DE102007060579A1

DE102007060579A1 - Verfahren zur Ermittlung und/oder zur Beurteilung des Befüllzustands eines mit zumindest einem Medium gefüllten Behälter

Info

Publication number: DE102007060579A1
Application number: DE102007060579A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. Spanke; Matthias Boldt; Christian Reinau; Alexey Dr. Malinovskiy; Simon Greth
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: DE102007060579B4; US9081087B2; US20090158839A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und/oder zur Beurteilung des Befüllzustands eines mit zumindest einem Medium (M1, M2) gefüllten Behälters (2), wobei hochfrequente, elektromagnetische Messsignale von einem Füllstandsmessgerät (1) ausgesendet werden und an einer Grenzfläche der Medien (M1, M2) reflektiert als Nutzechos (E1, E2) wieder empfangen werden, wobei die elektromagnetischen Messsignale an einem Messbereichsende (ME) als ein Endecho (EE) reflektiert und wieder empfangen werden, wobei aus den empfangenen Nutzechos (E1, E2) und aus dem Endecho (EE) eine von der Laufzeit (t) und/oder der Laufstrecke (x) abhängige Echokurve (EK) gebildet wird, wobei mittels eines im Füllstandsmessgerät (1) integrierten Suchalgorithmus die Anzahl, die Existenz und/oder die Position der einzelnen Nutzechos (E1, E2) und des Endechos (EE) in der Echokurve (EK) ermittelt werden, anhand derer eine Klassifizierung des aktuell vorliegenden Befüllzustands im Behälter (2) zur vorgegebenen, abgespeicherten Befüllsituation im Behälter (2) vorgenommen wird, wobei anhand der klassifizierten Befüllsituation im Behälter (2) dem Distanzwert des Füllstands (DL) und/oder dem Distanzwert der Trennschicht (DI) die zugehörigen Laufzeiten (t) und oder die zugehörigen Laufstrecken (x) der einzelnen Nutzechos (E1, E2) und/oder des Endechos (EE) in der Echokurve (EK) zugeordnet werden/wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und/oder zur Beurteilung des Befüllzustands eines mit zumindest einem Medium gefüllten Behälter, wobei hochfrequente, elektromagnetische Messsignale von einem Füllstandsmessgerät ausgesendet werden und zumindest an einer Oberfläche, zumindest an einer Grenzfläche der Medien und/oder an zumindest einer Trennschicht zwischen den Medien reflektiert als Nutzechos und oder Endecho von dem Füllstandsmessgerät wieder empfangen werden.
Derartige Verfahren werden beispielsweise in Messgeräten bzw. Feldgeräten der Automationstechnik und/oder Prozessmesstechnik eingesetzt, um eine Prozessvariable, wie z. B. die Grenzschicht, den Füllstand oder die Trennschicht, von zumindest einem Medium in einem Prozessablauf zu ermitteln. Von der Anmelderin werden beispielsweise Messgeräte unter dem Namen Micropilot, Ultrasonic, Levelflex und Multicap produziert und vertrieben, die vorwiegend dazu bestimmt sind, den Füllstand eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen. In einer der Vielzahl von Laufzeit-Messmethoden wird beispielsweise nach der Methode der geführten Mikrowelle, Zeitbereichsreflektormetrie bzw. der TDR-Messmethode (Time Domain Reflection) ein Hochfrequenzimpuls entlang eines Sommerfeldschen oder Goubauschen Wellenleiters oder Koaxialwellenleiters ausgesendet, welcher bei einer Diskontinuität des DK-Wertes (Dielektrizitätskonstanten) des den Wellenleiter umgebenden Mediums teilweise zurückreflektiert wird. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Hochfrequenzimpulses und dem Empfang des reflektierten Echosignals des Mediums lässt sich der Füllstand ermittelten. Das FMCW-Verfahren (Frequency Modulated Continuous Waves), bei dem der Frequenzbereich eines kontinuierlichen Messsignal verändert und die Distanz durch die Frequenzdifferenz des ausgesendeten zum reflektierten Messsignal gemessen wird, ist in dem Zusammenhang mit dem obigen Messprinzip ebenfalls ausführbar.
Bei allen bekannten physikalischen Messprinzipien muss meist ein Kompromiss hinsichtlich der Genauigkeit der Messung und der Zuverlässigkeit der Messung eingegangen werden. Deshalb wird anhand der Umgebungsbedingungen und Mediumseigenschaften der entsprechenden Anwendung das zweckdienlichste physikalische Messprinzip ausgewählt, dessen Vorteile gegenüber dessen Nachteilen überwiegen. Grundlegend werden in der Prozessmesstechnik als frei abstrahlende Messverfahren unterschiedliche physikalische Messprinzipien, wie die Mikrowellen-Laufzeitmessung, der Ultraschall-Laufzeitmessung und Gammastrahlen-Absorbstionsmessung, sowie vereinzelt auch der Laserlicht-Laufzeitmessung, eingesetzt. Als Mediums berührende Messverfahren sind in der Prozessmesstechnik unter anderem das Lot-Messverfahren, das kapazitive Messverfahren, das konduktive Messverfahren und das Messverfahren mit der geführten Mikrowelle bekannt. Alle diese Messverfahren haben entsprechend dem Messprinzip, dem Messmedium, der Messsituation, den Prozessbedingungen und dem Messperformance bestimmte Vorteile gegenüber einem anderen Messverfahren.
