DE102004052110A1

DE102004052110A1 - Verfahren zur Füllstandsmessung nach dem Laufzeitprinzip

Info

Publication number: DE102004052110A1
Application number: DE102004052110A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. Spanke; Edgar Schmitt; Holger Dr. Steltner
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2024-10-27
Also published as: DE102004052110B4

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Messung eines Füllstandes (7) eines Füllgutes (1) in einem Behälter (3), mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmeßgerät (5), vorgesehen, das ein hohes Maß an Sicherheit bietet, bei dem Sendesignale (S) in Richtung des Füllgutes (1) gesendet werden, deren Echosignale (E) aufgenommen werden, jeweils mindestens ein Echo (Ei) der Echosignale (E) ermittelt wird, Eigenschaften für jedes ermittelte Echo (Ei) bestimmt werden und entweder anhand von mindestens einer Eigenschaft eines Echos (Ei) eine Kenngröße (K) ermittelt wird, die ein Maß für eine Plausibilität einer Zuordnung des Echos (Ei) zu einem vorgegebenen Echotyp ist, und anhand der Kenngröße (K) eine Klassifizierung der Echos (Ei) vorgenommen wird, bei der mindestens einem Echo (Ei) ein Echotyp zugeordnet wird, oder eine Klassifizierung vorgenommen wird, bei der mindestens einem Echo (Ei) ein Echotyp zugeordnet wird, und eine Plausibilität der Zuordnung anhand mindestens einer Eigenschaft jedes klassifizierten Echos (Ei) überprüft wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandsmessung nach dem Laufzeitprinzip mit berührungslos arbeitenden Füllstandsmessgeräten.
Derartige berührungslos arbeitende Messgeräte werden in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, z.B. in der verarbeitenden Industrie, in der Chemie oder in der Lebensmittelindustrie.
Bei der Füllstandsmessung werden periodisch kurze Sendesignale, z.B. Mikrowellen oder Ultraschallwellen, mittels eines Sende- und Empfangselementes zur Oberfläche eines Füllguts gesendet und deren an der Oberfläche reflektierte Echosignale nach einer abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen. Handelsübliche mit Mikrowellen arbeitende Füllstandsmessgeräte werden in zwei Klassen unterschieden; 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 aus dem Behälter heraus geführt werden.
Es wird in der Regel eine die Echoamplituden als Funktion der Laufzeit darstellende Echofunktion gebildet. Jeder Wert dieser Echofunktion entspricht der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand vom Sendeelement reflektierten Echos.
Aus der 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.
Üblicherweise wird nicht ein empfangenes Rohsignal zur Auswertung herangezogen, sondern dessen so genannte Hüllkurve. Die Hüllkurve wird erzeugt, indem das Rohsignal gleichgerichtet und gefiltert wird. Zur genauen Bestimmung einer Laufzeit des Nutzechos wird zuerst ein Maximum der Hüllkurve bestimmt.
Heute werden eine Vielzahl verschiedener Verfahren zur Bestimmung des Nutzechos angewendet.
Gemäß einem ersten Verfahren wird angenommen, dass das Nutzecho, eine größere Amplitude aufweist, als die übrigen Echos. Es wird das Echo mit der größten Amplitude als Nutzecho ausgewählt.
Gemäß einem zweiten Verfahren wird angenommen, dass das Nutzecho das erste eintreffende Echo ist. Es wird das erste Echo als Nutzecho ausgewählt.
Es ist möglich, das erste und das zweite Verfahren 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.
Gemäß einem dritten Verfahren wird dem Füllstandsmessgerät einmal der aktuelle Füllstand vorgegeben. Das Füllstandsmessgerät kann anhand des vorgegebenen Füllstandes das zugehörige Echo als Nutzecho identifizieren und z.B. durch einen geeigneten Algorithmus 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 anwendungs-spezifischen maximal zu erwartenden Änderungsgeschwindigkeit des Füllstandes das Nutzecho ermittelt. Aus einer Laufzeit des so ermittelten aktuellen Nutzechos ergibt sich dann der neue Füllstand.

Ein viertes Verfahren ist in der am 20.12.2002 angemeldeten Deutschen Patentanmeldung DE-A 10260962 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, die den den jeweiligen Echofunktionen zugehörigen Füllständen entspricht. Im Betrieb wird das Nutzecho und der zugehörige Füllstand anhand der Echofunktion des aktuellen Sendesignals mit Hilfe der Tabelle bestimmt.

In der am 19.12.2003 angemeldeten Deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer: 10360710.2 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. Auch hierbei handelt es sich im weitesten Sinne um eine Echoverfolgung.

Diese Verfahren arbeiten für sich genommen jeweils in 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.

Beim ersten Verfahren ist dies beispielsweise dann der Fall, wenn Einbauten im Behälter vorhanden sind, die die Sendesignale besser Reflektieren, als die Füllgutoberfläche.

