DE102009002785A1

DE102009002785A1 - Verfahren zur Füllstandsmessung

Info

Publication number: DE102009002785A1
Application number: DE102009002785A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Spanke; Edgar Schmitt; Alexey Malinovskiy; Stefan Gorenflo; Winfried Mayer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2009-05-04
Filing date: 2009-05-04
Publication date: 2010-11-11

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Messung eines Füllstandes (L) eines Füllguts (1) in einem Behälter (3) mit einem mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgerät, das im Messbetrieb Mikrowellensignale (S) in Richtung des Füllguts (1) sendet, deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale (R) nach einer vom Füllstand (L) abhängigen Signallaufzeit empfängt und anhand der Signallaufzeit den Füllstand (L) bestimmt, beschrieben, mit dem Veränderungen der Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts (1) befindlichen Gases (X) erkannt werden können, bei dem vorab eine Referenzfunktion (F, F') abgeleitet wird, die einen Amplitudenverlauf eines Reflexionssignals (R) wiedergibt, das das Messgerät empfängt, wenn sich über dem Füllgut (1) ein bekanntes Referenzgas befindet, nachfolgend anhand der im Messbetrieb empfangenen Referenzsignale (R) Hilfsfunktionen (F, F') abgeleitet werden, die einen Amplitudenverlauf der Reflexionssignale (R) wiedergeben, die das Messgerät empfängt, während sich oberhalb des Füllguts (1) ein Gas (X) befindet, die Hilfsfunktionen (F, F') mit der Referenzfunktion (F, F') verglichen werden und das Füllstandsmessgerät eine vom Referenzgas abweichende Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts befindlichen Gases (X) diagnostiziert, wenn der Vergleich eine markante Abweichung (Δ) zwischen einer im Messbetrieb abgeleiteten Hilfsfunktion (F, F') und der Referenzfunktion (F, F') ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter mit einem mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgerät, das im Messbetrieb Mikrowellensignale in Richtung des Füllguts sendet, deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale nach einer vom Füllstand abhängigen Signallaufzeit empfängt, und anhand der Signallaufzeit den Füllstand bestimmt.
Entsprechende Füllstandsmessgeräte werden in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der verarbeitenden Industrie, in der Chemie oder in der Lebensmittelindustrie.
Zur Bestimmung der Signallaufzeiten können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Mikrowellen zu messen. Die bekanntesten Beispiele sind das Pulsradar und das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar).
Beim Pulsradar werden periodisch kurze Mikrowellenimpulse gesendet, die von der Füllgutoberfläche reflektiert und nach einer abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen werden. Es wird anhand des empfangenen Reflexionssignals eine Echofunktion abgeleitet, die die empfangene Signalamplitude als Funktion der Signallaufzeit wiedergibt. Jeder Wert dieser Echofunktion entspricht der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand von der Antenne reflektierten Echos.
Beim FMCW-Verfahren wird kontinuierlich ein Mikrowellensignal gesendet, das periodisch linear frequenzmoduliert ist, beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion. Die Frequenz des empfangenen Reflexionssignals weist daher gegenüber der Augenblicksfrequenz, die das Sendesignal zum Zeitpunkt des Empfangs hat, eine Frequenzdifferenz auf, die von der Laufzeit des Mikrowellensignals und dessen Reflexionssignals abhängt. Die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal, die durch Mischung beider Signale und Auswertung des Fourierspektrums des Mischsignals gewonnen werden kann, entspricht somit dem Abstand der reflektierenden Fläche von der Antenne. Ferner entsprechen die Amplituden der Spektrallinien des durch Fouriertransformation gewonnenen Frequenzspektrums den Echoamplituden. Dieses Fourierspektrum stellt daher in diesem Fall die Echofunktion dar.
Aus der Echofunktion wird mindestens ein Nutzecho bestimmt, das der Reflexion des Sendesignals an der Füllgutoberfläche entspricht. Aus der Laufzeit des Nutzechos ergibt sich bei einer bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen unmittelbar die Wegstrecke, die die Mikrowellen auf ihrem Weg vom Messgerät zur Füllgutoberfläche und zurück durchlaufen. Anhand der Einbauhöhe des Füllstandsmessgeräts über dem Behälter lässt sich hieraus unmittelbar der gesuchte Füllstand berechnen.
Dabei kommt der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale auf dem Weg zur Füllgutoberfläche und zurück eine zentrale Bedeutung zu. Insb. hängt die mit dem Messgerät erzielbare Genauigkeit entscheidend davon ab, wie genau die für die Berechnung des Füllstands zugrunde gelegte Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der tatsächlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit übereinstimmt.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist abhängig von dem über dem Füllgut befindlichen Gas. Sie ist entweder bekannt, oder wird vorab z. B. anhand von Referenzmessungen ermittelt.
In Abhängigkeit von im Behälter ablaufenden von der jeweiligen Anwendung abhängigen Prozessen kann sich jedoch die Zusammensetzung des über dem Füllgut befindlichen Gases verändern. Dies führt zu einer Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit, die von herkömmlichen Füllstandsmessgeräten in der Regel weder bemerkt noch berücksichtigt wird. Entsprechend bewirkt eine solche Veränderung der Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts befindlichen Gases unter Umständen eine deutliche Verschlechterung der Messgenauigkeit, die jedoch für den Anwender nicht erkennbar ist.
Um eine auf Sicherheit gerichteten Steuerung des im Behälter ablaufenden Prozesses gewährleisten zu können, ist es essentiell wichtig Veränderungen der Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts befindlichen Mediums, die sich auf die Messgenauigkeit auswirken, zu erkennen, um jederzeit auf Sicherheit gerichtet reagieren zu können. Dies kann beispielsweise durch die Vorgabe von entsprechend angepassten Sicherheitsmargen für die Prozesssteuerung, z. B. für die Befüllung oder Entleerung des Behälters, geschehen, die in Abhängigkeit von der aktuell erzielbaren Messgenauigkeit festgesetzt werden. Ein weiteres Ziel besteht darin, die Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit, wenn möglich, quantitativ zu erfassen und sogar die Füllstandsmessung entsprechend zu kompensieren.
Grundsätzlich ist es möglich Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit anhand von Referenzreflektoren zu detektieren, die in einem vorgegebenen Abstand von der Antenne oberhalb des Füllguts im Behälter angeordnet werden. Dabei wird mit dem Messgerät die Signallaufzeit gemessen, die die Mikrowellensignale für den Weg zum Referenzreflektor und zurück benötigen, und hieraus die Ausbreitungsgeschwindigkeit berechnet. Es gibt jedoch eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen Referenzreflektoren nicht oder nur ungern eingesetzt werden, da sie Platz im Behälter einnehmen und unter Umständen den im Behälter ablaufenden Prozess stören können.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Füllstandsmessung anzugeben mit dem Veränderungen der Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts befindlichen Gases erkannt werden können.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Messung eines Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter mit einem mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgerät,

– das im Messbetrieb Mikrowellensignale in Richtung des Füllguts sendet,
– deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale nach einer vom Füllstand abhängigen Signallaufzeit empfängt, und
– anhand der Signallaufzeit den Füllstand bestimmt, bei dem
– vorab eine Referenzfunktion abgeleitet wird, die einen Amplitudenverlauf eines Reflexionssignals wiedergibt, das das Messgerät empfängt, wenn sich über dem Füllgut ein bekanntes Referenzgas befindet,
– nachfolgend anhand der im Messbetrieb empfangenen Referenzsignale Hilfsfunktionen abgeleitet werden, die den Amplitudenverlauf der Reflexionssignale wiedergeben, die das Messgerät empfängt, während sich oberhalb des Füllguts ein unbekanntes Gas befindet,
– die Hilfsfunktionen mit der Referenzfunktion verglichen werden, und
– das Füllstandsmessgerät eine vom Referenzgas abweichende Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts befindlichen Gases diagnostiziert, wenn der Vergleich eine markante Abweichung zwischen einer im Messbetrieb abgeleiteten Hilfsfunktion und der Referenzfunktion ergibt.