Der direkte Vergleich der verschiedenen physikalischen Messprinzipien zeigt, dass die Auswahl das für die aktuelle Anwendung geeigneten Messprinzips in den meisten Fällen sehr schwer ist. Jedoch lassen sich im Bereich der Trennschichtmessung schon eine Vielzahl von Anwendungen durch die hoch entwickelten, Mediums berührenden Messgeräte oder Kombinationen dieser Messgeräte abdecken.
Bei der Zeitbereichsreflektormetrie handelt es sich um ein so genanntes Medium berührende Füllstandsmessverfahren, bei denen eine Messsonde mit dem zu messenden Medium direkt in Berührung kommt. Diese Messsonde wird üblicherweise, über einen Prozessanschluss, Öffnung oder Stutzen, in einem Behälter befestigt, so dass die Messelektronik sich außerhalb des Prozesses, d. h. nicht mit dem Medium in Kontakt stehend, befindet und die Messsonde in dem Prozess integriert ist.
In den folgenden Referenzen werden Verfahren zur Trennschichtmessung mittels eines Zeitbereichreflektormeters näher diskutiert.
In der EP 1 804 038 A1 wird ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands eines ersten Mediums, z. B. Öl, in einem Behälter und zur Identifizierung der Anwesenheit eines zweiten Mediums, z. B. Wasser, unterhalb des Füllstands des ersten Mediums offenbart. In diesem vorgestellten Verfahren werden Mikrowellen an einem Mediumsberührenden Wellenleiter ausgesendet und aufgrund Diskontinuitäten des Wellenwiderstandes an Störstellen oder an Mediumsgrenzflächen reflektierte Anteile der Mikrowellen wieder in Form von Echos empfangen. Der Grundgedanke dieses Verfahrens liegt darin, das das Sondenendsignal vom Ende des Wellenleiters eine gegensätzliche Polarität aufweist als die Echos an den Mediumsgrenzflächen. Erreicht nun das Niveau des zweiten Mediums das Wellenleiterende wird das Sondenendsignal mit gegensätzlicher Polarität von dem Echosignal der Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Medium überdeckt. In diesem Fall wird eine Polaritätsänderung des Sondenendsignals detektiert, falls die Grenzfläche zwischen dem ersten Medium ÖL und dem zweiten Medium Wasser das Wellenleiterende erreicht.
In der DE 100 51 151 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die eine Ermittlung einer oberen Grenzfläche einer oberen Flüssigkeit und einer Trennschicht zwischen der oberen und einer unteren Flüssigkeit ermöglicht. Mit diesem Verfahren und dieser Vorrichtung werden die einzelnen Nutzechos der Grenzfläche und Trennschicht, sowie das Sondenendecho anhand des Vergleichs der Amplituden der Echos mit vordefinierten Schwellwerten, wie z. B Startschwelle, End-Schwelle, ermittelt.
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 die von der Grenzfläche und/oder von der Trennschicht stammenden Echos anhand des Verfahrens nicht zweifelsfrei identifiziert werden können.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine exakte und zuverlässige Ermittlung der Positionen von Grenzschichten oder Trennschichten von Medien in einem Behälter ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ermittlung und/oder zur Beurteilung des Befüllzustands eines mit zumindest einem Medium gefüllten Behälters gelöst, wobei hochfrequente, elektromagnetische Messsignale von einem Füllstandsmessgerät ausgesendet werden und zumindest an einer Oberfläche, zumindest an einer Grenzfläche der Medien und/oder an zumindest einer Trennschicht zwischen den Medien reflektiert als Nutzechos von dem Füllstandsmessgerät wieder empfangen werden, wobei die elektromagnetischen Messsignale an einem Messbereichsende als ein Endecho reflektiert und wieder empfangen werden, wobei zumindest aus den empfangenen Nutzechos und aus dem Endecho eine von der Laufzeit und oder der Laufstrecke abhängige Echokurve gebildet wird, wobei mittels einem im Füllstandsmessgeräts integrierten Suchalgorithmus die Anzahl, die Existenz und/oder die Position der einzelnen Nutzechos und des Endechos in der Echokurve ermittelt werden, anhand derer eine Klassifizierung des aktuell vorliegenden Befüllzustands im Behälter zur vorgegebenen, abgespeicherten Befüllsituationen im Behälter vorgenommen wird, wobei anhand der klassifizierten Befüllsituation im Behälter dem Distanzwert des Füllstands und/oder dem Distanzwert der Trennschicht die zugehörigen Laufzeiten und oder die zugehörigen Laufstrecken der einzelnen Nutzechos und/oder des Endechos in der Echokurve zugeordnet werden/wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Befüllsituationen im Behälter als Teilbefüllung mit erstem Medium und/oder zweitem Medium, als Vollbefüllung mit erstem Medium und/oder zweitem Medium und als Nichtbefüllung vom Suchalgorithmus vorgegeben werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass anhand des Suchalgorithmus die Anzahl, die Existenz und/oder die Positionen der einzelnen Nutzechos und des Endechos in vorgegebenen Suchfenstern in der Echokurve und/oder an vorgegebenen Suchpositionen in der Echokurve ermittelt werden.
