DE102012108462A1 - Method for laser-based determination of level of liquid filling material in container used in e.g. chemical industry, involves scanning reflected pulses received from surface of material, after emitting laser pulses toward material - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System zur Laserbasierten Bestimmung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter nach einem Laufzeitverfahren.The invention relates to a method, a device and a system for the laser-based determination of the fill level of a product in a container according to a transit time method.
Heute bekannte Laserbasierte Messgeräte und Verfahren zur Füllstandmessung sind für die Messung von transparenten Flüssigkeiten auf Wasserbasis schlecht oder überhaupt nicht geeignet. Der Grund ist darin zu sehen, dass die Laserstrahlung das Füllgut vollständig oder teilweise durchdringt und auf dem Tankboden eine Reflexion erzeugt. Insbesondere in Edelstahlbehältern ist die direkte Reflexion am Behälterboden im Vergleich zur gestreuten Rückstrahlung (Remission) an der Oberfläche des Füllguts dominierend und führt leicht zu fehlerhaften Füllstandsmesswerten.Nowadays known laser-based measuring instruments and methods for level measurement are poorly or not at all suitable for the measurement of water-based transparent liquids. The reason is that the laser radiation completely or partially penetrates the medium and generates a reflection on the bottom of the tank. Especially in stainless steel tanks, the direct reflection at the bottom of the tank is dominant compared to the scattered reflection (remission) on the surface of the medium and easily leads to faulty fill level readings.
Klare Flüssigkeiten basieren in den häufigsten Fällen auf Wasser und enthalten oft keine Schwebeteilchen oder – für eine ausreichende Remission an der Flüssigkeitsoberfläche – zu wenige Schwebeteilchen. Bei trüben Medien, die viele Schwebeteilchen enthalten, tritt eine relativ starke Absorption auf, was gleichfalls dazu führt, dass der Anteil der an der Oberfläche reflektierten Laserstrahlung zu gering für eine zuverlässige Füllstandsbestimmung ist.In the most common cases, clear liquids are based on water and often contain no suspended particles or - for a sufficient remission on the liquid surface - too few suspended particles. In turbid media containing many suspended particles, a relatively strong absorption occurs, which also means that the proportion of laser radiation reflected at the surface is too small for reliable level determination.
Daher sind Laserbasierte Verfahren zur Füllstandmessung von klaren und stark absorbierenden Flüssigkeiten auf die direkte Reflexion der Laserstrahlung auf der Flüssigkeitsoberfläche angewiesen. Die Absorption der Laserstrahlung hängt darüber hinaus stark von der verwendeten Wellenlänge ab, während die direkte Reflexion unabhängig ist von der Wellenlänge.Therefore, laser-based methods for level measurement of clear and strongly absorbing liquids rely on the direct reflection of the laser radiation on the liquid surface. The absorption of the laser radiation also depends strongly on the wavelength used, while the direct reflection is independent of the wavelength.
Prinzipiell bleibt festzuhalten, dass an einer Flüssigkeitsoberfläche – abhängig vom Einfallswinkel und den optischen Medieneigenschaften – immer ein Teil der einfallenden Strahlung gebrochen und reflektiert wird.In principle, it should be noted that, depending on the angle of incidence and the optical media properties, a portion of the incident radiation is always refracted and reflected at a liquid surface.
