DE102009060742A1

DE102009060742A1 - Einrichtung zum Erkennen eines Pegelstandes

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Publication number: DE102009060742A1
Application number: DE102009060742A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Fend (FH), 87700; Alexander Dipl.-Ing. 87700 Martens; Erwin Dipl.-Ing. 87763 Steinle
Original assignee: Negele Messtechnik GmbH
Current assignee: Negele Messtechnik GmbH
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2011-07-07
Also published as: US20120268139A1; WO2011080018A1; CN102753948A; EP2519807B1; EP2519807A1

Abstract

Um eine Einrichtung (1) zum Erkennen eines Pegelstands (3) von Medien (4), vorzugsweise in einem Tank (2, 200), mit einem im Wesentlichen vertikal in den Tank (2, 200) hineinragend, von diesem elektrisch isoliert anbringbaren länglichen elektrischen Sondenleiter (6), einem elektrischen zeitlich variablen Generator (7) mit einer Innenimpedanz (Zg) zum Anschließen an einen Speisepunkt (11) des Sondenleiters (6), um an diesen eine zeitlich variable Spannung anzulegen, wobei der Speisepunkt (11) an einem Ende, insbesondere am tankseitigen Ende, des Sondenleiters (6) angeordnet ist, und einer Auswerte- und/oder Steuereinheit (9) (9) zum Auswerten einer elektrischen Größe des Sondenleiters (6), anzugeben, welche einen Pegelstand von beliebigen Medien, insbesondere flüssigen, pastösen und/oder granulierten festen Medien, möglichst einfach, fehlertolerant und kostengünstig erfassen kann, wird vorgeschlagen, dass die Auswerte- und/oder Steuereinheit (9) zur Messung einer Fußpunktimpedanz des Sondenleiters (6) am Speisepunkt (11) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erkennen eines Pegelstands von Medien, vorzugsweise in einem Tank, mit einem im Wesentlichen vertikal in den Tank hineinragend, von diesem elektrisch isoliert anbringbaren länglichen elektrischen Sondenleiter, einem elektrischen zeitlich variablen Generator mit einer Innenimpedanz (Zg) zum Anschließen an einen Speisepunkt des Sondenleiters, um an diesen eine zeitlich variable Spannung anzulegen, wobei der Speisepunkt an einem, vorzugsweise am tankseitigen, Ende des Sondenleiters angeordnet ist, und einer Auswerte- und/oder Steuereinheit zum Auswerten einer elektrischen Größe des Sondenleiters
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Messung eines Pegelstands.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Kalibrieren, insbesondere nach Veränderung des Sondenleiters, einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1–13.
Gattungsgemäße Einrichtungen sowie Verfahren zum Betreiben derselben sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Die bekannten Einrichtungen und Verfahren basieren beispielsweise bei konduktiven Verfahren auf der Auswertung des elektrischen Leitwerts. Andererseits basiert bei bekannten kapazitiven Einrichtungen und Verfahren die Messung auf der Auswertung einer elektrischen Kapazität.
Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist insbesondere die Abhängigkeit von Eigenschaften des Mediums, dessen Pegelstand gemessen werden soll. Insbesondere ist bei den bekannten Verfahren die relative Dielektrizität bzw. der spezifische elektrische Leitwert bei der Auswertung zu berücksichtigen. Außerdem sind einige der vorbekannten Messeinrichtungen mit Nachteil nur für elektrisch leitende Medien geeignet. Ferner sind die bekannten Messeinrichtungen mit Nachteil anfällig gegen störende Einflüsse wie Schaumbildung und Anhaftungen. Daher ist in der Regel eine Empfindlichkeitseinstellung im Sinne einer Anpassung an das zu detektierende Medium notwendig. Dies ist bei den bekannten Einrichtungen häufig schwierig oder gar unmöglich, wenn verschiedene Medien in derselben Applikation nacheinander zum Einsatz kommen. Zwar wurden bei dem bekannten konduktiven Verfahren versucht, durch eine Teilisolierung vom oberen Bereich die wirksame Elektrodenfläche bei aufsteigendem Schaum konstant zu halten, indem die Wegstrecke von leitenden Brückenbildungen bei anhaftenden Medien verlängert wird. Eine isolierende Beschichtung erhöht jedoch mit Nachteil die Kosten.
Aus den Schriften DE 7933089 U1 , DE 8018675 U1 sowie DE 102005025576 A1 sind verschiedene Ausgestaltungen von kapazitiven Messsonden für die Füllstandsmessung vorbekannt. Bei kapazitiven Messsonden besteht ebenfalls das Problem, dass diese bei Schaumbildung häufig versagen. Zudem erhöht auch bei diesen Sonden eine isolierende Beschichtung mit Nachteil die Herstellungskosten und bedingt Probleme durch Diffusionseffekte, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Temperaturen.
Desweiteren sind Laufzeit-Verfahren, wie zum Beispiel Impuls-Laufzeit-Messung, Time-Domain-Reflection (TDR), geführtes Radar-Echo-Verfahren, bekannt, welche zwar nicht zwangsläufig eine elektrische Isolierung des Sondenleiters benötigen, jedoch nachteilig bezüglich des relativ hohen Aufwands bei der Auslegung der Ansteuer- und Auswerte-Schaltungen für einen sehr hohen Frequenzbereich sind.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche einen Pegelstand von beliebigen Medien, insbesondere flüssigen, pastösen und/oder granulierten festen Medien, möglichst einfach, fehlertolerant und kostengünstig erfassen kann.
Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben sowie eine Verwendung einer Einrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Nachteile der bekannten Einrichtungen vermeiden.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Kalibrieren, insbesondere nach Veränderung des Sondenleiters, einer derartigen Einrichtung anzugeben, welches einfach anwendbar ist, um die Einrichtung flexibel bei unterschiedlichen Messbedingungen und an unterschiedlichen Sondenleitern anzuwenden.
Erfindungsgemäß wird die auf eine Einrichtung gerichtete Aufgabe mit einer gattungsgemäßen Einrichtung zur Erkennung eines Pegelstands gelöst, bei welcher die Auswerte- und/oder Steuereinheit (9) zur Messung einer Fußpunktimpedanz des Sondenleiters am Speisepunkt ausgebildet ist. Dabei kann im Rahmen der Erfindung die Spannung einerseits am tankseitigen Ende des Sondenleiters angelegt werden. Dies ist zweckmäßig, sofern der Sondenleiter von oben in den Tank hineinragt. Bei bestimmten Auslegungen kann bei diesem Aufbau bei Unterschreiten eines bestimmten Pegels der Sondenleiter nicht in Berührung mit dem Medium stehen. Alternativ kann im Rahmen der Erfindung die Spannung auch an das Ende des Sondenleiters, welches in den Tank hineinragt, angelegt werden. Dies ist zweckmäßig, wenn der Sondenleiter von unten in den Tank hineinragt, sodass mit zunehmendem Füllpegel ein abnehmender Längenabschnitt über das Medium hinausragt. Die Beschaltung und Auswertung der Einrichtung erfolgt bei dieser Konfiguration jeweils komplementär zu der Ausführung, bei welcher der Sondenleiter von oben in den Tank hineinragt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Generator einen elektrischen Oszillator umfasst, um an den Speisepunkt eine Wechselspannung mit einer vorgebbaren Frequenz anzulegen. Es lassen sich auf diese Weise erfindungemäß Resonanzphänomene durch Messung der Fußpunktimpedanz ermitteln, welche gemäß experimentellem Befund davon beeinflusst sind, ob und ggf. wie tief die Messsonde in das Medium eintaucht.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Oszillator zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer Resonanzfrequenz des aus dem Sondenleiter, dem Oszillator und dem Tank und/oder dem Gegenleiter gebildeten Schaltkreises ausgebildet ist, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit zur Messung einer Fußpunktimpedanz des Sondenleiters am Speisepunkt ausgebildet ist. Die beobachtete Abhängig der Fußpunktimpedanz vom Eintauchzustand der Sonde ist bei dieser Frequenz besonders ausgeprägt.
