DE10196640B4

DE10196640B4 - Verbesserte Schwellenwerteinstellung für einen Radar-Pegeltransmitter

Info

Publication number: DE10196640B4
Application number: DE10196640.7A
Authority: DE
Inventors: Eric R. Lovegren; Kurt C. Diede; Ryan R. Carlson
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: AU2002211244A1; WO2002025227A1; DE10196640T1

Abstract

Verfahren zum automatischen Setzen von mindestens einem Schwellenwert (TF, T1, T2) zur Verwendung durch einen Mikrowellen-Pegeltransmitter (10) zum Erfassen reflektierter Wellenimpulse (44, 46, 48), die Teilen eines ausgesendeten Mikrowellenimpulses entsprechen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:Berechnen (68) eines ersten Impulsamplituden-Schätzwertes eines ersten reflektierten Wellenimpulses (44) als Funktion:i) eines Korrekturfaktors;ii) eines ersten Dielektrizitätsparameters mit einem Wert, der einer Dielektrizitätskonstanten eines zu einer Antenne (22) benachbarten ersten Materials (13) entspricht;iii) einer Bezugsamplitude, die mit der Amplitude des ausgesendeten Mikrowellenimpulses in Beziehung steht; undiv) eines zweiten Dielektrizitätsparameters mit einem Wert, der einer Dielektrizitätskonstanten eines unter dem ersten Material (13) angeordneten zweiten Materials (14) entspricht; undSetzen eines ersten Schwellenwertes (T1) als Funktion des ersten Impulsamplituden-Schätzwertes; Berechnen (72) eines Referenzimpulsamplituden-Schätzwertes als Funktion:i) des Korrekturfaktors;ii) des ersten Dielektrizitätsparameters; undiii) der Bezugsamplitude, wobei zwischen der Antenne (22) und dem ersten Material (13) eine Bezugsgrenzfläche ausgebildet ist; und der Referenzimpulsamplituden-Schätzwert in Beziehung steht zu einem reflektierten Wellenimpuls der Bezugsgrenzfläche; undSetzen eines Referenzschwellenwertes (TF) als Funktion des Referenzimpulsamplituden-Schätzwertes.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft in der Prozeßsteuerungsindustrie zum Messen von Füllständen oder Pegeln von Materialien in Speicherbehältern, z.B. Tanks, verwendete Radar-Pegel transmitter. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Pegel-Schwellenwertberechnungsverfahren zum Bestimmen von Schwellenwerten, die durch einen Radar-Pegeltransmitter verwendet werden können, um zum Berechnen von Materialfüllständen oder -pegeln verwendete Materialgrenzflächen zu identifizieren.
Radar-Pegeltransmitter werden in der Prozeßsteuerungsindustrie zum Messen von Pegeln von ein einem Tank oder einem anderen Behälter enthaltenen Materialien durch Aussenden eines Mikrowellenimpulses unter Verwendung einer Radarantenne in den Tank, Empfangen eines mit Reflexionen des ausgesendeten Mikrowellenimpulses in Beziehung stehenden Signals und Erfassen von durch die Materialien gebildeten Grenzflächen unter Verwendung des Signals verwendet. Radar-Pegeltransmitter sind auch allgemein zum Übertragen von mit den Materialgrenzflächen in Beziehung stehender Pegelinformation an ein entferntes Steuerungssystem geeignet.
Die Materialien im Tank können in einem gasförmigen, festen oder flüssigen Zustand vorliegen. Der Mikrowellenimpuls wird von den Inhaltsstoffen des Tanks reflektiert, und es wird ein Return-Profil des Tanks in Form eines Signals oder einer Wellenform erzeugt. Die Wellenform stellt die Amplitude der durch den Radar-Pegeltransmitter empfangenen Reflexionen der Mikrowellenimpulse als Funktion der Zeit dar. Peaks in der Wellenform stellen empfangene Wellenimpulse dar, die Teilen des Mikrowellenimpulses entsprechen, die von Impedanzdiskontinuitäten innerhalb des Tanks reflektiert wurden. Diese Impedanzdiskontinuitäten können verschiedene Materialgrenzflächen sein, z.B. eine Antenne/Gas-Grenzfläche, eine Gas/Flüssigkeit-Grenzfläche, eine Gas/Feststoff-Grenzfläche, eine Flüssigkeit/Flüssigkeit-Grenzfläche, die z.B. durch eine Ölschicht auf Wasser gebildet wird, eine Flüssigkeit/Feststoff-Grenzfläche, eine Feststoff/Feststoff-Grenzfläche, und andersartige Materialgrenzflächen. Es ist wünschenswert, die Position dieser Grenzflächen zu messen, um die Mengen der verschiedenartigen Materialarten im Tank zu bestimmen.
Die Positionen oder Pegel dieser Materialgrenzflächen können unter Verwendung herkömmlicher Time-Domain-Reflectometry- (TDR) Verfahren bestimmt werden, nachdem die entsprechenden Zeitpositionen der empfangenen Wellenimpulse oder Peaks in der Wellenform bezüglich einer Bezugszeitposition bestimmt wurden. Die Erfassung der Zeitposition der empfangenen Wellenimpulse beinhaltet allgemein das Analysieren der Wellenform hinsichtlich Peaks, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten. Wenn der Tank mehr als ein Material enthält, können mehrere, jeweils mit einer spezifischen Materialgrenzfläche in Beziehung stehende Schwellenwerte verwendet werden, um die Pegel der verschiedenen Materialien zu erfassen.
