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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter mit einem Messgerät, das nach dem Laufzeitmessverfahren arbeitet.
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Messgeräte werden häufig in der Automations- und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt, um eine Prozessvariable wie z.B. Durchfluss, Füllstand, Druck und Temperatur oder eine andersartige physikalische und/oder chemische Prozessgröße in einem Prozessablauf zu ermitteln.
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Das in den Füllstandsmessgeräten verwendete Laufzeitverfahren nutzt die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Im Falle der Füllstandmessung entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen einem Referenzpunkt des Senders und der Oberfläche des Füllguts. Das Nutzechosignal, also das an der Oberfläche des Füllguts reflektierte Signal, und dessen Laufzeit werden bevorzugt anhand der sog. Echokurve bestimmt, die in analoger oder digitalisierter Form die Amplituden der Echosignale als Funktion des Abstandes vom Sender wiedergibt. Der Füllstand selbst ergibt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand des Referenzpunktes des Senders zum Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllguts zu dem Referenzpunkt des Senders.
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Es können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Messsignale zu bestimmen. Handelt es sich bei den Messsignalen um Mikrowellen, so kann sowohl das Pulsradar als auch das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar) zum Einsatz kommen. Im Weiteren wird nur noch auf das Impulslaufzeitverfahren Bezug genommen, jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren auf die anderen Laufzeitmessmethoden, wie z.B. FMCW, gleichfalls anwendbar. Mikrowellen-Messgeräte, bei denen gepulste Messsignale frei abgestrahlt werden, werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung 'MICROPILOT' vertrieben. Mikrowellenmessgeräte, die Messsignale entlang eines leitfähigen Elements in den Behälter hinein- und aus dem Behälter herausführen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung 'LEVELFLEX' angeboten und vertrieben. Ein Gerätetyp, der mit Ultraschallsignalen arbeitet, wird von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung 'PROSONIC' angeboten und vertrieben.
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Die ausgesendeten Messsignale bilden mit den empfangenen Nutz-Echosignalen ein Gesamtmesssignal, das gegebenenfalls unter realen Messbedingungen zusätzliche Stör-Echosignale beinhaltet. Diese Stör-Echosignale haben verschiedene Ursachen, wie z.B.:
- – Reflexionen an Einbauten im Behälter und dem Behälter selbst
- – Mehrwegeausbreitung (Retroreflexionen) und Mehrmodenausbreitung
- – Dispersion der ausgesendeten Wellen
- – Schaum- und Ansatzbildung des Mediums
- – Befüll- und Entleervorgänge
- – Reflektionseigenschaften des Mediums
- – Rauschen
- – niedrige Dielektrizitätskonstante des Mediums
- – Luftfeuchte im Behälter
- – turbulente Mediumsoberflächen.
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Nach heutigem Stand der Technik gibt es verschiedene Ansätze, diese Stör-Echosignale aus dem Gesamtmesssignal zu entfernen, da diese Stör-Echosignale die Auswertung und Bestimmung des Füllstandes erschweren können, indem sie beispielsweise das Nutzechosignal überdecken.
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In der
WO 03/016835 A1 ist ein Verfahren zur Auswertung von Messsignalen eines nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Messgerätes beschrieben, bei dem eine aktuell aufgenommene Messkurve mit Referenz-Signaldaten verglichen wird. Im Vergleich der Referenz-Signaldaten zu der aktuell aufgenommenen Messkurve kann aus der zeitlichen Verschiebung der entsprechenden Stör- und Nutzsignale ein Korrekturfaktor ermittelt werden, mit dem der gesuchte Füllstand bei nicht vorhandenem oder auswertbarem Nutzsignal des Füllstandes ermittelt werden kann.
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Die in der obigen Anmeldung aufgezeigtes Verfahren und Vorrichtungen zur Beseitigung von Störsignalen aus dem Messsignal haben alle die Problematik, dass sie nicht auf die Veränderungen der Prozessbedingungen im Behälter, die das Messsignal beeinflussen, oder auf die Veränderungen der Messmethode und Messperformanz des Messgerätes reagieren können.