Bei der Echoverfolgung kann dieser Fall eintreten, wenn im Betrieb das Nutzecho an einem Störecho vorbeiläuft und nachfolgend das Echo des Störers als Nutzecho weiter verfolgt wird.

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

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät anzugeben, das ein hohes Maß an Sicherheit bietet.

Dies erreicht die Erfindung durch ein erstes Verfahren zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter, mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät, bei dem

– Sendesignale in Richtung des Füllgutes gesendet werden,
– deren Echosignale aufgenommen werden,
– jeweils mindestens ein Echo der Echosignale ermittelt wird,
– Eigenschaften für jedes ermittelte Echo bestimmt werden,
– anhand von mindestens einer Eigenschaft eines Echos eine Kenngröße ermittelt wird, die ein Maß für eine Plausibilität einer Zuordnung des Echos zu einem vorgegebenen Echotyp ist, und
– anhand der Kenngrößen eine Klassifizierung der Echos vorgenommen wird, bei der mindestens einem Echo ein Echotyp zugeordnet wird.

Gemäß einer Weiterbildung des ersten Verfahrens wird eine Kenngröße anhand von gleichen Eigenschaften von zwei oder mehr Echos ermittelt.

Weiter besteht die Erfindung in einem zweiten Verfahren zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter, mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät, bei dem

– Sendesignale in Richtung des Füllgutes gesendet werden,
– deren Echosignale aufgenommen werden,
– jeweils mindestens ein Echo der Echosignale ermittelt wird,
– Eigenschaften für jedes ermittelte Echo bestimmt werden,
– eine Klassifizierung vorgenommen wird, bei der mindestens einem Echo ein Echotyp zugeordnet wird, und
– anhand mindestens einer Eigenschaften jedes klassifizierten Echos eine Plausibilität der Zuordnung überprüft wird.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung des zweiten Verfahrens erfolgt die Klassifizierung der Echos anhand einer Verfolgung einer zeitlichen Entwicklung von Echos, denen eingangs einmal ein Echotyp zugeordnet wurde.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung des zweiten Verfahrens erfolgt die Klassifizierung, indem

– aus dem Echosignal eine Echofunktion abgeleitet wird, die Amplituden des Echosignals in Abhängigkeit von dessen Laufzeit wiedergibt,
– die Echofunktionen mit zuvor in einer Tabelle abgespeicherten Echofunktionen verglichen wird,
– die derart in der Tabelle abgelegt sind, dass jede Spalte jeweils eine Echofunktion enthält, wobei
– die Echofunktionen in den Spalten in einer Reihenfolge abgelegt sind, die den den jeweiligen Echofunktionen zugehörigen Füllständen entspricht, und
– den Echos des Echosignals anhand des Vergleichs ein Echotyp zugeordnet wird.

Gemäß einer Weiterbildung des ersten und des zweiten Verfahrens wird die Klassifizierung der Echos anhand von physikalischen Abhängigkeiten einzelner Echoeigenschaften eines Echotyps von Echoeigenschaften eines anderen Echotyps überprüft.

Gemäß einer Ausgestaltung der oben genannten Verfahren sind die Echoeigenschaften eine Laufzeit des Echos, eine Amplitude des Echos, eine Geschwindigkeit, mit der ein Echo seine Laufzeit ändert, und/oder eine Echofunktion, die eine Amplitude des Echosignals als Funktion der Laufzeit wiedergibt.