Insbesondere kann erfindungemäß der Oszillator zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer λ/4-Frequenz ausgebildet sein, welche im Wesentlichen einer Wellenlänge mit der vierfachen Längenausdehnung des Sondenleiters entspricht. Bezüglich dieser Frequenz wurde erfindungsgemäß beobachtet, dass deren Amplitude sich beim Eintauchen der Sonde in das Medium sprunghaft verändert.
Der Oszillator kann zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer Lambdaviertelfrequenz ausgebildet sein, welche im Wesentlichen einer Wellenlänge mit der vierfachen Längenausdehnung des Sondenleiters entspricht, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit zur Messung einer Fußpunktimpedanz des Sondenleiters am Speisepunkt ausgebildet ist. Dieser erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht es mit Vorteil, das Eintauchen des Sondenleiters in das Medium zuverlässig und fehlertolerant, insbesondere unabhängig von dem Medium, zu ermitteln aufgrund einer starken Verschiebung der Resonanzfrequenz des aus dem Sondenleiter und einem Gegengewicht gebildeten Schaltkreises, welche beim Eintauchen des dem Speisepunkt gegenüberliegenden Endes des Sondenleiters zu beobachten ist. Eine schwellwertige Auswertung der Resonanzamplitude bei einem Viertel der Wellenlänge innerhalb eines Bewertungsfensters in Frequenz- und Amplitudenachse durch Auswertung der Fußpunktimpedanz lässt so eine sichere Bestimmung des Zustandes „nicht eingetaucht” bzw. „eingetaucht” zu. Beim Berühren des dem Speisepunkt gegenüberliegenden Endes des Sondenleiters mit dem Medium steigt die Fußpunktimpedanz bei der Lambdaviertelfrequenz innerhalb des Bewertungsfensters so stark an, dass der Impedanzwert bei geeigneter Wahl des Bewertungsfensters außerhalb dieses Bewertungsfensters liegt. Mit erfindungsgemäßen Einrichtungen lässt sich daher mit Vorteil insbesondere eine zuverlässige Bestimmung durchführen, ob ein Pegelstand eines Mediums einen bestimmten Wert erreicht oder nicht. Da die Bestimmung des Grenzstandes nur auf Basis der Frequenzlage der Minimalstelle in einem relativ großen Bewertungsfenster erfolgt, ist erfindungsgemäß mit Vorteil einer Detektion praktisch für alle technisch verwendeten Medien ohne eine angepasste Einstellung eines Schwellwerts an das Medium mit großer Sicherheitsreserve möglich. Es wurde beobachtet, dass die sprunghafte Veränderung der Resonanzfrequenz beim Berühren des dem Speisepunkt gegenüberliegenden Endes des Sondenleiters mit dem Medium weitgehend unabhängig von den Eigenschaften des Mediums auftritt. Ebenfalls wurde beobachtet, dass die Schwellwertauswertung mit Vorteil unkritisch gegenüber Toleranzen und Driften in der Auswerteelektronik vorhandener Bauelementen ist. Ebenfalls wurde beobachtet, dass eine Verfälschung der mit der erfindungsgemäßen Einrichtung vorgenommenen Pegelmessung durch Schaumbildung nicht auftritt. Auch brückenbildende Anhaftungen, insbesondere von pastösen Medien, zwischen dem tankseitigen Speisepunkt des Sondenleiters und z. B. der Tank-Wandung haben ebenfalls mit Vorteil die Pegelstandsmessung nicht verfälscht. Die beobachteten Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung lassen sich möglicherweise mit der Theorie eines Viertelwellendipols, als welcher der elektrische Sondenleiter gemäß der Erfindung fungiert, erklären. Beim Berühren des elektrischen Sondenleiters mit dem Medium kommt gemäß dieser Theorie eine sog. Dachkapazität an der Grenzfläche zwischen Luft und dem zu detektierenden Medium zu dem Schaltkreis hinzu, welche die beobachtete Frequenzverschiebung bewirkt.
Wenn in Ausgestaltung der Erfindung der Oszillator zusätzlich zum elektrischen Anschließen an den Tank ausgebildet ist, kann mit Vorteil der Tank die Funktion des Gegenpols, genannt Gegengewicht, übernehmen, an dem sich der Sondenleiter elektrisch spiegelt. Der aus dem Sondenleiter und dem Tank gebildete Schaltkreis entspricht dann erfindungsgemäß einem Halbwellendipol. Voraussetzung für diese Ausführung der Erfindung ist naturgemäß, dass der Tank elektrisch leitend ist.
Wenn der Generator gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung einen Pulsgenerator zur Erzeugung von Steuerpulsen umfasst, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit zur frequenzaufgelösten Messung der Fußpunktimpedanz des Sondenleiters am Speisepunkt ausgebildet ist, lässt sich die erfindungsgemäße Einrichtung in einem Burstbetrieb betreiben. Dabei werden sogenannte Bursts, also Wellenpakete mit vorgegebener Schwingungsfrequenz erzeugt, indem der Pulsgenerator zum An- und Ausschalten eines Oszillators mittels Steuerpulsen betrieben wird. Zweckmäßig ist es im Rahmen der Erfindung, wenn die Schwingungsfrequenz innerhalb der Bursts jeweils unterschiedlich ist. Es kann dann mit jedem Burst eine Auswertung der Impedanz erfolgen, um so das Frequenzspektrum der Messanordnung in diskreten Frequenzschritten abzutasten. Die bei diesem Verfahren für die Auswertung erforderliche Abtastrate kann mit Vorteil niedrig gewählt sein, da sich innerhalb jedes Bursts ein quasi-stationärer Zustand einstellt. Dadurch, dass gemäß dieser Variante der Erfindung nicht kontinuierlich eine hochfrequente Spannung an dem System anliegt sondern nur innerhalb der Bursts, kann die Einrichtung mit Vorteil EMV-verträglich betrieben werden. Außerdem ergeben sich Vorteile hinsichtlich des Energieverbrauchs der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Eine andere Auswertung des Füllstands ist mit einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung möglich, bei welcher der Generator (7) einen Pulsgenerator zur Erzeugung von Anregungspulsen umfasst, wobei die Anregungspulse mindestens eine innerhalb eines der Größenordnung des Kehrwertes einer größten auszuwertenden Frequenz entsprechenden Zeitintervalls auf einen Maximalwert ansteigende Flanke aufweisen. Mit dieser Anordnung gemäß der Erfindung läßt sich eine Sprungantwort des Systems ermitteln und auswerten. Beispielsweise kann eine schnelle Fouriertransformation (FFT) durchgeführt werden, um das Frequenzspektrum der Sprungantwort auszuwerten. Um die für die Auswertung einer Sprungantwort benötigten Abtastraten bei der Signalaufnahme herabzusetzen, kann im Rahmen der Erfindung die Auswertung auch nach dem sogenannten Sampling-Verfahren vorgenommen werden. Dies ist dem zuständigen Fachmann beispielsweise aus der Betriebsweise von Sampling-Oszilloskopen bekannt. Dazu wird zur Auswertung ein sogenanntes „Undersampling”, also ein Abtasten mit geringerer Frequenz als der zu messenden Frequenz, durchgeführt, indem der Zeitpunkt des Abtastens bei jeder Puls-Periode geringfügig verschoben wird.