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In der
DE 10 2007 042 042 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter durch ein Feldgerät beschrieben, wobei der Füllstand in der Hüllkurve aus Sendesignalen und Reflexionssignalen anhand der Laufzeiten bzw. der Laufstrecken ermittelt wird. Die Störechosignale werden in einer Ausblendkurve, die in einem ersten Messzyklus aus der Hüllkurve der Messsignale im leeren Behälters ermittelt werden, gespeichert und zur Auswertung der Hüllkurve wird einen Bewertungskurve, die in einem ersten Messzyklus aus der Hüllkurve ermittelt wird, gespeichert. Um die Speicherplatz zu reduzieren und die Kurven an die Messsituation angepasst werden können, sind die Ausblendkurve und/oder Bewertungskurve editierbar ausgestaltet, indem die Kurvenfunktionen aus einer reduzierte Anzahl von Stützpunkten mit entsprechenden Verbindungsfunktionen ausgestaltet sind.
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In der Patentanmeldung
DE 10 2005 003 152 A1 ist ein Verfahren zur Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktion eines Füllstandmessgeräts beschrieben, das nach dem Laufzeitprinzip arbeitet. Hierzu wird in vorgegebenen oder wählbaren zeitlichen Abständen eine Messwertkurve bei einem aktuellen Füllstand ermittelt; anhand der aktuellen Messwertkurve wird das Nutzechosignal bestimmt. Anschließend wird der Erwartungswert für die Qualität des Nutzechosignals bei zumindest einem vorgegebenen Füllstand anhand der Signalamplitude des aktuellen Nutzechosignals und anhand einer unter vorgegebenen prozess- und/oder systemabhängigen Bedingungen ermittelten Idealechokurve bestimmt. Der ermittelte Erwartungswert für die Qualität des Nutzechosignals wird bei dem vorgegebenen Füllstand mit einem vorgegebenen kritischen Wert für die Qualität verglichen, und es wird ein Fehlerzustand diagnostiziert, wenn der ermittelte Erwartungswert den kritischen Wert für die Qualität unterschreitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und genaueres Verfahren zur Auswertung von den Messsignalen von Füllstandsmessgeräten aufzuzeigen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter mit einem Messgerät, das nach dem Laufzeitmessverfahren arbeitet, wobei Messsignale in Richtung des Mediums ausgesendet werden und an einer Oberfläche des Mediums als Nutz-Echosignale oder an einer Oberfläche eines Störelementes als Stör-Echosignale reflektiert und empfangen werden, wobei aus dem hochfrequenten Gesamtmesssignal, bestehend aus der Überlagerung der ausgesendeten Messsignale, der reflektierten Nutz-Echosignale und der Stör-Echosignale, durch eine sequentielle Abtastung ein niederfrequentes Zwischenfrequenzsignal erzeugt wird, wobei aus dem Zwischenfrequenzsignal zumindest eine von der Laufzeit oder der Laufstrecke abhängige Roh-Echokurve oder digitalisierte Hüllkurve ermittelt wird, wobei die Nutz-Echosignale und/oder die Stör-Echosignale in der Roh-Echokurve oder der digitalisierten Hüllkurve anhand einer Idealechokurve, die die Amplitude der Echosignale eines idealen Reflektors in Abhängigkeit der Distanz zum idealen Reflektor darstellt, ermittelt werden, und wobei anhand des ermittelten Nutz-Echosignale der Füllstand bestimmt wird.
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Durch dieses Verfahren ist es möglich, auf die Modifikationen von Prozessbedingungen und die Modifikationen der messtechnischen Bedingung des Messgerätes zu reagieren und dadurch die Ermittlung und Messung des Füllstands eines Mediums im Behälter zu optimieren. Hierzu wird folgende Vorgehensweise angewandt: Von einem Messgerät wird über eine Sende- und Empfangseinheit ein Messsignal ausgesendet und an der Oberfläche des Mediums als Nutz-Echosignal und beispielsweise an den Störelementen als Stör-Echosignal reflektiert. Das Gesamtmesssignal entsteht durch eine Überlagerung des ausgesendeten Messsignals, des Nutz-Echosignals und ggf. der Stör-Echosignale. Das niederfrequente Zwischenfrequenzsignal wird aus dem Gesamtmesssignal mittels einer Signalabtastschaltung erzeugt.