Gemäß einer Ausgestaltung der oben genannten Verfahren sind die Echotypen ein Nutzecho, Störechos, Mehrtachechos und/oder ein Tankbodenecho.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Anordnung zur Füllstandsmessung mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät; und
2 zeigt ein Beispiel für eine mit der in 1 dargestellten Anordnung aufgenommene Echofunktion.
1 zeigt eine Anordnung zur Füllstandsmessung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie umfasst einen mit einem Füllgut 1 gefüllter Behälter 3 auf dem ein nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät 5 angeordnet ist. Als Füllstandsmessgerät 5 eignet sich z.B. eins der eingangs genannten mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgeräte oder ein mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmessgerät. Das Füllstandsmessgerät 5 dient dazu, einen Füllstand 7 des Füllguts 1 im Behälter zu messen. In dem Behälter 3 ist exemplarisch ein Störer 9 eingezeichnet. Störer 9 sind z.B. feste Einbauten im Behälter 3 an denen Reflektionen auftreten können. Das hier nur ein einziger Störer 9 vorgesehen ist dient dem leichteren Verständnis und der Übersichtlichkeit. Selbstverständlich können in realen Messsituationen sehr viel mehr Störer vorhanden sein.
Das Füllstandsmessgerät 5 weist mindestens ein Sende- und Empfangselement 11 zum Senden von Sendesignalen S und zum Empfangen von Echosignalen E auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmessgerät dargestellt, das als Sende- und Empfangselement 11 eine einzige Antenne aufweist, die sowohl sendet als auch empfängt. Alternativ können aber auch eine Antenne zum Senden und mindestens eine weitere Antenne zum Empfangen vorgesehen sein. Ebenso könnte ein Wellenleiter eingesetzt werden, der die Mikrowellen in den Behälter 3 hinein und wieder heraus führt. Bei einem mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmessgerät wäre als Sende- und Empfangselement anstelle der Antenne ein Ultraschallsensor mit einem elektromechanischen Wandler, z.B. einem piezoelektrischen Element, vorzusehen.
Die Sendesignale S werden vorzugsweise periodisch in Richtung des Füllguts 1 gesendet und an einer Füllgutoberfläche 7 reflektiert. Zusätzlich können Reflektionen am Störer 9 und am Boden 15 des Behälters 3 auftreten. Ebenso können Mehrfachreflektionen auftreten, bei denen das Sendesignal S mehrfach zwischen einem Reflektor und dem Sende- und Empfangselement 11 hin- und her reflektiert wird, bevor es wieder empfangen wird. Die Überlagerung dieser Reflektionen bildet das Echosignal E.
Die Echosignale E werden aufgenommen und einer Signalverarbeitung 13 zugeführt. Vorzugsweise wird aus den empfangenen Echosignalen E eine Echofunktion A(t) abgeleitet, die Amplituden A des Echosignals E in Abhängigkeit von deren Laufzeit t enthält.
In 2 ist ein Beispiel einer solchen Echofunktion für die Anordnung von 1 dargestellt. Die Echofunktion weist fünf ausgeprägte Echos E1–E5 auf. Das erste Echo E1 ist das Nutzecho L, das auf eine Reflektion an der Füllgutoberfläche 7 zurückgeht. Das zweite und das vierte Echo E2, E4 sind ein erstes und ein zweites Mehrfachecho M1, M2. Beim ersten Mehrfachecho M1 hat das Sendesignal S zweimal die Strecke zwischen dem Sende- und Empfangselement 11 und der Füllgutoberfläche 7 zurückgelegt. Beim zweiten Mehrfachecho M2 hat es diese Strecke dreimal zurückgelegt. Das dritte Echo E3 ist auf eine Reflektion an dem Störer 9 zurückzuführen und wird entsprechend als Störecho ST bezeichnet. Das fünfte Echo E5 ist auf eine Reflektion an einem Boden 15 des Behälters 3 zurückzuführen und wird entsprechend als Tankbodenecho B geführt.
Erfindungsgemäß werden die Echosignale E aufgenommen und jeweils mindestens ein Echo Ei der Echosignale E ermittelt.
Anschließend werden für jedes ermittelte Echo Ei Echoeigenschaften ermittelt. Zu den Echoeigenschaften zählen insbesondere dessen Laufzeit t und dessen Amplitude A. Mit Laufzeit t und Amplitude A sind hier die Laufzeit t und die Amplitude A des Maximums des Echos gemeint.
Im weitesten Sinne ist auch die Echofunktion A(t), die die Amplitude A des Echosignals als Funktion der Laufzeit t wiedergibt, insbesondere im Bereich des Echos, eine Echoeigenschaft. Aus ihr lassen sich weitere Echoeigenschaften, wie z.B. eine Breite des Echos ermitteln.
Werden mehrere zeitlich nacheinander aufgenommene Echosignale herangezogen, so kann eine zeitliche Entwicklung der einzelnen Echos verfolgt werden. Hieraus lässt sich als Echoeigenschaft eine Geschwindigkeit v ableiten, mit der ein Echo seine Laufzeit verändert.