Eine sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass anhand des Suchalgorithmus die Existenz des ersten Echos in einem maximalen Suchfenster, ausgehend vom Referenzpunkt bis zum Messbereichsende oder bis zum auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit im ersten Medium korrigierten Messbereichsende des Füllstandsmessgeräts, in der Echokurve ermittelt wird und als ersten Distanzwert des ersten Nutzechos gespeichert wird.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass anhand des Suchalgorithmus die Existenz des zweiten Nutzechos in einem begrenzten Suchfenster, ausgehend von einem ersten Distanzwert des ersten Nutzechos bis zum auf die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien korrigierten Messbereichsende des Füllstandsmessgeräts ermittelt wird und als zweiter Distanzwert des zweiten Nutzechos gespeichert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass anhand des Suchalgorithmus die Existenz des Endechos an vorgegebenen, auf die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien korrigierten Suchpositionen in der Echokurve ermittelt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Suchfenster und die Suchpositionen in Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeiten des hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignals im ersten Medium und/oder im zweiten Medium vom Suchalgorithmus erzeugt werden.
Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten des hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignals in den Medien proportional zur Quadratwurzel der Dielelektrizitätskonstanten der Medien von dem Suchalgorithmus berechnet werden.
Ein zweckmäßiges, alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Dielektrizitätskonstanten der Medien bei der Inbetriebnahme des Füllstandmessgeräts dem Suchalgorithmus vom Bediener vorgegeben werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die bekannte Dicke des ersten Mediums als Differenzwert des ersten Distanzwerts vom zweiten Distanzwert vom Bediener vorgegeben wird und daraus die aktuelle Dielektrizitätskonstante des ersten Mediums ermittelt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass als Befüllsituation eine Voll-/der Teilbefüllung des Behälters mit nur dem ersten Medium vom Bediener angegeben wird und aus dem ermittelten ersten Nutzecho und der Laufzeitverschiebung des Endechos des Sondenendes in der Echokurve entgegen der bekannten Sondenlänge die aktuelle Dielektrizitätskonstante des ersten Mediums ermittelt wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Dielektrizitätskonstanten der Medien durch den Suchalgorithmus mittels Reflektionen des elektromagnetischen Echosignals an Störelementen in einem fest vorgegeben Abstand ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass dem Suchalgorithmus vom Bediener bei der Inbetriebnahme des Füllstandmessgerätes (1) als Befüllsituation „stets voll befüllt" vorgegeben wird. Für den Fall, dass der Behälter „stets voll befüllt" bleibt und von der Grenzfläche der Medien keine Nutzechos ermittelt werden, kann dem Suchalgorithmus durch eine Eingabe vom Bediener bei der Inbetriebnahme des Füllstandmessgerätes die Befüllsituation „stets voll befüllt" mitgeteilt werden. In diesem Fall wird das Suchfenster des ersten Echos bis zum auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit im ersten Medium korrigierten Messbereichsende vergrößert, und die Suche nach dem zweiten Echo entfällt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass der Suchalgorithmus im Füllstandsmessgerät von fest verdrahteten, elektrischen Bauteilen ausgeführt wird.
Eine sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass der Suchalgorithmus im Füllstandsmessgerät von einer Programmapplikation ausgeführt wird.
Ein zweckmäßiges, alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das hochfrequente, elektromagnetische Messsignal entlang einer prozessberührenden Messsonde von dem als ein Zeitbereichsreflektormeter ausgestalteten Füllstandmessgerät ausgesendet und wieder empfangen wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass das hochfrequente, elektromagnetische Messsignal über eine freiabstrahlende Antenne von dem als ein Radarmessgerät ausgestalteten Füllstandmessgerät ausgesendet und wieder empfangen wird.
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 eine erste schematische Darstellung eines teilbefüllten Behälters mit zwei unterschiedlichen Medien mit einer den Laufweg und Laufzeit der hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignale abbildenden Echokurve des eingebauten Füllstandsmessgeräts,
2 eine erstes Beispiel eines schematischen Ablaufdiagramms des Suchalgorithmus zur Ermittlung der Befüllzustand im Behälter,
3 eine zweite schematische Darstellung eines mit zwei unterschiedlichen Medien voll befüllten Behälters mit einer den Laufweg und Laufzeit der hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignale abbildenden Echokurve des eingebauten Füllstandsmessgeräts, und
4 eine zweites Beispiel eines schematischen Ablaufdiagramms des Suchalgorithmus bei der die Vorgabe der Befüllsituation „stets voll befüllt" durch den Bediener vorgegeben wird.
In 1 ist eine erste Befüllsituation des Behälters 2 mit einem über einen Stutzen auf dem Behälter montierten Füllstandsmessgerät 1 aufgezeigt. Dieses Füllstandsmessgerät 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein mediumberührendes Zeitbereichreflektormeter ausgebildet. Diese Zeitbereichreflektormeter werden im englischen Sprachgebrauch auch als TDR-Füllstandsmessgeräte 1 bezeichnet.
