestellt werden, die anzeigen, daß das Endelement eingetaucht ist. Die Diagnoseinformationen können in Form eines Alarms oder in einer anderen geeigneten Form bereitgestellt werden, z. B. als Anzeige der Zuverlässigkeit der Füllstandinformation. Diese Diagnoseinformation ist ins­ besondere in Ausführungsformen mit Behältern oder Gehäusen mit Verdrängereinrichtungen (displacer cage) (vergl. Fig. 1, Behälter 21) geeignet, bei denen die Sonde vollständig ein­ getaucht werden kann oder ein Luftzwischenraum in der Nähe der Bezugsunstetigkeitsstelle vorhanden ist. Durch den Luftzwischenraum können aufgrund der unterschiedlichen Die­ lektrizitätskonstanten von Luft und Flüssigkeit Ungenauig­ keiten in der Füllstandinformation verursacht werden. Da­ durch können Füllstandmeßgeräte gemäß verschiedenen Ausfüh­ rungsformen berechnen, ob ein Luftzwischenraum vorhanden ist, und die geeignete Dielektrizitätskonstante für die Pro­ zeßproduktfüllstandberechnung auswählen.
Fig. 3C zeigt ein Signaldiagramm eines Mikrowellensen­ designals, das reflektiert wird, wenn die Verbindung zwi­ schen dem Endelement 110 und dem Transceiver 140 unterbro­ chen oder anderweitig beeinträchtigt ist. Wie dargestellt, liegt das Tal 164 des Impulses 160 unter dem unteren Grenz- oder Schwellenwert 168. Dieses Signal wird aufgrund einer Unterbrechung zwischen dem Endelement 110 und dem Transcei­ ver 140 erhalten. D. h., die Bezugsimpedanzunstetigkeitsstel­ le wird durch eine Kabel/Luft-Unstetigkeitsstelle ersetzt. Eine solche Änderung veranlaßt, daß die Amplitude des Impul­ ses 160 zunimmt oder in einen Sättigungszustand übergeht. Der Transmitter 100 identifiziert diesen Zustand und stellt eine geeignete Diagnoseinformation bereit.
Obwohl Ausführungsformen von leistungsarmen Radar- Füllstandmeßgeräten mit Diagnose unter Bezug auf den oberen und den unteren Grenzwert 166, 168 beschrieben wurden, kön­ nen Ausführungsformen auch mit einem einzigen Grenzwert rea­ lisiert werden. Wenn beispielsweise lediglich eine ein ein­ getauchtes Endelement anzeigende Diagnoseinformation ge­ wünscht ist, kann ein einziger Grenz- oder Schwellenwert verwendet werden. Daher würde durch einen Vergleich zwischen dem Tal 164 und dem einzigen Schwellenwert die gewünschte Diagnoseinformation bereitgestellt.
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Ver­ fahren beginnt bei Block 250, wo ein Mikrowellensignal er­ zeugt und entlang eines Mikrowellenendelements durch eine Bezugsimpedanzunstetigkeitsstelle übertragen wird. Bei Block 252 wird ein erster Anteil des Mikrowellensignals an einer Bezugsimpedanzunstetigkeitsstelle reflektiert und empfangen. Bei Block 254 werden basierend auf einer Kenngröße des re­ flektierten ersten Signalanteils Diagnoseinformationen be­ rechnet. Die Diagnoseinformationen können auf der Amplitude des reflektierten ersten Signalanteils basieren und können einen normalen Betriebszustand, einen eingetauchten Zustand des Endelements oder einen Unterbrechungszustand des Endele­ ments anzeigen. Beim wahlweise vorgesehenen Block 256 kann die Produktfüllstandhöhe basierend auf dem Empfang des er­ sten Signalanteils und dem Empfang des von einer Prozeßpro­ duktgrenzfläche reflektierten zweiten Signalanteils berech­ net werden.

Claims (21)

1. Leistungsarme Radar-Füllstandmeßvorrichtung mit verbes­ serter Diagnose, wobei das Gerät aufweist:
eine Sonde mit einer Bezugsimpedanzunstetigkeits­ stelle, die durch eine Prozeßproduktgrenzfläche in ein Prozeßprodukt einführbar ist;
einen mit der Sonde verbundenen Transceiver, wobei der Transceiver dazu geeignet ist, einen Mikrowellen­ sendeimpuls zu erzeugen, der entlang der Sonde in das Prozeßprodukt übertragen wird, wobei ein erster Anteil des Sendeimpulses an der Bezugsimpedanzunstetigkeits­ stelle reflektiert wird und einen ersten reflektierten Wellenimpuls bildet, und wobei ein zweiter Anteil des Sendeimpulses an der Produktgrenzfläche reflektiert wird und einen zweiten reflektierten Wellenimpuls bil­ det, wobei der Transceiver außerdem dazu geeignet ist, die reflektierten ersten und zweiten Anteile zu empfan­ gen; und
einen mit dem Transceiver verbundenen Prozessor, der dazu geeignet ist, ein Diagnosesignal als Funktion der Amplitude des reflektierten ersten Anteils bereit­ zustellen, und dazu geeignet ist, ein eine Prozeßpro­ dukthöhe anzeigendes Füllstandausgangssignal basierend auf der Erfassungszeit des reflektierten zweiten An­ teils bereitzustellen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Referenzimpedan­ zunstetigkeitsstelle eine Basisplatte ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Transcei­ ver ein Mikrowellenimpulsradartransceiver ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung ein Radar-Füllstandtransmitter ist, der mit einer Prozeßsteuerungsschleife verbindbar und dazu ge­ eignet ist, das Füllstandausgangssignal auf der Prozeß­ steuerungsschleife zu übertragen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, ferner mit einer Schlei­ feninformationsübertragungseinrichtung, die dazu geeig­ net ist, das Füllstandausgangssignal gemäß einem Pro­ zeßindustrie-Standardprotokoll zu übertragen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Protokoll ein HART-(Highway Adressable Remote Transducer) oder ein FOUNDATION-Feldbusprotokoll ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Prozeßsteuerungsschleife eine 4-20 mA-Prozeßsteuerungs­ schleife ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Transmitter durch die Prozeßsteuerungsschleife voll­ ständig mit Leistung versorgt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Diagnoseausgangssignal einen Zustand anzeigt, in dem die Sonde vollständig in ein Prozeßfluid eingetaucht ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Diagnoseausgangssignal einen Zustand anzeigt, in dem die Sonde von der Vorrichtung getrennt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Impulsbreite des Mikrowellensendeimpulses im Be­ reich von etwa 200 ps bis etwa 2 ns liegt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Diagnosesignal auf einem Amplitudenvergleich zwi­ schen dem reflektierten ersten Anteil und mindestens einem vorgewählten Grenzwert basiert.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der mindestens eine vorgewählte Grenzwert einen oberen und einen unteren Grenzwert aufweist.