In anderer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich zu dem Sondenleiter ein elektrischer Gegenleiter zur Bildung eines elektrischen Gegenpols vorgesehen ist, wobei der Oszillator zusätzlich zum elektrischen Anschließen an den Gegenleiter ausgebildet ist. Gemäß dieser vorteilhaften Variante der Erfindung lässt sich die erfindungsgemäße Messeinrichtung auch zur Bestimmung von Pegelständen in Tanks aus einem nicht leitenden Material verwenden. Der elektrische Gegenleiter fungiert dann als Gegenpol/Gegengewicht, an dem sich der Sondenleiter elektrisch spiegelt, um insgesamt einen Halbwellendipol nachzustellen. Neben der Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung in nicht leitfähigen Tanks ermöglicht diese Ausgestaltung mit Vorteil sogar die Verwendung der Messeinrichtung im freien Feld.
In spezieller Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenleiter innerhalb des Tanks, vorzugsweise parallel zu dem Sondenleiter, anordenbar ausgestaltet. Die räumliche Unterbringung des Gegenleiters bereitet auf diese Weise mit Vorteil keine Probleme.
Wenn der Gegenleiter im Wesentlichen gleichartig wie der Sondenleiter ausgestaltet ist, kann bei geeigneter Anordnung des Gegenleiters relativ zu dem Sondenleiter erfindungsgemäß das Verhalten einer Lecherleitung gesehen werden.
Insbesondere kann in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung der Gegenleiter als offene Bandleitung ausgestaltet sein und somit als Wellenleiter wirken.
Der Sondenleiter kann in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung stabartig und/oder als Seil ausgeformt sein. Beispielsweise können bereits in einem Tank vorhandene mechanische Bauelemente verwendet werden, um in Kombination mit den übrigen Merkmalen der Erfindung zur erfindungsgemäßen Einrichtung zusammenzuwirken. Insbesondere lässt sich beispielsweise das aus der DE 272 3 999 C2 für die potentiometrische Messanordnung verwendete co-axiale Sondenrohr als Sondenleiter der erfindungsgemäßen Einrichtung verwenden. Die Ausgestaltung des Sondenleiters gemäß der Erfindung als Stab und/oder als Seil ermöglichlicht zudem eine einfache Anpassung der Länge zur Variierung des zu erkennenden Grenz-Pegelstands.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen die Auswerte- und/oder Steuereinheit und einen aus dem Sondenleiter, dem Oszillator und dem Tank und/oder dem Gegenleiter gebildeten Schaltkreis eine variable Impedanz geschaltet ist. Diese variable Impedanz ermöglicht mit Vorteil die Anpassung der Messeinrichtung an unterschiedliche Messbedingungen hinsichtlich Länge des Sondenleiters, Oszillatorfrequenz sowie des verwendeten Auswerte- und/oder Steuergeräts. Die variable Impedanz dient erfindungsgemäß dazu, die Tiefe der für die Auswertung wichtigen Resonanzstellen, insbesondere der Resonanzminima, zur Erleichterung der Auswertung im Sinne einer Kontrastverstärkung zu erhöhen. Dies kann, wie dem Fachmann bekannt, beispielsweise durch die Wahl einer hochohmigen Impedanz mit Kombination eines nachfolgenden Verstärkers mit entsprechend hohem Verstärkungsfaktor erreicht werden.
Eine besonders vielseitig einsetzbare Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht Mittel zum gepulsten Ansteuern des Oszillators und/oder zum, vorzugsweise kontinuierlichen, Variieren der Frequenz innerhalb eines Frequenzintervalls vor, wobei der Oszillator vorzugsweise zum Erzeugen von Frequenzen in einem Bereich um den dreifachen und/oder fünffachen Wert der Lambdaviertelfrequenz und/oder den zweifachen und/oder den vierfachen Wert der λ/4-Frequenz ausgestaltet ist. Sowohl die gepulste Ansteuerung als auch eine kontinuierliche Variierung der Frequenz im Sinne eines Frequenz-Sweeps ermöglichen mit Vorteil die Aufnahme eines Frequenzspektrums, also der Fußpunktimpedanz als Funktion der Oszillatorfrequenz. Anhand einer Auswertung des Frequenzspektrums im Bereich der Frequenzen bei ¾ und 5/4 der Wellenlänge lässt sich erfindungsgemäß mit Vorteil zusätzlich zu der oben beschriebenen Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung als Grenzstandwächter eine kontinuierliche Bestimmung des Pegelstands durchführen. Dazu nutzt man die experimentell beobachtete Verschiebung der Impedanzminima hin zu höheren Frequenzen mit zunehmender Eintauchtiefe in das Medium aus. Als mögliche Erklärung für dieses experimentell beobachtete Verhalten könnte eine Verkürzung der Schwingungslänge des außerhalb des Mediums befindlichen Abschnitts des Sondenleiters in Betracht kommen.
Analog kann im Rahmen der Erfindung auch eine Auswertung der MessMesswerte bei geradzahligen Vielfachen der λ/4 Frequenz vorgenommen werden, entsprechend einer Auswertung an den Maximalstellen der Fußpunktimpedanz.
Um die für die Auswertung der Resonanzspektren erforderlichen Abtastraten herabzusetzen und damit die Kosten für die entsprechenden Bauteile niedrig zu halten, kann im Rahmen der Erfindung die Auswertung auch nach dem sogenannten Sampling-Verfahren vorgenommen werden, wie dem zuständigen Fachmann beispielsweise aus der Betriebsweise von Sampling-Oszilloskopen bekannt, wird dann zur Auswertung ein sogenanntes „Undersampling”, also ein Abtasten mit geringerer Frequenz als der zu messenden Frequenz, durchgeführt, indem der Zeitpunkt des Abtastens bei jeder Puls-Periode geringfügig verschoben wird. Diese Betriebsweise beruht also erfindungsgemäß im Prinzip darauf, dass in der Steuereinheit zwei Oszillatoren mit geringfügig unterschiedlicher, aber jeweils konstanter Frequenz vorhanden sind, wobei aus dem einen Oszillator durch entsprechende Frequenz-Teilung die Anregungs-Pulse und aus dem anderen Oszillator entsprechend die Abtast-Pulse gewonnen werden. Diese Form der Auswertung ist dem Fachmann für sich genommen im Übrigen bekannt.
Die auf ein Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 gerichtete Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, wird dadurch gelöst, dass bei dem gattungsgemäßen Verfahren zur Messung der Fußpunktimpedanz die Schwingungsamplitude bei mindestens einer Frequenz gemessen wird, um den Pegelstand zu bestimmen. Insbesondere erlaubt die Messung der Schwingungsamplitude bei genannter Viertelfrequenz die Nutzung des Verfahrens als Grenzstandwächter, da experimentell beobachtet wurde, dass die Impedanz bei Berührung des dem Speisepunkt gegenüberliegenden Endes des Sondenleiters deutlich höher ist als wenn der Sondenleiter das Medium nicht berührt. Auch kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Messung der Schwingungsamplitude bei einer Frequenz, welche dem Dreifachen und/oder dem Fünffachen der Lambdaviertelfrequenz entspricht, gemessen werden, um Änderungen im Füllpegel zu bestimmen, denn es wurde experimentell beobachtet, dass bei den zuletzt genannten Frequenzen Veränderungen des Füllpegels zu Veränderungen der Fußpunktimpedanz führen.
Insbesondere kann in Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schwingungsamplitude bei einer Referenzfrequenz gemessen werden, wobei bei Überschreiten eines vorgewählten Schwellwerts der Schwingungsamplitute ein Signal erzeugt wird. Beispielsweise kann als Referenzfrequenz die Lambdaviertelfrequenz verwendet werden, welche gemäß experimentellem Befund bei Berührung des dem Speisepunkt gegenüberliegenden Endes des Sondenleiters mit dem Medium kleiner ist, als wenn der Sondenleiter das Medium nicht berührt. Es genügt also gemäß dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn ein verhältnismäßig schmalbandiges Frequenzfenster ausgewertet wird, wobei bei der Auswertung lediglich das Überschreiten bzw. Unterschreiten eines Schwellwerts festgestellt wird.