Die Zeitbereichreflektormeter arbeitet nach folgenden Messprinzip: Über die Messsonde 4, z. B. einem Sommerfeldschen, einem Goubauschen Oberflächenwellenleiters oder einem Koaxialwellenleiters, werden hochfrequente elektromagnetische Messsignale als Sendesignal bzw. Sendeimpuls S in Richtung der Medien M1, M2 bzw. in den Prozessraum des Behälters 2 ausgesendet. Dieses Sendesignal S wird entweder aufgrund einem DK-Wert-Sprung bzw. einer Diskontinuität der Dielektrizitätskonstanten DC0, DC1, DC2 der die Messsonde 4 umgebenden Medien M0, M1, M2 als Nutzechosignale E1, E2 oder aufgrund einer Änderung der Geometrie der Messsonde 4 teilweise als Störechosignale zurückreflektiert. Eine Diskontinuität des Wellenwiderstandes liegt beispielsweise an der Grenzschicht der Luft M0 und dem ersten Medium M1 vor, wenn die Dielektrizitätskonstante DC0 der Luft M0 im Prozessraum des Behälters 2 kleiner ist als die Dielektrizitätskonstante DC1 eines ersten Mediums M1. Desweiteren tritt eine solche Diskontinuität des Wellenwiderstandes beispielsweise an der Trennschicht I zwischen einem ersten Medium M1 und einem zweiten Medium M2 auf. Diese beiden Medien M1, M2 dürfen sich nicht mischen, damit sich eine Trennschicht I zur Reflexion des Sendesignals S ausbilden kann. Die Dielektrizitätskonstante DC1 des ersten Medium M1 ist kleiner als die Dielektrizitätskonstante DC2 des unteren, zweiten Mediums M2, damit eine Messung der Trennschicht I überhaupt möglich ist. Mit Hilfe der gemessenen Laufzeit t und mit der Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignale wird durch eine Umrechnungsformel die zurückgelegte einfache Laufstrecke x ermittelt. Der Füllstand L der Medien M1, M2 im Behälter 2 entspricht der Höhe des Behälters 6 bzw. dem Ort der Einkopplung der hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignale in die Messsonde 4 minus die zurückgelegte einfachen Laufstrecke x der hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignale. Da die Höhe des Behälters 2 bekannt ist, lässt sich somit die Höhe des Füllstands L des ersten Mediums M1, die Höhe der Trennschicht I zwischen den Medien M1, M2 und/oder die Volumen der Medien M1, M2 im Behälter 2 bestimmen.
Die Ausbildung einer Trennschicht I erfolgt bei zumindest zwei unterschiedlichen, nicht mischbaren Medien M1, M2 im Behälter 2. Um die Menge oder das Volumen beider Medien M1, M2 getrennt erfassen zu können, ist es erforderlich die den Distanzwert der Trennschicht DI zwischen den beiden Medien M1, M2 zu ermittelt. Hierzu wird bei der Trennschichtmessung zusätzlich zum ersten Nutzecho E1 an der Grenzfläche des ersten Mediums M1 ein zweites Nutzecho E2 an der Trennschicht I zwischen dem ersten Medium M1 und dem zweiten Medium M2 erfasst. Damit dieses zweite Nutzecho E2 ermittelt werden kann, ist es notwendig, dass nicht die gesamte Energie des Sendesignals S an der Oberfläche 13 des ersten Mediums M1 vollständig reflektiert wird, sondern ein Anteil des Sendesignals S als Transmissionssignal S_T in das erste Medium M1 transmittiert wird. Der Grad der Transmission und der Grad der Reflexion des Sendesignals S hängt hauptsächlich von den Dielektrizitätskonstanten DC1, DC2 der zu messenden Medien M1, M2 ab.
Eine die Befüllsituation im Behälter 2 abbildende Echokurve EK ist proportional zur Laufstrecke x des Sendesignals S in einem Kurvendiagramm dargestellt. Zur besseren Präsentation ist das Kurvendiagramm in 1 und 3 gedreht abgebildet und der Füllstand L, die Trennschicht I, das Messbereichsende ME sind über Bezugslinien den entsprechenden Referenzecho RE, die Nutzechos E1, E2 und dem Endecho EE in der Echokurve EK zugeordnet dargestellt, so dass das Ursache-Wirkungs-Prinzip in Form der Reflexion des Sendesignals S aufgrund der Änderung des Wellenwiderstands durch Grenzflächen oder Trennflächen der Medien M1, M2 auf einen Blick erfasst werden kann.
Ein Referenzpunkt RP legt fest, ab welcher Position der Messbereich des Füllstandsmessgeräts 1 beginnt. Beim mediumsberührenden Zeitbereichreflektormeter stellt der Referenzpunkt RP den Übergang der Messsonde 4 vom Stutzten in den aufgeweiteten Prozessraum des Behälters 2 dar. Bei den frei abstrahlenden Füllstandsmessgeräten 1 wird dieser Referenzpunkt RP durch eine Blockdistanz der Sensorelemente und/oder die Ausgestaltungen der Abstrahlelemente, wie z. B. Hornantenne, Parabolantenne, Planarantenne und/oder Stabantenne, bestimmt. Das Messbereichsende ME wird beim Zeitbereichsreflektormeter durch das Sondenende EOP der Messsonden 4 festgelegt und bei frei abstrahlenden Füllstandsmessgeräten durch den Boden des Behälters 2 oder durch die maximale Dämpfung des Sendesignals S durch die Medien M1, M2. Dieses Messbereichsende ME ist in der Echokurve EK als Endecho EE dargestellt. Beim Zeitbereichreflektormeter weist dieses Endecho EE mit einer negativen Polarität auf.
Im Anfangsbereich der Echokurve EK in 1 und 3 ist das Abklingverhalten bzw. das so genannten Klingeln, zu sehen, das aufgrund von Mehrfachreflexionen oder ferner durch Ansatzbildung in dem Sende-/Empfangselement 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 der Echokurve EK aufgetragen.