Es besteht weiterhin Bedarf für verbesserte Radar-Pegeltransmitter. Normalerweise werden die Schwellenwerte durch einen Operateur des Radar-Pegeltransmitters empirisch festgelegt. Außer daß dieses Verfahren zeitaufwendig ist und der Operateur geschult werden muß, kann dieses Verfahren auch zu fehlerhaften Schwellenwerteinstellungen führen, was zu Erfassungsfehlern und fehlerhaften Pegelmessungen führen kann. Außerdem sind die Amplituden der empfangenen Wellenimpulse allgemein von mehreren Parametern abhängig, die beispielsweise mit den Eigenschaften der im Tank enthaltenen Materialien, der Tankgröße, den Eigenschaften der Radarantenne und der Temperatur in Beziehung stehen. Daher müssen die Schwellenwerte möglicherweise jedesmal angepaßt werden, wenn einer der die Amplituden der empfangenen Wellenimpulse beeinflussenden Parameter sich ändert, um fehlerhafte Messungen zu vermeiden. Durch eine Automatisierung der Schwellenwerteinstellungen könnten Kosten eingespart werden, indem die Genauigkeit der Schwellenwerte erhöht und der Bedarf für geschultes Personal reduziert wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche definiert. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Figurenliste

1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm zum Darstellen eines Radar-Pegeltransmitters gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, der an Tanks oder Behältern eines Verarbeitungsbetriebs befestigt wird;
2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radar-Pegeltransmitters;
3 zeigt ein Diagramm einer durch eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radar-Pegeltransmitters erzeugten Wellenform;
4 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Mikroprozessorsystems einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radar-Pegeltransmitters; und
5 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Darstellen von Verfahren, die durch verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Radar-Pegeltransmitter implementierbar sind.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung betrifft Radar-Pegeltransmitter die zum Bestimmen von Pegeln von Materialien, z.B. Flüssigkeiten und Feststoffe, verwendbar sind, die sich in einem Tank, einem Rohr, einem Gefäß oder einem andersartigen Behälter befinden. Durch die vorliegende Erfindung werden Schwellenwerte automatisch bestimmt, die durch Radar-Pegeltransmitter verwendet werden, um die Materialpegel zu ermitteln.
1 zeigt ein Beispiel einer Umgebung, in der Radar-Pegeltransmitter 10 allgemein verwendet werden. Radar-Pegeltransmitter 10 können auf einem Tank 12, z.B. über einem ersten, einem zweiten und einem dritten Material 13, 14 bzw. 16, montiert sein. Eine erste Materialgrenzfläche 18 befindet sich am Übergang zwischen dem ersten Material 13 und dem zweiten Material 14. Eine zweite Materialgrenzfläche 20 befindet sich am Übergang zwischen dem zweiten Material 14 und dem dritten Material 16. Jeder der Radar-Pegeltransmitter 10 ist mit einer Radarantenne 22 verbunden, die im allgemeinen einen Mikrowellenimpuls in die Materialien 13, 14 und 16 aussendet.
Der ausgesendete Mikrowellenimpuls kann aus einem breiten Frequenzbereich ausgewählt werden. Bevorzugte Frequenzen sind 250 MHz bis über 20 GHz. In einer Ausführungsform beträgt die Frequenz des Mikrowellenimpulses etwa 2 GHz, wobei die Pulsdauer etwa 200 ps bis etwa 2 ns beträgt. Die Pulsfrequenz entsprecht grob einer Frequenz zwischen 500 MHz und 5 GHz. Alternativ können für Feststoffe auch Radiowellen mit einer niedrigeren Frequenz verwendet werden.
Teile des Mikrowellenimpulses werden von Diskontinuitäten im Tank 12 reflektiert, z.B. von Materialgrenzflächen 18 und 20. Diese reflektierten Wellenimpulse werden durch die Radarantenne 22 empfangen und verwendet, um ein Profil der Inhaltsstoffe des Tanks 12 zu erzeugen. Der Radar-Pegeltransmitter 10 kann dann bekannte Time-Domain-Reflectometry-(TDR) Verfahren verwenden, um die Pegel der ersten und der zweiten Materialgrenzfläche 18, 20 zu berechnen. Eine Ausführungsform der Radarantenne 22 ist ein Wellenleiter 22a, wie in 1 dargestellt, der sich in das erste, das zweite und das dritte Material 13, 14 und 16 erstreckt. Der Mikrowellenimpuls breitet sich entlang des Wellenleiters 22a in die Materialien aus. Eine Ausführungsform des Wellenleiters 22a ist eine Bandkabel-Übertragungsleitung, die am unteren Ende des Tanks 12 im allgemeinen durch einen Kurzschluß abgeschlossen ist. Für Fachleute ist ersichtlich, daß viele äquivalente Ausführungsformen des Wellenleiters 22a in Verbindung mit dem Radar-Pegeltransmitter 10 verwendbar sind, z.B. eine Koaxial-Übertragungsleitung oder eine Koppelschleife. Weitere Ausführungsformen der Radarantenne 22 sind ein Hornstrahler 22b und eine Stabantenne 22c, wie ebenfalls in 1 dargestellt ist, die den Mikrowellenimpuls in den Tank 12 abstrahlen.
Im allgemeinen ist ein Kontrollraum 24 entfernt von den Radar-Pegeltransmittern 10 angeordnet. Im Kontrollraum 24 können die Radar-Pegeltransmitter 10 über 2-Leiter- oder Zweidraht-Regelkreise 26 gesteuert und Informationen von den Transmittern empfangen werden. Der Regelkreis 26 kann ein analoger Regelkreis, für den standardmäßig ein 4-20 mA-Analogsignal verwendet wird, oder ein digitaler Regelkreis sein, der ein digitales Signal gemäß einem digitalen Kommunikationsprotokoll erzeugt, wie beispielsweise FOUNDATION™ Fieldbus oder Profibus, oder ein kombinierter Regelkreis, in dem einem analogen Signal ein digitales Signal überlagert ist, was z.B. in einem HART^® -Feldgerät (Highway Addressable Remote Transducer) der Fall ist. Außerdem kann der Radar-Pegeltransmitter 10 ein Low-Power-Transmitter sein, der vollständig durch Energie versorgt wird, die er über den Regelkreis 26 empfängt.