Gemäß einer Weiterbildung sind die Referenzfunktion und die Hilfsfunktionen anhand der Reflexionssignale abgeleitete Frequenzspektren.
Gemäß einer alternativen Weiterbildung sind die Referenzfunktion und die Hilfsfunktionen anhand der Reflexionssignale abgeleitete Energiespektren.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung

– sind die Referenzfunktion und die Hilfsfunktionen mittels eines Normierungsfaktors normierte Funktionen, und
– der Normierungsfaktor normiert eine unter der Referenzfunktion eingeschlossene Fläche auf einen vorgegebenen Wert.

Eine erste Variante umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem

– das Füllstandsmessgerät ein Pulsradar Gerät ist, – dessen Mikrowellensignale kurze periodisch gesendete Mikrowellenpulse sind, – das durch Mischung der Reflexionssignale mit den um eine variable, insb. gemäß einer Sägezahnfunktion ansteigende, Verzögerungszeit verzögerten gesendeten Mikrowellensignalen und anschließender Filterung ein Zwischenfrequenzsignal generiert, dass die Amplituden der Reflexionssignale als Funktion von deren Signallaufzeit wiedergibt, und
– die Referenzfunktion eine Einhüllende ist, die den Amplitudenverlauf des Zwischenfrequenzsignals, das entsteht, wenn sich oberhalb des Füllguts das Referenzgas befindet, als Funktion der Frequenz wiedergibt, und
– die Hilfsfunktionen Einhüllende sind, die den Amplitudenverlauf der Zwischenfrequenzsignale, die im Messbetrieb entstehen, wenn sich oberhalb des Füllguts das unbekannte Gas befindet, als Funktion der Frequenz wiedergeben.

Eine zweite Variante umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem

– das Füllstandsmessgerät ein FMCW Radar Gerät ist, – dessen Mikrowellensignale periodisch linear, insb. gemäß einer Sägezahnfunktion, frequenzmodulierte Signale sind, – das durch Mischung der Reflexionssignale mit den gesendeten Mikrowellensignalen und anschließender Filterung ein Messsignal generiert, dass diejenigen Frequenzen enthält, die den Differenzen der Frequenzen der zeitgleich am Mischer anliegenden Signale entspricht,
– die Referenzfunktion eine Einhüllende ist, die den Amplitudenverlauf eines Messsignals als Funktion der Zeit wiedergibt, das entsteht, wenn sich oberhalb des Füllguts das Referenzgas befindet, und
– die Hilfsfunktionen Einhüllende sind, die den Amplitudenverlauf von Messsignalen als Funktion der Zeit wiedergeben, die im Messbetrieb entstehen, wenn sich oberhalb des Füllguts das unbekannte Gas befindet.

Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Variante werden die Einhüllenden mittels einer Hilbert Transformation der jeweiligen Messsignale generiert.
Eine dritte Variante umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem

– das Füllstandsmessgerät ein FMCW Radar Gerät ist, – dessen Mikrowellensignale periodisch linear, insb. gemäß einer Sägezahnfunktion, frequenzmodulierte Signale sind,
– die Reflexionssignale einem Detektor zugeführt werden, der einen Amplitudenverlauf der Reflexionssignale aufzeichnet, und
– die Referenzfunktion eine Einhüllende ist, – die den Amplitudenverlauf des Reflexionssignals als Funktion der Zeit wiedergibt, und – die anhand eines mit dem Detektor aufgezeichneten Amplitudenverlaufs eines Reflexionssignals abgeleitet wurde, das entsteht, wenn sich oberhalb des Füllguts das Referenzgas befindet, und
– die Hilfsfunktionen Einhüllende sind, die den Amplitudenverlauf der Reflexionssignale als Funktion der Zeit wiedergeben, und – die anhand von mit dem Detektor aufgezeichneten Amplitudenverläufen von Reflexionssignalen abgeleitet wurden, die entstehen, wenn sich oberhalb des Füllguts das unbekannte Gas befindet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird

– eine Differenz zwischen einer unter der Referenzkurve eingeschlossenen Fläche und einer unter der Hilfskurve eingeschlossenen Fläche bestimmt, und
– die Differenz als Maß für die Abweichung verwendet.

Gemäß einer Weiterbildung wird eine vom Referenzgas abweichende Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts befindlichen Gases diagnostiziert, wenn die Abweichung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird in Abhängigkeit vom Grad der Abweichung zwischen der Referenzfunktion und der Hilfsfunktion die Diagnose, eine Warnung, eine Fehlermeldung und/oder ein Alarm ausgegeben.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird eine für die Füllstandsmessung verwendete gemessene Signallaufzeit oder die hierzu verwendete Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale in dem oberhalb des Füllguts befindlichen Gas anhand eines vom Grad der aktuell gemessenen Abweichung zwischen der Referenzfunktion und der Hilfsfunktion abhängigen Korrekturfaktors korrigiert.
Weiter umfasst die Erfindung eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem vorab