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand von mindestens einer Eigenschaft eines Echos eine Kenngröße ermittelt, die ein Maß für eine Plausibilität einer Zuordnung des Echos zu einem vorgegebenen Echotyp ist. Diese Kenngröße gibt an, wie plausibel es ist, diesem Echo den Echotyp zuzuordnen. Die Kenngröße ist z.B. eine Wahrscheinlichkeit oder eine Abschätzung.
Echotypen sind insbesondere das Nutzecho L, das durch eine Reflektion an der Füllgutoberfläche 7 erzeugt wird, Störechos ST, die durch eine Reflektion an einem Störer 9 erzeugt werden, und ein Tankbodenecho B, das von einer Reflektion am Boden 15 stammt.
Ein weiterer Echotyp sind die oben beschriebenen Mehrfachechos M.
Die Ermittlung der Kenngrößen kann auf vielfältige Weise erfolgen. Nachfolgend sind einige Verfahren zur Bestimmung der Kenngrößen unter Bezug auf 2 näher erläutert.
Ein erstes Verfahren basiert auf dem eingangs beschriebenen ersten Verfahren zur Bestimmung des Nutzechos L. Die zugrunde liegende Echoeigenschaft ist die Amplitude. Es wird angenommen, dass das Nutzecho L, eine größere Amplitude aufweist, als die übrigen Echos. Es wird zunächst die maximale Amplitude A_max des Echosignals ermittelt. In unserem Beispiel ist das die Amplitude A des ersten Echos E1. Anschließend werden die Amplituden A_i der aktuell ermittelten Echos E_i mit der maximalen Amplitude A_max verglichen. Je größer das Verhältnis der Amplitude A_i eines Echos Ei zu der maximalen Amplitude ist, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei diesem Echo Ei um das Nutzecho L handelt. Hieraus ergibt sich die Kenngröße K1(Ei = L ?; A) ≔ Ai/Amax.
Sie ist ein Maß für die Plausibilität der Zuordnung des Echos Ei zum Echotyp Nutzecho L.
Ein zweites Verfahren basiert auf dem eingangs beschriebenen zweiten Verfahren zur Bestimmung des Nutzechos L. Die zugrunde liegende Echoeigenschaft ist die Laufzeit t der Echos Ei. Es wird angenommen, dass das Nutzecho L, das erste eintreffende Echo ist. Es wird zunächst das Echo mit der kürzesten Laufzeit t_min ermittelt. Anschließend werden die Laufzeiten t_i der aktuell ermittelten Echos Ei mit der kürzesten Laufzeit t_min verglichen. Je größer das Verhältnis der kürzesten Laufzeit t_min zu der Laufzeit t_i eines Echos Ei ist, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es sich bei diesem Echo Ei um das Nutzecho L handelt. Hieraus ergibt sich die Kenngröße K2(Ei = L ?; t) ≔ tmin/ti.
Sie gibt an mit welcher Wahrscheinlichkeit es sich bei dem Echo Ei um das Nutzecho L handelt und ist ein weiteres Maß für die Plausibilität der Zuordnung des Echos Ei zum Echotyp Nutzecho L.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, bei der Bestimmung der Kenngröße einen Erstechofaktor F zu berücksichtigen. Der Erstechofaktor F ist ein vorgegebener Faktor, um den ein Echo Ei eine vorgegebene Amplitude A_F übersteigen muss, um als Nutzecho L erkannt zu werden. Der Erstechofaktor F wird beispielsweise eingesetzt um eine saubere Abgrenzung der Echos von einem Untergrundsignal zu erzielen. Eine entsprechende Kenngröße K3(Ei = L ?; A; F; A_F) kann wie folgt definiert sein:
Anstelle einer konstanten vorgegebenen Amplitude A_F kann auch eine laufzeit-abhängige Echoschwelle A_F(t) eingesetzt werden. Diese Echoschwelle A_F(t) entspricht beispielsweise einem in einer Referenzmessung aufgenommenen laufzeit-abhängigen Untergrundsignal. Eine entsprechende Kenngröße K4(Ei = L ?; A, F; A_F(t)) kann wie folgt definiert sein:
Weitere Kenngrößen für die Plausibilität der Zuordnung eines Echos Ei zum Echotyp Nutzecho L lassen sich anhand der Geschwindigkeit v, mit der ein Echo Ei seine Position und damit seine Laufzeit t_i ändert, ableiten.
Als Beispiel sei hier eine Abschätzung genannt. Dabei wird vorab eine anwendungs-spezifische maximale Geschwindigkeit v_max vorgegeben, mit der sich die Laufzeit des Nutzechos L im normalen Betrieb ändern kann. Sie ergibt sich z.B. aus Kapazitäten von Befüll- und Entleerungsvorrichtungen des Behälters 3. Übersteigt die Geschwindigkeit v_i eines Echos E_i die maximale Geschwindigkeit v_max so nimmt man an, dass es sich bei dem Echo Ei nicht um das Nutzecho L handelt.
Hieraus ergibt sich die Kenngröße K5(Ei = L ?; v; v_max) mit
Auf ähnliche Weise lassen sich Kenngrößen für die Plausibilität der Zuordnung eines Echos Ei zum Echotyp Störecho ST oder Tankbodenecho B aufstellen. Störer 9 und der Boden 15 des Behälters 3 verändern ihre Position nicht.