2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines über den Regelkreis 26 mit dem Kontrollraum 24 verbundenen Radar-Pegeltransmitters 10. Die im Gehäuse 28 des Transmitters 10 angeordnete elektronische Schaltung weist ein Mikroprozessorsystem 30, einen Mikrowellentransceiver 32, ein Kommunikationsmodul 34 und ein Leistungs- oder Spannungsversorgungsmodul 36 auf. Der Radar-Pegeltransmitter 10 weist außerdem eine als Wellenleiter 22a, der sich in das im Tank 12 enthaltene zweite und dritte Material 14 und 16 erstreckt, dargestellte Radarantenne 22 auf.
Der Mikrowellentransceiver 32 ist mit der Antenne 32 betrieblich verbunden und wird durch das Mikroprozessorsystem 30 gesteuert. Der Mikrowellentransceiver 32 ist dazu geeignet, einen Mikrowellenimpuls über die Antenne 22 in den Tank 12 auszusenden und reflektierte Wellenimpulse zu empfangen. Der Mikrowellentransceiver 32 ist ferner dazu geeignet, die reflektierten Wellenimpulse in der Form eines elektrischen Signals mit einer Amplitude, die bezüglich der Zeit darstellbar ist, um eine Wellenform zu bilden, z.B. eine in 3 dargestellte Wellenform 38, an das Mikroprozessorsystem 30 zu übertragen. Der Transceiver 32 kann ein Low-Power-Mikrowellentransceiver sein, der innerhalb der Leistungsgrenzen eines Low-Power-Radar-Pegeltransmitters 10 betrieben wird. Beispielsweise kann der Transceiver 32 ein Micro Power Radar- (MIR) Transceiver des später in Verbindung mit zwei Patenten von E. McEwan, US-Patentmit US 5 609 059 A dem Titel ELECTRONIC MULTI-PURPOSE MATERIAL LEVEL SENSOR und US-Patent US 5 610 611 A mit dem Titel HIGH ACCURACY ELECTRONIC MATERIAL LEVEL SENSOR ausführlich beschriebenen Typs sein.
Das Mikroprozessorsystem 30 ist mit dem Mikrowellentransceiver 32 verbunden und dazu geeignet, Grenzflächenpositionen oder Pegel von Materialien basierend auf den Zeitpositionen der reflektierten Wellenimpulse oder ihrer Laufzeit unter Verwendung bekannter TDR-Verfahren zu berechnen. Das Mikroprozessorsystem 30 ist ferner so konfiguriert, daß ein als Pegelausgangssignal bezeichnetes Ausgangssignal erzeugt wird, das die Position der ersten Materialgrenzfläche 18 und/oder der zweiten Materialgrenzfläche 20 anzeigt. Das Pegelausgangssignal kann über einen Ein-/Ausgabe-Port 39 unter Verwendung des Kommunikationsmoduls 34 an den Kontrollraum 24 übertragen werden. Außerdem kann das Mikroprozessorsystem 30 am Ein-/Ausgabe-Port 39 bereitgestellte Information über das Kommunikationsmodul 34 empfangen.
Das Kommunikationsmodul 34 ist mit dem Mikroprozessorsystem 30 und dem Ein-/Ausgabe-Port 39 verbunden. In einer Ausführungsform weist der Ein-/Ausgabe-Port Anschlüsse 39a und 39b auf, über die das Kommunikationsmodul 34 mit dem Prozeßregelkreis 26 verbindbar ist. Das Kommunikationsmodul 34 ist dazu geeignet, mit dem Pegelausgangssignal in Beziehung stehende Information über den Prozeßregelkreis 26 zu übertragen. Außerdem kann das Kommunikationsmodul 34 Information über den Ein-/Ausgabe-Port 39 empfangen, z.B. Kalibrierungsinformation und verschiedene Parameter, die durch das Mikroprozessorsystem 30 verarbeitet werden können, um mit dem Pegel der im Tank 12 enthaltenen Materialien in Beziehung stehende Berechnungen auszuführen. Diese Information kann durch das Kommunikationsmodul 34 z.B. über den Regelkreis 26 gemäß einem digitalen Kommunikationsprotokoll unter Verwendung einer geeigneten Schaltung, z.B. einen bekannten Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) (nicht dargestellt), übertragen und empfangen werden. Alternativ kann Information als Analogsignal übertragen und empfangen werden, wobei ein Stromsignal im Regelkreis 26 beispielsweise zwischen 4 und 20 mA variiert. Das Kommunikationsmodul 34 kann einen D/A-Wandler oder eine andere geeignete Vorrichtung zum Umwandeln des Digitalsignals vom Mikroprozessorsystem 30 in ein Analogsignal aufweisen, das über den Regelkreis 26 übertragbar ist. Ähnlicherweise kann das Kommunikationsmodul 34 gegebenenfalls einen A/D-Wandler zum Umwandeln eines über den Regelkreis 26 empfangenen Analogsignals in ein Digitalsignal aufweisen, das durch das Mikroprozessorsystem 30 verwendet werden kann. Auf diese Weise kann der Transmitter 10 den Pegel der ersten Materialgrenzfläche 18 und/oder der zweiten Materialgrenzfläche 20 zum Kontrollraum 24 oder anderen Controllern oder Geräten übertragen, die mit dem Prozeßregelkreis 26 verbunden sind. Der Transmitter 10 kann außerdem Information vom Kontrollraum 24 oder anderen Controllern oder Geräten empfangen, z.B. Temperaturinformation von einem Temperatursensor (nicht dargestellt).
Das Spannungsversorgungsmodul 36 ist mit dem Mikroprozessorsystem 30, dem Mikrowellentransceiver 32 und dem Kommunikationsmodul 34 verbunden. In einer Ausführungsform empfängt das Spannungsversorgungsmodul 36 Spannung über den Regelkreis 26 und verteilt die Spannung auf die übrigen Komponenten des Transmitters 10. Das Spannungsversorgungsmodul 36 kann außerdem gegebenenfalls die über den Regelkreis 26 empfangene Leistung oder Spannung regeln.