– zusätzlich zu der Referenzfunktion mindestens eine Bezugsfunktion abgeleitet wird, die einen Amplitudenverlauf eines Reflexionssignals wiedergibt, das das Messgerät empfängt, wenn sich über dem Füllgut ein vom Referenzgas verschiedenes bekanntes Bezugsgas befindet,
– eine Abweichung zwischen der Referenzfunktion und der Bezugsfunktion bestimmt wird,
– anhand dieser Abweichung, der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale im Referenzgas und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale im Bezugsgas ein Korrekturfaktor abgeleitet wird, der die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Mikrowellensignalen in einem unbekannten oberhalb des Füllguts befindlichen Gas in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen der Referenzkurve und der mit diesem unbekannten Gas abgeleiteten Hilfskurve wiedergibt.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: ein erfindungsgemäßes Pulsradar Füllstandsmessgerät;
2 zeigt: einen Amplitudenverlauf einer Referenzfunktion und einer Hilfsfunktion als Funktion der Frequenz;
3 zeigt: ein erfindungsgemäßes FMCW Füllstandsmessgerät;
4 zeigt: die Frequenzen von Sende- und Reflexionssignalen eines FMCW Radar Füllstandsmessgeräts als Funktion der Zeit;
5 zeigt: einen Amplitudenverlauf eines mit einem Referenzgas aufgenommen Messsignals, sowie eine diesen Amplitudenverlauf wieder gebende Referenzfunktion als Funktion der Zeit; und
6 zeigt: einen Amplitudenverlauf eines mit einem anderen Gas aufgenommen Messsignals, sowie eine diesen Amplitudenverlauf wieder gebende Hilfsfunktion als Funktion der Zeit.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines mit Mikrowellen nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräts zur Messung eines Füllstandes eines Füllguts 1 in einem Behälter 3, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist. Das Füllstandsmessgerät ist hier ein Pulsradar Füllstandsmessgerät. Es weist eine Messgerätelektronik 5 und eine an die Messgerätelektronik 5 angeschlossene oberhalb des Füllguts 1 angeordnete Antenne 7 auf.
Die Messgerätelektronik 5 umfasst eine Schaltung 9 zur Erzeugung von Mikrowellensignalen. Die Mikrowellensignale sind kurze periodisch ausgegebene Mikrowellenpulse, die beispielsweise über eine Sende-Empfangsweiche 11, z. B. einen Richtkoppler, der Antenne 7 zugeführt werden. Die Antenne 7 sendet die Mikrowellensignale S in den Behälter 3 in Richtung des Füllguts 1 und empfängt deren im Behälter 3 in Richtung der Antenne 7 zurück reflektierten Reflexionssignale R. Dies ist in 1 durch Pfeile symbolisch dargestellt. Die Reflexionssignale R werden der Messgerätelektronik 5 zugeführt, die anhand dieser Signale eine für den Weg vom Füllstandsmessgerät zur Füllgutoberfläche und zurück benötigte vom Füllstand abhängige Signallaufzeit ermittelt und anhand dieser Signallaufzeit den Füllstand L bestimmt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Schaltung 9 einen mit einer Pulswiederholfrequenz f_R schwingenden Oszillator 13 an den eine erste Steuerschaltung 15 angeschlossen ist, die einen mit einer Sendefrequenz f_S schwingenden Mikrowellengenerator 17 ansteuert. Die Steuerschaltung 15 startet den Mikrowellengenerator 17 für ein sehr kurzes Zeitintervall, das der gewünschten Pulsdauer der zu sendenden Mikrowellensignale entspricht, und stoppt ihn dann wieder. Dieser Vorgang wiederholt sich mit der an der Steuerschaltung 15 anliegenden Pulswiederholfrequenz f_R. Diese beträgt z. B. einige Megahertz. Der Mikrowellengenerator 17 ist über die Sende-Empfangsweiche 11, z. B. einen Richtkoppler, mit der Antenne 7 verbunden.
Über die Antenne 7 gesendete Sendesignale S werden an der Füllgutoberfläche reflektiert und deren Reflexionssignale R nach einer füllstands-abhängigen Laufzeit wieder von der Antenne 7 empfangen. Die empfangenen Reflexionssignale R liegen über die Sende-Empfangsweiche 11 an einem ersten Eingang eines Mischers 19 an.
Der mit der Pulswiederholfrequenz f_R schwingende Oszillator 13 ist über eine Zeitverzögerungsstufe 21 und eine zweite identisch zur ersten Steuerschaltung 15 arbeitende Steuerschaltung 23 mit einem zweiten Mikrowellengenerator 25 verbunden. Der zweite Mikrowellengenerator 25 ist identisch zu dem ersten Mikrowellengenerator 17 aufgebaut. Die zweite Steuerschaltung 23 bewirkt, dass der zweite Mikrowellengenerator 25 mit der Pulswiederholfrequenz f_R wiederkehrende Mikrowellensignale erzeugt. Diese liegen an einem zweiten Eingang des Mischers 19 an. Die Zeitverzögerungsstufe 21 verzögert die eingehenden Signale um eine variable, z. B. gemäß einer Sägezahnfunktion endlicher Breite ansteigende Verzögerungszeit. Im Mischer 19 wird also einem durch eine füllstands-abhängige Laufzeit verzögerten Reflexionssignal R ein unter Idealbedingungen formgleiches um eine variable bekannte Verzögerungszeit verzögertes Mikrowellensignal überlagert. Das am Ausgang des Mischers 19 zur Verfügung stehende Mischsignal entspricht der Korrelation der an dessen beiden Eingängen eingehenden Mikrowellensignale. Es enthält einen hochfrequenten Anteil, der Frequenzen enthält, die im wesentlichen durch die Summe der an den Eingängen anliegenden Frequenzen gegeben ist und einen niederfrequenten Anteil, der Frequenzen enthält, die im wesentlichen durch die Differenz der an den Eingängen anliegenden Frequenzen gegeben ist. Es wird mittels eines Tiefpasses 27 der niederfrequente Anteil herausgefiltert und einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zugeführt. Der niederfrequente Anteil wird in der Regel als Zwischenfrequenzsignal ZF bezeichnet und ist eine niederfrequente Abbildung des Reflexionssignals R.