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Grundlegend wird bei diesem sequentiellen Abtastverfahren ein Messsignal erzeugt und ausgesandt, und ein Abtastsignal mit einer etwas geringeren Pulsrepetierfrequenz erzeugt oder das Abtastsignal gegenüber dem ausgesandten Messsignal phasenmoduliert erzeugt. Das niederfrequentere Zwischenfrequenzsignal wird dadurch erzeugt, dass das Gesamtmesssignal und das Abtastfrequenzsignal auf einen Frequenzmischer geführt werden. Das niederfrequentere Zwischenfrequenzsignal hat den gleichen Verlauf wie das Gesamtmesssignal, ist gegenüber dem Gesamtmesssignal jedoch um einen Zeitdehnungsfaktor gestreckt, der gleich dem Quotienten aus der Pulsrepetierfrequenz des Messsignals und der Frequenzdifferenz der beiden Frequenzen von Abtastsignal und des Messsignal ist. Bei einer Pulsrepetierfrequenz von einigen Megahertz, einer Frequenzdifferenz von wenigen Hertz und einer Mikrowellenfrequenz von einigen Gigahertz wird eine Frequenz des Zwischenfrequenzsignals von kleiner als 100 kHz erzeugt.
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Die Transformation des Gesamtmesssignals auf die Zwischenfrequenz hat den Vorteil, dass verhältnismäßig langsamere und folglich kostengünstigere elektronische Bauteile zur Signalauswertung benutzt werden können. Für eine analoge Weiterverarbeitung wird eine analoge Roh-Echokurve erzeugt, die dem durch eine Mittelung über einige Gesamtmesssignale entstandenen, analogen Zwischenfrequenzsignal entspricht. Wird in den folgenden Verfahrensschritten mit digitalen Werten weiter gerechnet, wird aus dem analogen Zwischenfrequenzsignal durch eine Gleichrichtung, optional eine Logarithmierung und eine Digitalisierung der analogen Zwischenfrequenz eine digitalisierte Hüllkurve bzw. Einhüllende ermittelt. Eine Bewertungskurve wird durch ein Glättungsverfahren aus der Roh-Echokurve oder digitalisierten Hüllkurve ermittelt. Die Bewertungskurve wird durch ein Glättungsverfahren erzeugt, das immer eine mathematische Filterfunktion der digitalisierten Hüllkurve bzw. der Roh-Echokurve darstellt. Beispielsweise wird die Glättung durch den Einsatz einer Filterfunktion mit einer Fensterfunktion, z.B. ein gleitendes Mittel mit einer bestimmten Fensterbreite, bewirkt. Diese Glättungsverfahren haben jedoch meist den Nachteil, dass die Kurvenform stark verändert wird und die Signalbreite der Echosignale verbreitert wird, da die Mittelungsbreite oft sehr breit eingestellt werden muss, damit keine Artefakte erhalten werden. Die Bewertungskurve blendet besonders gut Störechosignale aus, die statistischer Natur sind und beispielsweise durch die Befüllung des Tanks, durch Umrühren des Mediums und durch turbulente Mediumsoberflächen entstehen können. Ändert sich die Messsituation im Behälter bzw. Prozessbereich oder werden beispielsweise die Filterparameter des Messgerätes modifiziert, so muss die Bewertungskurve an die geänderten Bedingungen angepasst werden. Da diese Änderungen bzw. Modifikationen der prozesstechnischen und messtechnischen Bedingungen einen Einfluss auf das Gesamtmesssignal und entsprechend auf die Hüllkurve haben, indem sich beispielsweise die Lage oder die Form der Hüllkurve und der Nutz-Echosignale bzw. Stör-Echosignale verändert, müssen diese Einflüsse auch in der statischen Referenzkurve berücksichtigt werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass die Idealechokurve mittels eines vorgegebenen Algorithmus berechnet und ermittelt wird.