Im Betrieb erzeugt der Transceiver 32 Mikrowellensignale oder Mikrowellenimpulse, die unter Verwendung der Antenne 22 in den Tank 12 ausgesendet werden. Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, werden Teile des ausgesendeten Mikrowellenimpulses, die als reflektierte Wellenimpulse definiert sind, von Diskontinuitäten oder Impedanzfehlverschiebungen oder -unterschieden im Tank 12 reflektiert. Jedes Material (13, 14 und 16) oder Medium im Tank 12 hat eine charakteristische Impedanz. Wenn der ausgesendete Mikrowellenimpuls von einem Material zu einem anderen übergeht oder eine Materialgrenzfläche (z.B. 18 oder 20) erreicht, wird durch den Unterschied oder die Verschiebung zwischen den charakteristischen Impedanzen der Materialien veranlaßt, daß ein Teil des ausgesendeten Mikrowellenimpulses zur Antenne 22 zurück reflektiert wird und ein Teil des Mikrowellenimpulses sich weiter ausbreitet. Die Größe des reflektierten Wellenimpulses ist eine Funktion des Unterschieds oder der Verschiebung der charakteristischen Impedanzen der Materialien.
Wie vorstehend erwähnt, können an der ersten Materialgrenzfläche 18, der zweiten Materialgrenzfläche 20 und einer Bezugsgrenzfläche 40, die in 2 dargestellt sind, Diskontinuitäten vorhanden sein. Eine Diskontinuität existiert an der ersten Materialgrenzfläche 18 aufgrund der verschiedenen Impedanzen des ersten Materials 13 und des zweiten Materials 14. Ähnlicherweise existiert eine Diskontinuität an der zweiten Materialgrenzfläche 20 aufgrund der verschiedenen Impedanzen des zweiten und des dritten Materials 14 und 16. Daher werden in Antwort auf einen ausgesendeten Mikrowellenimpuls der erste und der zweite reflektierte Wellenimpuls 44, 46 an der ersten und an der zweiten Materialgrenzfläche 18 bzw. 20 erzeugt. 3 zeigt eine Wellenform 38 in Form eines Diagramms der durch den Mikrowellentransceiver 32 empfangenen reflektierten Energie, in dem Beispiele des ersten und des zweiten reflektierten Wellenimpulses 44 und 46 dargestellt sind.
Die Bezugsgrenzfläche 40 stellt eine Bezugs-Impedanzdiskontinuität dar, die in Antwort auf den ausgesendeten Mikrowellenimpuls einen reflektierten Wellenimpuls in Form eines in 3 dargestellten Referenzimpulses 48 erzeugt. Die Bezugsgrenzfläche 40 ist eine bekannte Impedanzdiskontinuität auf dem Weg des ausgesendeten Mikrowellenimpulses, die sich typischerweise nicht mit der Zeit ändert. Die Bezugsgrenzfläche 40 ist typischerweise eine Grenzfläche zwischen einer Komponente und Luft, sie kann jedoch eine beliebige Grenze zwischen zwei Substanzen sein, die verschiedene Dielektrizitätskonstanten besitzen. Die Bezugsgrenzfläche 40 könnte beispielsweise zwischen dem über der ersten Materialgrenzfläche 18 angeordneten ersten Material 13 und einer Aktivierungsplatte 45 (2), einer Antenne 22, einem Serienkondensator (nicht dargestellt) oder einer beliebigen anderen Komponente angeordnet sein. Der Referenzimpuls 48 kann verwendet werden, um die Laufzeiten oder die Zeitpositionen des ersten und des zweiten reflektierten Wellenimpulses 44 und 46 bezüglich des Referenzimpulses 48 zu bestimmen. Die Pegel der ersten und der zweiten Materialgrenzfläche 18 und 20 können dann unter Verwendung der Laufzeit oder der relativen Zeitpositionen unter Verwendung bekannter TDR-Verfahren berechnet werden.
Das durch das Mikroprozessorsystem 30 allgemein verwendete Verfahren zum Bestimmen des Referenzimpulses 48, des ersten reflektierten Wellenimpulses 44 und des zweiten reflektierten Wellenimpulses 46 beinhaltet das Bestimmen von Schwellenwerten, die jedem der reflektierten Wellenimpulse der Wellenform 38 entsprechen. Die Zeitposition eines bestimmten reflektierten Wellenimpulses kann erhalten werden, indem bestimmt wird, wo die Wellenform 38 einen Schwellenwert kreuzt, der zum Erfassen des spezifischen reflektierten Wellenimpulses gesetzt wurde. Die Zeitposition eines erfaßten reflektierten Wellenimpulses könnte an vielen Positionen ermittelt werden. Diese Positionen sind z.B.: die vordere Flanke des reflektierten Wellenimpulses; die hintere Flanke des reflektierten Wellenimpulses; eine Stelle in der Mitte zwischen den Punkten, die den Schwellenwert kreuzen; der über dem Schwellenwert liegende Peakwert des reflektierten Wellenimpulses; oder eine beliebige geeignete Position entlang des erfaßten reflektierten Wellenimpulses. In der Darstellung von 3 sind ein Referenzschwellenwert TF zum Erfassen des Referenzimpulses 48, ein erster Schwellenwert T1 zum Erfassen des ersten reflektierten Wellenimpulses 44 und ein zweiter Schwellenwert T2 zum Erfassen des zweiten reflektierten Wellenimpulses 46 definiert.
Die zum Erfassen eines gewünschten reflektierten Wellenimpulses erforderlichen Schwellenwerte können sich ändern, wenn die Eigenschaften des Transmitters 10 und die Eigenschaften der im Tank 12 enthaltenen Materialien sich ändern. Wenn beispielsweise als Radarantenne 22 anstatt eines Hornstrahlers 22B ein Wellenleiter 22A verwendet wird, müssen die Schwellenwerte TF, T1 und T2 gegebenenfalls angepaßt werden, um zu gewährleisten, daß die zugeordneten reflektierten Wellenimpulse 48, 44 bzw. 46 geeignet erfaßt werden. Außerdem können auch Temperatur- und Druckänderungen einen Einfluß auf die Eigenschaften der Antenne 22 und der im Tank 12 enthaltenen Materialien haben, so daß die Schwellenwerte TF, T1 und T2 entsprechend modifiziert werden müssen.