Ein Störer 9 erzeugt nur dann ein Echo, wenn das Füllgut 1 für das Sendesignal S durchlässig ist oder die Füllgutoberfläche 7 sich unterhalb des Störers 9 befindet.
Der Boden 15 erzeugt nur dann ein Echo, wenn das Füllgut 1 für das Sendesignal S durchlässig ist oder der Behälter 3 leer ist.
Bei einem für das Sendesignal S undurchlässigen Füllgut 1 weisen das Störecho ST und das Tankbodenecho B jeweils eine charakteristische Laufzeit t_ST, t_B auf, die sich auf deren Entfernung vom Sende- und Empfangselement 11 ergibt. Hieraus lässt sich das Störecho ST folgende Kenngröße K6(Ei = ST?; t_ST) ableiten:
wobei Δ eine sich aus der Messgenauigkeit ergebende zulässige Abweichung ist.
Analog ergibt sich für das Tankbodenecho B:
wobei Δ eine sich aus der Messgenauigkeit ergebende zulässige Abweichung ist.
Ist das Füllgut 1 für das Sendesignal S durchlässig, so lassen sich für die Laufzeiten der Störechos ST und des Tankbodenechos B Ober- und Untergrenzen t_R ^max t_R ^min t_ST ^max t_ST ^min an eben. Die Obergrenzen t_R ^max, t_ST ^max entsprechen einer Signallaufzeit zum Störer 9 bzw. zum Boden 15 und zurück bei vollem Behälter 3. Die Untergrenzen t_B ^min, t_s ^min entsprechen einer Signallaufzeit zur Füllgutoberfläche 7 bzw. zum Boden 15 und zurück bei leerem Behälter 3.
Hieraus ergeben sich die Kenngrößen:
Mehrfachechos M zeichnen sich dadurch aus, das das Sendesignal S mehrfach zwischen einem Reflektor und dem Sende- und Empfangselement 11 hin- und her reflektiert wird. Stammt ein Echo Ex mit der Laufzeit t_x von einer einfachen Reflektion an einem Reflektor X, so gilt für die Laufzeiten t_Mn der zugehörigen Mehrfachechos M tMn ∊ [n(tx + Δ); n(tx – Δ)]wobei der Index n eine natürliche Zahl größer gleich 1 ist, die angibt wie viele zusätzliche Reflektionen vorliegen, und Δ eine zulässige Abweichung bezeichnet. Hieraus lässt sich folgende Kenngröße ableiten:
Selbstverständlich lassen sich für die einzelnen Echotypen weitere Kenngrößen aufstellen. Die hier angegebenen Kenngrößen stellen lediglich eine als Beispiel angeführte Auswahl dar. Im Prinzip lässt sich jede für einen bestimmten Echotyp charakteristische Eigenschaft in eine Kenngröße umwandeln. Dabei kann, wie bei den Kenngrößen K1 bis K9, eine einzelne Eigenschaft eines einzelnen Echos herangezogen werden. Ebenso können aber auch gleiche Eigenschaften von zwei oder mehr Echos zur Ermittlung einer Kenngröße herangezogen werden, wie dies z.B. bei der Kenngröße K10 der Fall ist.
Anhand der Kenngrößen wird eine Klassifizierung der Echos vorgenommen, bei der mindestens einem Echo ein Echotyp zugeordnet wird.
Die Zuordnung zu einem Echotyp erfolgt, indem für jedes Echo E1 bis E5 alle zu diesem Echotyp zugehörigen Kenngrößen bestimmt werden. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind das die Kenngrößen K1 bis K5 für das Nutzecho L, die Kenngrößen K6 oder K8 für jedes Störecho ST, die Kenngrößen K7 oder K9 für das Tankbodenecho B und die Kenngröße K10 für Mehrfachechos.
Aus den zu einem Echotyp zugehörigen Kenngrößen eines Echos Ei wird eine Gesamtplausibilität abgeleitet. Die Gesamtplausibilität ergibt sich aus einer Überlagerung der einzelnen Plausibilitäten. Sie ist im einfachsten Fall gleich der Summe der Kenngrößen dieses Echotyps des Echos Ei. In Abhängigkeit von den eingesetzten Kenngrößen können alternativ auch Mittelwerte und/oder Produkte der einzelnen Plausibilitäten herangezogen werden.
Die Gesamtplausibilität P(Ei = L?) dafür, dass es sich bei dem Echo Ei um das Nutzecho L handelt bestimmt sich zu: P(Ei = L?) = Σj Kj(Ei) für j = 1 .. 5Zusätzlich können Gewichtungsfaktoren α_j einbezogen werden, die z.B. den Stellenwert einer Kenngröße K_j im Vergleich zu den anderen Kenngrößen eines Echotyps wieder spiegeln. Dies ist nachfolgend am Beispiel der Gesamtplausibilität P(Ei = B?) dafür, dass es sich bei dem Echo Ei um das Tankbodenecho B handelt angegeben: P(Ei = B?) = Σj αj Kj(Ei) für j = 7,9Zusätzlich oder alternativ können Ausschlusskriterien definiert werden. Ein mögliches Ausschlusskriterium besteht z.B. darin, die Gesamtplausibilität gleich 0 zu setzen, wenn eine oder mehrere vorbestimmte Kenngrößen gleich 0 sind, oder einen vorgegebenen Mindestwert unterschreiten.
Die Zuordnung erfolgt dann, indem demjenigen Echo ein bestimmter Echotyp zugeordnet wird, das hierfür die größte Gesamtplausibilität aufweist.