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Eine sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Idealechokurve mittels einer Vergleichsmessung mit einem idealen Reflektor ermittelt und abgespeichert wird.
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Eine weitere ergänzende Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Idealechokurve mittels eines Algorithmus angepasst wird und eine adaptive Idealechokurve erzeugt wird.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass die adaptive Idealechokurve anhand einer Offset-Verschiebung entlang einer logarithmischen Amplitudenachse durch den Algorithmus verschoben wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Verschiebung der adaptiven Idealechokurve anhand des Algorithmus auf der Grundlage der Amplitude des größten Echos ausgeführt wird.
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Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Verschiebung der adaptiven Idealechokurve anhand des Algorithmus auf der Grundlage eines Rauschpegels ausgeführt wird.
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Ein zweckmäßiges alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Verschiebung der adaptiven Idealechokurve anhand des Algorithmus auf der Grundlage von Einstellungsparametern des Messgeräts ausgeführt wird.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass an veränderte Messbedingungen, z.B. in Form von Signaldämpfungsänderungen mittels einer Formadaptierung die adaptive Idealechokurve anhand des Algorithmus angepasst wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Formadaptierung der adaptiven Idealechokurve mittels einer Überwachung der Amplitude des Nutz-Echosignals bei unterschiedlichen Distanzen bzw. Laufzeiten durch den Algorithmus ausgeführt wird.
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Eine weitere ergänzende Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Formadaptierung der adaptiven Idealechokurve anhand des Algorithmus auf der Grundlage von Einstellungsparametern des Messgeräts ausgeführt wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zur Diagnose des Messgeräts oder der Messstelle und für den Erhalt weiterer Zusatzinformationen über die Anwendung die Idealechokurve mit der adaptive Idealechokurve anhand des Algorithmus verglichen wird. Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zur Diagnose des Messgeräts oder der Messstelle und für den Erhalt weiterer Zusatzinformationen über die Anwendung die Idealechokurve oder die adaptive Idealechokurve mit dem Rauschpegel anhand des Algorithmus verglichen wird
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden. Es zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Messaufbaus des Messgerätes auf einem Behälter mit einigen der möglichen Störeinflüsse sowie der entsprechenden digitalisierten Hüllkurve bzw. Roh-Echokurve,
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2 ein Diagramm mit einer geglätteten Bewertungskurve, die durch eine gleitende Minimalwertbildung erzeugt wurde,
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3 ein Diagramm mit einer geglätteten Bewertungskurve, die durch eine gleitende Mittelwertbildung erzeugt wurde,
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4 ein Diagramm mit einer Idealechokurve als Bewertungskurve, und
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5 ein Diagramm mit der Amplitudenverschiebung der Idealechokurve als Bewertungskurve.
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In 1 ist auf einem Behälter 3 in einen Stutzen 12 ein Messgerät 1 montiert, das nach dem Laufzeit-Messverfahren den Füllstand 6 eines Mediums 4 im Behälter 3 ermittelt. Als Störelemente 7 sind in der Darstellung beispielsweise ein Rührwerk, ein Kühlrohrsystem und ein weiteres in die Behälterwand eingebautes Messgerät dargestellt, jedoch gibt es auch noch weitere, in der Zeichnung nicht explizit abgebildete Störelemente 7, die die Messung beeinflussen können. Eine der Messsituation im Behälter 3 entsprechende Hüllkurve HC ist proportional zu der Höhe des Behälters 3 dargestellt. Die abgebildete Hüllkurve HC stellt die Amplitude AMP des abgetasteten, ausgesendeten und reflektierten Messsignals MS in Abhängigkeit von der Laufstrecke x bzw. der Laufzeit t dar. Die Störeinflüsse von Störelementen 7 im Behälter 3 und die Oberfläche 5 des Mediums 4 sind über Bezugslinien direkt dem entsprechenden Nutz-Echosignal NES und den entsprechenden Stör-Echosignalen SES in der Hüllkurve HC zugeordnet, so dass man das Ursache-Wirkungs-Prinzip auf einen Blick erfassen kann. Die Sende- und Empfangseinheit 2 ist als eine Hornantenne ausgestaltet, jedoch kann jede bekannte Sende- und Empfangseinheit 2, dessen Messgerät 1 nach dem Laufzeitmessverfahren arbeitet, wie z.B. Planarantennen, Stabantennen, Parabolspiegelantennen, Mikrowellenleiter, Schallwandler, sowie optische Sende- und Empfangselemente, eingesetzt werden. Zur Kommunikation mit entfernten Messgeräten 1 oder einer Leitstelle ist ein Feldbus 8 vorgesehen, der nach den üblichen Kommunikationsstandards, wie z.B. Foundation Fieldbus, Profibus-PA, arbeitet und beispielsweise in einer Zweileitertechnik ausgestaltet ist. Die Versorgung des Messgeräts 1 mit Energie kann, zusätzlich zur Energieversorgung des Messgeräts 1 über den Feldbus 8, mittels einer separaten Versorgungsleitung 9 erfolgen.