Das Zwischenfrequenzsignal ZF wird mittels einer Abtast- und Halteschaltung 29 aufgenommen und anschließend in einem Analog-Digital-Wandler 31 digitalisiert. Ein Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 31 ist mit einer Signalverarbeitung 33, z. B. einem Mikroprozessor, verbunden, der die jeweiligen Signalamplituden A(t) zusammen mit der zugehörigen Verzögerungszeit (t) aufzeichnet. Die Verzögerungszeit t entspricht der Laufzeit des entsprechenden Segmentes des Reflexionssignals R. In der Signalverarbeitung 33 liegt somit eine Echofunktion vor, die die Amplituden A(t) des Reflexionssignals R als Funktion von deren Laufzeit t wiedergibt. Zur Bestimmung des Füllstandes L wird vorzugsweise nicht die unmittelbare Aufzeichnung des eigentlichen Zwischenfrequenzsignals ZF als Echofunktion verwendet, sondern deren Einhüllende. Ein typischer Verlauf hiervon ist in 1 in dem die Signalverarbeitung 33 symbolisierenden Baustein dargestellt. Diese Echofunktion weist zwei ausgeprägte Maxima M₁, M₂ auf. Das erste Maximum M₁ entspricht dem kurzen Mikrowellenimpuls des Sendesignals S, der über die Sende-Empfangsweiche 11 unmittelbar aufgezeichnet wird. Das zweite Maximum M₂ ist auf eine Reflektion des Sendesignals S an der Füllgutoberfläche zurückzuführen. Die Zeit zwischen dem Auftreten der beiden Maxima M₁, M₂ entspricht der gesuchten Signallaufzeit. Die Signalverarbeitung 33 bestimmt diese Signallaufzeit und berechnet daraus anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale den aktuellen Füllstand L.
Befindet sich Luft oberhalb des Füllguts, so können sich die Mikrowellensignale S und deren Reflexionssignale R auf deren Weg zur Füllgutoberfläche und zurück praktisch ungehindert ausbreiten. Befindet sich jedoch ein anderes Gas X, wie z. B. Wasserdampf oder Ammoniak, oberhalb des Füllguts 1, so kommt es je nach Art und Zusammensetzung des Gases X zum Teil zu erheblichen von der Frequenz der Mikrowellen abhängigen Wechselwirkungen mit den Gasmolekülen, die sich in markanter gas-spezifischer von den in den Mikrowellensignalen enthaltenen Frequenzen abhängiger Weise auf den Amplitudenverlauf der empfangenen Reflexionssignale R auswirken. Insb. werden polare Gasmoleküle durch die Mikrowellensignale in Rotationsschwingungen versetzt. Diese Wechselwirkungen führen zu einer erhöhten Absorption und damit zu einer Veränderung der elektrischen Suzeptibilität, die wiederum eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale bewirkt. Die Rotationslinien verschiedener polarer Medien sind charakteristisch für das Gas und fallen in den Frequenzbereich der Mikrowellensignale heutiger Füllstandsmessgeräte. Sie sind gewöhnlich stark druck- und dopplerverbreitet. Dabei führt vor allem die Druckverbreiterung dieser Rotationslinien dazu, dass sich diese Absorptionen in frequenzabhängiger Weise spürbar auf den Amplitudenverlauf der Reflexionssignale R auswirken. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß dazu verwendet Veränderungen der Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts 1 befindlichen Gases X zu erkennen.
Dies geschieht erfindungsgemäß, indem vorab, z. B. im Rahmen eines Kalibrationsverfahrens, eine Referenzfunktion F_R abgeleitet wird, die einen Amplitudenverlauf der Reflexionssignale R wiedergibt, die das Messgerät empfängt, wenn sich über dem Füllgut 1 ein bekanntes Referenzgas befindet. Das Referenzgas ist vorzugsweise ein Gas, bei dem keine oder nur sehr geringe Wechselwirkungen mit den Mikrowellensignalen auftreten, z. B. Luft. Dabei gibt die Referenzfunktion F_R den Amplitudenverlauf des zugehörigen Reflexionssignals R als Funktion der Zeit t oder der Frequenz f über einen vordefinierten Zeit- bzw. Frequenzbereich wieder.
Nachfolgend werden auf die gleiche Weise fortwährend, periodisch, sporadisch oder bedarfsabhängig anhand der im Messbetrieb empfangenen Referenzsignale R Hilfsfunktionen F_x abgeleitet, die den Amplitudenverlauf der Reflexionssignale R wiedergeben, die das Messgerät empfängt während sich oberhalb des Füllguts 1 ein unbekanntes unter Umständen vom Referenzgas deutlich verschiedenes Gas X befindet.
Die Referenzfunktion F_R und die nachfolgend im Messbetrieb aufgenommenen Hilfsfunktionen F_x, die den für das Gas X charakteristischen Amplitudenverlauf der entsprechenden Reflexionssignale R wiedergeben, könnten grundsätzlich natürlich unmittelbar anhand der empfangenen Reflexionssignale R abgeleitet werden, die beispielsweise am Ausgang der Sende- und Empfangsweiche 11 zur Verfügung stehen. Hierzu würde beispielsweise eine Einhüllende des Amplitudenverlaufs der Reflexionssignale R als Funktion der Zeit t über die Dauer eines Reflexionspulse R oder als Funktion der Frequenz f über die Bandbreite der im Sendesignal S enthaltenen Frequenzen aufgezeichnet und ausgewertet. Da es sich hier jedoch um sehr hochfrequente Signale handelt wären hierzu hochwertige Spektrumanalysatoren erforderlich, die zumindest heute noch zu groß und zu teuer sind, um in Messgeräten eingesetzt zu werden.
Die Information über die für das aktuell über dem Füllgut 1 befindliche Gas X charakteristische frequenzabhängige Absorption, ist jedoch nicht nur unmittelbar in dem Reflexionssignal R enthalten, sondern auch in einer Vielzahl von daraus abgeleiteten Hilfssignalen, zu deren Generierung ausschließlich Transformationen verwendet werden, die sich auf die Amplituden der Reflexionssignale über alle im Reflexionssignal R enthaltenen Frequenzen f gleichermaßen auswirken. Dementsprechend kann eine Veränderung der Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts 1 befindlichen Gases auch anhand von auf diese Weise aus den Reflexionssignalen R abgeleiteten Hilfssignalen ermittelt werden.
In Verbindung mit dem dargestellten Pulsradar Füllstandsmessgerät eignet sich hierzu insb. das Zwischenfrequenzsignal ZF, das beispielsweise am Ausgang des Analog-Digital Wandlers 31 ohnehin zur Verfügung steht. Der Amplitudenverlauf des Zwischenfrequenzsignals ZF gibt den für das Gas charakteristischen Amplitudenverlauf des Referenzsignals R wieder. Hierzu wird das digitalisierte Zwischenfrequenzsignal ZF beispielsweise einer Signalverarbeitung 35 zugeführt.
Zur Ableitung der Referenzfunktion F_R und der Hilfsfunktionen F_X wird ausschließlich derjenige Teil des Zwischenfrequenzsignals ZF herangezogen, der das Reflexionssignal R wiedergibt. Dies geschieht beispielsweise indem ein Zeitfenster definiert wird, durch das der Bereich ausgewählt wird, in dem der Reflexionspuls liegt. Dieser entspricht dem Zeitfenster, in dem das zweite Maximum M₂ der Echofunktion liegt. Dies ist in 1 symbolisch durch den Funktionsblock 37 dargestellt.
Als Referenzfunktion F_R bzw. als Hilfsfunktion F_X wird nun vorzugsweise eine Einhüllende bestimmt, die den Amplitudenverlauf dieses im Zeitfenster liegenden Bereichs des Zwischenfrequenzsignals ZF wiedergibt.