Wenn in spezieller Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Referenzfrequenz die Lambdaviertelfrequenz und/oder ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der Lambdaviertelfrequenz ist, dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung als Grenzstandwächter, wobei gleichzeitig Änderungen in der Schwingungsamplitude beispielsweise beim Dreifachen der Lambdaviertelfrequenz und/oder beim Fünffachen der Lambdaviertelfrequenz zur Detektion unterschiedlicher Pegelstände bei in das Medium eingetauchtem Sondenleiter feststellbar sind.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Einrichtung sieht vor, dass der Oszillator nacheinander bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben wird, wobei die Schwingungsamplitude gemessen und aufgezeichnet wird, und dass in dem derart ausgesendeten Frequenzspektrum die Frequenzlage mindestens eines Amplitudenminimums bestimmt wird. Beispielsweise kann ein Frequenz-Sweep durchgeführt werden, bei welchem der Oszillator, im günstigsten Fall kontinuierlich, Frequenzen von unterhalb der Lambdaviertelfrequenz bis hin zu Werten im Bereich des Fünffachen der Lambdaviertelfrequenz betrieben wird bei gleichzeitiger Aufzeichnung der entsprechenden Impedanzwerte.
Mit Hilfe der Auswerte- und Steuereinheit lässt sich erfindungsgemäß anhand des aufgezeichneten Spektrums durch Auswertung innerhalb eines Bewertungsfensters, welches in der Frequenzachse in einem Bereich um die einer Lambdaviertelfrequenz angesiedelt ist und in der Amplitudenachse einen Bereich um einen vorgewählten Schwellwert herum erfasst, eine Grenzstandwächterfunktion erfüllen. Darüber hinaus können für den Fall des Auslaufens des Signals aus dem Bewertungsfenster für die Grenzstandsüberwachung als Hinweis für das Eintauchen des Sondenleiters darüber hinaus Frequenzen, insbesondere Minimalstellen im Bereich des Dreifachen und/oder Fünffachen einer Viertelfrequenz ausgewertet werden, deren Amplituden mit Veränderungen des Zustands gemäß experimenteller Beobachtung variieren. Außerdem wurde experimentell beobachtet, dass die Amplitudenminima sich in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe des Sondenleiters auf der Frequenzachse verschieben. Dabei führt eine Vergrößerung der Eintauchtiefe zu einer Verschiebung der Minima, also der Resonanzfrequenzen, zu höheren Frequenzen und umgekehrt. Die Auswertung der Lagen der Amplitudenminima dient daher erfindungsgemäß ebenfalls als Maß für die Pegelhöhe, sofern durch ein Auslaufen des Signals außerhalb des Bewertungsfensters feststeht, dass der Sondenleiter das Medium berührt oder in dieses eingetaucht ist.
Wenn in günstiger Ausgestaltung der Erfindung mittels des Generators
Steuerpulse erzeugt werden, lässt sich erfindungsgemäß das oben beschriebene Verfahren zur Erzeugung von Bursts mit jeweils unterschiedlicher Schwingungsfrequenz durchführen. Dazu wird vorzugsweise die Frequenz bei jedem Burst entsprechend verändert. Durch dieses Verfahren lassen sich erfindungsgemäß die erforderlichen Hochfrequenzabstrahlungs-EMV-Grenzwerte durch Reduktion der Leistung mit Vorteil besonders einfach einhalten. Dies wirkt sich zusätzlich vorteilhaft durch einen reduzierten Energiebedarf der Ansteuer-Einheit aus.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mittels des Generators Anregungspulse erzeugt, wobei die Anregungspulse mindestens eine innerhalb eines der Größenordnung des Kehrwertes einer größten auszuwertenden Frequenz entsprechenden Zeitintervalls auf einen Maximalwert ansteigende Flanke aufweisen. Aufgrund der bekannten Phänomene der Wellenmechanik lassen sich hierdurch ebenfalls Frequenzspektren auswerten. Dazu kann, um die erforderliche Abtastrate zu verringern, das oben beschriebene sogenannte Sampling-Verfahren angewendet werden.
In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Frequenzlage mindestens eines Amplitudenminimums zur Bestimmung des Pegelstands verwendet. Erfindungsgemäß wird somit mit Vorteil das experimentell beobachtete Phänomen ausgenutzt, wonach sich die Lage der Amplitudenminima insbesondere im Bereich des Dreifachen und/oder Fünffachen der einer Lambdaviertelfrequenz mit steigender Eintauchtiefe, entsprechend abnehmender nicht eingetauchter Länge des Sondenleiters, ab einer Mindesteintauchtiefe des Sondenleiters in das Medium zu höheren Frequenzen verschiebt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Einrichtung wird die Güte mindestens eines Amplitudenminimums bestimmt, um zur Ermittlung des Pegelstandes eine Bestimmung einer zugehörigen Resonanzordnung durchzuführen.
Experimentell wurde beobachtet, dass bei bestimmten Konstellationen ein Überlapp unterschiedlicher Frequenzspektren auftritt dergestalt, dass beispielsweise ein zu höheren Frequenzen verschobenes Amplitudenminimum mit einem wenig oder gar nicht frequenzverschobenen Amplitudenminimum höherer Ordnung zusammenfällt. Dies könnte bei der Auswertung dazu führen, dass ein ermitteltes Amplitudenminimum fälschlich als aufgrund des Eintauchens des Sondenleiters in das Medium verschobenes Amplitudenminimum entsprechend einer Lambda-Dreiviertelresonanz interpretiert wird, obwohl es sich tatsächlich um ein Lambda-Fünfviertelresonanzminimum aufgrund einer geringeren Eintauchtiefe handelt, da experimentell beobachtet wurde, dass die Güte, also das Verhältnis zwischen der Frequenz bei dem Minimum zu der Frequenzbreite dieses Minimums, sich je nach der Resonanzordnung verändert. Dementsprechend dient die erfindungsgemäß vorgeschlagene Auswertung der Güte hier als zusätzliches Unterscheidungskriterium.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Auffinden einer Lambda-Dreiviertelresonanz auch wie folgt vorgenommen werden:
Zunächst wird festgestellt, ob bei der Referenzfrequenz, bzw. innerhalb des Auswertefensters, ein Minimum vorhanden ist. Anschließend wird, falls im ersten Schritt kein Minimum vorhanden festgestellt wurde, im zweiten Schritt das erste Minimum, also das Minimum an der niedrigsten Frequenzlage oberhalb der Referenzfrequenz, ermittelt. Dieses ist gemäß experimentellem Befund die Lambda-Dreiviertelresonanz.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Einrichtung schließt das Frequenzintervall den dreifachen Wert und/oder den fünffachen Wert der Lambdaviertelfrequenz ein. Mit Vorteil lässt sich auf diese Weise insbesondere eine Frequenzverschiebung von Amplitudenminima in diesem Frequenzbereich auswerten als Maß für die Eintauchtiefe des Sondenleiters bei eingetauchtem Sondenleiter, das heißt für den Fall, dass eine Schwellwertauswertung im Bereich der Lambdaviertelfrequenz zeigt, dass der Sondenleiter in das Medium eingetaucht ist.