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In 2 ist ein Diagramm nach dem Stand der Technik mit einer geglätteten Bewertungskurve BC, die beispielsweise mittels eines Filter-Verfahrens, das eine gleitende Minimalwertbildung FMC aus der Hüllkurve HC bzw. der Roh-Echokurve RC erzeugt wurde, gezeigt. Die Bewertungskurve BC gibt den Bezugspunkt zur Ermittlung der Amplituden AMP der Nutzechosignale NES der Störechosignale SES an, wodurch ein richtiges Maß vorgeben wird, damit die Echos bei unterschiedlichen Distanzen x bzw. Laufzeiten t miteinander verglichen werden können. Es werden die relativen Amplituden AMP der Echos NES, SES, E bezogen auf die Bewertungskurve berechnet und miteinander verglichen. Im einfachsten Fall wird das maximale Echo Emax mit der größten relativen Amplitude REA ermittelt und der Reflexion der Messsignale MS an der Oberfläche 5 des Füllguts 4 bzw. dem Füllstand 6 gleichgesetzt. Bei dieser Auswertung spielt nicht nur die Ermittlung der absoluten Amplitude AMP der Echos NES, SES, E sondern auch die Form der Bewertungskurve BC eine entscheidende Rolle.
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Desweiteren ist in 3 ein Diagramm nach dem Stand der Technik mit einer geglätteten Bewertungskurve BC, die beispielsweise mittels eines Filter-Verfahrens, das eine gleitende Mittelwertbildung FAC aus der Hüllkurve HC bzw. der Roh-Echokurve RC erzeugt wurde, gezeigt. Beispielsweise wird die Glättung durch den Einsatz einer mathematischen Filterfunktion mit einer Fensterfunktion, z.B. ein gleitendes Mittel mit einer bestimmten Fensterbreite, erzeugt. Hierzu wird beginnen an einer Stelle in der Hüllkurve HC innerhalb einer vorgegebenen Fensterbreite alle Messwerte ermittelt und ein Mittelwert ermittelt. Dieser ermittelte Mittelwert der Messwerte innerhalb des Fensters wird in Bezug zum Messpunkt bzw. Laufzeit t abgespeichert und an den weiteren Messpunkten bzw. diskreten Laufzeiten t in der digitalisierten Hüllkurve HC wird diese Mittelwertbildung durchgeführt. Aus den gespeicherten Mittelwerten in Bezug auf die Messpunkte bzw. Laufzeiten wird dann eine gleitende Mittelwert-Bewertungskurve FAC ermittelt.