Das hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignale werden beispielsweise als Sendesignal S mit einer Bandbreite von 0–1,5 GHz in der HF-Einheit im Messumformer 3 des Zeitbereichsreflektormeters erzeugt und mittels eines Sondeneinkoppelelements in die Messsonde 4 eingekoppelt. Die hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignale breiten sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit entlang der Messsonde 4 aus, deshalb ergeben sich sehr kurze Laufzeiten t. Bei einer Auflösung der Messung des Füllstands L bzw. der Trennschicht I von einem Millimeter sind Unterschiede in der Laufzeit t im Pikosekunden-Bereich zu ermitteln. Die Messung dieser kleinen Laufzeiten ist nur unter Einsatz spezieller Elektronikkomponenten und hohem Messaufwand möglich. Deshalb wird meist mittels einer sequentiellen Abtastung das reflektierte Echosignal, das zumindest das Nutzechosignale E1, E2 und die Störechosignale beinhaltet, in ein niederfrequentes Zwischenfrequenzsignal transformiert. Dieses Zwischenfrequenzsignal wird beispielsweise durch das Mischerprinzip aus einem Sendesignal S und einem dazu phasenverschobenen Abtastimpulssignal erzeugt. Aus diesem Zwischenfrequenzsignal wird nachfolgend in einer im Messumformer 3 integrierten Regel-/Auswerteeinheit eine digitalisierte Echokurve EK gebildet, die entsprechend weiterverarbeitet, ausgewertet und/oder gefiltert werden kann. Die beispielsweise an der Grenzfläche des ersten Mediums M1 zurücklaufenden Nutzechosignale E1 werden wiederum in der HF-Einheit empfangen und vorzugsweise wie zuvor beschrieben als zeitgedehntes Zwischenfrequenzsignal aufbereitet. Dieses aufbereitete Zwischenfrequenzsignal wird darüber hinaus in der Regel-/Auswerteeinheit messtechnisch und signaltechnisch ausgewertet, indem dieses beispielsweise gefiltert und geglättet wird.
Das Sendesignals S wird an der Grenzschicht der Luft M0 zum ersten Medium M1 teilweise als Reflexionssignal R zurückreflektiert und als ein erstes Nutecho E1 empfangen. Die Laufstrecke x, die das Sendesignal S vom Referenzpunkt RP bis zu dieses ersten Nutzechos E1 zurücklegt, ergibt einen ersten Distanzwert D1 des ersten Nutzechos E1. Der andere Teil des Sendesignals S wird als Transmissionssignal S_T durch das erste Medium M1 weitergeleitet und wird aufgrund der Diskontinuität der der Dielektrizitätskonstanten DC1, DC2 an der Trennschicht I zwischen dem ersten Medium M1 und dem zweiten Medium M2 zumindest anteilig als transmittiertes Reflexionssignal R_T reflektiert, woraus ein zweiter Distanzwert D2 des zweiten Nutzechos E2 ermittelt wird. Das restliche Sendesignal S wird nahezu vollständig am Sondenende EOP als Endecho E reflektiert, wodurch eine Sondenlänge LN ermittelt wird.
Die Laufzeiten t der Sendesignale S, der Transmissionssignale S_T, der Reflexionssignale R und der transmittiertes Reflexionssignal R_T und somit die ermittelten Werte für die einzelnen Nutzechos E1, E2 oder des Echos des Sondenendes EOP hängen von den unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten des hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignals in den unterschiedlichen Medien M0, M1, M2 ab. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignale ist proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstanten DC0, DC1, DC2 der verschiedenen Medien M0, M1, M2 im Behälter 2. Die Verschiebung der Nutzechos E1, E2 und des Endechos EE in der Echokurve EK lässt sich mit Kenntnis der Dielektrizitätskonstanten DC0, DC1, DC2 der Medien M0, M1, M2 errechen. Der korrigierte Distanzwert des ersten Nutzechos E1 entspricht somit der folgenden ersten Formel, wobei die Dielektrizitätskonstante DC0 der Luft M0 meistens 1 ist. E1 ∝ D1√DC0
Der korrigierte Distanzwert des zweiten Nutzechos E2 lässt sich durch eine zweite Formel aus dem verschobenen zweiten Nutzecho E2 in der aufgenommenen Echokurve EK errechnen. E2 ∝ D1√DC0 + (D2 – D1)√DC1
Der korrigierte Distanzwert des Endechos EE des Sondenendes EOP in der ermittelten Echokurve EK wird durch eine dritte Formel beschrieben. EE ∝ D1√DC0 + (D2 – D1)√DC1 + (LN – D2)√DC2
Der so erhaltenen Distanzwert des Füllstands DL, der Distanzwert der Trennschicht DI oder die die gesamte Messsituation abbildende Echokurve EK, die die aufbereitete Einhüllende des Zwischenfrequenzsignals aus der Überlagerung des Sendesignals S, der Störechosignale und dem Nutzechosignal E1, E2 darstellt, werden beispielsweise über eine im Messumformer 3 integrierte Busschnittstelle auf die Kommunikationsleitung 5 an beispielsweise eine Leitstelle und/oder weitere Feldgeräte weitergeleitet. Der Distanzwert des Füllstands DL, der Distanzwert der Trennschicht DI oder die Echokurve EK können jedoch auch an einer im Messumformer 3 integrierten Ausgabe-/Eingabeeinheit des Füllstandsmessgeräts 1 dargestellt werden.