Ist diese Klassifizierung erfolgt wird sie vorzugsweise einer erneuten Überprüfung unterzogen. Hierbei werden physikalische Abhängigkeiten einzelner Echoeigenschaften eines Echotyps von Echoeigenschaften eines anderen Echotyps ausgenutzt. Hieraus werden Kombinationsplausibilitäten KP zur Überprüfung der Klassifizierungen der betroffenen Echotypen abgeleitet.
Bei einem für das Sendesignal S durchlässigen Füllgut 1 besteht die folgende physikalische Abhängigkeit zwischen dem Nutzecho L und einem Störecho ST:
Ist die Laufzeit t_ST des Störechos ST kleiner als die des Nutzechos L so ist die Geschwindigkeit v_ST mit der das Störecho ST seine Position ändert gleich Null. Ist die Laufzeit t_ST des Störechos ST größer als die des Nutzechos L so weisen die Geschwindigkeiten v_ST des Störecho ST und v_L des Nutzechos L in entgegengesetzte Richtungen.
Hieraus ergibt sich z.B. die Kombinationsplausibilität KP(L,S): KP(L,ST):= 0 für tST ≤ tL und |vST| > Δ 1 für tST ≤ tL und |vST| ≤ Δ 0 für tST ≤ tL und vST/|vST| ≠ –vL/|vL| 1 für tST ≤ tL und vST/|vST| = –vL/|vL|wobei Δ eine zulässige Abweichung angibt.
Diese physikalische Abhängigkeit gilt analog zwischen dem Nutzecho L und dem Tankbodenecho B. Entsprechend lässt sich zwischen diesen beiden Echotypen die folgende Kombinationsplausibilität KP(L,B) angeben: KP(L,B):= 0 für tB ≤ tL und |vB| > Δ 1 für tB ≤ tL und |vB| ≤ Δ 0 für tB > tL und vB/|vB| ≠ –vL/|vL| 1 für tB ≤ tL und vB/|vB| = –vL/|vL|wobei Δ eine zulässige Abweichung angibt.
Zwischen den Beträgen der Geschwindigkeiten |v_ST|, |v_B| des Störechos ST bzw. des Tankbodenechos B und der Geschwindigkeit |v_L| des Nutzechos L besteht ein linearer Zusammenhang, der von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendesignals S und des Empfangssignals E im Füllgut 1 abhängt. Ist diese bekannt, oder durch Messungen oder Abschätzungen ermittelbar, so können hieraus ein weitere Kombinationsplausibilitäten abgeleitet werden.
Zwischen einem einfachen Echo E_x und dem zugehörigen n-ten Mehrfachecho M_n besteht eine physikalische Abhängigkeit hinsichtlich der Geschwindigkeiten. Die Geschwindigkeit v_Mn des n-ten Mehrfachechos Mn beträgt das n+1-fache der Geschwindigkeit v_x des einfachen Echos Ex.
Entsprechend lässt sich zwischen dem einfachen Echo Ex und dem n-ten Mehrfachecho Mn die folgende Kombinationsplausibilität KP(Ex, Mn) angeben:
wobei Δ eine Messungenauigkeit der Geschwindigkeit angibt.
Neben den hier als Beispiel angeführten Kombinationsplausibilitäten KP lassen sich anhand von bestehenden physikalischen Abhängigkeiten weitere Kombinationsplausibilitäten angeben und überprüfen. Neben den beschriebenen Abschätzungen können genau wie bei den beschriebenen Kenngrößen Wahrscheinlichkeiten als Kombinationsplausiblitäten formuliert werden.
Ergibt sich aus der Überprüfung der Kombinationsplausibilitäten KP ein Widerspruch, z.B. eine Kombinationsplausibilität von Null, so wird die Klassifizierung als fehlerhaft erkannt. Daraufhin kann die Klassifizierung anhand der Erkenntnisse, die sich aus dem aufgetretenen Widerspruch ergeben, korrigiert werden, indem eine erneute Zuordnung der Echotypen vorgenommen wird, die anschließend einer erneuten Überprüfung unterzogen wird. Basierend auf den sich aus dem Widerspruch ergebenden Erkenntnissen kann beispielsweise eines der bisher als Stör- oder Mehrfachecho klassifizierten Echos als neues Nutz- oder Mehrfachecho ausgewählt werden und die Zuordnung der anderen Echos zu einem Echotyp auf diese Auswahl aufgebaut werden. Der zuvor gefundene Widerspruch kann dabei Hinweise auf einen viel versprechenden Korrekturversuch geben. Steht z.B. das zuvor ausgewählte Nutzecho still, während sich das bisherige erste Mehrfachecho bewegt, so ist letzteres ein möglicher Kandidat für das Nutzecho und das bisherige Nutzecho könnte ein Störecho sein. Überprüfung und Korrektur der Zuordnung können bei Bedarf mehrmals erfolgen. Wird nach mehreren Durchläufen kein plausibles Nutzecho gefunden, so werden die Korrekturversuche beendet.
Das Füllstandsmessgerät gibt dann vorzugsweise ein sicherheitsgerichtetes Ausgangssignal, z.B. einen Alarm oder eine Fehlermeldung aus. Alternativ kann anstelle des gemessenen Füllstands ein vorgegebener Füllstand ausgegeben werden. Der vorgegebene Füllstand ist dabei so zu wählen, dass ein bestehendes Unfallrisiko, z.B. durch Überfüllung des Behälters 3 oder durch ein Leerlaufen von gegebenenfalls vorhandenen Pumpen vermieden wird.