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Die geglättete Bewertungskurve FMC aus 2, die durch eine gleitende Minimalwertbildung erzeugt wurde und das Diagramm mit einer geglätteten Bewertungskurve FAC aus 3, die durch eine gleitende Mittelwertbildung erzeugt wurde, sind abstrakte mathematische Kurven, welche keine physikalischen Gesetzmäßigkeiten wie Dämpfung des Messsignals MS entlang des Laufwegs x berücksichtigen. Das Echo NES, SES mit der größten relativen Amplitude REA bezogen auf diese geglätteten Bewertungskurven FMC, FAC muss nicht zwingend der stärksten Reflexion des Messsignals MS entsprechen. In manchen Situationen können bei Ermittlung des Nutzechosignals NES auch Fehler passieren. Besonders kritisch ist der Vergleich mit dem ersten Echo E1 im Abklingbereich des Sendeimpulses und mit Störechosignalen SES. Zum Beispiel würde in 2 und 3 das zweite Echo E2 als Nutzechosignal NES des Füllstand 6 des Füllguts 4 ausgewählt, obwohl das erste Echo E1 einer stärkeren Reflexion aufweist.
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In 4 ist ein Diagramm mit einer Idealechokurve IEC als Bewertungskurve, und in 5 ist die Amplitudenverschiebung der Idealechokurve IEC als Bewertungskurve gezeigt. Die Idealechokurve IEC ist als die Amplitude AMP des Nutzechos NES vom idealen Reflektor IR, z.B. eines großflächigen Metallreflektors, in Abhängigkeit von der Distanz bzw. Laufweg x zum idealen Reflektor IR definiert. Somit ist die Idealechokurve IEC als eine physikalische Kurve zu betrachten, die die Abhängigkeit der Amplitude AMP der Nutzechosignale NES und Störechosignale SES von der Laufzeit t bzw. dem Laufweg x der Messsignale MS berücksichtigt, und eine Vergleichsgrundlage der Echosignale NES, SES bei unterschiedlichen Distanzen x bildet.
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Diese Idealechokurve IEC bildet die Grundlage für die erfindungsgemäße Bewertungskurve BC, BC1.
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Durch eine Anpassung der Idealechokurve IEC an die Messbedingungen des Messgeräts 1 im Prozess könnte weitere zusätzliche Vorteile erreicht werden. Bei freiabstrahlenden Füllstandsmessgeräten 1 der Anmelderin, die unter der Produktbezeichnung Micropilot und Prosonic produziert und verkauft werden, erfüllt die Bewertungskurve BC1 jedoch noch eine weitere wichtige Funktion, indem die Bewertungskurve BC1 die Echos NES, SES vom Rauschpegel N trennt. Der Rauschpeaks des Rauschpegels N unterhalb der Bewertungskurve BC werden nicht als Nutzechosignal NES ausgewertet. Die gleitender Mittelwert-Bewertungskurve FAC aus 3 und gleitendes Minimum-Bewertungskurve FMC aus 2 passen sich dank ihres Aufbaus und Ihrer Erzeugung an diesen Rauschpegel N an.
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In einer ersten Ausgestaltung kann die Idealechokurve IEC an den Rauschpegel erfindungsgemäß durch einen speziellen Algorithmus als adaptive Idealechokurve AIEC angepasst werden. Diese erfindungsgemäße Anpassung soll durch eine Verschiebung der Idealechokurve IEC entlang der Amplitudenachse AMP in der logarithmischen Darstellung erfolgen. Angepasst an den Rauschpegel N entspricht die Lage der adaptiven Idealechokurve AIEC dem minimalen Reflexionsfaktor des Füllguts 4, bei welchem der Füllstand 6 noch im gesamten Messbereich detektiert werden kann. Eine entsprechende Multiplikation um den Reflexionsfaktor in der linearen Darstellung der Amplitude AMP entspricht mathematisch einer Addition bzw. Verschiebung der adaptiven Idealechokurve AIEC in der logarithmischen Darstellung. Der Rauschpegel N kann aus der Hüllkurve HC oder einem Teil der Hüllkurve HC, beispielsweise der Hüllkurve HC ohne das Abklingverhalten des Sendeimpulses, mittels einer lineare Regression oder ein anderes Verfahren ermittelt werden. Bezogen auf die erfindungsgemäße adaptive Idealechokurve AIEC würde z.B. im 4 das dritte Echo E3, welches der stärksten Reflexion von der Oberfläche 5 des Füllguts 4 entspricht, die höchste relative Amplitude REA3 des dritten Echos E3 aufweisen. Demgemäß würde diese dritte Echo E3 als Nutzechosignal NES bzw. Füllstandsechosignal ermittelt werden.