Die auf ein Verfahren zum Kalibrieren gerichtete, der Erfindung zugrunde gelegte Aufgabe wird bei einem derartigen Verfahren gelöst, indem ein Frequenzspektrum des aus dem Sondenleiter, dem Generator und dem Tank und/oder dem Gegenleiter gebildeten Schaltkreises aufgezeichnet wird, wobei der Sondenleiter während der Aufzeichnung nicht in Berührung mit Medien steht, und in dem Frequenzspektrum die Frequenzlage mindestens eines Amplitudenminimums bestimmt wird. Es ist somit erfindungsgemäß vorgesehen, bei nicht in das Medium eingetauchtem Sondenleiter das Frequenzspektrum aufzunehmen, um die Lagen der Lambdaviertelfrequenz sowie Resonanzen höherer Ordnung, insbesondere von dem Dreifachen und/oder dem Fünffachen der Lambdaviertelfrequenz, zu bestimmen. Anhand der Information über die Frequenzlage der Amplitudenminima lässt sich die weitere Kalibrierung vornehmen, indem das erste aufgefundene Minimum, also jenes, welches bei der niedrigsten Frequenz auftritt, mit der Lambdaviertelfrequenz identifiziert wird. Um dieses Minimum herum lässt sich erfindungsgemäß sodann ein Bewertungsfenster legen, um die erfindungsgemäße Einrichtung als Grenzstandwächter zu verwenden unter Einsatz des oben genannten Verfahrens. Die auf das erste Minimum folgenden Amplitudenminima, welche durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren ermittelt wurden, geben die Auswertepunkte für eine kontinuierliche Bestimmung der Eintauchtiefe für den Fall eines in das Medium eingetauchten Sondenleiters an. Mit Vorteil kann mit dem erfindungsgemäßen Kalibrierungsverfahren eine erfindungsgemäße Messeinrichtung an Tanks mit vorhandenen Elektroden eingesetzt werden, ohne dass beispielsweise eine Längenmessung der Elektrode erforderlich ist. Auch kann die Kalibrierung in der beschriebenen Weise vorgenommen werden, nachdem der Sondenleiter gekürzt oder – beispielsweise durch Anschweißen – verlängert wurde, um einen anderen Grenzstand zu detektieren. Mit Vorteil ist die Kalibrierung weitgehend unabhängig von dem verwendeten Medium. Sie muss insbesondere bei einem reinen Medienwechsel innerhalb eines Tanks nicht durchgeführt werden. Denn das erfindungsgemäße Verfahren hängt, wie experimentell gefunden wurde, in erster Linie von der Länge des Sondenleiters ab und insbesondere im Wesentlichen nicht von den Medieneigenschaften.
In Ausgestaltung des Verfahrens zum Kalibrieren wird zur Aufzeichnung des Frequenzspektrums der Generator nacheinander bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben, wobei die Schwingungsamplitude gemessen und aufgezeichnet wird.
In anderer vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens zum Kalibrieren gemäß der Erfindung werden zur Aufzeichnung des Frequenzspektrums mittels des Generators Steuerpulse erzeugt.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahren zum Kalibrieren sieht vor, dass mittels des Generators Anregungspulse erzeugt werden, wobei die Anregungspulse mindestens eine innerhalb eines der Größenordnung des Kehrwertes einer größten auszuwertenden Frequenz entsprechenden Zeitintervalls auf einen Maximalwert ansteigende Flanke aufweisen. Die Pulsansteuerung ist besonders günstig hinsichtlich der Einhaltung der erforderlichen Hochfrequenzabstrahlungs-EMV-Grenzwerte aufgrund der Reduktion der Leistung. Aufgrund der durch die Wellenmechanik mit einer Verringerung der zeitlichen Breite eines Impulses einhergehenden Verbreiterung des Frequenzspektrums wird bei geeigneter Auswertung im Ergebnis mit dem Anregunsgpulsbetrieb ebenfalls ein Frequenzspektrum aufgezeichnet.
Die auf eine Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 gerichtete Aufgabe, welche der Erfindung zugrunde liegt, wird bei einem derartigen Verfahren gelöst, in dem parallel derselbe Pegelstand desselben Mediums mit einem potentiometrischen und/oder kapazitiven und/oder Echo-Verfahren gemessen wird. Der Vorteil der erfindungsgemäßen parallelen Durchführung von auf unterschiedlichen Messprinzipien basierenden Messungen ist eine Erhöhung der Betriebssicherheit durch die dadurch erhaltene Redundanz. Insbesondere ist es im Rahmen der Erfindung von Vorteil, wenn die erfindungsgemäße Messeinrichtung zusammen mit Messungen, deren Auswertung im Unterschied zur Erfindung medienabhängig sind, verwendet wird und/oder wenn eine zusätzliche Information benötigt wird, ob der Sondenleiter überhaupt in das Medium eingetaucht ist.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
1: schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung in Verwendung an einem elektrisch leitenden Tank;
2: schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung in Verwendung an einem elektrisch nicht leitenden Tank;
3: schematische Frequenzspektra zur Erläuterung des Verfahrens zum Betreiben der Messeinrichtungen gemäß 1 und/oder 2;
4: schematische Darstellung der Lage von Amplitudenminima als Funktion der Eintauchtiefe des Sondenleiters einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben desselben.
5: schematische Schaltskizze (a) sowie zeitlicher Signalverlauf (b) zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Füllstandsmesseinrichtung 1 gezeigt, welche im Einsatz an einem Tank 2 ist. Der Tank 2 ist aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt und ist bis zu einem Pegelstand 3 mit einem Medium 4 gefüllt. Das Medium 4 kann ein beliebiges insbesondere flüssiges, pastöses und/oder granuliert festes, Medium sein.
Der elektrisch leitende Tank 2 weist an der Oberseite eine Öffnung 5 auf. Durch die Öffnung 5 in dem elektrisch leitenden Tank 2 ist eine Sondenelektrode 6 derart in den elektrisch leitenden Tank 2 eingeführt, dass die Sondenelektrode 6 elektrisch isoliert von diesem ist. Die Füllstandsmesseinrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus der auf die beschriebene Weise in den elektrisch leitenden Tank 2 eingeführten Sondenelektrode 6, einem Oszillator 7, einem Verstärker 8 sowie aus einer Auswerte- und Steuereinheit 9.
Der Oszillator 7 ist gemäß der Ausführung, welche in 1 skizziert ist, mit einem Pol 10 an den elektrisch leitenden Tank 2 und mit dem anderen Pol 11 an die Sondenelektrode 6 angeschlossen. In der schematischen Darstellung gemäß 1 sind die elektrischen Verhältnisse im Wesentlichen als Ersatzschaltbild gezeigt, wobei eine Innenimpedanz Zg des Oszillators 7 schematisch an dem Pol 11 gezeigt ist. Der Pol 11 entspricht dem Speisepunkt der Sondenelektrode 6. Die Auswerte- und Steuereinheit 9 ist über den Verstärker 8 und die schematisch in dem Ersatzschaltbild gezeigte Verstärker-Impedanz Zv mit dem Speisepunkt 11 der Sondenelektrode 6 verbunden. Ein Ausgangssignal 12 der Auswerte- und Steuereinheit 9 ist geeignet, um an eine Anzeigeeinheit zur Anzeige eines Pegelstandes geleitet zu werden.
In der schematischen Darstellung ist ferner eine Anhaftung 13 skizziert, welche eine Brücke bildet zwischen dem der Öffnung 5 des Tanks 2 zugewandten Ende der Sondenelektrode 6 und der Tankwandung 2. Experimentell zeigte sich, dass eine derartige Anhaftung 13 im Wesentlichen ohne Auswirkungen auf das Messergebnis ist, sodass der der Pegelstand 3 trotz der Anhaftung 13 zuverlässig ermittelt werden kann.
Die Auswerte- und Steuereinheit 9 ist ferner zur Ansteuerung des Oszillators 7 ausgebildet. Dies ist in der schematischen Darstellung durch eine gestrichelte Signallinie 14 angedeutet. Der Oszillator 7 ist mit Frequenzen kontinuierlich durchstimmbar betreibbar in einem Frequenzspektrum, welches mindestens bis zur Lambdaviertelfrequenz reicht. Die Sondenelektrode 6 hat eine Länge 15.
In der 2 ist eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Füllstandsmesseinrichtung 100 gezeigt. Die Füllstandsmesseinrichtung 100 ist im Wesentlichen gleichartig aufgebaut wie die Füllstandsmesseinrichtung 1 gemäß 1. Die schematische 2 zeigt die Füllstandsmesseinrichtung 100 im Einsatz an einem nicht elektrisch leitfähigen Tank 200.