Da die Absorption in gas-spezifischer Weise von der Frequenz f der Mikrowellensignale abhängig ist, ist es hier besonders vorteilhaft, Referenz- und Hilfsfunktionen F_R, F_X zu verwenden, die den Amplitudenverlauf der zugehörigen Reflexionssignale R als Funktion der Frequenz f in einem vorgegebenen Frequenzbereich wiedergeben. Als Frequenzbereich wird vorzugsweise der Frequenzbereich des Zwischenfrequenzsignals ZF verwendet, in den die im Sendesignal S enthaltenen Frequenzen bei der Ableitung des Zwischenfrequenzsignals ZF übertragen werden. Die Ableitung der Referenzfunktion F_R und der Hilfsfunktionen F_X geschieht, in dem die Signalverarbeitung 35 den ausgewählten Zeitabschnitt des digitalisierten Zwischenfrequenzsignals ZF einer Fouriertransformation FT unterzieht und daraus die für das oberhalb des Füllguts 1 befindliche Gas charakteristischen Frequenzspektren ableitet.
Die Amplituden A der Reflexionssignale R und damit auch die Amplituden der Zwischenfrequenzsignale ZF hängen zusätzlich von den Reflexionseigenschaften des Füllguts 1, insb. von dessen Dielektrizitätskonstante, ab. Diese Abhängigkeit ist jedoch in der Regel über den Frequenzbereich der verwendeten Mikrowellensignale konstant, und wird vorzugsweise durch eine Normierung der Referenzfunktion F_R und der Hilfsfunktionen F_X eliminiert. Dabei wird anhand der Referenzfunktion F_R ein Normierungsfaktor bestimmt, durch den die unter der Referenzfunktion F_R eingeschlossene Fläche auf einen vorbestimmten Wert normiert wird. Der gleiche Normierungsfaktor wird anschließend zur Normierung der im Messbetrieb aufgezeichneten Hilfsfunktionen F_X eingesetzt.
2 zeigt die auf diese Weise anhand des Zwischenfrequenzsignals ZF abgeleitete Referenzfunktion F_R und ein Beispiel einer mit einem Gas X abgeleiteten Hilfsfunktion F_X. Die Referenzfunktion F_R ist hier die Einhüllende des normierten Frequenzspektrums des mit dem Referenzgas aufgenommenen anhand des Reflexionssignals R abgeleiteten Zwischenfrequenzsignals ZF. Die Hilfsfunktion F_X ist die Einhüllende des normierten Frequenzspektrums des mit dem Gas X aufgenommenen anhand des Reflexionssignals R abgeleiteten Zwischenfrequenzsignals ZF.
Die Referenzfunktion F_R entspricht im Wesentlichen dem Frequenzspektrum des Sendesignals, d. h. sie weist ein ausgeprägtes Maximum bei der zu der Sendefrequenz f_S korrespondierenden Frequenz f_S' des Zwischenfrequenzsignals ZF auf und fällt zu beiden Seiten des Maximums symmetrisch steil ab. Diese Form wird durch das Schwingungsverhalten des Sendeoszillators 17 und die durch die Steuerschaltung 15 bewirkten Ein- und Ausschaltvorgänge bewirkt.
Demgegenüber weist das mit dem anderen Gas X aufgenommene normierte Frequenzspektrum F_X in Abhängigkeit von der Frequenz f zum Teil deutlich niedrigere Amplituden A_x(f) auf. Die Amplitudendifferenzen bei einer Frequenz sind ein Maß dafür, wie stark das Gas X mit den Mikrowellen bei der jeweiligen Frequenz f in Wechselwirkung tritt. Die frequenzabhängigen Amplitudendifferenzen sind charakteristisch für das Gas X.
Alternativ hierzu können natürlich auch zugehörigen normierten Energiespektren als Referenz- und Hilfsfunktionen eingesetzt werden, die proportional zum Quadrat der Amplituden der zugehörigen anhand der Reflexionssignale R abgeleiteten Ausschnitte der Zwischenfrequenzsignale ZF als Funktion der Frequenz f sind.
Erfindungsgemäß wird die Hilfsfunktion F_x mit der Referenzfunktion F_R verglichen. Ergibt der Vergleich eine markante Abweichung Δ_x zwischen den beiden Funktionen, so diagnostiziert das Füllstandsmessgerät eine vom Referenzgas abweichende Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts befindlichen Gases X.
Zur quantitativen Bestimmung der Abweichung Δ_x zwischen der Referenzfunktion F_R und der Hilfsfunktion F_X wird vorzugsweise eine Differenz zwischen einer unter der normierten Referenzfunktion F_R eingeschlossenen Fläche und einer unter der normierten Hilfsfunktion F_X eingeschlossenen Fläche bestimmt, und als Maß für die Δ_x Abweichung verwendet.
Übersteigt die Abweichung Δ_x einen vorgegebenen Schwellwert, so diagnostiziert das Füllstandsmessgerät eine vom Referenzgas abweichende Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts befindlichen Gases X. Zusätzlich oder anstelle der Diagnose kann abhängig vom Grad der Abweichung Δ_X zwischen der aktuellen Hilfsfunktion F_X und der Referenzfunktion F_R eine Warnung, eine Fehlermeldung und/oder ein Alarm über einen an die Signalverarbeitung 35 angeschlossenen Ausgang 37 ausgegeben werden.
Wie oben beschrieben wirkt sich die von der Zusammensetzung des Gases X abhängige Absorption auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale aus. Dabei gilt in erster Näherung, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit umso niedriger ist, je höher die Absorption ist. Da die Abweichung Δ_X zwischen der mit dem Gas X abgeleiteten Hilfsfunktion F_X und der Referenzfunktion F_R ein Maß für die Absorption ist, kann anhand der gemessenen Abweichung Δ_X ein von der Abweichung Δ_X abhängiger Korrekturfaktor für die Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmt werden.
Der von der Abweichung Δ_X abhängige Korrekturfaktor wird vorzugsweise in einem Kalibrationsverfahren bestimmt. Dabei werden die Referenzfunktion F_R und mindestens eine weitere Hilfsfunktion F_B aufgezeichnet. Während für die Referenzfunktion F_R ein Referenzgas verwendet wird, das möglichst keine Auswirkungen auf die Ausbreitung der Mikrowellensignale hat, werden für die Bezugsfunktionen F_B Bezugsgase B verwendet, bei denen Wechselwirkungen auftreten, so dass sich die Ausbreitungsgeschwindigkeiten v_B der Mikrowellensignale in den Bezugsgasen B deutlich von der Ausbreitungsgeschwindigkeit v_R der Mikrowellensignale im Referenzgas unterscheiden. Zusätzlich müssen sich bei mehreren Bezugsgasen die Ausbreitungsgeschwindigkeiten v_B der Mikrowellensignale in den Bezugsgasen voneinander unterscheiden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeiten v_R, v_B sind entweder vorab bekannt, oder werden z. B. experimentell ermittelt.
Geht man in erster Näherung davon aus, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit v_x der Mikrowellensignale in einem Gas X umso geringer ist, je stärker die zugehörige Hilfsfunktion F_X von der Referenzfunktion F_R abweicht, so lässt sich hieraus unmittelbar ein von der aktuell gemessenen Abweichung Δ_x abhängiger Korrekturfaktor für die Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit v_x in dem unbekannten Gas X ableiten.
Mit nur einem Bezugsgas B ergibt sich die anhand der Abweichung Δ_x korrigierte Ausbreitungsgeschwindigkeit v_x beispielsweise gemäß:
wobei

