-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Überwachung
des Füllstands eines Mediums in einem Behälter
nach einem Laufzeitmessverfahren gemäß dem Anspruch
1.
-
Entsprechende
Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes
in einem Behälter werden häufig in den Messgeräten
der Automations- und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt. Von der Anmelderin
werden beispielsweise solche Füllstandsmessgeräte
unter dem Namen Prosonic, Levelflex und Micropilot produziert und
vertrieben, welche nach dem Laufzeit-Messverfahren arbeiten und dazu
dienen, einen Füllstand eines Mediums in einem Behälter
zu bestimmen und/oder zu überwachen. Diese Füllstandsmessgeräte
senden ein periodisches Sendesignal im Mikrowellen- oder Ultraschalbereich
mittels eines Sende-/Empfangselementes in Richtung Oberfläche
eines Füllguts und empfangen die reflektierten Echosignale
nach einer abstandsabhängigen Laufzeit. Handelsübliche
mit Mikrowellen arbeitende Füllstandsmessgeräte
lassen sich grundlegend in zwei Klassen einteilen; eine erste Klasse,
bei der die Mikrowellen mittels einer Antenne in Richtung des Füllguts
gesendet, an der Füllgutoberfläche reflektiert
und anschließend nach einer abstandsabhängigen
Laufzeit wieder empfangen werden und eine zweite Klasse, bei der
die Mikrowellen entlang eines Wellenleiters in Richtung des Füllguts geführt
werden, an der Füllgutoberfläche aufgrund des
dort bestehenden Impedanzsprunges reflektiert werden und die reflektierten
Wellen entlang des Wellenleiter wieder zurück geleitet
werden.
-
Die
Laufzeit-Messmethode lässt sich im wesentlichen in zwei
Ermittlungsverfahren einteilen: Das erste Ermittlungsverfahren beruht
auf einer Laufzeitmessung, die ein Impulsfolgen moduliertes Signal für
die zurückgelegte Wegstrecke erfordert; ein zweites weit
verbreitetes Ermittlungsverfahren beruht auf der Bestimmung der
Frequenzdifferenz des aktuell ausgesendeten, kontinuierlich frequenzmodulierten Hochfrequenzsignals
zum empfangenen, reflektierten Hochfrequenzsignal (FMCW – Frequency-Modulated
Continuous Wave). Im Allgemeinen wird in den folgenden Ausführungen
keine Beschränkung auf ein bestimmtes Ermittlungsverfahren
vorgenommen.
-
Aus
den empfangenen Echosignalen wird in der Regel eine die Echoamplituden
als Funktion der Laufzeit darstellende Echofunktion gebildet, wobei jeder
Wert dieser Echofunktion der Amplitude eines in einem bestimmten
Abstand vom Sendeelement reflektierten Echos entspricht.
-
In
dieser ermittelten Echofunktion wird ein Nutzecho bestimmt, das
der Reflexion des Sendesignals an der Füllgutoberfläche
entspricht. Aus der Laufzeit des Nutzechos ergibt sich bei einer
bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Sendesignale unmittelbar
der Abstand zwischen der Füllgutoberfläche und
dem Sendeelement.
-
Um
die Echokurvenauswertung zu vereinfachen werden nicht die empfangen
Rohsignal der Impulsfolgen verwendet, sondern es wird die Einhüllende,
die so genannte Hüllkurve, ermittelt. Die Hüllkurve
wird beispielsweise dadurch gewonnen, dass das Rohsignal der Impulsfolgen
gleichgerichtet und anschließend über einen Tiefpass
gefiltert wird.
-
Es
gibt eine Vielzahl verschiedener Verfahren zur Bestimmung des Nutzechos
in einer Hüllkurve.
-
Gemäß einem
ersten Verfahren wird durch einen statischen Echosuchalgorithmus
das Nutzecho, das eine größere Amplitude als die übrigen Echos
aufweist, ausgewählt. Es wird somit das Echo in der Hüllkurve
mit der größten Amplitude als Nutzecho ermittelt.
-
Gemäß einem
zweiten Verfahren wird durch einen statischen Echosuchalgorithmus
angenommen, dass das Nutzecho das nach dem Sendeimpuls das erste
eintreffende Echo in der Hüllkurve ist. Es wird somit das
erste Echo in der Hüllkurve als Nutzecho ausgewählt.
-
Es
ist möglich, diese beiden 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 laufzeitabhängige Echoschwelle
definiert werden, die ein Echo übersteigen muss, um als
Nutzecho erkannt zu werden.
-
Gemäß einem
dritten Verfahren wird dem Füllstandsmessgerät
einmalig der aktuelle Füllstand mitgeteilt. Das Füllstandsmessgerät
kann anhand des vorgegebenen Füllstandes das zugehörige
Echo als Nutzecho identifizieren und z. B. durch einen geeigneten
dynamischer Echosuchalgorithmus verfolgen. Derartige Verfahren werden
als Echoverfolgung bezeichnet. Dabei werden z. B. in jedem Messzyklus Maxima
des Echosignals oder der Echofunktion bestimmt und aufgrund der
Kenntnis des im vorangegangenen Messzyklus ermittelten Füllstandes
und einer anwendungsspezifischen maximal zu erwartenden Änderungsgeschwindigkeit
des Füllstandes das Nutzecho ermittelt. Aus einer Laufzeit
des so ermittelten aktuellen Nutzechos ergibt sich dann der neue Füllstand.