Abweichend von der in 1 gezeigten Füllstandsmesseinrichtung 1 weist die in 2 gezeigte Füllstandsmesseinrichtung 100 eine Gegenelektrode 16 auf. Die Gegenelektrode 16 ist parallel zur Sondenelektrode 6 durch die Öffnung 5 in dem Tank 200 angebracht. Der Pol 10 des Oszillators 7 ist im Unterschied zu der in 1 gezeigten Situation nicht mit dem Tank 200 sondern mit der Gegenelektrode 16 verbunden. Im Übrigen entsprechen die Komponenten und deren Anordnung zueinander im Zusammenhang mit 1 erläuterten Füllstandsmesseinrichtung 1.
Zum Betreiben der Füllstandsmesseinrichtung 1 zur Durchführung von Messungen des Pegelstands 3 im Tank 2 gleichermaßen wie zum Betreiben der Füllstandsmesseinrichtung 100 zum Messen des Pegelstands 3 im nicht elektrisch leitfähigen Tank 200 wird jeweils das nachfolgend erläuterte Verfahren angewendet.
Mit Hilfe der Auswerte- und Steuereinheit 9 wird über die Steuersignalleitung 14 der Oszillator 7 angesteuert, um bei Frequenzen zwischen 0 und 500 MHz kontinuierlich durchzulaufen. Zu jeder Frequenz wird in der Auswerte- und Steuereinheit 9 die Schwingungsamplitude bestimmt und abgespeichert.
Das in dem Ausführungsbeispiel gewählte Frequenzintervall von 0 bis 500 MHz für den Frequenz-Sweep eignet sich erfindungsgemäß für eine Sondenelektrode 6 mit einer Länge 15 in der Größenordnung von 50 cm. Es hat sich gezeigt, dass die Wahl dieses Frequenzintervalls die erfindungsgemäße Pegelmessung mit Stablängen von lediglich bis zu etwa 20 cm ermöglicht. Es ist aber im Rahmen der Erfindung gleichermaßen möglich, Stablängen von lediglich beispielsweise einigen Millimetern zu wählen, sofern das ausgewertete und erregte Frequenzintervall entsprechend erhöht wird.
Danach ist in der Auswerte- und Steuereinheit 9 eines der in 3 graphisch dargestellten Frequenzspektra abgelegt. In der graphischen Darstellung gemäß 3 ist jeweils ein Frequenzspektrum, also eine gemessene Amplitude der Fußpunktimpedanz des Sondenleiters 6 dargestellt. Dabei zeigt Kurve 17 den Frequenzverlauf für eine nicht in das Medium 4 eingetauchte Sondenelektrode 6. Kurve 18 zeigt das Frequenzspektrum, welches man erhält, wenn das dem Speisepunkt 11 gegenüberliegende Ende der Sondenelektrode 6 sich auf Höhe des Pegelstands 3 befindet und somit das Medium 4 gerade berührt. Kurve 19 zeigt das Frequenzspektrum für den Fall, dass die Sondenelektrode 6 mit 20% ihrer Länge 15 in das Medium 4 eingetaucht ist. Entsprechend zeigen die Kurven 20, 21, 22, die Frequenzspektra für Eintauchtiefen von 40%, 60% bzw. 80% der Länge 15 der Gegenelektrode 16 in das Medium 4.
Die 3 veranschaulicht weiter das zur Auswertung des Messergebnisses des Frequenz-Sweeps von 0 bis 500 MHz verwendete Bewertungsfenster 23. Wie zu erkennen, umschließt das Bewertungsfenster 23 einen Frequenzbereich von etwa 50 MHz um ein erstes Amplitudenminimum 24 des Frequenzspektrum 17 herum. In vertikaler Richtung umschließt das Bewertungsfenster 23 einen Amplitudenbereich, welcher den Amplitudenwert am Amplitudenminimum 24 der Trockenkurve 17 umschließt.
Um die erfindungsgemäße Messeinrichtung gemäß einer der 1 oder 2 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren als Grenzstandwächter zu verwenden, wird in regelmäßigen Abständen – oder auch kontinuierlich – ein Frequenz-Sweep mit dem Oszillator 7 durchgeführt, welcher mindestens die horizontale Ausdehnung des Bewertungsfensters 23 umschließt. Anschließend wird festgestellt, ob innerhalb des Bewertungsfensters 23 die Amplitude des Messsignals anliegt. Solange dies der Fall ist, wird daraus in der Auswerte- und Steuereinheit 9 geschlossen, dass der Pegelstand 3 sich unterhalb der Sondenelektrode 6 befindet, so dass die Sondenelektrode 6 das Medium 4 nicht berührt. Dementsprechend liegt die Frequenzkurve 17 vor.
Sobald die Sondenelektrode 6 das Medium 4 berührt, ergibt der Frequenz-Sweep die Kurve 18, welche insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass deren erstes Amplitudenminimum 25 so stark gegenüber dem Amplitudenminimum 24 der Trockenkurve 17 verschoben ist, dass sie außerhalb des Bewertungsfensters 23 liegt. Hieraus wird in der Auswerte- und Steuereinheit 9 geschlossen, dass der Schwellpegel erreicht ist, und ein entsprechendes Ausgangssignal 12 wird generiert. Wie aus der 3 ersichtlich, fallen die ersten Amplitudeminima der Frequenzspektren 19, 20, 21, 22, für sukzessive steigende Eintauchtiefen der Sondenelektrode 6 in das Medium 4 ebenfalls deutlich außerhalb des Bewertungsfensters 23. Das Amplitudenminimum 24 der Trockenkurve 17 fällt somit als einziges der Kurven 17, 18, 19, 20, 21, 22, in das Bewertungsfenster 23. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich somit die Funktion eines Grenzstandswächters realisieren.
Ferner lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine kontinuierliche Bestimmung des Pegelstandes 3 durchführen, unter der Voraussetzung, dass das dem Speisepunkt 11 gegenüberliegende Ende der Sondenelektrode 6 das Medium 4 zumindest berührt oder mit einem Teil seiner Länge 15 in dieses hineinragt. Sofern also innerhalb des Bewertungsfensters 23 kein Signal feststellbar ist, liefert eine Auswertung der zweiten Amplitudenmaxima der Kurven 18, 19, 20, 21, 22 ein Maß für den Grad der Eintauchtiefe der Sonde der Elektrode 6 in das Medium 4.
Dazu ist in der 3 zu erkennen, dass gemäß experimenteller Beobachtung die zweiten Amplitudenminima 26, 27, 28, 29, 30 der Frequenzspektren 18, 19, 20, 21, 22 mit zunehmender Eintauchtiefe zu höheren Frequenzen verschoben sind. Eine Auswertung der Lage der zweiten Amplitudenminima 26, 27, 28, 29, 30 kann daher im Rahmen einer Kalibrierung mittels der Auswerte- und Steuereinheit 9 in ein den Pegelstand 3 angebendes Ausgangssignal 12 umgewandelt werden.
Zur Verdeutlichung des Wanderns der Lagen der zweiten Amplitudenminima dient 4. In 4 ist die Lage des zweiten Amplitudenminimums der Frequenzspektren 18, 19, 20, 21, 22 bei das Medium 4 berührender bzw. in das Medium 4 eingetauchter Sondenelektrode 6 als Funktion der Eintauchtiefe als Kurve 31 ausgetragen. Dabei entsprechen die Rautensymbole Messwerten, die Verbindungslinien betreffen lediglich die lineare Interpolation. Entsprechend entspricht Messpunkt 32 auf der Kurve 31 der Lage des zweiten Amplitudenminimums 33 – welches mit der ¾ λ Resonanz assoziiert ist – der Trockenkurve 17 gemäß 3.