v_x: die gesuchte Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem unbekannten Gas X;
v_R: die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Referenzgas;
v_B: die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Bezugsgas;
Δ_x: die Abweichung zwischen der Hilfsunktion F_x des unbekannten Gases X und der Referenzfunktion F_R; und
Δ_B: die Abweichung zwischen der Hilfsfunktion F_B des Bezugsgases und der Referenzfunktion F_R bedeuten

Der Korrekturfaktor für die Ausbreitungsgeschwindigkeit v_x bzw. die korrigierte Ausbreitungsgeschwindigkeit v_X wird beispielsweise in der Signalverarbeitung 35 berechnet und der Signalverarbeitung 33 zugeführt, die nun den Füllstand L anhand der korrigierten Ausbreitungsgeschwindigkeit v_x bestimmt. Alternativ kann natürlich auch jeweils anhand der Reflexionssignale R die aktuelle Abweichung Δ_x bestimmt und der Signalverarbeitung 33 zugeführt werden, die dann anhand dieser Abweichung Δ_x die korrigierte Ausbreitungsgeschwindigkeit v_x bestimmt und zur Berechnung des Füllstandes L heranzieht.
Anstelle eines Korrekturfaktors für die Ausbreitungsgeschwindigkeit kann natürlich auf völlig analoge Weise ein Korrekturfaktor für die gemessene Signallaufzeit bestimmt werden, der der veränderten Ausbreitungsgeschwindigkeit Rechnung trägt. In dem Fall wird der Füllstand L anschließend anhand der mit dem entsprechenden Korrekturfaktor korrigierten Signallaufzeit bestimmt.
Die Erfindung ist auf analoge Weise auch in Verbindung mit FMCW Radar Füllstandsmessgeräten anwendbar. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierzu. Das Messgerät weist auch hier eine Messgerätelektronik 39 und eine an die Messgerätelektronik 39 angeschlossene oberhalb des Füllguts 1 angeordnete Antenne 7 auf.
Die Messgerätelektronik 39 umfasst eine Schaltung 41 zur Erzeugung von Mikrowellensignalen. Die Schaltung 41 umfasst beispielsweise einen Modulator 43 und einen spannungsgesteuerten Oszillator 45. Der Modulator 43 steuert den Oszillator 45 derart an, dass dieser periodisch linear, nach einer Sägezahnfunktion, frequenzmodulierte Sendesignale S liefert. Die Sendesignale S werden über einen Splitter 47 und eine Sende-Empfangsweiche 49, z. B. einen Isolator, der Antenne 7 zugeführt, die die Sendesignale S in den Behälter 3 sendet und deren Reflexionssignale R empfängt. Das Reflexionssignal R liegt über die Sende-Empfangsweiche 49 an einem ersten Eingang eines Mischers 51 an. Ein zweiter Eingang des Mischers 51 ist an den Splitter 47 angeschlossen und wird über diesen mit dem Sendesignal S gespeist.
Die Augenblicksfrequenz des am ersten Eingang des Mischers 51 anliegenden Reflexionssignals R weist gegenüber der Augenblicksfrequenz, die das parallel dazu am zweiten Eingang des Mischers 51 anliegende Sendesignal zum Zeitpunkt des Empfangs hat, eine Frequenzdifferenz Δf auf, die von der Signallaufzeit abhängt, die die Mikrowellen für den Weg zur Füllgutoberfläche und zurück benötigen.
Das am Ausgang des Mischers 51 zur Verfügung stehende Mischsignal entspricht der Korrelation der an dessen beiden Eingängen eingehenden Mikrowellensignale. Es enthält einen hochfrequenten Anteil, der Frequenzen enthält, die im wesentlichen durch die Summe der an den Eingängen anliegenden Frequenzen gegeben ist und einen niederfrequenten Anteil, der Frequenzen enthält, die im wesentlichen durch die Differenz der an den Eingängen anliegenden Frequenzen gegeben ist. Das Ausgangssignal des Mischers 51 liegt an einem Filter 53 an, der den niederfrequenten Anteil herausfiltert und einem Analog Digital Wandler 55 zuführt. Das gefilterte digitalisierte Signal wird als Messsignal M einer Signalverarbeitung 57 zugeführt, die anhand dieses Messsignals M den Füllstand L bestimmt.
Dies geschieht üblicher Weise indem das Messsignal – wie in 3 durch den Funktionsblock FT in der Signalverarbeitung 57 dargestellt – fouriertransformiert wird, und dessen Frequenzspektrum ausgewertet wird. Dabei entsprechen die Frequenzen des fouriertransformierten Messsignals den Frequenzdifferenzen Δf zwischen dem jeweiligen Sendesignal S und dem zugehörigen Reflexionssignal R, und somit dem Abstand der reflektierenden Fläche von der Sende- und Empfangseinrichtung bzw. der zugehörigen Signallaufzeit. Ferner entsprechen die Amplituden A(Δf) der Spektrallinien des durch Fouriertransformation gewonnenen Frequenzspektrums den Amplituden des Reflexionssignals R.
Zur Bestimmung des Füllstandes wird vorzugsweise nicht die unmittelbare Aufzeichnung des eigentlichen Messsignals als Echofunktion verwendet, sondern deren Einhüllende. Ein typischer Verlauf hiervon ist in 3 in dem die Signalverarbeitung 57 symbolisierenden Baustein dargestellt. Die Echofunktion weist auch hier zwei ausgeprägte Maxima auf, von denen das erste Maximum M₁ dem Sendesignal S entspricht, das über die Sende-Empfangsweiche 11 unmittelbar aufgezeichnet wird, und von denen das zweite Maximum M₂ auf eine Reflektion des Sendesignals S an der Füllgutoberfläche zurückzuführen ist. Der Unterschied zwischen den beiden Frequenzdifferenzen Δf bei denen die beiden Maxima M₁, M₂ auftreten, entspricht der gesuchten Signallaufzeit. Die Signalverarbeitung 57 bestimmt diese Signallaufzeit und berechnet daraus anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale den aktuellen Füllstand L.
Analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird auch hier anhand der Reflexionssignale R eine von dem oberhalb des Füllguts 1 befindlichen Gas X abhängige Hilfsfunktion F_X abgeleitet, die den Amplitudenverlauf der Reflexionssignale R wiedergibt und mit einer entsprechenden mit einem Referenzgas abgeleiteten Referenzfunktion F_R verglichen. Erfindungsgemäß diagnostiziert das Füllstandsmessgerät auch hier eine gegenüber dem Referenzgas veränderte Zusammensetzung des über dem Füllgut 1 befindlichen Gases X, wenn der Vergleich zwischen der Hilfsfunktion F_X und der Referenzfunktion F_R eine markante Abweichung Δ_X ergibt.
Auch hier werden vorzugsweise normierte Hilfsfunktionen F_X und eine normierte Referenzfunktion F_R verwendet, und die Abweichung Δ_X anhand der Differenz der unter den beiden normierten Funktionen eingeschlossenen Flächen bestimmt. Genau wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel kann auch zusätzlich oder anstelle der Diagnose abhängig vom Grad der Abweichung Δ_X zwischen der aktuellen Hilfsfunktion F_X und der Referenzfunktion F_R eine Warnung, eine Fehlermeldung und/oder ein Alarm ausgegeben werden, und es kann auf die oben in Verbindung mit dem Pulsradar gerät beschriebene Weise ein Korrekturfaktor für die Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. die Signallaufzeit ermittelt werden.