Verfügbare Systeme zur Laserbasierten Füllstandmessung arbeiten auf der Basis von festgelegten bzw. adaptiven Schwellen. Im einfachsten Fall wird die Laufzeit zwischen dem Aussenden und dem Empfangen eines Laserpulses gemessen, wobei als Empfangspunkt der Zeitpunkt gewählt wird, zu dem die Empfangsintensität eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Mit den verfügbaren Systemen ist es nicht möglich, eine Bewertung der Güte der Empfangssignale vorzunehmen. Auch sind die bekannten Laser-Messgeräte zur Füllstandmessung nicht für die Messung auf Flüssigkeiten optimiert und berücksichtigen in Ihrer Signalauswertung nicht die zuvor beschriebenen Eigenschaften der Laserstrahlungs-Reflexion und -Remission sowohl von der Medienoberfläche als auch bei transparenten Medien vom Behälterboden oder tieferliegenden Schichten. Überlagert sich ein Signalanteil der Medienoberfläche mit einem Anteil der Behälterbodenreflexion, entsteht ein Mischsignal, das bei einer Schwellenbasierten Messung nicht von einem reinen an der Medienoberfläche reflektierten Signal unterschieden werden kann. Daher können relativ große Messfehler auftreten, ohne dass das Messgerät diese als Messfehler erkennt.Available laser-based level measurement systems operate on established or adaptive thresholds. In the simplest case, the transit time between the transmission and the reception of a laser pulse is measured, the point of reception being selected as the time at which the reception intensity exceeds a predetermined threshold. With the available systems, it is not possible to evaluate the quality of the received signals. Also, the known laser level measuring instruments are not optimized for the measurement of liquids and do not take into account in their signal evaluation the previously described properties of laser radiation reflection and emission from the media surface as well as transparent media from the container bottom or underlying layers. If a signal component of the media surface overlaps with a portion of the container bottom reflection, a mixed signal is produced which, in the case of a threshold-based measurement, can not be distinguished from a pure signal reflected on the media surface. Therefore, relatively large measurement errors can occur without the meter recognizing them as measurement errors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System zur Laserbasierten Füllstandmessung vorzuschlagen, das sich auch im Bereich der Füllstandsmessung auf Flüssigkeiten durch eine hohe Messgenauigkeit auszeichnet.The invention has for its object to provide a method, a device and a system for laser-based level measurement, which is also characterized in the field of level measurement for liquids by a high measurement accuracy.
Die Erfindung wird bezüglich des Verfahrens durch folgende Merkmale gelöst:
Laserpulse mit einer vorgegebenen Impulsbreite werden erzeugt;
die Laserpulse werden mit einer definierten Sendewiederholfrequenz in Richtung der Oberfläche des Füllguts ausgesendet;
die Laserpulse werden nach der Reflexion an der Oberfläche des Füllguts empfangen;
die reflektierten Laserpulse werden abgetastet;
die Abtastwerte werden zu einer Echokurve zusammengesetzt; anhand der Echokurve wird die IST-Signalform oder zumindest eine definierte IST-Signalcharakteristik des reflektierten Laserpulses analysiert und/oder ermittelt;
die Ist-Signalform oder die IST-Signalcharakteristik wird mit einer vorgegebenen SOLL-Signalform bzw. einer entsprechenden SOLL-Signalcharakteristik verglichen;
anhand der Echokurve (EK) wird der ermittelte Messwert nur zur Bestimmung des Füllstands herangezogen, wenn die IST-Signalform und die SOLL-Signalform bzw. die IST-Signalcharakteristik und die SOLL-Signalcharakteristik in einem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen.The invention is achieved with respect to the method by the following features:
Laser pulses with a given pulse width are generated;
the laser pulses are emitted at a defined transmission repetition frequency in the direction of the surface of the medium;
the laser pulses are received after the reflection at the surface of the medium;
the reflected laser pulses are scanned;
the samples are assembled into an echo curve; the actual waveform or at least a defined actual signal characteristic of the reflected laser pulse is analyzed and / or determined on the basis of the echo curve;
the actual signal shape or the actual signal characteristic is compared with a predetermined desired signal form or a corresponding nominal signal characteristic;
Based on the echo curve (EK), the determined measured value is used only to determine the filling level if the actual signal shape and the nominal signal shape or the actual signal characteristic and the nominal signal characteristic coincide within a specified tolerance range.