Die Verwendung empirischer Verfahren zum Setzen der Schwellenwerte TF, T1 und T2 kann zeitaufwendig sein, insbesondere wenn es dabei erforderlich ist, aufgrund von Änderungen der Eigenschaften des Transmitters 10, von Umgebungsparametern und/oder der im Tank 12 enthaltenen Materialien die Schwellenwerte regelmäßig anzupassen. Durch die vorliegende Erfindung wird eine Verbesserung bezüglich des Stands der Technik dadurch erreicht, daß ein Verfahren bereitgestellt wird, durch das die Schwellenwerte TF, T1 und T2 schnell und exakt gesetzt werden. Außerdem können durch das erfindungsgemäß verwendete Verfahren zum Setzen der Schwellenwerte TF, T1 und T2 die Schwellenwerte TF, T1 und T2 leicht angepaßt werden, wenn sich die Eigenschaften des Transmitters 10, Umgebungsparameter oder die Eigenschaften der im Tank 12 enthaltenen Materialien ändern.
Die erfindungsgemäßen Schwellenwertberechnungen werden im allgemeinen durch Softwarebefehle ausgeführt. Obwohl die folgende Beschreibung sich darauf bezieht, daß die Softwarebefehle im Mikroprozessorsystem 30 gespeichert sind, sollte klar sein, daß die Softwarebefehle extern vom Transmitter 10 gespeichert und ausgeführt werden können, z.B. im Kontrollraum 24, wobei die Schwellenwerte TF, T1 und T2 über den Ein-/Ausgabe-Port 39 und das Kommunikationsmodul 34 an das Mikroprozessorsystem 30 übertragen werden.
Gemäß 4 weist eine Ausführungsform eines Mikroprozessorsystems 30 einen Mikroprozessor 50, einen Speicher 52, einen Ein-/Ausgabe-Port (E/A-Port) 53, einen Taktgeber 54 und einen A/D-Wandler 55 auf. Der Taktgeber 54 führt dem Mikroprozessor 50 ein Taktsignal zu und wird zum Steuern der Operationen und Verarbeitungen des Mikroprozessors 50 verwendet. Der Mikroprozessor 50 kommuniziert mit dem Speicher 52 und ist dazu geeignet, Daten vom Speicher 52 abzurufen und zu speichern und im Speicher 52 gespeicherte Befehle abzurufen und auszuführen. Der E/A-Port 53 ermöglicht es dem Mikroprozessorsystem 30, mit dem Mikrowellentransceiver 32 und dem Kommunikationsmodul 34 (2) zu kommunizieren. Der A/D-Wandler 55 kann durch das Mikroprozessorsystem 30 verwendet werden, um vom E/A-Port 53 empfangene Analogsignale für den Mikroprozessor 50 in eine digitale Form umzuwandeln. Typischerweise werden alle Komponenten im A/D-Wandler 55 durch ein Taktsignal gesteuert, das vom Taktgeber 54 erhalten werden kann.
Der Speicher 52 weist ein Schwellenwertberechnungsmodul 56 und ein Pegelberechnungsmodul 58 auf, die jeweils Befehle enthalten, die durch den Mikroprozessor 50 ausgeführt werden können. Das Schwellenwertberechnungsmodul 56 ist so konfiguriert, daß es Schwellenwerte für das Pegelberechnungsmodul 58 bereitstellt, die durch das Pegelberechnungsmodul 58 verwendet werden, um reflektierte Wellenimpulse in der vom Mikrowellentransceiver 32 empfangenen Wellenform 38 zu erfassen. In einer Ausführungsform stellt das Schwellenwertberechnungsmodul 56 den Referenzschwellenwert TF und den ersten Schwellenwert T1 für eine Standard-Pegelerfassung durch das Pegelberechnungsmodul 58 bereit. In einer anderen Ausführungsform stellt das Schwellenwertberechnungsmodul ferner den zweiten Schwellenwert T2 und gegebenenfalls weitere Schwellenwerte für das Pegelberechnungsmodul 58 bereit, um eine Grenzflächenerfassung unter der ersten Materialgrenzfläche 18 zu ermöglichen.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines allgemeinen Verfahrens, das für eine Schwellenwertberechnung verwendet werden kann, um den Referenzschwellenwert TF, den ersten Schwellenwert T1 und den zweiten Schwellenwert T2 zu bestimmen. In Schritt 60 wird ein Korrekturfaktor gemäß den Eigenschaften der durch den Radar-Pegeltransmitter 10 verwendeten Radarantenne 22 (1) gesetzt. Diese Eigenschaften können beispielsweise die Abmessungen der in der Koaxial-Koppelschleife oder in einer Zweidraht-Koppelschleife verwendeten Leiter sein. In Schritt 62 wird ein erster Dielektrizitätsparameter auf einen Wert gesetzt, der der Dielektrizitätskonstanten des ersten Materials 13 an der Bezugsgrenzfläche 40 entspricht. Das Medium an der Bezugsgrenzfläche ist typischerweise Gas, es könnte jedoch genauso gut eine Flüssigkeit oder ein Feststoff sein. Die Dielektrizitätskonstante des ersten Materials 13 wird allgemein vom Dampfgehalt oder Feuchtigkeitanteil des Gases abhängen. In Schritt 64 wird eine Bezugsamplitude auf einen Wert gesetzt, der mit der Amplitude des ausgesendeten Mikrowellenimpulses in Beziehung steht. In Schritt 66 wird ein zweiter Dielektrizitätsparameter auf einen Wert gesetzt, der der Dielektrizitätskonstanten des zweiten Materials 14 entspricht. In Schritt 68 wird ein erster Impulsamplituden-Schätzwert als Funktion der Bezugsamplitude, des Korrekturfaktors, des ersten Dielektrizitätsparameters und des zweiten Dielektrizitätsparameters berechnet. Der erste Impulsamplituden-Schätzwert steht mit dem ersten reflektierten Wellenimpuls 44 in Beziehung, der einem an der ersten Materialgrenzfläche 18 reflektierten Teil des ausgesendeten Mikrowellenimpulses entspricht. Diese Berechnungen sind in der Industrie bekannt und können in mit Elektomagnetismus in Beziehung stehenden Lehrbüchern gefunden werden, wie beispielsweise in Fundamentals Of Applied Electromagnetics, 1999 Edition, Fawwaz T. Ulaby, veröffentlicht von Prentice-Hall, Incorporated.