-
Ein
viertes Verfahren ist in der
DE 102 60 962 A1 beschrieben. Dort wird das
Nutzecho anhand von zuvor in einem Speicher abgelegten Daten ermittelt.
Dabei werden aus empfangenen Echosignalen Echofunktionen abgeleitet,
die die Amplituden der Echosignale in Abhängigkeit von
deren Laufzeit wiedergeben. Die Echofunktionen sind in einer Tabelle abgelegt,
wobei jede Spalten zur Aufnahme jeweils einer Echofunktion dient.
Die Echofunktionen sind in den Spalten in einer Reihenfolge abgelegt,
welche den jeweiligen Echofunktionen zugehörigen Füllständen
entsprechen. Im Betrieb werden das Nutzecho und der zugehörige
Füllstand anhand der Echofunktion des aktuellen Sendesignals
mit Hilfe der Tabelle bestimmt.
-
In
der
DE 103 60 710
A1 ist ein fünftes Verfahren beschrieben, bei
dem periodisch Sendesignale in Richtung des Füllgutes gesendet
werden, deren Echosignale aufgenommen und in eine Echofunktion umgewandelt
werden, mindestens eine Echoeigenschaft der Echofunktion bestimmt
wird, und anhand der Echoeigenschaften mindestens einer vorherigen Messung
eine Vorhersage für die bei der aktuellen Messung zu erwartenden
Echoeigenschaften abgeleitet wird. Es werden die Echoeigenschaften
der aktuellen Messung unter Einbeziehung der Vorhersage bestimmt,
und anhand der Echoeigenschaften der aktuelle Füllstand
ermittelt. Dieses Verfahren kommt im weitesten Sinne einer Echoverfolgung
nahe.
-
In
der
DE 10 2004
052 110 A1 ist ein sechstes Verfahren beschrieben, das
Verbesserung der Nutzechoerkennung durch eine Echobewertung und Klassifizierung
der Echos in der Hüllkurve erreicht.
-
Entsprechend
dem oben aufgeführten Stand der Technik gibt es verschiedene
Ansätze, die exakte Position des Füllstand-Nutzechosignals
in der ermittelten Echokurve bzw. der digitalisierten Hüllkurve
zu bestimmen. Von der genauen Bestimmung der Messposition des Füllstands
in der Echokurve hängt jedoch ab, welche Messgenauigkeit
mit diesem Echomessprinzip unter den gegebenen Messbedingungen erreicht
werden kann. Diese oben beschriebenen Verfahren arbeiten für
sich genommen jeweils bei einer Vielzahl von Anwendungen einwandfrei. Probleme
treten jedoch immer dann auf, wenn das vom Füllstand stammende
Echo anhand des Verfahrens nicht zweifelsfrei identifiziert werden
kann.
-
Beim
ersten Verfahren treten beispielsweise Messprobleme auf, falls Einbauten
im Behälter vorhanden sind, die die Sendesignale besser
reflektieren, als die Füllgutoberfläche.
-
Bei
der Echoverfolgung gemäß dem dritten Verfahren
treten Messprobleme auf, falls im Betrieb das Nutzecho über
ein Störecho läuft und nachfolgend das Störecho
als ein falsches Nutzecho weiter verfolgt wird. Desweitern taucht
ein Problem auf, falls beim Einschalten, das vorhergehende Nutzechosignal
mit dem tatsächlichen nicht mehr übereinstimmt oder
das vorhergehende Nutzechosignal nicht bekannt ist.
-
Wird
versehentlich ein anderes Echo als das Füllstandsecho als
Nutzecho klassifiziert, besteht die Gefahr, dass ein falscher Füllstand
ausgegeben wird, ohne dass dies bemerkt wird. Dies kann je nach
Anwendung zu einer Überfüllung von Behältern,
zum Leerbetrieb von Pumpen oder anderen zum Teil mit erheblichen
Gefahren verbundenen Ereignissen führen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und anpassungsfähiges
Verfahren zur Bestimmung von Nutzechosignalen in Echokurven aufzuzeigen.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands
eines Mediums in einem Behälter durch ein Feldgerät,
wobei Sendesignale in Richtung des Mediums ausgesendet werden und
als Reflexionssignale empfangen werden, wobei die Sendesignale und
die Reflexionssignalen mittels Stützpunkten in einer von
der Laufzeit oder der Laufstrecke abhängigen Hüllkurve
erfasst werden, wobei Störechosignale in einer Ausblendkurve,
die in einem ersten Messzyklus aus der Hüllkurve des leeren
Behälters ermittelt wird, mittels Stützpunkten
erfasst werden, wobei eine Bewertungskurve durch ein Glättungsverfahren
in einem ersten Messzyklus aus der Hüllkurve ermittelt
wird, wobei die Stützpunkte über Verbindungsfunktionen miteinander
verbunden werden und somit Zwischenwerte erzeugt werden, wobei zur
Verbesserung der Bearbeitbarkeit der Ausblendkurve und/oder der
Bewertungskurve mittels einem Reduktionsalgorithmus die Anzahl der
Stützpunkte in der Ausblendkurve und/oder in der Bewertungskurve
reduziert werden, wobei durch einen Echosuchalgorithmus mittels
der reduzierten Ausblendkurve und/oder reduzierten Bewertungskurve
zumindest ein Nutzechosignal in der aktuellen Hüllkurve
ermittelt wird.
-
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Lösung schlägt vor, die Stützpunkte der
Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve durch eine lineare Regression
als Reduktionsalgorithmus zu reduzieren, in dem überflüssige
Stützpunkte, die nicht auf den Regressionsgeraden liegen, gelöscht
werden.