Wie zu erkennen, tritt ein deutlicher Abfall der Frequenz in der Größenordnung von 100 MHz auf, wenn der Messpunkt 34 betrachtet wird, welcher zu dem zweiten Amplitudenminimum 26 der 3 gehört, entsprechend einem ersten Berühren der Sondenelektrode 6 des Mediums 4. Im weiteren Verlauf der Kurve 31 ist ein im Wesentlichen kontinuierlicher Anstieg der Frequenz mit zunehmender Eintauchtiefe der Sondenelektrode 6 in das Medium 4 zu erkennen.
In etwa bei dem Messpunkt 35, entsprechend dem Amplitudenminimum 28 der Kurve 20 bei 40%° Eintauchtiefe entspricht die Frequenzlage des Amplitudenminimums in etwa jener des Messpunkts 32, entsprechend dem zweiten Amplitudenminimum 33 der Trockenkurve 17 gemäß 3.
Um an diesem Messpunkt eine Auswertung der kontinuierlichen Füllstandshöhe in eindeutiger Weise durchführen zu können, wird stets als zusätzliches Kriterium eine Auswertung des Bewertungsfensters 23 vorgenommen, sodass Verwechslungen zwischen dem Messpunkt 32 und dem Messpunkt 35 ausgeschlossen sind, da der Messpunkt 32 nicht auftreten kann, wenn in dem Bewertungsfenster 23 kein Signal anliegt.
Wie in 4 ferner anhand der Kurve 36 veranschaulicht, kann in analoger Weise auch die Auswertung der Lageverschiebung des dritten Amplitudenminimums jeder der Kurven 18, 19, 20, 21, 22, vorgenommen werden. Die Kurvenpunkte 37, 38, 39, 40, entsprechen dabei den dritten Amplitudenminima – welche mit den 5/4 λ Resonanzen assoziiert sind – der entsprechenden Kurven gemäß 3.
Wie in 3 zu erkennen, ist ein Überlapp der Lagen der zweiten Amplitudenminima von Kurven mit hoher Eintauchtiefe mit den Lagen der dritten Amplitudenminima von Kurven mit niedrigeren Eintauchtiefen zu beobachten. Eine Unterscheidung der zweiten und dritten Amplitudenminima im Sinne einer eindeutigen Zuordnung einer Lage eines Amplitudenminimums zu einer Eintauchtiefe ist möglich, wenn zusätzlich die Güte der Amplitudenminima ermittelt und ausgewertet wird. Denn 3 lässt den experimentellen Befund erkennen, dass sich die Güte der dritten Amplitudenminima in signifikanter Weise von der Güte der zweiten Amplitudenminima unterscheidet. Unter dem Begriff wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung sowohl die Ausprägung des Minimums hinsichtlich der Amplitude als auch die Breite des Minimums verstanden. Die Auswertung der Güte erlaubt im Rahmen der Erfindung im übrigen auch die Identifizierung von Minima als Voraussetzung für die weitere Auswertung.
Auf diese Weise ist sowohl eine Grenzstandüberwachung als auch eine kontinuierliche Pegelmessung anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung vorgeschlagen.
Zum Kalibrieren der erfindungsgemäßen Einrichtung wird ein Frequenz-Sweep durchgeführt, und es werden die Lagen der Amplitudenminima im Trockenfall ermittelt, um das für die Auswertung wichtige Bewertungsfenster 23 festzulegen. Eine derartige Kalibrierung ist jederzeit einfach durchführbar und erfordert insbesondere keine Eingriffe an dem aparativen Aufbau. Eine Kalibrierung wird immer dann erforderlich sein, wenn die Messeinrichtung mit einer Sondenelektrode 6 mit einer anderen Länge 15 eingesetzt werden soll. Mit Vorteil wird erfindungsgemäß eine Kalibrierung hingegen nicht erforderlich sein, wenn Änderungen des zu messenden Mediums 4 erfolgen, denn die experimentell ermittelte Abhängigkeit der Messgrößen von der Eintauchtiefe bzw. von der Frage, ob die Sondenelektrode 6 das Medium 4 berührt, hat sich als medienunabhängig erwiesen.
Die 5 veranschaulicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erkennen eines Pegelstands. Wie in 5a anhand eines schematischen Schaltplans veranschaulicht, ist gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung dem Oszillator 7 ein Pulsgenerator 45 zugeordnet, welcher den Oszillator 7 zeitlich gepulst ein- bzw. ausschaltet. Dazu gibt der Pulsgenerator 45 im Prinzip Rechteckpulse 46, welche zwischen logisch 1 und logisch 0 variieren, an den Oszillator 7 weiter. Der Oszillator 7 kann gemäß einer der in den 1 und 2 gezeigten Konfigurationen in den Schaltkreis eingebunden sein. Wie in 5a mit f angedeutet, ist der Oszillator 7 mit variabler Frequenz betreibbar.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun anhand des Pulsgenerators 45 ein Rechtecksignal mit Rechteckpulsen 46 erzeugt, mit welchem der Oszillator 7 gepulst ein- bzw. ausgeschaltet wird. Die Breite der Rechteckpulse 46 ist so gewählt, dass sie mehrere Schwingungsperioden bei der jeweiligen Frequenz f umfasst.
Um mit diesem Verfahren ein Frequenzspektrum in diskreten Frequenzschritten abzutasten, wird erfindungsgemäß die Frequenz f des Oszillators 7 von Rechteckpuls 46 zu Rechteckpuls 46 variiert. Dabei wird die Frequenz f jedoch jeweils für die Zeitdauer des Rechteckpulses 46 konstant gehalten. Das bei der beschriebenen Betriebsweise vom Oszillator 7 abgegebene Signal sieht dabei im Prinzip so wie in 5b schematisch gezeigt aus. 5b zeigt den Graphen des zeitlichen Verlauf der vom Oszillator 7 abgegebenen Spannung. Wie zu erkennen, besteht das Signal aus sogenannten Bursts 47, 48, 49. Die Frequenz f innerhalb jedes Bursts 47, 48, 49 ist konstant. Jedoch unterscheidet sich die Frequenz innerhalb des Bursts 47 von jener innerhalb des Bursts 48, welche sich wiederum von jener innerhalb des Bursts 49 unterscheidet.