In Schritt 70 wird durch eine Schwellenwertberechnung der erste Schwellenwert T1 als Funktion des ersten Impulsamplituden-Schätzwertes gesetzt. Im allgemeinen wird der erste Schwellenwert T1 auf einen vorgegebenen Prozentanteil des ersten Impulsamplituden-Schätzwertes gesetzt. Der Korrekturfaktor, der erste Dielektrizitätsparameter und der zweite Dielektrizitätsparameter können durch einen Operateur gesetzt werden, der beispielsweise vom Kontrollraum 24 über den Prozeßregelkreis 36 mit dem Mikroprozessorsystem 30 kommunizieren kann. Der Operateur kann die Parameter unter Verwendung eines Computers setzen, indem er die Werte über eine Tastatur eingibt und/oder die Werte aus einer Tabelle auswählt, die beispielsweise zur Verwendung durch das Schwellenwertberechnungsmodul 56 gespeichert sein kann.
In einer Ausführungsform wird eine Schwellenwertberechnung ausgeführt, um den Referenzschwellenwert TF zu bestimmen. Hierbei wird in Schritt 72 ein Referenzimpulsamplituden-Schätzwert als Funktion der Bezugsamplitude, des Korrekturfaktors und des ersten Dielektrizitätsparameters berechnet, die in den Schritten 60 bzw. 62 gesetzt wurden. Durch Schwellenwertberechnungen kann dann in Schritt 74 der Referenzschwellenwert TF als Funktion des Referenzimpulsamplituden-Schätzwertes berechnet werden. Im allgemeinen wird der Referenzschwellenwert TF auf einen vorgegebenen Prozentanteil des Referenzimpulsamplituden-Schätzwertes gesetzt. Alternativ kann der Referenzschwellenwert TF durch einen Operateur empirisch gesetzt werden.
In einer anderen Ausführungsform beinhalten die Schwellenwertberechnungen eine Berechnung des zweiten Schwellenwertes T2, der verwendet werden kann, um den zweiten reflektierten Wellenimpuls 46 zu erfassen, der einem an der zweiten Materialgrenzfläche 20 reflektierten Teil des ausgesendeten Mikrowellenimpulses entspricht. Hierbei wird in Schritt 76 ein dritter Dielektrizitätsparameter gesetzt. Der dritte Dielektrizitätsparameter hat einen Wert, der der Dielektrizitätskonstante des dritten Materials 16 (2) entspricht. In Schritt 78 wird ein zweiter Impulsamplituden-Schätzwert als Funktion der Bezugsamplitude, des Korrekturfaktors und des ersten, des zweiten und des dritten Dielektrizitätsparameters berechnet. Schließlich wird in Schritt 80 der zweite Schwellenwert T2 als Funktion des zweiten Impulsamplituden-Schätzwertes berechnet. Vorzugsweise wird der zweite Schwellenwert T2 auf einen vorgegebenen Prozentanteil des zweiten Impulsamplituden-Schätzwert gesetzt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Korrekturfaktor temperaturabhängig. Diese Temperaturabhängigkeit kann dadurch berücksichtigt werden, daß eine Gleichung verwendet wird, die den Korrekturfaktor als Funktion der Temperatur berechnet, oder daß eine Tabelle für die spezifische Antenne 22 verwendet wird. In einer Ausführungsform kann das Mikroprozessorsystem 30 ein Temperatursignal (nicht dargestellt) empfangen, das mit der Temperatur der Materialien im Tank 12 und der Radarantenne 22 in Beziehung steht. Hierbei kann der Mikroprozessor 50 den Korrekturfaktor als Funktion des Temperatursignals berechnen oder den der gemessenen Temperatur entsprechenden, geeigneten Korrekturfaktor auswählen.
In einer noch anderen Ausführungsform ist der Korrekturfaktor außerdem eine Funktion eines Bereichfaktors, der im allgemeinen dem durch den Radar-Pegeltransmitter 10 auszuführenden Scantyp entspricht. Der Bereichfaktor berücksichtigt am allgemeinen die Dämpfung der reflektierten Wellenimpulse, die auftritt, wenn die reflektierten Wellenimpulse ein Medium durchlaufen. Je größer der durch den Radar-Pegeltransmitter zu scannende Bereich ist, desto größer ist die Dämpfung der reflektierten Wellenimpulse. Wenn diese Dämpfung nicht berücksichtigt wird, können Erfassungsfehler auftreten. Wenn beispielsweise die Materialgrenzflächen innerhalb eines Nahbereichs liegen, kann die Amplitude der reflektierten Wellenimpulse größer sein als erwartet, was zu einer ungeeigneten Erfassung einiger der reflektierten Wellenimpulse führt, weil die Schwellenwerte zu niedrig gesetzt sind. Wenn die Materialgrenzflächen innerhalb eines weiten Bereichs liegen, kann die Amplitude der reflektierten Wellenimpulse kleiner sein als erwartet, so daß die reflektierten Wellenimpulse nicht erfaßt werden können, weil die Schwellenwerte zu hoch gesetzt sind. Der Bereichfaktor dient im allgemeinen dazu, die Schwellenwerte so anzupassen, daß reflektierte Wellenimpulse geeignet erfaßt werden, die von Materialgrenzflächen reflektiert werden, die innerhalb eines Nah- oder eines Weitbereichs liegen.