-
Eine
sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Stützpunkte der
Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve durch den Reduktionsalgorithmus
auf die Extrempunkte, Scheitelpunkte und/oder Wendepunkte der Ausblendkurve
und/oder der Bewertungskurve reduziert werden.
-
Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens schlägt vor, dass die Stützpunkte in
der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve durch den der Reduktionsalgorithmus
in einem vorgegebenen Intervall periodisch gelöscht wird.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass an jedem Stützpunkt in der Ausblendkurve
und/oder der Bewertungskurve die Steigung der beidseitig angrenzenden
Verbindungsfunktionen durch den Reduktionsalgorithmus miteinander
verglichen wird und bei einer Unterschreitung eines vorgegebenen
Differenzwertes der beiden Steigungen dieser Stützpunkt
gelöscht wird.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird vorgeschlagen, dass im Betriebsmodus des Feldgeräts
Stützwerte und/oder Stützstellen der einzelnen
Stützpunkte in der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve
anhand eines dynamischen Echosuchalgorithmus mittels einer Echoverfolgung
des Nutzechosignals und/oder der Störechosignale in einem
definierten Suchfenster automatisch bearbeitet und/oder angepasst
werden.
-
Ein
zweckmäßiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, dass die Historien der Stützwerte
und/oder Stützstellen der einzelnen Stützpunkte
in der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve als zumindest
ein maximaler Zustand und/oder ein minimaler Zustand in zumindest
einem Schleppzeiger abgespeichert und/oder dargestellt werden.
-
Eine
sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist darin zu sehen, dass wobei in einem Bearbeitungsmodus
die Anzahl und/oder die Distanz der Stützpunkte zur Durchführung
des Reduktionsalgorithmus, die Verbindungsfunktionen der einzelnen
Stützpunkte und/oder zusätzlicher Stützpunkte über
eine Eingabe-/Ausgabeeinheit am Feldgerät und/oder über
eine externe Bedieneinheit vorgegeben werden.
-
Ein
zweckmäßiges, alternatives Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass in einem Bearbeitungsmodus die Positionen einzelner Stützpunkte
und/oder Gruppen von Stützpunkte über eine Eingabe-/Ausgabeeinheit am
Feldgerät und/oder über eine externe Bedieneinheit
verändert werden.
-
Eine
vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lösung besteht darin, dass in dem Bearbeitungsmodus die
zusätzlichen Stützpunkte als Scheitelpunkte mit
beidseitig angrenzenden, abfallenden Verbindungsfunktionen, die
eine vordefinierte Länge und/oder die eine vordefinierte
Steigung aufweisen, vorgegeben werden.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, dass wobei in Bereichen zwischen zwei Stützpunkten,
an denen sich zwei Verbindungsfunktionen überlappen, eine
neue Verbindungsfunktion gebildet wird, die diese beiden Stützpunkte
miteinander verbindet.
-
Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist es, dass die zusätzlichen Stützpunkte
in der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurven platziert werden
und diese zusätzlichen Stützpunkte durch erneut
gebildete Verbindungsfunktionen in die bestehende Ausblendkurve
und/oder der Bewertungskurve integriert werden.
-
Eine
sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist darin zu sehen, dass als Verbindungsfunktionen zumindest
eine stückweise lineare Interpolation, eine Spline-Interpolation und/oder
zumindest eine Polynom-Interpolation verwendet werden.
-
Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den zugehörigen
Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt sind. In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung die
Elemente, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen,
mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel eines Messgeräts zur Ermittlung
des Füllstands mit einer entsprechenden Echofunktion,
-
2 eine
erste Darstellung der Kurvendiagramme des Messgeräts aus 1 mit
einer Bewertungskurve und einer Ausblendkurve,
-
3 eine
vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A der
Kurvendiagramme aus 2,
-
4 eine
vergrößerte Darstellung des Ausschnitts B der
Kurvendiagramme aus 3,
-
5 eine
zweite Darstellung der Kurvendiagramme aus 1 zu Beginn
des Bearbeitungsmodus der Bewertungskurve und/oder der Ausblendkurve,
-
6 eine
Darstellung der Kurvendiagramme aus 5 zum Ende
des Bearbeitungsmodus der Bewertungskurve und/oder der Ausblendkurve,
und
-
7 eine
vergrößerte Darstellung des Ausschnitts C der
Kurvendiagramme aus 6.
-
In 1 ist
ein nach dem Laufzeit-Messverfahren arbeitendes Messgerät 1 zur
Ermittlung des Füllstand h eines Mediums 7 gezeigt,
das beispielsweise über einen Prozessanschlussstutzen an
einem Behälter 5 montiert ist. Bei dem gezeigten
Messgerät 1 handelt es sich hauptsächlich
um ein in den Prozessraum freiabstrahlendes Sende-/Empfangselement 6 mit
einem Messumformer 9. Dieser Messumformer 9 umfasst,
zumindest eine Sende-/Empfangseinheit 3, die die Erzeugung
und den Empfang der Messsignale, wie z. B. Ultraschall- und Mikrowellensignale
bewerkstelligt, eine Regel-/Auswerteeinheit 2, die eine
signaltechnische Verarbeitung der Messsignale und eine Steuerung
des Messgeräts 1 ermöglicht, und außerdem
eine Kommunikationseinheit 4, die die Kommunikation über
ein Bussystem, sowie die Energieversorgung des Messgeräts 1 steuert
und regelt. In der Regel-/Auswerteeinheit 2 ist beispielsweise
ein Speicherelement integriert, in welchem die Messparameter, Bewertungsparameter und
Echokurven abgespeichert werden. Über die Kommunikationseinheit 4 kommuniziert
das Messgerät 1 beispielsweise mit einer externen
Bedieneinheit 29, die beispielsweise als ein mobiler Computer,
ein Notebook und/oder Personal Digital Assistant (PDA) ausgebildet
eine einfachere und umfangreichere Bedienung des Messgeräts 1 ermöglicht.