Bezugszeichenliste

1: FüllstandsMesseinrichtung
2: elektrisch leitender Tank
3: Pegelstand
4: Medium
5: Öffnung
6: Sondenelektrode
7: Oszillator
8: Verstärker
9: Auswerte- und Steuereinheit
10: Pol
11: Pol/Speisepunkt
Zg: Innenimpedanz
Zv: Verstärker-Innenimpedanz
12: Ausgangssignal
13: Anhaftung
14: Steuersignal
15: Länge
16: Gegenelektrode
100: FüllstandsMesseinrichtung
200: elektrisch nicht leitender Tank
17: Frequenzspektrum für nicht eingetauchte Sondenelektrode/Trockenspektrum
18: Frequenzspektrum für Sondenelektrode, die Medium 4 gerade berührt
19: Frequenzspektrum für 20% in das Medium eingetauchte Sondenelektrode
20: Frequenzspektrum für 40% in das Medium eingetauchte Sondenelektrode
21: Frequenzspektrum für 60% in das Medium eingetauchte Sondenelektrode
22: Frequenzspektrum für 80% in das Medium eingetauchte Sondenelektrode
23: Bewertungsfenster
24: erstes Amplitudenminimum, trocken
25: erstes Amplitudenminimum, 0%
26: zweites Amplitudenminimum, 0%
27: zweites Amplitudenminimum, 20%
28: zweites Amplitudenminimum, 40%
29: zweites Amplitudenminimum, 60%
30: zweites Amplitudenminimum, 80%
31: Lage des zweiten Frequenzminimums gegen Eintauchtiefe
32: Messpunkt
33: zweites Amplitudenminimum, Trockenfall
34: Messpunkt
35: Messpunkt
36: Lage des dritten Frequenzminimums gegen Eintauchtiefe
37: Messpunkt
38: Messpunkt
39: Messpunkt
40: Messpunkt
41: drittes Amplitudenminimum, 0%
42: drittes Amplitudenminimum, 20%
43: drittes Amplitudenminimum, 40%
44: drittes Amplitudenminimum, 60%
45: Pulsgenerator
46: Rechteckpuls
47: Burst
48: Burst
49: Burst
50

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 7933089 U1 [0007]
DE 8018675 U1 [0007]
DE 102005025576 A1 [0007]
DE 2723999 C2 [0024]

Claims

Einrichtung (1) zum Erkennen eines Pegelstands (3) von Medien (4), vorzugsweise in einem Tank (2, 200), mit einem im WesentlichenWesentlichen vertikal in den Tank (2, 200) hineinragend, von diesem elektrisch isoliert anbringbaren länglichen elektrischen Sondenleiter (6), einem elektrischen zeitlich variablen Generator (7) mit einer Innenimpedanz (Zg) zum Anschließen an einen Speisepunkt (11) des Sondenleiters (6), um an diesen eine zeitlich variable Spannung anzulegen, wobei der Speisepunkt (11) an einem, vorzugsweise am tankseitigen, Ende des Sondenleiters (6) angeordnet ist, und einer Auswerte- und/oder Steuereinheit (9) (9) zum Auswerten einer elektrischen Größe des Sondenleiters (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und/oder Steuereinheit (9) zur Messung einer Fußpunktimpedanz des Sondenleiters (6) am Speisepunkt (11) ausgebildet ist.
Einrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (7) einen elektrischen Oszillator (7) umfasst, um an den Speisepunkt (11) eine Wechselspannung mit einer vorgebbaren Frequenz anzulegen.
Einrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (7) zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer Resonanzfrequenz des aus dem Sondenleiter (6), dem Oszillator (7) und dem Tank (2, 200) und/oder dem Gegenleiter (16) gebildeten Schaltkreises ausgebildet ist, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit (9) zur Messung einer Fußpunktimpedanz des Sondenleiters (6) am Speisepunkt (11) ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (7) zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer λ/4-Frequenz ausgebildet ist, welche im Wesentlichen einer Wellenlänge mit der vierfachen Längenausdehnung (15) des Sondenleiters (6) entspricht.
Einrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (7) zusätzlich zum elektrischen Anschließen an den Tank (2) ausgebildet ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (7) einen Pulsgenerator zur Erzeugung von Steuerpulsen umfasst, wobei die Auswerte- und/oder Steuereinheit (9) zur frequenzaufgelösten Messung der Fußpunktimpedanz des Sondenleiters (6) am Speisepunkt (11) ausgebildet ist
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (7) einen Pulsgenerator zur Erzeugung von Anregungspulsen umfaßt, wobei die Anregungspulse mindestens eine innerhalb eines der Größenordnung des Kehrwertes einer größten auszuwertenden Frequenz entsprechenden Zeitintervalls auf einen Maximalwert ansteigende Flanke aufweisen.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Sondenleiter (6) ein elektrischer Gegenleiter (16) zur Bildung eines elektrischen Gegenpols vorgesehen ist, wobei der Oszillator (7) zusätzlich zum elektrischen Anschließen an den Gegenleiter (16) ausgebildet ist.
Einrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenleiter (16) innerhalb des Tanks (200), vorzugsweise parallel zu dem Sondenleiter (6), anordenbar ausgestaltet ist.
Einrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenleiter (16) im Wesentlichen gleichartig wie der Sondenleiter (6) ausgestaltet ist.
Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenleiter (16) als offene Bandleitung ausgestaltet ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenleiter (6) stabartig und/oder als Seil ausgeformt ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Auswerte- und/oder Steuereinheit (9) und einen aus dem Sondenleiter (6), dem Oszillator (7) und dem Tank (2, 200) und/oder dem Gegenleiter (16) gebildeten Schaltkreis eine variable Impedanz (Zv) geschaltet ist.
Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum gepulsten Ansteuern des Oszillators (7) und/oder zum, vorzugsweise kontinuierlichen, Variieren der Frequenz innerhalb eines Frequenzintervalls vorgesehen sind, wobei der Oszillator (7) vorzugsweise zum Erzeugen von Frequenzen in einem Bereich um den dreifachen und/oder den fünffachen Wert der λ/4-Frequenz und/oder den zweifachen und/oder den vierfachen Wert der λ/4-Frequenz ausgestaltet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Fußpunktimpedanz die Schwingungsamplitude bei mindestens einer Frequenz gemessen wird, um den Pegelstand (3) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Generators eine Wechselspannung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Generators (7) Steuerpulse erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Generators (7) Anregungspulse erzeugt werden, wobei die Anregungspulse mindestens eine innerhalb eines der Größenordnung des Kehrwertes einer größten auszuwertenden Frequenz entsprechenden Zeitintervalls auf einen Maximalwert ansteigende Flanke aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsamplitude bei einer Referenzfrequenz gemessen wird, wobei bei Überschreiten eines vorgewählten Schwellwerts der Schwingungsamplitude ein Signal erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfrequenz die λ/4-Frequenz und/oder ein ungerades ganzzahliges Vielfaches der λ/4-Frequenz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzfrequenz das Zweifache der λ/4-Frequenz und/oder ein gerades ganzzahliges Vielfaches der λ/4-Frequenz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (7) nacheinander bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben wird, wobei die Schwingungsamplitude gemessen und aufgezeichnet wird, und dass in dem derart aufgezeichneten Frequenzspektrum (17, 18, 19, 20, 21, 22) die Frequenzlage mindestens eines Amplitudenminimums (24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 41, 42) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzlage mindestens eines Amplitudenminimums (24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 41, 42) und/oder mindestens eines Amplitudenmaximums zur Bestimmung des Pegelstands (3) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Güte mindestens eines Amplitudenminimums (24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 41, 42) bestimmt wird, um zur Ermittlung des Pegelstands (3) eine Bestimmung einer zugehörigen Resonanzordnung durchzuführen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzintervall den dreifachen Wert und/oder den fünffachen Wert der λ/4-Frequenz einschließt.
Verfahren zum Kalibrieren, insbesondere nach Veränderung des Sondenleiters (6), einer Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzspektrum (17) des aus dem Sondenleiter (6), dem Generator (7) und dem Tank (2, 200) und/oder dem Gegenleiter (16) gebildeten Schaltkreises aufgezeichnet wird, wobei der Sondenleiter (6) während der Aufzeichnung nicht in Berührung mit Medien (4) steht, und dass in dem Frequenzspektrum (17) die Frequenzlage mindestens eines Amplitudenminimums (24, 29) bestimmt wird.
Verfahren zum Kalibrieren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufzeichnung des Frequenzspektrums (17) der Generator (7) nacheinander bei unterschiedlichen Frequenzen betrieben wird, wobei die Schwingungsamplitude gemessen und aufgezeichnet wird.
Verfahren zum Kalibrieren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufzeichnung des Frequenzspektrums (17) mittels des Generators (7) Steuerpulse erzeugt werden.
Verfahren zum Kalibrieren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Generators (7) Anregungspulse erzeugt werden, wobei die Anregungspulse mindestens eine innerhalb eines der Größenordnung des Kehrwertes einer größten auszuwertenden Frequenz entsprechenden Zeitintervalls auf einen Maximalwert ansteigende Flanke aufweisen.
Verwendung einer Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Messung eines Pegelstands, dadurch gekennzeichnet, dass parallel derselbe Pegelstand (3) desselben Mediums (4) mit einem potentiometrischen und/oder kapazitiven und/oder Echo-Verfahren gemessen wird.