In einer Ausführungsform wird der Bereichfaktor in Abhängigkeit davon gesetzt, ob ein Weitbereich- oder ein Nahbereich-Scanvorgang ausgeführt wird. Die Abstände, die einem Bereichfaktor für einen Weitbereich-Scanvorgang bzw. einem Bereichfaktor für einen Nahbereich-Scanvorgang entsprechen, hängen teilweise vom Typ der verwendeten Radarantenne 22 ab. Wenn beispielsweise die Radarantenne 22 die Form eines Wellenleiters 22A hat, wird ein Bereichfaktor für den Weitbereich gesetzt, wenn die durchzuführenden Scanvorgänge einen vorgegebenen Abstand überschreiten, und ein Bereichfaktor für den Nahbereich, wenn die Scanvorgänge innerhalb eines Bereichs ausgeführt werden, der kleiner ist als der vorgegebene Abstand. Der vorgegebene Abstand kann beispielsweise 4,57 m (15 Fuß) betragen. Der Bereichfaktor kann verwendet werden, um den Schwellenwert in Abhängigkeit vom auszuführenden Scantyp zu erhöhen oder zu vermindern.
In einer noch anderen Ausführungsform können der Referenzschwellenwert TF, der erste Schwellenwert T1 und der zweite Schwellenwert T2 um einen durch einen Operateur festgelegten Offsetwert verschoben werden. Der Offsetwert kann dazu verwendet werden, die Schwellenwerte um einen festen Wert zu erhöhen oder zu vermindern. Diese Einstellungen werden im allgemeinen vorgenommen, nachdem die Performance oder Lesitungsfähigkeit des Radar-Pegeltransmitters 10 geprüft wurde.
Der Radar-Pegeltransmitter 10 kann auch eine Einrichtung (nicht dargestellt) zum Berechnen einer Dielektrizitätskonstanten aufweisen, die so konfiguriert ist, daß sie eine Dielektrizitätskonstante des zweiten Materials 14 als Funktion der Amplitude des ersten reflektierten Wellenimpulses 44 und der Bezugsamplitude berechnet. Die Verwendung einer Einrichtung zum Berechnen einer Dielektrizitätskonstanten in einem Radar-Pegeltransmitter 10 ist in der US-Patentanmeldung US 6 198 424 B1 eingereicht am 11. Januar 1999 mit dem Titel MULTIPLE PROCESS PRODUCT INTERFACE DETECTION FOR A LOW POWER RADAR LEVEL TRANSMITTER beschrieben, auf die hierin durch Verweis Bezug genommen wird. In dieser Ausführungsform kann das Schwellenwertberechnungsmodul 56 den ersten Impulsamplituden-Schätzwert und den Schwellenwert T1 erneut berechnen, wobei der erste Dielektrizitätsparameter auf die berechnete Dielektrizitätskonstante gesetzt wird. Dadurch kann das Schwellenwertberechnungsmodul 56 anfangs den ersten Schwellenwert T1 gemäß der ersten Dielektrizitätskonstante berechnen, die durch einen Operateur gesetzt wurde, und später den ersten Schwellenwert T1 unter Verwendung des von der Einrichtung zum Berechnen einer Dielektrizitätskonstanten erhaltenen Wertes anpassen.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist für Fachleute ersichtlich, daß innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung Änderungen in den Ausführungsformen bzw. in der Konfiguration und in Details vorgenommen werden können.

Claims

Verfahren zum automatischen Setzen von mindestens einem Schwellenwert (TF, T1, T2) zur Verwendung durch einen Mikrowellen-Pegeltransmitter (10) zum Erfassen reflektierter Wellenimpulse (44, 46, 48), die Teilen eines ausgesendeten Mikrowellenimpulses entsprechen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Berechnen (68) eines ersten Impulsamplituden-Schätzwertes eines ersten reflektierten Wellenimpulses (44) als Funktion: i) eines Korrekturfaktors; ii) eines ersten Dielektrizitätsparameters mit einem Wert, der einer Dielektrizitätskonstanten eines zu einer Antenne (22) benachbarten ersten Materials (13) entspricht; iii) einer Bezugsamplitude, die mit der Amplitude des ausgesendeten Mikrowellenimpulses in Beziehung steht; und iv) eines zweiten Dielektrizitätsparameters mit einem Wert, der einer Dielektrizitätskonstanten eines unter dem ersten Material (13) angeordneten zweiten Materials (14) entspricht; und Setzen eines ersten Schwellenwertes (T1) als Funktion des ersten Impulsamplituden-Schätzwertes; Berechnen (72) eines Referenzimpulsamplituden-Schätzwertes als Funktion: i) des Korrekturfaktors; ii) des ersten Dielektrizitätsparameters; und iii) der Bezugsamplitude, wobei zwischen der Antenne (22) und dem ersten Material (13) eine Bezugsgrenzfläche ausgebildet ist; und der Referenzimpulsamplituden-Schätzwert in Beziehung steht zu einem reflektierten Wellenimpuls der Bezugsgrenzfläche; und Setzen eines Referenzschwellenwertes (TF) als Funktion des Referenzimpulsamplituden-Schätzwertes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: zwischen dem ersten Material (13) und dem zweiten Material (14) eine erste Materialgrenzfläche (18) ausgebildet ist; und der erste reflektierte Wellenimpuls (44), der einem an der ersten Materialgrenzfläche (18) reflektierten Teil des ausgesendeten Mikrowellenimpulses entspricht, unter Verwendung des ersten Schwellenwertes (T1) erfaßbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Schwellenwert (T1) ferner eine Funktion eines Dämpfungsfaktors und/oder eines Bereichfaktors und/oder eines Offsetwertes ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: Berechnen (78) eines Impulsamplituden-Schätzwertes eines zweiten Wellenimpulses als Funktion der Bezugsamplitude, des Korrekturfaktors, des ersten Dielektrizitätsparameters, des zweiten Dielektrizitätsparameters und eines dritten Dielektrizitätsparameters, dessen Wert einer Dielektrizitätskonstanten eines unter dem zweiten Material (14) angeordneten dritten Materials (16) entspricht; und Setzen eines zweiten Schwellenwertes (T2) als Funktion des Impulsamplituden-Schätzwertes des zweiten reflektierten Wellenimpulses.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei: eine zweite Materialgrenzfläche (20) zwischen dem zweiten Material (14) und dem dritten Material (16) angeordnet ist; und ein zweiter reflektierter Wellenimpuls (46), der einem an der zweiten Materialgrenzfläche (20) reflektierten Teil des ausgesendeten Mikrowellenimpulses entspricht, unter Verwendung des zweiten Schwellenwertes (T2) erfaßbar ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der zweite Schwellenwert (T2) ferner eine Funktion eines Dämpfungsfaktors und/oder eines Bereichfaktors und/oder eines Offsetwertes ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Referenzschwellenwert (TF) ferner eine Funktion eines Dämpfungsfaktors und/oder eines Bereichfaktors und/oder eines Offsetwertes ist.