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In einer ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung kann auch die Amplitude AMP der relativ zu der Idealechokurve IEC maximalen Nutzechosignale NES zur Anpassung zugrunde gelegt werden. Hierbei wird die Idealechokurve IEC entlang der logarithmisch eingeteilten Amplitudenachse soweit verschoben bis die adaptive Idealechokurve AIEC sich mit dem maximalen Echo Emax schneidet. Ausgehend von dieser Position wird die adaptive Idealechokurve AIEC um einen weiteren vorgegebenen Amplitudenbetrag verschoben und eine dritte Bewertungskurve BC3 erzeugt. Dieses Anpassungsverfahren entspricht der Anpassung der Idealechokurve IEC an den aktuellen Reflexionsfaktor des Füllguts 4. Diese Anpassung der adaptiven Idealechokurve AIEC an den aktuellen Reflexionsfaktor des Füllguts 4 kann beispielsweise in jedem Messzyklus des Messgeräts 1 oder bei der Inbetriebnahme des Messgeräts 1 erfolgen. Nach einer solchen Anpassung kann der maximale Messbereich als Distanz x des Berührungspunktes der adaptiven Idealechokurve AIEC und des Rauschpegels N ermittelt oder überprüft werden. Fällt dieser maximale Messbereich beispielsweise unter eine vorgegeben Messbereichsgröße, gibt das Messgerät 1 eine Warnmitteilung oder ein Alarm aus. Dieser maximale Messbereich gibt an, bis zu welcher maximale Distanz xm noch mit einem auswertbaren Reflexionssignal der Messsignale MS an der Oberfläche 5 des Füllguts 4 zu rechnen ist.
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In den Ausführungsbeispielen werde semilogarithmische Darstellung der Hüllkurve HC bei der die Amplitude AMP logarithmisch und die Laufzeit t linear aufgetragen ist. Die Darstellung und die erfindungsgemäße Adaption der Idealechokurve IEC könnten auch auf eine rein lineare Darstellung der Hüllkurve HC übertragen werden. Wobei die Verschiebung der Hüllkurve HC als eine Addition in der logarithmischen Darstellung entspricht in der linearen Darstellung eine Skalierung der Hüllkurve HC in der Amplitude als eine Multiplikation entspricht.
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Die Anpassung der adaptiven Idealechokurve AIEC ist auch in Abhängigkeit von den anwendungsspezifischen Parametern wie z.B. die Dielektrizitätskonstante des Füllguts bzw. Mediums 4, welche den Reflexionsfaktor mitbestimmt, der Zustand der Oberfläche 5 des Füllguts 4, welche die Reflexionseigenschaften der Messsignale MS an der Oberfläche 5 des Füllguts 4 beeinflusst, und das Material bzw. die Geometrie des Behälters 3, welche Einflüsse auf den Antennengewinn und die Signaldämpfung haben. Diese Anwendungsparameter werden durch den Anwender meist direkt im Messgerät 1 eingestellt.
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Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, dass bestimmte Anwendungsparameter in dem Messgerät 1 aufgrund der Bestimmung der Idealechokurve IEC entsprechend selbsttätig von dem Messgerät 1 angepasst werden. Ist beispielsweise die Signaldämpfung in der aktuellen Anwendung anders als in den vorhergehenden Anwendungen, bei denen die Idealechokurve IEC bestimmt wurde, könnte auch die Form der Idealechokurve IEC entsprechend adaptiert werden. In 4 ist ein Beispiel für die Formadaption der adaptiven Idealechokurve AIEC gezeigt. Beispielsweise ist bei Einbau des Messgeräts 1 in ein Schwallrohr die Dämpfung der Messsignale MS geringer als bei in ein Freifeld ausgesendeten Messsignalen, bei Anwesenheit einer Gasphase aufgrund von Wasserdampf, oder bei Ausbildung von Füllgut-Ansatzes an der Messsonde eines Zeitbereichsreflektormeters. Diese Form-Adaptierung der adaptiven Idealechokurve AIEC kann mittels einer Einstellung der Anwendungsparameter am Messgerät 1 durch den Anwender oder automatisiert durch das Messgerät selbst, indem dieses die Amplitude AMP des Füllstandsechos bei unterschiedlichen Distanzen überwacht, umgesetzt werden.