Anstelle der eingangs beschriebenen Klassifizierung anhand der Kenngrößen kann die Klassifizierung auch auf andere Weise erfolgen.
Hierfür eignet sich z.B. ein Verfahren bei dem z.B. im Rahmen einer Inbetriebnahme ein Echosignal aufgenommen wird und dessen Echos einmal den Echotypen zugeordnet werden. Dies geschieht beispielsweise anhand von Kenntnissen, die dem Anwender zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme zur Verfügung stehen. Hierzu zählen z.B. der Füllstand, Positionen von Störern 9 und der Abstand zwischen dem Sende- und Empfangselement 11 zum Boden 15. Es wird die zeitliche Entwicklung der einzelnen Echos verfolgt und daraus jeweils für das aktuelle Echosignal E die Klassifizierung der Echos vorgenommen.
Ein weiteres Verfahren ist in der am 20.12.2002 angemeldeten Deutschen Patentanmeldung DE-A 10260962 beschrieben. Dort ist beschrieben, wie einzelne Echotypen anhand von zuvor abgespeicherten Daten ermittelt werden.
Die Daten enthalten eine Tabelle, in der aus empfangenen Echosignalen abgeleitete Echofunktionen abgelegt sind, die die Amplituden der Echosignale in Abhängigkeit von deren Laufzeit wiedergeben. Die Echofunktionen sind derart in der Tabelle abgelegt, dass jede Spalte zur Aufnahme jeweils einer Echofunktion dient. Die Echofunktionen sind in den Spalten in einer Reihenfolge abgelegt, die den den jeweiligen Echofunktionen zugehörigen Füllständen entspricht. Im Betrieb wird die Echofunktion des aktuell aufgenommenen Echosignals E gebildet und diejenige Echofunktion der Tabelle ermittelt, die die größte Übereinstimmung zu der aktuellen Echofunktion aufweist. Aus dem Spaltenindex dieser Echofunktion ergibt sich unmittelbar die Position des Nutzechos L. Weiter ist in der Anmeldung beschrieben, dass in der Tabelle Höhenlinien erkennbar sind, die der Veränderung der Laufzeiten einzelner Echos in Abhängigkeit vom Füllstand entsprechen. Jede Höhenlinien ist dabei einem bestimmten Echotyp zugeordnet. Befindet sich ein Echo des aktuellen Echosignals auf einer solchen Höhenlinie wird es entsprechend als Echo des zugehörigen Echotyps klassifiziert.
Anstelle der beschriebenen Tabelle ist es auch möglich Tabellen einzusetzen, in denen nicht die gesamten Echofunktionen abgelegt sind, sondern lediglich markante Auszüge davon.
Anstelle der die Echofunktionen enthaltenden Tabellen können auch andere Vorgaben zu Klassifizierung herangezogen werden. Als Beispiel seien hier Datenbanken genannt, in denen charakteristische Eigenschaften und/oder Merkmale der einzelnen Echotypen, wie z.B. Position, Amplitude, Breite oder Formfaktoren, abgespeichert sind. Durch einen Vergleich dieser Eigenschaften und/oder Merkmale eines aktuellen Echos mit den abgespeicherten Daten erfolgt dann die Zuordnung zu den einzelnen Echotypen.
Im Anschluss an die Klassifizierung wird erfindungsgemäß anhand mindestens einer Eigenschaften jedes klassifizierten Echos eine Plausibilität der Zuordnung überprüft wird.
Dies geschieht anhand der bereits oben beschriebenen Kenngrößen, indem für jedes klassifizierte Echo die zum dem Echotyp zugehörigen Kenngrößen bestimmt werden und daraus, wie oben beschrieben, die Gesamtplausibilität der Zuordnung abgeleitet wird.
Vorzugsweise werden die Klassifizierungen der Echos zusätzlich anhand der physikalischen Abhängigkeiten einzelner Echoeigenschaften des Echotyps von Echoeigenschaften eines anderen Echotyps überprüft wird. Hierzu werden, analog zu dem oben beschriebenen Verfahren, die Kombinationsplausibilitäten aufgestellt und bewertet.
Sofern die Kenngrößen, die Gemsamtplausibilitäten und die Kombinationsplausibilitäten, ergeben, dass das das Nutzecho L sicher erkannt wurde, so wird aus dessen Laufzeit t_L der Füllstand bestimmt.
Ist dies nicht der Fall, so wird vorzugsweise unter zu Hilfenahme der aus der Überprüfung gewonnen Erkenntnisse eine erneute Klassifizierung vorgenommen, die dann erneut einer Überprüfung unterzogen wird. Kann auch nach mehreren Durchläufen kein plausibles Nutzecho gefunden werden, so werden die Korrekturversuche abgebrochen und es wird das zuvor beschriebene sicherheitsgerichtete Ausgangssignal abgegeben.
Die erfindungsgemäßen Verfahren bietet ein hohes Maß an Sicherheit, da das Nutzecho L entweder sicher erkannt wird, oder aber eventuell bestehende Unsicherheiten festgestellt werden und daraufhin eine sicherheitsgerichtete Handlung vorgenommen werden kann. Unfälle, die auf eine Fehlinterpretation eines Echos als Nutzecho L zurückzuführen sind, werden hierdurch vermieden.