Verfahren zum automatischen Setzen von Schwellenwerten (TF, T1, T2) zur Verwendung durch einen Mikrowellen-Pegeltransmitter (10) zum Erfassen reflektierter Wellenimpulse (44, 46, 48), die Teilen eines ausgesendeten Mikrowellenimpulses entsprechen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Setzen (60) eines Korrekturfaktors; Setzen (62) eines ersten Dielektrizitätsparameters auf einen Wert, der einer Dielektrizitätskonstanten eines zu einer Antenne (22) benachbarten ersten Materials (13)entspricht; Setzen (64) einer mit dem Mikrowellenimpuls in Beziehung stehenden Bezugsamplitude; Setzen (66) eines zweiten Dielektrizitätsparameters auf einen Wert, der einer Dielektrizitätskonstanten eines unter dem ersten Material (13) angeordneten zweiten Materials (14) entspricht; Berechnen (68) eines ersten Impulsamplituden-Schätzwertes eines ersten reflektierten Wellenimpulses (44) als Funktion der Bezugsamplitude, des Korrekturfaktors und des ersten und des zweiten Dielektrizitätsparameters; und Setzen (70) eines ersten Schwellenwertes (T1) als Funktion des ersten Impulsamplituden-Schätzwertes; und Berechnen (72) eines Referenzimpulsamplituden-Schätzwertes als Funktion der Bezugsamplitude, des Korrekturfaktors und des ersten Dielektrizitätsparameters; und Setzen (74) eines Referenzschwellenwertes (TF) als Funktion des Referenzimpulsamplituden-Schätzwertes.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei: zwischen dem ersten Material (13) und dem zweiten Material (14) eine erste Materialgrenzfläche (18) ausgebildet ist; und ein erster reflektierter Wellenimpuls (44), der einem an der ersten Materialgrenzfläche (18) reflektierten Teil des ausgesendeten Mikrowellenimpulses entspricht, unter Verwendung des ersten Schwellenwertes erfaßbar ist.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit den Schritten: Setzen (76) eines dritten Dielektrizitätsparameters auf einen Wert, der einer Dielektrizitätskonstanten eines unter dem zweiten Material (14) angeordneten dritten Materials (16) entspricht; Berechnen (78) eines zweiten Impulsamplituden-Schätzwertes als Funktion der Bezugsamplitude, des Korrekturfaktors und des ersten, des zweiten und des dritten Dielektrizitätsparameters; und Setzen (80) eines zweiten Schwellenwertes (T2) als Funktion des zweiten Impulsamplituden-Schätzwertes, so dass ein zweiter reflektierter Wellenimpuls, der einem an einer zweiten Materialgrenzfläche (20) reflektierten Teil des Mikrowellenimpulses entspricht, unter Verwendung des zweiten Schwellenwertes (T2) erfaßbar ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der erste Schwellenwert (T1) ferner eine Funktion eines Dämpfungsfaktors und/oder eines Bereichfaktors und/oder eines Offsetwertes und/oder einer Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der erste und/oder der zweiten Schwellenwert (T1, T2) ferner eine Funktion eines Dämpfungsfaktors und/oder eines Bereichfaktors und/oder eines Offsetwertes und/oder einer Temperatur ist.
Radar-Pegeltransmitter (10) zum Erfassen des Pegels von Materialien in einem Behälter, wobei der Transmitter aufweist: eine Antenne (22); einen mit einer Antenne (22) verbundenen Transceiver (32), der so konfiguriert ist, dass er unter Verwendung der Antenne (22) einen Mikrowellenimpuls mit einer Amplitude aussendet und ein reflektierte Wellenimpulse darstellendes Signal erzeugt; ein mit dem Transceiver (32) verbundenes Mikrowellensystem (30), das dazu geeignet ist, den Transceiver (32) zu steuern und das Signal zu verarbeiten; ein durch das Mikroprozessorsystem (30) ausführbares Schwellenwertberechnungsmodul (56), das dazu geeignet ist, einen ersten Schwellenwert (T1) und einen Referenzschwellenwert (TF) mit den Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu berechnen.
Radar-Pegeltransmitter (10) nach Anspruch 13 mit einem Ein-/Ausgabe-Port (53), der dazu geeignet ist, ein die erste Materialgrenzfläche (18) anzeigendes Pegelausgangssignal zu übertragen.
Radar-Pegeltransmitter (10) nach Anspruch 13 mit einer Einrichtung zum Berechnen einer Dielektrizitätskonstanten, welche Einrichtung dazu geeignet ist, den mit einer der Eigenschaften der Materialien in Beziehung stehenden Dielektrizitätsparameter als Funktion der Amplitude eines ersten reflektierten Wellenimpulses zu berechnen, der einem an der ersten Materialgrenzfläche (18) reflektierten Teil des Mikrowellenimpulses entspricht, und den Dielektrizitätsparameter dem Schwellenwertberechnungsmodul (56) zum Bestimmen des Pegels der ersten Materialgrenzfläche (18) zuzuführen.