Unter Signalcharakteristik wird zumindest eine Signaleigenschaft bzw. ein Signalmerkmal verstanden. Die SOLL-Signalform und die IST-Signalform werden entweder direkt miteinander verglichen oder sie werden auf bestimmte Signaleigenschaften bzw. Signalmerkmale hin analysiert, welche anhand festgelegter Kriterien Aufschluss über die Gültigkeit des Messsignals geben.Signal characteristic is understood to mean at least one signal property or one signal feature. The desired signal shape and the actual signal form are either compared directly with one another or they are analyzed for specific signal properties or signal characteristics, which provide information on the validity of the measurement signal on the basis of defined criteria.
Beispiele für die Bestimmung der Charakteristika eines auswertbaren oder nicht auswertbaren reflektierten Laserpulses sind im Folgenden nicht abschließend aufgeführt:
- – Die Anstiegsflanke und/oder die Rückflanke des reflektierten Laserpulses sind/ist in zumindest einem vorgegebenen Bereich des Laserpulses monoton steigend bzw. monoton fallend.
- – Die Signalform des reflektierten Laserpulses ist zu schmal oder zu breit. Erklärung: Die Ursache für einen schmalen reflektierten Laserpuls kann in einer fehlerhaften Abtastung liegen. Beispielsweise wird der reflektierte Laserpuls nicht vollständig abgetastet, der Laserpuls ist also zu schmal, weil er zu schnell weggespiegelt wird, d.h. die Zeitdauer zur Abtastung ist größer als die Zeit, während der der Reflex unverändert ist. Ein zu breiter reflektierter Laserpuls kann die Folge einer Übersteuerung der Elektronik sein, oder aber die Pulsform wird durch Störreflexionen verzerrt.
- – Der reflektierte Laserpuls weist deutliche Zacken auf, insbesondere lassen sich mehrere Maxima u. Minima in kurzer Folge in der Signalform ermitteln.
- – Der reflektierte Laserpuls klippt stark. Hervorgerufen wird das Klippen üblicherweise, wenn die Signaländerung so schnell ist, dass sie außerhalb der für den Empfänger tolerierbaren Signaldynamik liegt. In diesem Fall kann der Füllstandsmesswert nicht ausreichend bezüglich der Signaldynamik korrigiert werden. Je genauer die Messung sein soll, desto enger müssen z.B. die Grenzen für die erlaubte Signaldynamik ausgelegt werden. Üblicherweise geschieht dies auf Kosten der Messgeschwindigkeit, da der Anteil der nicht für die Messwertbestimmung geeigneten reflektierten Signale zunimmt.
- – Anstelle eines Signals bzw. Laserpulses treten mehrere schmale Signale auf.
- – Das reflektierte Signal weist schmale Höcker auf.
- – Aufgrund der überlagerten Signale ist keine reine Puls-Signalform erkennbar.
- – Störsignale bzw. Rauschen aufgrund von Nebel, Staub etc. überlagern sich dem reflektierten Laserpuls. Eine Trennung der Störanteile ist nicht möglich.
- The rising edge and / or the trailing edge of the reflected laser pulse are / is monotonically increasing or monotonically decreasing in at least one predetermined region of the laser pulse.
- - The waveform of the reflected laser pulse is too narrow or too wide. Explanation: The cause of a narrow reflected laser pulse may be a faulty scan. For example, the reflected laser pulse is not completely scanned, so the laser pulse is too narrow, because it is mirrored away too fast, ie the time to scan is greater than the time during which the reflex is unchanged. A too wide reflected laser pulse may be the result of overloading the electronics, or the pulse shape is distorted by spurious reflections.
- - The reflected laser pulse has significant spikes, in particular, several maxima u. Determine minima in a short sequence in the waveform.
- - The reflected laser pulse taps heavily. The clipping is usually caused when the signal change is so fast that it lies outside the tolerable signal dynamics for the receiver. In this case, the level measurement can not be sufficiently corrected for the signal dynamics. The more accurate the measurement should be, the closer the limits for the permitted signal dynamics must be designed. This usually takes place at the expense of the measuring speed, since the proportion of reflected signals not suitable for determining the measured value increases.