Diese externer Bedieneinheit 29 ist über ein Funknetzwerk,
z. B. WLAN, oder eine Verbindungsleitung mit dem Messgerät 1 zumindest
zeitweise verbunden und kommuniziert über dieses Funknetzwerk
oder die Verbindungsleitung mit dem Messgerät 1.
Ebenso lässt sich mittels einer im Messgerät 1 integrierten
Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 das Messgerät 1 bedienen und
die Kurvendiagramme mit einer Echofunktion 10 entsprechend
darstellen.
-
Das
Sende-/Empfangselement 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel
beispielsweise als Hornantenne ausgeführt, über
welche ein Mikrowellensignal als Sendesignal S in Richtung des Mediums
mit einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik ausgestrahlt wird.
Gleichwohl kann das Sende-/Empfangselement 6 in jeglicher
bekannten freiabstrahlenden Antennenform, wie z. B. Stab-, Parabol-
oder Planarantenne, ausgestaltet sein oder nach der Methode der
Zeitbereichsreflektometrie eingesetzt, als eine die hochfrequente
Mikrowellensignale führende Messsonde, z. B. Stab oder
Seil, ausgestaltet sein. Ferner kann als Sende-/Empfangselement 6 für
die Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals nach der Schall-Messmethode
auch ein Ultraschallsensor oder für die Bestimmung der
Laufzeit eines Lichtsignals nach der optischen Messmethode ein optischer Sensor
verwendet werden. Bezüglich der Mikrowellen-Messmethode
wird in der Sende-/Empfangseinheit 3 beispielsweise ein
hochfrequentes Mikrowellensignal als Sendesignal S erzeugt und über
die Antenne als ein entsprechendes Sende-/Empfangselement 6 in
einer vorgegebenen Abstrahicharakteristik in Richtung Medium 7 ausgesendet
oder abgestrahlt. Nach einer von einer zurückgelegten Strecke
x abhängigen Laufzeit t werden die an der Grenzfläche 8 des
Mediums 7 zumindest teilweise widergespiegelten Sendesignale
S als Reflexionssignal R von dem Sende-/Empfangselement 6 und
der Sende-/Empfangseinheit 3 empfangen. Die nachgeschaltete
Regel-/Auswerteeinheit 2 ermittelt aus den Reflexionssignalen
R eine Echofunktion 10, die die Amplitudenwerte Amp der
Echosignale 14 dieser Reflexionssignale R in Abhängigkeit
der zurückgelegten Strecke x oder der entsprechenden Laufzeit
t darstellt. Durch eine Filterung und Analog/Digitalwandlung wird
aus der analogen Echofunktion bzw. der Echokurve 10 eine
einhüllende, digitalisierte Hüllkurve 11 erzeugt. Im
Falle der Verwendung eines Mikrowellensignals als Sendesignal S
umfasst die Sende-/Empfangseinheit 3 zumindest ein HF-Modul,
welches beispielsweise hochfrequente, impulsförmige Sendesignale
S im Gigahertz-Bereich, z. B. 6 GHz oder 26 GHz, erzeugt und einen
Homodyn- und/oder Heterodyn-Empfänger, bei dem die empfangenen
Reflexionssignale R signaltechnisch vorverarbeitet und zeitgedehnt
in einer Hüllkurve 11 umgesetzt werden. Nachfolgend
wird in der Beschreibung der Begriff der Echofunktion 10 verwendet,
wobei dieser Begriff ebenfalls die Begriffe der Echokurve 10,
der Hüllfunktion bzw. der digitalen Hüllkurve 11 impliziert.
-
Eine
die Messsituation im Behälter 5 abbildende Echofunktion 10 ist
proportional zur Laufstrecke x des Sendesignals S in einem Kurvendiagramm dargestellt.
Zur besseren Präsentation ist das Kurvendiagramm gedreht
abgebildet und die Störelemente 19 sind über
Bezugslinien den entsprechenden Störechosignalen 16 in
der Echofunktion 10 zugeordnet dargestellt, so dass das
Ursache-Wirkungs-Prinzip auf einen Blick erfasst werden kann. Einen
Nulllinie 21 legt fest, ab welcher Position der Messbereich
des Messgeräts 1 beginnt. Im Anfangsbereich der
Echofunktion 10, etwa um die Nulllinie 21 herum,
ist das Abklingverhalten bzw. das so genannten Klingeln, zu sehen,
das aufgrund von Mehrfachreflexionen oder ferner durch Ansatzbildung
in dem Sende-/Empfangselement 6 oder dem Stutzen entstehen
kann. Diese Störechosignale werden im englischen Sprachgebrauch
auch als Clutter bezeichnet. Die Laufstrecke x oder die Laufzeit
t ist auf der Abszisse und der Amplitudenwert Amp auf der Ordinate des
kartesischen Koordinatensystems der Kurvendiagramme aufgetragen.