Die Energieversorgung des Füllstandmessgeräts 1 wird mittels einer Kommunikationsleitung 5, beispielsweise als Zweidraht-Leitung oder Feldbus, realisiert. Die zusätzliche Versorgungsleitung zur Energieversorgung entfällt, wenn es sich bei dem Füllstandmessgerät 1 um ein so genanntes Zweileiter-Messgerät handelt, dessen Kommunikation und Energieversorgung ausschließlich und gleichzeitig über die Kommunikationsleitung 5 erfolgt. Die Datenübertragung bzw. Kommunikation über den Kommunikationsleitung 5 wird beispielsweise nach dem CAN-, HART-, PROFIBUS DP-, PROFIBUS FMS-, PROFIBUS PA-, oder FOUNDATION FIELDBUS-Standard umgesetzt.
Ein erstes Ablaufdiagramm des im Füllstandsmessgerät 1 integrierten Suchalgorithmus zur Ermittlung des Befüllzustands in dem mit bis zu zwei Medien M1, M2 teilbefüllten Behälter 2 ist in 2 dargestellt. Die aktuelle Echokurve EK wird durch das Füllstandsmessgerät 1, wie schon zuvor beschreiben, ermittelt. Der Suchalgorithmus analysiert in einem ersten Schritt in der aktuellen Echokurve EK ausgehend vom Referenzpunkt RP bis zum Messbereichsende ME die Existenz eines ersten Nutzechos E1. Wird ein erstes Nutzecho E1 in diesem ersten Bereich gefunden, wird die Position dieses Nutzechos E1 in der aktuellen Echokurve EK als erster Distanzwert D1 des ersten Nutzechos E1 in einer im Füllstandsmessgerät 1 integrierten Speichereinheit 6 abgespeichert. Desweiteren wird nach dem Nachweis der Existenz des ersten Nutzecho E1 nach einem möglichen zweiten Nutzecho E2 aufgrund der Trennschicht I zwischen den beiden Medien M1, M2 in der aktuellen Echokurve EK ausgehend von der Position des ersten Nutzechos E1 bis zum auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit korrigierten Messbereichsende ME gesucht. Wird ein zweites Nutzecho E2 in diesem zweiten Bereich gefunden, dann wird die Position des zweiten Nutzechos E2 als zweiter Distanzwert D2 in der Speichereinheit 6 abgespeichert und die Befüllsituation des Behälters 2 von dem Suchalgorithmus als „Teilbefüllt mit erstem Medium M1 und zweitem Medium M2" klassifiziert wird. Tritt der Fall ein, dass kein Nutzecho E1, E2 oder nur das erste Nutzecho E1 in der aktuellen Echokurve EK durch den Suchalgorithmus gefunden wird, gibt die Position des Endechos EE weitere Auskünfte über die möglichen Befüllsituationen des Behälters 2 wieder. Ist beispielsweise kein zweites Nutzecho E2 in der aktuellen Echokurve EK ermittelt, wird das Endecho EE beim korrigierten Messbereichsende ME gesucht, anhand dessen Ergebnis entweder eine Befüllsituation als „Teilbefüllt nur mit erstem Medium M1" oder „Teilbefüllt mit nur zweitem Medium M2" klassifiziert wird. In dem Fall, dass kein Nutzecho E1, E2 in der aktuellen Echokurve EK ermittelt wird, wird anhand einer Suche des Endechos EE beim Messbereichsende ME und dem auf eine Dielektrizitätskonstante DC1, DC2 eines Mediums M1, M2 die Befüllsituationen im Behälter 2 als „Leer", „Vollbefüllt mit erstem Medium M1" oder „Vollbefüllt mit zweitem Medium M2" klassifiziert.
Der aktuelle Suchpfad, der die in 1 gezeigte Befüllsituation der Teilbefüllung mit einem erstem Medium M1 und einem zweitem Medium M2 ausdrückt, ist in dem Suchalgorithmus in der 2 durch eine verbreiterte Schrift und verdickte Linien besonders hervorgehoben.