- - Instead of a signal or laser pulse occur on several narrow signals.
- - The reflected signal has narrow bumps.
- - Due to the superimposed signals no pure pulse waveform can be seen.
- - Noise or noise due to fog, dust, etc. are superimposed on the reflected laser pulse. A separation of the interference components is not possible.
Allgemein lässt sich sagen: Je strenger die Kriterien für die Gültigkeit von reflektierten Laserpulsen sind, d.h. je enger die Toleranzbänder sind, umso zuverlässiger wird die Bestimmung des Füllstands. Allerdings geht die hohe Messgenauigkeit üblicherweise auf Kosten der Messgeschwindigkeit. Daher sind die Toleranzbänder bevorzugt auf die jeweilige Anwendung abzustimmen. Erfolgt – bei gleichem Füllgut – die Änderung des Füllstands bzw. der Oberflächenbeschaffenheit relativ langsam, so kann mit einer hohen Messgenauigkeit gemessen werden. Erfolgt die Änderung des Füllstands bzw. der Oberflächenbeschaffenheit schnell, so ist es sinnvoll, bei der Messgenauigkeit Abstriche in Kauf zu nehmen. Weiterhin kann die Breite der Toleranzbänder abhängig sein von den Eigenschaften des insbesondere flüssigen Füllguts, dessen Füllstand ermittelt werden soll.In general, the stricter the criteria for the validity of reflected laser pulses, i. The tighter the tolerance bands are, the more reliable the determination of the level will be. However, the high measuring accuracy usually comes at the expense of the measuring speed. Therefore, the tolerance bands are preferably matched to the particular application. If, with the same filling material, the change in the filling level or the surface condition is relatively slow, it is possible to measure with a high measuring accuracy. If the change in the fill level or the surface finish occurs quickly, it makes sense to accept a reduction in the measurement accuracy. Furthermore, the width of the tolerance bands can be dependent on the properties of the particular liquid product whose level is to be determined.
Die Signalform eines reflektierten Laserpulses wird über eine Abtastung ermittelt. Die Abtastung des reflektierten Laserpulses kann in Echtzeit erfolgen – ein Abtastverfahren, das eine hochwertige und teure Abtastschaltung erforderlich macht. Alternativ wird ein Abtastverfahren angewendet, wie es beispielsweise bei Mikrowellenbasierten Pulsradargeräten eingesetzt wird, die von der Anmelderin unter der Bezeichnung Micorpilot M, Micropilot S und Levelflex angeboten und vertrieben werden. Hier wird pro reflektiertem Laserpuls ein Abtastwert gesampelt, wobei aufeinanderfolgende Abtastwerte jeweils um einen definierten Abstand von dem jeweils vorhergehenden Abtastwert verschoben sind. Sobald auf diese Art und Weise der Laserpuls komplett abgetastet worden ist, lässt sich anhand der Abtastwerte die Signalform des reflektierten Mikrowellenpulses rekonstruieren und der Füllstand in dem Behälter anhand der Echokurve ermitteln.The waveform of a reflected laser pulse is determined via a scan. The scanning of the reflected laser pulse can be done in real time - a sampling technique that requires a high quality and expensive sampling circuit. Alternatively, a scanning method is used, as used for example in microwave-based Pulsradargeräten, which are sold and sold by the applicant under the name Micorpilot M, Micropilot S and Levelflex. Here, one sample is sampled per reflected laser pulse, wherein successive samples are each shifted by a defined distance from the respective preceding sample. As soon as the laser pulse has been completely scanned in this way, the signal shape of the reflected microwave pulse can be reconstructed on the basis of the sampled values, and the fill level in the container can be determined on the basis of the echo curve.