Claims

Verfahren zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes (1) in einem Behälter (3), mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät (5), bei dem – Sendesignale (S) in Richtung des Füllgutes (1) gesendet werden, – deren Echosignale (E) aufgenommen werden, – jeweils mindestens ein Echo (Ei) der Echosignale (E) ermittelt wird, – Eigenschaften für jedes ermittelte Echo (Ei) bestimmt werden, – anhand von mindestens einer Eigenschaft eines Echos (Ei) eine Kenngröße (K) ermittelt wird, die ein Maß für eine Plausibilität einer Zuordnung des Echos (Ei) zu einem vorgegebenen Echotyp ist, und – anhand der Kenngrößen (K) eine Klassifizierung der Echos (Ei) vorgenommen wird, bei der mindestens einem Echo (Ei) ein Echotyp zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Kenngröße (K) anhand von gleichen Eigenschaften von zwei oder mehr Echos (Ei) ermittelt wird.
Verfahren zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes (1) in einem Behälter (3), mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät (5), bei dem – Sendesignale (S) in Richtung des Füllgutes (1) gesendet werden, – deren Echosignale (E) aufgenommen werden, – jeweils mindestens ein Echo (Ei) der Echosignale (E) ermittelt wird, – Eigenschaften für jedes ermittelte Echo (Ei) bestimmt werden, und – eine Klassifizierung vorgenommen wird, bei der mindestens einem Echo (Ei) ein Echotyp zugeordnet wird, und – anhand mindestens einer Eigenschaft jedes klassifizierten Echos (Ei) eine Plausibilität der Zuordnung überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Klassifizierung der Echos (Ei) anhand einer Verfolgung einer zeitlichen Entwicklung von Echos (Ei) erfolgt, denen eingangs einmal ein Echotyp zugeordnet wurde.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Klassifizierung erfolgt, indem – aus dem Echosignal (E) eine Echofunktion (A(t)) abgeleitet wird, die Amplituden (A) des Echosignals (E) in Abhängigkeit von deren Laufzeit (t) wiedergibt, – die Echofunktionen (A(t)) mit zuvor in einer Tabelle abgespeicherten Echofunktionen verglichen wird, – die derart in der Tabelle abgelegt sind, dass jede Spalte jeweils eine Echofunktion enthält, wobei – die Echofunktionen in den Spalten in einer Reihenfolge abgelegt sind, die den den jeweiligen Echofunktionen zugehörigen Füllständen entspricht, und – den Echos (Ei) des Echosignals (E) anhand des Vergleichs ein Echotyp zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, bei dem die Klassifizierung der Echos (Ei) anhand von physikalischen Abhängigkeiten einzelner Echoeigenschaften eines Echotyps von Echoeigenschaften eines anderen Echotyps überprüft wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Echoeigenschaften eine Laufzeit (t_i) des Echos (Ei), eine Amplitude des Echos (Ei), eine Geschwindigkeit (v_i), mit der ein Echo (Ei) seine Laufzeit (t_i) ändert, und/oder eine Echofunktion (A(t)), die eine Amplitude des Echosignals (E) als Funktion der Laufzeit (t) wiedergibt, sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Echotypen ein Nutzecho (L), Störechos (ST), Mehrfachechos (M_n) und/oder ein Tankbodenecho (B) sind.