Die Ableitung der Hilfs- bzw. Referenzfunktion F_R, F_x erfolgt beispielsweise, indem das über die Sende-Empfangsweiche 49 zur Verfügung stehende Reflexionssignal R z. B. über einen Splitter 59 sowohl dem Mischer 51 als auch einem separaten Signalverarbeitungszweig zugeführt, in dem das Reflexionssignal R mittels eines geeigneten Detektors 61, z. B. einer Gleichrichterdiode, aufgenommen, mittels eines Analog-Digitalwandlers 63 digitalisiert und anschließend einer Signalverarbeitung 65, z. B. einem Mikroprozessor, zugeführt wird. Im Unterschied zum Pulsradar ist es hier bereits mit heutigen Detektoren 61 möglich, den Amplitudenverlauf des Reflexionssignals R unmittelbar anhand des Reflexionssignals R abzuleiten. Der Grund hierfür besteht darin, dass FMCW Füllstandsmessgeräte ohnehin eine über die Frequenz abstimmbare Quelle enthalten. Diese ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Schaltung 41 zur Erzeugung der Mikrowellensignale mit dem Modulator 43 und dem spannungsgesteuerten Oszillator 45 gegeben. Die zwischen dem Sendesignal S und dem Referenzsignal R aufgrund der Signallaufzeit bestehende Frequenzdifferenz ist sehr gering im Vergleich zu den gesendeten Frequenzen und kann daher bei der Aufzeichnung des Amplitudenverlaufs des Reflexionssignals R mittels des Detektors 61 vernachlässigt werden. Für die Aufzeichnung des Amplitudenverlaufs wird angenommen, dass die Augenblicksfrequenz des Reflexionssignals R gleich der bekannten Augenblicksfrequenz des Sendesignals S ist. Anhand dieser Frequenzinformation kann der Amplitudenverlauf der Reflexionssignale R unmittelbar anhand der Reflexionssignale R mit heute erhältlichen Detektoren 61 aufgezeichnet werden. Diese sind im Vergleich zu Spektrumanalysatoren sehr kostengünstig und können damit ohne weiteres in Füllstandsmessgerät eingesetzt werden. Die Signalverarbeitung 65 leitet hieraus die Referenzfunktion F_R bzw. die Hilfsfunktionen F_X ab, indem sie beispielsweise eine normierte Einhüllende bestimmt, die den jeweiligen Amplitudenverlauf A(t) des entsprechenden Reflexionssignals R als Funktion der Zeit wiedergibt.
4 zeigt die für das FMCW Verfahren charakteristische Zeitabhängigkeit der Frequenzen f der Sendesignale S und der Reflexionssignale R unter Idealbedingungen, d. h. ohne Absorption. Die Frequenzen f beider Signale steigen über die Dauer T jeweils einer Sendeperiode linear an, wobei zwischen den beiden Signalen eine vom Füllstand L abhängige Zeitverschiebung Δt besteht. Idealer Weise ist die Amplitude der von der Schaltung 39 erzeugten Sendesignale S über den gesamten Frequenzbereich konstant. Dementsprechend sind die Amplituden A der Sendesignale S und der Reflexionssignale R unter Idealbedingungen, d. h. ohne Absorption, über die Dauer deren Sende- bzw. Empfangsperiode konstant. Für die Ableitung der Hilfsfunktionen F_x und der Referenzfunktion F_R wird vorzugsweise ein Zeitfenster gewählt, dass zum Zeitpunkt t₀ + Δt beginnt, und zum Zeitpunkt t₀ + T endet, wobei t₀ den Sendebeginn des Sendesignals S bezeichnet.
Die mit dem Referenzgas abgeleitete normierte Referenzfunktion F_R und eine mit einem anderen Gas X abgeleitete normierte Hilfsfunktion F_X, die jeweils den Amplitudenverlauf des zugehörigen Reflexionssignals R als Funktion der Zeit t über eine Periodendauer wiedergeben, sind in 3 in einem Funktionsblock innerhalb der Signalverarbeitung 65 im Vergleich dargestellt. Die mit dem Referenzgas abgeleitete Referenzfunktion F_R weist in dem gewählten Zeitfenster eine konstante Amplitude A(t) auf. Dies liegt daran, dass im Referenzgas praktisch keine Absorption auftritt. Demgegenüber weist die mit dem Gas X abgeleitete Hilfsfunktion F_x Bereiche auf, in denen die Amplitude deutlich niedriger ist als die entsprechende Amplitude der Referenzfunktion F_R. Diese Amplitudenunterschiede sind auf die für das Gas X charakteristische frequenzabhängige Absorption zurückzuführen.
Genau wie bei dem zuvor beschriebenen Pulsradar-Füllstandsmessgerät können die Referenzfunktion F_R und die Hilfsfunktionen F_X nicht nur unmittelbar anhand der zugehörigen Reflexionssignale R abgeleitet werden, sondern auch anhand von daraus abgeleiteten Signalen, zu deren Generierung ausschließlich Transformationen verwendet werden, die sich auf alle im Reflexionssignal R enthaltenen Frequenzen f gleichermaßen auswirken. Dementsprechend kann eine Veränderung der Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts 1 befindlichen Gases alternativ natürlich auch anhand dieser aus dem Reflexionssignal R abgeleiteten Hilfssignale ermittelt werden.
In Verbindung mit dem dargestellten FMCW Radar Füllstandsmessgerät eignet sich hierzu insb. das am Ausgang des Analog-Digital Wandlers 55 vorliegende digitalisierte Messsignal M. Hierzu wird das digitalisierte Messsignal M beispielsweise einer Signalverarbeitung 65' zugeführt. Da es sich hierbei um eine alternative Ausführungsform der Erfindung handelt, ist die Signalverarbeitung 65' in 3 als Alternative zu dem zuvor beschriebenen Signalverarbeitungszweig, der den Splitter 59, den Detektor 61, den Analog-Digital Wandler 63 und die Signalverarbeitung 65 umfasst, gestrichelt eingezeichnet.
Bei dieser Variante darf natürlich nur derjenige Teil des digitalisierten Messsignals M herangezogen werden, der das Reflexionssignal R wiedergibt. Dies geschieht beispielsweise indem ein geeignetes Zeitfenster definiert wird, in dem das Messsignal M zur Ableitung der Hilfsfunktionen F'_X und der Referenzfunktion F'_R herangezogen wird.
Wie in 4 dargestellt besteht zwischen dem Sendesignal S und dem Reflexionssignal R jeweils eine vom Füllstand L abhängige Zeitverschiebung Δt. Dabei besteht bei minimalem Füllstand L = L_min die maximal mögliche Zeitverschiebung Δt = t_max. Entsprechend wird für die Ableitung der Hilfsfunktionen F'_x und der Referenzfunktion F'_R vorzugsweise ein Zeitfenster gewählt, dass zum Zeitpunkt t₀ + t_max beginnt, und zum Zeitpunkt t₀ + T endet, wobei t₀ den Sendebeginn des Sendesignals S bezeichnet.
5 zeigt eine anhand des Messsignals M in diesem Zeitfenster abgeleitete Referenzfunktion F'_R. Die Referenzfunktion F'_R ist hier eine vorzugsweise normierte, z. B. durch eine – in 3 durch einen entsprechenden Funktionsblock dargestellte – Hilberttransformation HT gewonnene Einhüllende, die den Amplitudenverlauf A_R(t) des Messsignals in diesem Zeitfenster wiedergibt, wenn sich oberhalb des Füllguts 1 das Referenzgas befindet. Das Messsignal M wurde wie oben beschrieben anhand des Reflexionssignals R abgeleitet, und spiegelt somit den Amplitudenverlauf des Reflexionssignals R wieder. Sofern die Amplituden der Sendesignale S für alle gesendeten Frequenzen konstant sind, und das Referenzgas praktisch keine frequenzabhängige Amplitudenveränderung der Mikrowellensignale bewirkt, ist die Referenzfunktion F'_R auch hier über das gesamte Zeitfenster konstant.
6 zeigt ein Beispiel einer auf die gleiche Weise anhand des Messsignals M in diesem Zeitfenster abgeleiteten Hilfsfunktion F'_x. Die Hilfsfunktion F'_x ist hier folglich die normierte, z. B. durch eine Hilberttransformation gewonnene Einhüllende, die den Amplitudenverlauf A_x(t) des Messsignals M in diesem Zeitfenster wiedergibt, wenn sich oberhalb des Füllguts 1 das Gas X befindet. Das Gas X übt eine deutliche Wechselwirkung mit den Mikrowellensignalen aus, die sich in dem gegenüber der Referenzfunktion F'_R deutlich veränderten Amplitudenverlauf der Hilfsfunktion F'_X wieder spiegelt. Beide Funktionen sind in der Signalverarbeitung 65' im Vergleich dargestellt.