-
Nach
heutigem Stand der Technik gibt es verschiedene Ansätze,
die exakte Position x1 des Nutzechosignal 15 in
der ermittelten Echofunktion 10 oder der digitalen Hüllkurve 11 zu
bestimmen. Von der exakten Bestimmung der Messposition des Füllstands
F in der Echofunktion 10 hängt ab, welche Messgenauigkeit
mit diesem Echomessprinzip unter den gegebenen Messbedingungen erreicht
werden kann.
-
Ein
Ansatz, die exakte Position x1 des Nutzechosignals 15 zur
Ermittlung des Füllstands h in der ermittelten Echofunktion 10 zu
bestimmen, ist in 2 gezeigt. In 2 ist
die Echofunktion 10 aus 1 vergrößert
und in die Horizontale gedreht dargestellt. Auf der Abszissenachse
ist die benötigte Laufzeit t oder der zurückgelegte
Laufweg x des Sendesignals S und des Reflexionssignals S im Behälter 5 aufgetragen,
und die Ordinatenachse zeigt die Amplitudenwerte Amp der Echofunktion 10 des
Messsignals.
-
In
dem Kurvendiagramm der 2 wird neben der Echofunktion 10 eine
Bewertungskurve 23 dargestellt, die beispielsweise mittels
einen statischen Echosuchalgorithmus, z. B. mit Hilfe einer gleitenden
Mittelwertbildung als mathematische Filterfunktion aus einer speziell
bestimmten Echofunktion 10 und/oder mittels einer bei der
Inbetriebnahme ermittelten Echofunktion 10 im leeren Behälter 5 ermittelt
wird. Diese Bewertungskurve 23 wird zur Ermittlung der
Nutzechosignale 15 in der Echofunktion 10 verwendet.
Dementsprechend wird diese Bewertungskurve 23 als Bezugslinie
bzw. Abbruchkriterium für den statischen Echosuchalgorithmus
zur Bestimmung von Nutzechosignalen 15 in der Echofunktion 10 verwendet.
Die Signalanteile, die oberhalb der ermittelten Bewertungskurve 23 liegen,
werden von dem statischen Echosuchalgorithmus als Nutzechosignale 15 identifiziert.
-
Desweiteren
ist in dem Kurvendiagramm eine Ausblendkurve 22 gezeigt,
anhand der dauerhafte Störechosignale 16 und/oder
Rauschsignale, die beispielsweise durch Störreflexionen
an Einbauten 19 im Behälter 5, durch
Mehrwegeausbreitung und durch Mehrmodenausbreitung, durch Schaum- und
Ansatzbildung des Mediums 7 und durch turbulente Mediumsoberflächen 8 entstehen
können, ausgeblendet werden.
-
Beide
Kurven, die Bewertungskurve 23 und die Ausblendkurve 22 beginnen
ab einer Nulllinie 21, die die Messbereichsgrenze des Messgeräts 1 festlegt
und die die Endposition angibt, bis zu der aus baulichen Gründen
des Messgeräts 1 eine Messung des Füllstands
h möglich ist. Diese Messbereichsgrenze bzw. der Messbereich
wird beispielsweise durch die Oberflächen einer mit einem
Füllmaterial ausgefüllten Hornantenne als Sende/Empfangselement 6 festgelegt.
-
Zur
Festlegung der Messbedingungen und der Auswertungsbedingung der
statischen und dynamischen Echosuchalgorithmen sind je nach Art
des Messgerät 1 und Anwendung eine Fülle
von verschiedenen Parametern erforderlich. Zu den Parametern zählen
auch Angaben über die Geometrie des verwendeten Behälters 5,
eine Leerdistanz des Behälters 5, und eine die
Messbereichsobergrenze kennzeichnende Nulllinie 21. Hinzu
kommt eine in der Regel anwendungsabhängige und/oder messgerätspezifische
Blockdistanz, innerhalb derer aufgrund von Störsignalen 16 oder
von Messschaltungseigenschaften keine Messung des Füllstands
h möglich ist.
-
Auch
Auswahlvorschriften zur Bestimmung des Nutzechosignals 15 spielen
eine wichtige Rolle. Diese statischen Auswahlvorschriften werden
in der Industrie häufig als Erstechofaktor bezeichnet.
Solche Auswahlvorschriften können je nach Anwendung vorgeben,
dass dasjenige Echosignal 14 mit der kürzesten
Laufzeit als Nutzechosignal 15 auszuwählen ist,
dass dasjenige Echosignal 14 mit der größten Amplitudenwerte
Amp als Nutzechosignal 15 auszuwählen ist, oder
dass das Nutzechosignal 15 anhand einer Gewichtungsfunktion
ausgewählt wird, die die Laufzeiten t und die Amplitudenwerte
Amp der Echosignale 14 berücksichtigt.
-
Mittels
dieser Auswahlvorschriften, der Bewertungskurve 23 und
der Ausblendkurve 22 wird die Position x1 des
Nutzechosignals 15 in der Echofunktion 10 bestimmt. Ändern
sich allerdings die Messbedingungen des Messgeräts 1 und/oder
des Prozesses können die zuvor ermittelten, abgespeicherten Werte
für die Auswahlvorschriften, der Bewertungskurve 23 und
der Ausblendkurve 22 keinen Bezug zur aktuellen Messsituation
haben und somit einen falschen Messwert liefern. Beispielsweise
kann durch zumindest zeitweise eingesetzte, zusätzliche
Einbauten im Behälter 5 ein weiteres Störsignal 16 in
der Echofunktion 10 erzeugt werden, das durch die Ausblendkurve 22 nicht
ausgeblendet wird und somit vom Echosuchalgorithmus als ein Nutzechosignal 15 erkannt
werden kann. Andererseits ist es möglich, dass sich die
Störsignale 16 aufgrund von Ansatzbildung oder
Kondensatbildung des Mediums 7 and Einbauten 19 verändern
und nicht mehr durch die Ausblendkurve 22 unterdrückt
bzw. ausgeblendet werden.