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Desweitern ist in dem Messgerät 1 ein Algorithmus integriert der einen Vergleichs des Offsets der Amplitude AMP und der Formgebung der adaptierten Idealechokurve AIEC mit der originalen Idealechokurve IEC ausführt und aus diesem Vergleich nützliche Information für die Diagnostik der Messstelle und/oder Zusatzinformationen über die Anwendung gewinnt. Durch diesen Vergleich der originalen Idealechokurve IEC mit der adaptiven Idealechokurve AIEC könnte der Ansatz an der Antenne oder der Messsonde detektiert oder der Zustand der Oberfläche 5 des Füllguts 5 beurteilt werden.
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In einem weiteren Anwendungsfall, wenn das Füllstandsecho von dem Abklingverhalten des Anregungsimpulses des Messsignals MS überlagert ist, kann eine gesonderte Echobewertung durchgeführt werden. Die Höhe der Amplitude AMP des Nutzechosignals NES des Füllstands 6 ist im Abklingbereich bzw. Klingelbereich aufgrund der Überlagerung mit dem Abklingsignal viel größer als der rein durch die Reflexion an der Oberfläche 5 des Füllguts 4 verursachte Nutzechosignal NES. In der linearen Darstellung kann die Idealechokurve IEC im Nahbereich an das Klingeln bzw. Abklingverhalten angepasst werden. In dieser Darstellung ohne Berücksichtigung der Interferenzeffekte kann eine additive Überlagerung der geräte- und einbauspezifischen Echos, die das Klingeln bilden, und des Füllstandsechos angenommen werden. Dann kann durch eine lokale Erhöhung der Idealechokurve IEC um den Betrag der Amplituden AMP der geräte- und einbauspezifischen Echos das Nutzechosignal NES des Füllstands 6 von dem Abklingverhalten des Sendeimpulses bzw. der additive Überlagerung der geräte- und einbauspezifischen Echos separiert werden. Durch die Differenzbildung bei der Berechnung der relativen Echoamplituden REA1 der ersten Echos E1 werden die Klingelbeträge abgezogen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Sende- und Empfangseinheit bzw. Antenne
- 3
- Behälter
- 4
- Medium
- 5
- Oberfläche
- 6
- Füllstand
- 7
- Störelement
- 8
- Feldbus
- 9
- Versorgungsleitung
- IE
- Idealechokurve
- AIE
- adaptive Idealechokurve
- N
- Rauschpegel
- IR
- idealer Reflektor
- GS
- Gesamtmesssignal
- MS
- Messsignal
- NES
- Nutz-Echosignal
- SES
- Stör-Echosignal
- RC
- Roh-Echokurve
- E
- Echo
- E1
- erstes Echo
- E2
- zweites Echo
- E3
- drittes Echo
- RAE
- relative Amplitude des Echos
- RAE1
- relative Amplitude des ersten Echos
- RAE2
- relative Amplitude des zweiten Echos
- RAE3
- relative Amplitude des dritten Echos
- Emax
- maximales Echo
- HC
- digitalisierte Hüllkurve
- BC
- Bewertungskurve bzw. aktuelle Bewertungskurve
- BC1
- erste Bewertungskurve
- BC2
- zweite Bewertungskurve
- BC3
- dritte Bewertungskurve
- BC4
- vierte Bewertungskurve
- BC5
- fünfte Bewertungskurve
- FAC
- gleitender Mittelwert-Bewertungskurve
- FMC
- gleitende Minimum-Bewertungskurve
- AMP
- Amplitude, Amplitudenwert
- x
- Laufweg
- t
- Laufzeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 03/016835 A1 [0007]
- DE 102007042042 A1 [0009]
- DE 102005003152 A1 [0010]