14. Leistungsarme Radar-Füllstandmeßvorrichtung mit verbes­ serter Diagnose, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Einrichtung zum Führen von Mikrowellenenergie durch eine Bezugsimpedanzunstetigkeitsstelle und durch eine Prozeßproduktgrenzfläche in ein Prozeßprodukt;
eine Einrichtung zum Erzeugen eines Mikrowellen­ sendeimpulses, der entlang der Führungseinrichtung übertragen wird, wobei ein erster Anteil des Sendeim­ pulses an der Referenzimpedanzunstetigkeitsstelle re­ flektiert wird und einen ersten reflektierten Wellenim­ puls bildet, und wobei ein zweiter Anteil des Sendeim­ pulses an der Produktgrenzfläche reflektiert wird und einen zweiten reflektierten Wellenimpuls bildet;
eine Einrichtung zum Empfangen der reflektierten Wellenimpulse; und
eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Diagnose­ signals als Funktion der Amplitude des reflektierten ersten Anteils und zum Bereitstellen eines eine Prozeß­ produkthöhe anzeigenden Füllstandausgangssignals basie­ rend auf einer Erfassungszeit des reflektierten zweiten Anteils.
15. Verfahren zum Bereitstellen einer verbesserten Diagnose durch eine leistungsarme Radar-Füllstandmeßvorrichtung, wobei das Verfahren aufweist:
Erzeugen eines Mikrowellensendeimpulses und Über­ tragen des Sendeimpulses durch eine Bezugsimpedanzun­ stetigkeitsstelle;
Empfangen einer ersten reflektierten Welle von der Bezugsimpedanzunstetigkeitsstelle; und
Bereitstellen eines Diagnoseausgangssignals basie­ rend auf einer Kenngröße der ersten reflektierten Wel­ le.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Kenngröße eine Wellenamplitude ist.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Diagnose­ ausgangssignal anzeigt, ob die Bezugsunstetigkeitsstel­ le mindestens teilweise in ein Prozeßfluid eingetaucht ist.
18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Diagnose­ ausgangssignal eine elektrische Unterbrechung in einem Mikrowellen-Wellenleiter anzeigt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, ferner mit:
Übertragen des Mikrowellensendeimpulses zu einer Prozeßproduktgrenzfläche;
Empfangen eines zweiten reflektierten Wellenan­ teils von der Produktgrenzfläche; und
Bereitstellen eines Produktfüllstandausgangs­ signals basierend auf dem Empfang des zweiten reflek­ tierten Wellenanteils.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei das Bereitstellen des Diagnoseausgangssignals das Verglei­ chen der Amplitude der ersten reflektierten Welle mit dem mindestens einen vorgewählten Grenzwert aufweist.
21. Computerlesbares Medium, auf dem einer leistungsarmen Radar-Füllstandmeßvorrichtung zugeordnete Befehle für eine Ausführung auf einem Prozessor gespeichert sind; wobei das Medium aufweist:
Befehle, die eine leistungsarme Mikrowellenvor­ richtung veranlassen, einen Mikrowellensendeimpuls zu erzeugen, der entlang eines Wellenleiters übertragen wird, wobei ein erster Anteil des Sendeimpulses an ei­ ner Bezugsimpedanzunstetigkeitsstelle reflektiert wird und einen ersten reflektierten Wellenimpuls bildet, und wobei ein zweiter Anteil des Sendeimpulses an einer Produktgrenzfläche reflektiert wird und einen zweiten reflektierten Wellenimpuls bildet;
Befehle zum Empfangen der reflektierten Wellenim­ pulse; und
Befehle zum Bereitstellen eines Diagnosesignals als Funktion der Amplitude des reflektierten ersten An­ teils und zum Bereitstellen eines eine Prozeßprodukthö­ he anzeigenden Füllstandausgangssignals basierend auf der Erfassungszeit des reflektierten zweiten Anteils.
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