-
Desweiteren
ist es möglich, das die Bewertungskurve 23 und/oder
die Ausblendkurve 22 aufgrund einer schwierigen Messsituation
im Behälter 5 nicht exakt oder nur teilweise ermittelt
werden können. In diesen Fällen ist es beispielsweise
notwendig, die auf der Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 oder
auf der externen Bedieneinheit 29 dargestellte Kurvendiagramme
aus zumindest der Echofunktion 10, Bewertungskurve 23 und
Ausblendkurve 22 editierbar auszugestalten.
-
Die
Echofunktion 10, die Bewertungskurve 23 und/oder
die Ausblendkurve 22 ist aus Stützpunkten aufgebaut,
die über Verbindungsfunktionen 13 miteinander
verbunden sind und dadurch Zwischenwerte zwischen den Stützstellen 12 erzeugen.
Erfindungsgemäß werden die Stützpunkte 12 der
Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 durch
einen Reduktionsalgorithmus reduziert. Die Reduktion der Stützpunkte 12 in
der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 sind
notwendig, um die Kurvenformen der Ausblendkurve 22 und/oder
der Bewertungskurve 23 weiter auf die grundlegendsten Charakteristika
der Kurven zu reduzieren und somit auch eine einfache Anpassung
zu ermöglichen. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten und
Methoden die Anzahl der Stützpunkte 12 in der Ausblendkurve 22 und/oder
der Bewertungskurve 23 zu reduzieren – im Folgenden
werden einige Beispiele vorgestellt:
- – Eine
erste Möglichkeit für einen Reduktionsalgorithmus
ist, dass die Stützpunkte 12 der Ausblendkurve 22 und/oder
der Bewertungskurve 23 durch eine lineare Regression reduziert
werden, in dem die überflüssigen Stützpunkte 12b,
die nicht auf der Regressionsgeraden 24 liegen, gelöscht
werden. Bei der linearen Regression wird nach der Minimum-Quadrat-Methode
beispielsweise eine Regressionsgerade 24 durch eine vorbestimmte Anzahl
von Stützpunkten 12 gelegt, so dass die Quadratsumme
der Abweichungen aller Stützpunkte 12 von dieser
Regressionsgeraden 24 minimal ist.
- – Eine zweite Möglichkeit für einen
Reduktionsalgorithmus ist, dass die Stützpunkte 12 der
Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 werden
durch den Reduktionsalgorithmus auf die Extrempunkte, Scheitelpunkte 26 und/oder
Wendepunkte 27 der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 reduziert.
- – Eine dritte Möglichkeit für einen
Reduktionsalgorithmus ist, dass die Stützpunkte 12 in
der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 durch
den der Reduktionsalgorithmus in einem vorgegebenen Intervall periodisch
gelöscht wird. Diese Reduzierung der Stützpunkte 12 erfolgt
beispielsweise so, dass in einem Bearbeitungsmodus die Anzahl und/oder
die Distanz der Stützpunkte 12 zur Durchführung
des Reduktionsalgorithmus, die Verbindungsfunktionen 13 der
einzelnen Stützpunkte 12 und/oder zusätzlicher
Stützpunkte 12a über eine Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 am
Feldgerät 1 und/oder über eine externe
Bedieneinheit 29 vorgegeben werden.
- – Eine vierte Möglichkeit für einen
Reduktionsalgorithmus ist, dass an jedem Stützpunkt 12 in
der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 die
Steigung 17 der beidseitig angrenzenden Verbindungsfunktionen 13 durch
den Reduktionsalgorithmus miteinander verglichen wird und bei einer
Unterschreitung eines vorgegebenen Differenzwertes der beiden Steigungen 17 dieser Stützpunkt 12 gelöscht
wird. Der Differenzwert wird beispielsweise als entsprechender Parameter über
die Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 vom Bediener vorgegeben.
Liegen die aktuellen Steigungen der Verbindungsfunktionen 13 an
dem betrachteten Stützpunkt 12 unterhalb dieses
vorgegebenen Differenzwertes, d. h. die aktuelle Änderung
der Verbindungsfunktionen 13 an diesem Stützpunkt 12 ist
sehr gering, so wird dieser aktuelle Stützpunkt 12 gelöscht.
-
Die 3 zeigt
eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A
der Hüllkurve 11 einer Echofunktion 10,
der Bewertungskurve 23, der Ausblendkurve 22 und
der reduzierten Ausblendkurve 25 aus 2. In
dieser vergrößerten Darstellung der Kurvendiagramme
des Ausschnitts A ist die Nachbildung der Ausblendkurve 22 als
eine reduzierte Ausblendkurve 25 durch Regressionsgeraden 24 zwischen
einzelnen, bestimmten Stützpunkten 12, die beispielsweise an
Scheitelpunkten 26 und Wendepunkten 27 der Ausblendkurve 22 liegen,
offenbart. Die reduzierte Ausblendkurve 25 ist beispielsweise
aus Stützstellen 12 an Scheitelpunkten 26,
Wendepunkten 27 aufgebaut, die über beispielsweise
lineare Funktionen als Verbindungsfunktionen 13 miteinander
verbunden sind. Durch die Reduktion der reduzierten Ausblendkurve 25 auf
nur einige wenige Stützstellen 12 mittels beispielsweise
einer lineare Regression ergibt sich eine dreieckförmige
Kurvenform mit so genannten Regressionsgeraden 24 als Verbindungsfunktionen 13.