In 3 ist eine zweite mögliche Befüllsituation des Behälters 2 gezeigt, bei der der Behälter 2 vollständig mit einem oberen, ersten Medium M1 und einem unteren, zweiten Medium gefüllt ist. In dieser Befüllsituation des Behälters 2 sendet das Zeitbereichsreflektormeter das Sendesignal S entlang der Messsonde 4 durch das bis an oder in den Stutzen reichende erste Medium M1 hindurch aus. Dies ist in der Echokurve EK auch dadurch ersichtlich, dass das Echo des Referenzpunkts RP eine geringere Amplitude aufweist und geringfügig zeitlich verschoben ist. Das Sendesignal S wird an der Trennschicht I zwischen dem ersten Medium M1 und dem zweiten Medium M2 als Reflexionssignal R reflektiert. Das Reflexionssignal R der Trennschicht I wird von dem Zeitbereichreflektormeter als erstes Nutzecho E1 erkannt. Die Laufzeitverzögerung aufgrund der etwas geringeren Ausbreitungsgeschwindigkeit der hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignale in dem ersten Medium M1 ist proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstanten DC1 des ersten Mediums M1, wodurch es zu einer Verschiebung der Position des ersten Nutzechos E1 in der Echokurve EK gemäß der vierten Formel kommt. E1 ∝ D1√DC1
Wie schon zuvor beschrieben, wird anteilig das Sendesignal an der Trennschicht I als der Transmissionssignale S_T in das zweite Medium M2 transmittiert und als Reflexionssignal R zurück reflektiert. Das Transmissionssignal S_T wird am Sondenende EOP nahezu vollständig reflektiert. Die Verschiebung des Endechos EE des Sondenendes EOP in der ermittelten Echokurve EK wird durch eine fünfte Formel beschrieben. EE ∝ D1√DC1 + (LN – D1)√DC2
Das Füllstandmessgerät 1 im Behälter 2 kann auch von unten eingebaut werden. Durch eine Eingabe der Werte oder Schätzwerten der Dielektrizitätskonstanten DC0, DC1, DC2 der Medien M0, M1, M2 durch den Bediener bei der Inbetriebnahme kann der Suchalgorithmus anhand der Ermittlung der aktuellen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der elektromagnetischen Messsignale die Schichtenfolge bzw. Reihenfolge der Medien M0, M1, M2 ermittelt werden. Bei einem Einbau des Füllstandsmessgeräts 1 von oben wird beispielsweise eine Reihenfolge von abnehmenden Werten der ermittelten Ausbreitungsgeschwindigkeiten bzw. Dielektrizitätskonstanten DC0, DC1, DC2 in den unterschiedlichen Medien M0, M1, M2 ermittelt. Bei einem Einbau des Füllstandsmessgeräts 1 von unten wird eine Reihenfolge von zunehmenden Werten der ermittelten Ausbreitungsgeschwindigkeiten bzw. Dielektrizitäskonstanten DC0, DC1, DC2 in den Medien M0, M1, M2 ermittelt
Ein zweites Ablaufdiagramm eines im Füllstandsmessgerät 1 integrierten Suchalgorithmus zur Ermittlung des Befüllzustands in dem mit bis zu zwei Medien M1, M2 vollbefüllten Behälter 2 ist in 4 dargestellt. Beispielsweise wird von dem Bediener bei der Inbetriebnahme des Füllstandmessgerätes 1 dem Suchalgorithmus diese spezielle Befüllsituation „stets voll befüllt" vorgegeben und Arbeitet nach dem in 4 dargestellten speziellen Suchalgorithmus. Die aktuelle Echokurve EK wird durch das Füllstandsmessgerät 1, wie schon zuvor beschreiben, ermittelt. Der Suchalgorithmus analysiert in einem ersten Schritt in der aktuellen Echokurve EK ausgehend vom Referenzpunkt RP bis zum auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit im ersten Medium M1 korrigierte Messbereichsende ME die Existenz eines ersten Nutzechos E1 und speichert beim Vorhandensein des ersten Nutechos E1 dessen ersten Distanzwert D1 in einer im Füllstandsmessgerät 1 integrierten Speichereinheit 6 ab. Tritt somit der Fall ein, dass kein Nutzecho E1 in der aktuellen Echokurve EK durch den Suchalgorithmus gefunden wird, gibt die Position des Endechos EE weitere Auskünfte über die möglichen Befüllsituationen des Behälters 2 wieder.
Mit der Befüllsituation aus 3, dass der Behälter mit einem ersten Medium M1 und einem zweiten Medium M2 vollbefüllt ist, ermittelt der Suchalgorithmus die Existenz des ersten Nutzechos E1 und klassifiziert die Befüllsituation als „Vollbefüllt mit Medium 1 + 2".
Der Unterschied des zweiten Ablaufdiagramm zum ersten Ablaufdiagramm des Suchalgorithmus liegt darin, dass nach dem Nachweis der Existenz des ersten Nutzechos E1 die Klassifizierung der Befüllsituation im Behälter 2 abgeschlossen wird.
Der aktuelle Suchpfad, der die in 3 gezeigte Befüllsituation der Vollbefüllung mit einem erstem Medium M1 und einem zweitem Medium M2 wiedergibt, ist in dem Suchalgorithmus in der 4 durch eine verbreiterte Schrift und verdickte Linien besonders hervorgehoben.
Es sind auch noch weitere Suchbedingungen bzw. Suchschritte in dem Suchalgorithmus zur weiteren Unterteilung der Bestimmung der Befüllsituationen denkbar.