1: Füllgut
3: Behälter
5: Messgerätelektronik
7: Antenne
9: Schaltung zur Erzeugung von Mikrowellensignalen
11: Sende-Empfangsweiche
13: Oszillator
15: Steuerschaltung
17: Mikrowellengenerator
19: Mischer
21: Zeitverzögerungsstufe
23: Steuerschaltung
25: Mikrowellengenerator
27: Tiefpass
29: Abtast-Halteschaltung
31: Analog-Digitalwandler
33: Signalverarbeitung
35: Signalverarbeitung
37: Ausgang
39: Messgerätelektronik
41: Schaltung zur Erzeugung von Mikrowellensignalen
43: Modulator
45: Oszillator
47: Splitter
49: Sende-Empfangsweiche
51: Mischer
53: Filter
55: Analog Digital Wandler
57: Signalverarbeitung
59: Splitter
61: Detektor
63: Analog Digital Wandler
65: Signalverarbeitung

Claims

Verfahren zur Messung eines Füllstandes (L) eines Füllguts (1) in einem Behälter (3) mit einem mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgerät, – das im Messbetrieb Mikrowellensignale (S) in Richtung des Füllguts (1) sendet, – deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale (R) nach einer vom Füllstand (L) abhängigen Signallaufzeit empfängt, und – anhand der Signallaufzeit den Füllstand (L) bestimmt, bei dem – vorab eine Referenzfunktion (F_R, F'_R) abgeleitet wird, die einen Amplitudenverlauf eines Reflexionssignals (R) wiedergibt, das das Messgerät empfängt, wenn sich über dem Füllgut (1) ein bekanntes Referenzgas befindet, – nachfolgend anhand der im Messbetrieb empfangenen Referenzsignale (R) Hilfsfunktionen (F_x, F'_x) abgeleitet werden, die den Amplitudenverlauf der Reflexionssignale (R) wiedergeben, die das Messgerät empfängt, während sich oberhalb des Füllguts (1) ein unbekanntes Gas (X) befindet, – die Hilfsfunktionen (F_x, F'_x) mit der Referenzfunktion (F_R, F'_R) verglichen werden, und – das Füllstandsmessgerät eine vom Referenzgas abweichende Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts befindlichen Gases (X) diagnostiziert, wenn der Vergleich eine markante Abweichung (Δ_x) zwischen einer im Messbetrieb abgeleiteten Hilfsfunktion (F_x, F'_x) und der Referenzfunktion (F_R, F'_R) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Referenzfunktion (F_R) und die Hilfsfunktionen (F_x) anhand der Reflexionssignale (R) abgeleitete Frequenzspektren sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Referenzfunktion und die Hilfsfunktionen anhand der Reflexionssignale abgeleitete Energiespektren sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – die Referenzfunktion (F_R, F'_R) und die Hilfsfunktionen (F_x, F'_x) mittels eines Normierungsfaktors normierte Funktionen sind, und – der Normierungsfaktor eine unter der Referenzfunktion (F_R, F'_R) eingeschlossene Fläche auf einen vorgegebenen Wert normiert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – das Füllstandsmessgerät ein Pulsradar Gerät ist, – dessen Mikrowellensignale (S) kurze periodisch gesendete Mikrowellenpulse sind, – das durch Mischung der Reflexionssignale (R) mit den um eine variable, insb. gemäß einer Sägezahnfunktion ansteigende, Verzögerungszeit verzögerten gesendeten Mikrowellensignalen (S) und anschließender Filterung ein Zwischenfrequenzsignal (ZF) generiert, dass die Amplituden (A_R(t)) der Reflexionssignale (R) als Funktion von deren Signallaufzeit (t) wiedergibt, und – die Referenzfunktion (F_R) eine Einhüllende ist, die den Amplitudenverlauf des Zwischenfrequenzsignals (ZF), das entsteht, wenn sich oberhalb des Füllguts (1) das Referenzgas befindet, als Funktion der Frequenz (f) wiedergibt, und – die Hilfsfunktionen (F_x) Einhüllende sind, die den Amplitudenverlauf der Zwischenfrequenzsignale (ZF), die im Messbetrieb entstehen, wenn sich oberhalb des Füllguts (1) das unbekannte Gas (X) befindet, als Funktion der Frequenz (f) wiedergeben.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – das Füllstandsmessgerät ein FMCW Radar Gerät ist, – dessen Mikrowellensignale (S) periodisch linear, insb. gemäß einer Sägezahnfunktion, frequenzmodulierte Signale sind, – das durch Mischung der Reflexionssignale (R) mit den gesendeten Mikrowellensignalen (S) und anschließender Filterung ein Messsignal (M) generiert, dass diejenigen Frequenzen (Δf) enthält, die den Differenzen der Frequenzen (f) der zeitgleich am Mischer (51) anliegenden Signale entspricht, – die Referenzfunktion (F_R, F'_R) eine Einhüllende ist, die den Amplitudenverlauf eines Messsignals (M) als Funktion der Zeit (t) wiedergibt, das entsteht, wenn sich oberhalb des Füllguts (1) das Referenzgas befindet, und – die Hilfsfunktionen (F_x, F'_x) Einhüllende sind, die den Amplitudenverlauf von Messsignalen (M) als Funktion der Zeit (t) wiedergeben, die im Messbetrieb entstehen, wenn sich oberhalb des Füllguts (1) das unbekannte Gas (X) befindet.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Einhüllenden mittels einer Hilbert Transformation der jeweiligen Messsignale generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – das Füllstandsmessgerät ein FMCW Radar Gerät ist, – dessen Mikrowellensignale (S) periodisch linear, insb. gemäß einer Sägezahnfunktion, frequenzmodulierte Signale sind, – die Reflexionssignale (R) einem Detektor (61) zugeführt werden, der einen Amplitudenverlauf der Reflexionssignale (R) aufzeichnet, und – die Referenzfunktion (F_R) eine Einhüllende ist, – die den Amplitudenverlauf des Reflexionssignals (R) als Funktion der Zeit (t) wiedergibt, und – die anhand eines mit dem Detektor (61) aufgezeichneten Amplitudenverlaufs eines Reflexionssignals (R) abgeleitet wurde, das entsteht, wenn sich oberhalb des Füllguts (1) das Referenzgas befindet, und – die Hilfsfunktionen (F_X) Einhüllende sind, die den Amplitudenverlauf der Reflexionssignale (R) als Funktion der Zeit (t) wiedergeben, und – die anhand von mit dem Detektor (61) aufgezeichneten Amplitudenverläufen von Reflexionssignalen (R) abgeleitet wurden, die entstehen, wenn sich oberhalb des Füllguts (1) das unbekannte Gas (X) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – eine Differenz zwischen einer unter der Referenzkurve (F_R, F'_R) eingeschlossenen Fläche und einer unter der Hilfskurve (F_x, F'_x) eingeschlossenen Fläche bestimmt wird, und – die Differenz als Maß für die Abweichung (Δ_x) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine vom Referenzgas abweichende Zusammensetzung des oberhalb des Füllguts (1) befindlichen Gases (X) diagnostiziert wird, wenn die Abweichung (Δ_x) einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Abhängigkeit vom Grad der Abweichung (Δ_x) zwischen der Referenzfunktion (F_R, F'_R) und der Hilfsfunktion (F_x, F'_x) die Diagnose, eine Warnung, eine Fehlermeldung und/oder ein Alarm ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine für die Füllstandsmessung verwendete gemessene Signallaufzeit oder die hierzu verwendete Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale in dem oberhalb des Füllguts (1) befindlichen Gas (X) anhand eines vom Grad der aktuell gemessenen Abweichung (Δ_x) zwischen der Referenzfunktion (F_R, F'_R) und der Hilfsfunktion (F_x, F'_x) abhängigen Korrekturfaktors korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vorab – zusätzlich zu der Referenzfunktion (F_R, F'_R) mindestens eine Bezugsfunktion (F_B) abgeleitet wird, die einen Amplitudenverlauf eines Reflexionssignals (R) wiedergibt, das das Messgerät empfängt, wenn sich über dem Füllgut (1) ein vom Referenzgas verschiedenes bekanntes Bezugsgas (B) befindet, – eine Abweichung (Δ_B) zwischen der Referenzfunktion (F_R, F'_R) und der Bezugsfunktion (F_B) bestimmt wird, – anhand dieser Abweichung (Δ_B), der Ausbreitungsgeschwindigkeit (v_R) der Mikrowellensignale im Referenzgas und der Ausbreitungsgeschwindigkeit (v_B) der Mikrowellensignale im Bezugsgas (B) ein Korrekturfaktor abgeleitet wird, der die Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit (v_x) von Mikrowellensignalen in einem unbekannten oberhalb des Füllguts (1) befindlichen Gas (X) in Abhängigkeit von der Abweichung (Δ_x) zwischen der Referenzkurve (F_R, F'_R) und der mit diesem unbekannten Gas (X) abgeleiteten Hilfskurve (F_x, F'_x) wiedergibt.