In den 1 bis 7 ist allgemein nur die Reduktion
der Ausblendkurve 22 auf eine reduzierte Ausblendkurve 25 gezeigt,
jedoch ist der erfindungsgemäße Reduktionsalgorithmus
auch auf die Bewertungskurve 23 und/oder die Echofunktion 10 anwendbar.
-
Die
erste Möglichkeit der Reduktion der Stützstellen 12 der
Ausblendkurve 22 mittels einer linearen Regression ist
in 4 dargestellt. Die 4 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt B der Kurvendiagramme
aus der 3. In dieser Ausschnitt B ist
ein Störechosignal 16 gezeigt, das durch eine
Ausblendkurve 22 ausgeblendet wird und somit nicht mehr vom
Echosuchalgorithmus des Messgeräts 1 erkannt wir.
Die Ausblendkurve 22 ist aus Stützstellen 12, 12a und
Verbindungsfunktionen 13, die diese Stützstellen 12, 12a miteinander
verbinden und dadurch Zwischenwerte erzeugen, aufgebaut. Um die
Ausblendkurve 22 besser handhaben zu können und
den notwendigen Speicherplatz auf einem Speichereinheit für
die Stützstellen 12, 12a und die Verbindungsfunktionen 13 der
Ausblendkurve 22 zu verringern, ist mit beispielsweise,
ausgehend von dem Scheitelpunkt 26 als fester Eckpunkt,
eine lineare Regression durchgeführt worden. Mittels der
linearen Regression wird eine Regressionsgerade 24 ausgehend
vom Eckpunkt zwischen die weiteren Stützstellen 12, 12a so
gelegt, dass die Quadratsumme der Abweichungen der Stützpunkte 12b von
dieser Regressionsgeraden 24 minimal ist. Diese von der
Regressionsgeraden 24 abweichenden Stützpunkte 12b werden
danach gelöscht und die reduziert Ausblendkurve 25 wird
erzeugt und dargestellt.
-
Desweiteren
ist ins 4 ein Schleppzeiger 20 eingezeichnet,
der die Historien der Stützwerte und/oder Stützstellen
der einzelnen Stützpunkte 12 in der Ausblendkurve 22 als
zumindest ein maximaler Zustand und/oder ein minimaler Zustand darstellt. Unter
den Bergriffen des Stützwertes ist der Amplitudenwert Amp
und der Stützstelle ist die Position x der entsprechenden
Stützstelle 12 zu verstehen. In der 4 wird
beispielsweise für den Stützpunkt 12 des Scheitelpunkts 26 die
Historie der Stützwerte angezeigt, indem der maximale Stützwert
und der minimale Stützwert durch einen entsprechenden Balken
angezeigt werden.
-
In 5 sind
die Kurvendiagramme, insbesondere der Echofunktion 10,
bei einer sich ändernden Messsituation im Behälter 5 gezeigt.
Beispielsweise wird durch zusätzliche Störelemente 19 im
Behälter 5 ein weiteres Störechosignal 16 in
der veränderten Echofunktion 10a ermittelt, welches
nicht von der reduzierten Ausblendkurve 25 erfasst wird
und dessen Scheitelpunkt 26 oberhalb der Bewertungskurve 23 liegt.
Durch diese Messsituation ist es möglich, dass dieses Störechosignal 16 von
dem Echosuchalgorithmus als Nutzechosignal 15 erkannt wird.
-
Aufgrund
der sich ändernden Messsituation oder durch Abweichungen
des Messgerät 1 verändert sich die die
ermittelte Echofunktion 10. Die veränderte Echofunktion 10a ist
durch eine groß gepunktete Linie und die Echofunktion 10 ist
zum Vergleich als klein gepunktet Line in den 5 bis 7 abgebildet.
-
Um
ein Fehlverhalten der Echosuchalgorithmen des Messgeräts 1 und
eine erneute Aufnahme der Leerechokurve des Behälters 5 zu
vermeiden, wird dem Bediener des Messgeräts 1 die
Möglichkeit gegeben die reduzierte Ausblendkurve 25 auf
die neue Messsituation anzupassen. Der Bediener kann an der Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 des
Messgeräts 1 oder der externen Bedieneinheit 29 sich
die Kurvendiagramme der Echofunktion 10, der veränderten Echofunktion 10a,
der Ausblendkurve 22, der reduzierten Ausblendkurve 25 und/oder
der Bewertungskurve 23 darstellen lassen und über
eine Eingabemöglichkeit, z. B. Tasten oder Touch-Pad, die
ausgewählte Kurve modifizieren. Hierzu wird in einem Bearbeitungsmodus
ein zusätzlicher Stützpunkte 12a als
Scheitelpunkte 26 mit beidseitig angrenzenden, abfallenden
Verbindungsfunktionen 13, die eine vordefinierte Länge 18 und/oder
die eine vordefinierte Steigung 17 aufweisen, vom Bediener über
die Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 vorgegeben werden. Der Bediener
kann über einen Mauszeiger M die Lage des zusätzlichen
Stützpunkts 12a festlegen und in weiteren Schritten über
die Endpunkte die Länge und die Steigungen der beidseitig
angrenzenden, abfallenden Verbindungsfunktionen 13 festlegen.