1: Füllstandsmessgerät
2: Behälter
3: Messumformer
4: Messsonde
5: Kommunikationsleitung
6: Speichereinheit
S: Sendesignal
S_T: Transmissionssignal
R: Reflexionssignal
R_T: transmittiertes Reflexionssignal
EK: Echokurve
RE: Referenzecho
E1: erstes Nutzecho
E2: zweites Nutzecho
EE: Endecho
AMP: Amplitude
t: Laufzeit
x: Laufweg, Laufstrecke
M0: Luft; Gasschicht
DC0: Dielektrizitätskonstante der Luft
M1: erstes Medium
DC1: Dielektrizitätskonstante des ersten Mediums
M2: zweites Medium
DC2: Dielektrizitätskonstante des zweiten Mediums
LN: Sondenlänge
EOP: Sondenende
D1: erster Distanzwert
D2: zweiter Distanzwert
DL: Distanzwert des Füllstands
DI: Distanzwert der Trennschicht
ME: Messbereichsende
RP: Referenzpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1804038 A1 [0007]
- DE 10051151 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Ermittlung und/oder zur Beurteilung des Befüllzustands eines mit zumindest einem Medium (M1, M2) gefüllten Behälters (2), – wobei hochfrequente, elektromagnetische Messsignale von einem Füllstandsmessgerät (1) ausgesendet werden und zumindest an einer Oberfläche, zumindest an einer Grenzfläche der Medien (M1, M2) und/oder an zumindest einer Trennschicht (I) zwischen den Medien (M1, M2) reflektiert als Nutzechos (E1, E2) von dem Füllstandsmessgerät (1) wieder empfangen werden, – wobei die elektromagnetischen Messsignale an einem Messbereichsende (ME) als ein Endecho (EE) reflektiert und wieder empfangen werden, – wobei zumindest aus den empfangenen Nutzechos (E1, E2) und aus dem Endecho (EE) eine von der Laufzeit (t) und oder der Laufstrecke (x) abhängige Echokurve (EK) gebildet wird, – wobei mittels einem im Füllstandsmessgeräts (1) integrierten Suchalgorithmus die Anzahl, die Existenz und/oder die Position der einzelnen Nutzechos (E1, E2) und des Endechos (EE) in der Echokurve (EK) ermittelt werden, anhand derer eine Klassifizierung des aktuell vorliegenden Befüllzustands im Behälter (2) zur vorgegebenen, abgespeicherten Befüllsituationen im Behälter (2) vorgenommen wird, – wobei anhand der klassifizierten Befüllsituation im Behälter (2) dem Distanzwert des Füllstands (DL) und/oder dem Distanzwert der Trennschicht (DI) die zugehörigen Laufzeiten (t) und oder die zugehörigen Laufstrecken (x) der einzelnen Nutzechos (E1, E2) und/oder des Endechos (EE) in der Echokurve (EK) zugeordnet werden/wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Befüllsituationen im Behälter (2) als Teilbefüllung mit erstem Medium (M1) und/oder zweitem Medium (M2), als Vollbefüllung mit erstem Medium (M1) und/oder zweitem Medium (M2) und als Nichtbefüllung vom Suchalgorithmus angegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei anhand des Suchalgorithmus die Anzahl, die Existenz und/oder die Positionen der einzelnen Nutzechos (E1, E2) und des Endechos (EE) in vorgegebenen Suchfenstern in der Echokurve (EK) und/oder an vorgegebenen Suchpositionen in der Echokurve (EK) ermittelt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei anhand des Suchalgorithmus die Existenz des ersten Nutzechos (E1) in einem maximalen Suchfenster, ausgehend vom Referenzpunkt (RP) bis zum Messbereichsende (ME) oder bis zum auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit im ersten Medium (M1) korrigierten Messbereichsende (ME) des Füllstandsmessgeräts (1), in der Echokurve (EK) ermittelt wird und als erster Distanzwert (D1) des ersten Nutzechos (E1) gespeichert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei anhand des Suchalgorithmus die Existenz des zweiten Nutzechos (E2) in einem begrenzten Suchfenster, ausgehend von einem ersten Distanzwert (D1) des ersten Nutzechos (E1) bis zum auf die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien (M1, M2) korrigierten Messbereichsende (ME) des Füllstandsmessgeräts (1) ermittelt wird und als zweiter Distanzwert (D2) des zweiten Nutzechos (E2) gespeichert wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei anhand des Suchalgorithmus die Existenz des Endechos (EE) an vorgegebenen, auf die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten in den Medien (M1, M2) korrigierten Suchpositionen in der Echokurve (EK) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Suchfenster und die Suchpositionen in Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeiten des hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignals im ersten Medium (M1) und/oder im zweiten Medium (M2) vom Suchalgorithmus erzeugt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, wobei die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten des hochfrequenten, elektromagnetischen Messsignals in den Medien (M0, M1, M2) proportional zur Quadratwurzel der Dielelektrizitätskonstanten (DC0, DC1, DC2) der Medien (M0, M1, M2) von dem Suchalgorithmus berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Dielektrizitätskonstanten (DC0, DC1, DC2) der Medien (M0, M1, M2) bei der Inbetriebnahme des Füllstandmessgeräts (1) dem Suchalgorithmus vom Bediener vorgegeben werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 8, wobei die bekannte Dicke des ersten Mediums (M1) als Differenzwert des ersten Distanzwerts (D1) vom zweiten Distanzwert (D2) vom Bediener vorgegeben wird und daraus die aktuelle Dielektrizitätskonstante (DC1) des ersten Mediums (M1) ermittelt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 8, wobei als Befüllsituation eine Voll- oder Teilbefüllung des Behälters (2) mit nur dem ersten Medium (M1) vom Bediener angegeben wird und aus dem ermittelten ersten Nutzecho (E1) und der Laufzeitverschiebung des Endechos (EE) des Sondenendes (EOP) in der Echokurve (EK) entgegen der bekannten Sondenlänge (LN) die aktuelle Dielektrizitätskonstante (DC1) des ersten Mediums (M1) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Dielektrizitätskonstanten (DC1, DC2) der Medien (M1, M2) durch den Suchalgorithmus mittels Reflektionen des elektromagnetischen Echosignals an Störelementen in einem fest vorgegeben Abstand ermittelt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei dem Suchalgorithmus vom Bediener bei der Inbetriebnahme des Füllstandmessgerätes (1) als Befüllsituation „stets voll befüllt" vorgegeben wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Suchalgorithmus im Füllstandsmessgerät (1) von fest verdrahteten, elektrischen Bauteilen ausgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Suchalgorithmus im Füllstandsmessgerät (1) von einer Programmapplikation ausgeführt wird.