-
Um
den neuen Stützpunkt 12a in die reduzierte Ausblendkurve
zu integrieren ist gewissermaßen ein automatischer Routine
vorgesehen, die in Bereichen zwischen zwei Stützpunkten 12, 12a,
an denen sich zwei Verbindungsfunktionen 13 überlappen,
eine neue Verbindungsfunktion 13a gebildet wird, die diese
beiden Stützpunkte 12, 12a direkt miteinander
verbindet und so eine angepasste, reduzierte Ausblendkurve 25 ausbildet.
Desweitern ist möglich, dass der Bediener über
die Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 auch nur einen zusätzlichen
Stützpunkte 12a in der Ausblendkurve 22 und/oder
der Bewertungskurven 23 vorgibt und dieser zusätzlichen Stützpunkte 12a über
eine erneut gebildete Verbindungsfunktionen 13a in die
reduzierte Ausblendkurve 22a automatisch integriert wird.
Als Verbindungsfunktionen 13, 13a kann eine stückweise
lineare Interpolation, eine Spline-Interpolation und/oder zumindest
eine Polynom-Interpolation verwendet werden. Diese Integration des
zusätzlichen Stützpunkts 12a in die reduzierte
Ausblendkurve 25 ist in 6 dargestellt.
-
Eine
weitere Modifizierung der reduzierten Ausblendkurve 25 ist
in 7 dargestellt. Die 7 zeigt
hierbei einen vergrößerten Ausschnitt C aus der 6.
In einem Bearbeitungsmodus ist es dem Bediener möglich,
mittels dem Mauszeiger M einen bestimmten Stützpunkt 12 in
der reduzierten Ausblendkurve 25 auszuwählen und
dessen Lage bzw. dessen Stützwert und/oder Stützstelle
zu verändern. Die Auswahl und/oder die Veränderung
der Lage der Stützstellen 12 kann beispielsweise über
eine Plus-Taste + und eine Minus-Taste – und der Bestätigungsbefehl über
eine Enter-Taste erfolgen. Die Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 kann
auch durch einen Touchscreen ausgestaltet sein, bei der die Modifizierung
der Kurvendiagramme direkt durch eine Berührung der Darstellung
auf dem Bildschirm erfolgt. Mittels dieser Touch-Screens können
langlebige, zuverlässige und bedienerfreundliche Bedienoberflächen geschaffen
werden. Desweiteren sind Touch-Screens bzw. Berührungssensitive
Bildschirme kompakt ausgestaltet und stellen sicher, dass der zur
Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt wird, weil das
Eingabegerät bereits in der Anzeigeeinheit integriert ist.
Ein weiterer Vorteil der Touch-Screens ist ihre Strapazierfähigkeit
und die Pflegeleichtigkeit. Hervorzuheben ist außerdem, dass
die Sensorbildschirme die effektiven Trainingszeiten des Bedienpersonals,
aufgrund der visuellen Verknüpfung der Aktion des Bedieners
und der folgenden Reaktion des Gerätes bzw. der Anzeige,
verkürzen und zudem ein hohes Maß an Sauberkeit,
Benutzerkomfort und Vereinfachung von Applikationen aufweisen.
-
Die
Reduzierung und Modifikation der Stützstellen 12 ist
nicht nur, wie in den 1–7 gezeigt,
auf die Ausblendkurve 22 beschränkt, sondern kann
auch auf die Bewertungskurve 23 angewandt werden. Eine Änderungsmöglichkeit
der Echofunktion 10 und der Hüllkurve 11 wird
nicht angestrebt, ist jedoch ohne weiteres technisch umsetzbar.
-
- 1
- Feldgerät,
Messgerät
- 2
- Regel-/Auswerteeinheit
- 3
- Sende-/Empfangseinheit
- 4
- Kommunikationseinheit
- 5
- Behälter
- 6
- Sende-/Empfangselement
- 7
- Medium
- 8
- Grenzschicht,
Oberfläche
- 9
- Messumformer
- 10
- Echofunktion,
Echokurve
- 10a
- veränderte
Echofunktion
- 11
- Hüllfunktion,
Hüllkurve
- 12
- Stützpunkte
- 12a
- zusätzlicher
Stützpunkt
- 12b
- abweichenden
Stützpunkt
- 13
- Verbindungsfunktionen
- 13a
- neue
Verbindungsfunktion
- 14
- Echosignal
- 15
- Nutzechosignal
- 16
- Störechosignal
- 17
- Steigung
- 18
- Länge
- 19
- Einbauten,
Störelement
- 20
- Schleppzeiger
- 21
- Nulllinie
- 22
- Ausblendkurve
- 23
- Bewertungskurve
- 24
- Regressionsgerade
- 25
- Reduktionskurve
- 26
- Scheitelpunkt
- 27
- Wendepunkt
- 28
- Eingabe-/Ausgabeeinheit
- 29
- externe
Bedieneinheit
- Amp
- Amplitudenwert
- S
- Sendesignal
- R
- Reflexionssignal
- K
- Störsignal
- x
- Laufweg,
Position, Strecke
- x1
- Position
des Nutzechosignals
- t
- Laufzeit
- +
- Plus-Taste
- –
- Minus-Taste
- E
- Enter-Taste
- M
- Mauszeiger
- h
- Füllstand
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10260962
A1 [0012]
- - DE 10360710 A1 [0013]
- - DE 102004052110 A1 [0014]