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Laserpulse einer vorgegebenen Grundfrequenz mit einer geringfügig abweichenden Abtastfrequenz derart abgetastet, dass pro Laserpuls mehrere Abtastwerte erfasst und jeweils als Subechokurve abgespeichert werden. Die abgespeicherten Subechokurven werden nach einem Messzyklus zu einer Gesamtechokurve zusammengesetzt. Anhand der Gesamtechokurve wird die IST-Signalform des an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Laserpulses ermittelt und/oder analysiert und mit der vorgegebenen SOLL-Signalform verglichen. Dieses Verfahren ist detailliert in der nicht vorveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, das Messwerte, die nicht zur Bestimmung des Füllstands herangezogen werden, als ungültig qualifiziert werden. Anhand der Anzahl der als ungültig qualifizierten Messwerte wird anschließend eine Aussage hinsichtlich der Güte der Füllstandsmessung getroffen. Je mehr Messwerte als ungültig qualifiziert werden – je geringer also die Toleranzbänder sind – umso größer ist die Messgenauigkeit bei der Laserbasierten Füllstandsmessung.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the measured values which are not used to determine the fill level are qualified as invalid. Based on the number of measured values that are qualified as invalid, a statement regarding the quality of the level measurement is then made. The more measured values are qualified as invalid - the smaller the tolerance bands are - the greater the accuracy of the laser-based level measurement.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Anzahl der zur Füllstandsmessung herangezogenen gültigen Messwerte in Relation zu der Anzahl der als ungültig qualifizierten Messwerte gesetzt wird, und dass eine Warnmeldung generiert wird, wenn die Anzahl der als ungültig qualifizierten Messwerte eine vorgegebene oder vorgebbare Höchstgrenze überschreitet.In addition, it is proposed that the number of valid measured values used for level measurement is set in relation to the number of measured values qualified as invalid, and that a warning message is generated if the number of measured values qualified as invalid exceeds a specified or specifiable maximum limit.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens regt an, die Echokurve bzw. mehrere aufeinander folgende Echokurven im Hinblick auf temporäre und/oder ständige Störquellen in dem Behälter zu analysieren. Bei den temporären Störquellen handelt es sich z.B. um eine Signalverzerrung, die durch schwankende Reflexionseigenschaften der Oberfläche hervorgerufen wird. Insbesondere können diese Änderungen bei den Reflexionseigenschaften so schnell sein, dass sie nicht korrekt aufgenommen werden können.An advantageous embodiment of the method according to the invention stimulates the echo curve or to analyze several successive echo curves with regard to temporary and / or permanent sources of interference in the container. The temporary sources of interference are, for example, a signal distortion caused by fluctuating reflection properties of the surface. In particular, these changes in reflection properties can be so fast that they can not be recorded correctly.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung geht es also nicht nur um Störquellen, wie Einbauten im Behälter. Beim auf optischer Reflexion basierenden ToF (Time of Flight) Verfahren ist die Signalauswertung auf eine typische Signalform angewiesen, um eventuelle Korrekturberechnungen aufgrund z.B. der Signaldynamik oder auch der Temperatur durchführen zu können. Insbesondere entstehen durch Schwankungen spiegelnder Flüssigkeiten selbst bei gleichbleibendem Füllstandspegel häufig nicht verwertbare Signale bzw. Signale, die nach Anwendung der Korrekturalgorithmen zu falschen Messergebnissen führen. Diese müssen gleichfalls ausgesondert werden.The solution according to the invention is therefore not only about sources of interference, such as fittings in the container. In the case of the optical reflection based ToF (time of flight) method, the signal evaluation relies on a typical signal shape to avoid possible correction calculations due to e.g. the signal dynamics or the temperature to perform. In particular, due to fluctuations in the reflectivity of liquids, even when the level remains constant, unusable signals or signals often result, which lead to incorrect measurement results after application of the correction algorithms. These must also be eliminated.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Anzahl der als ungültig qualifizierten Messwerte dadurch reduziert wird, dass die Laserpulse gerichtet in den Behälter ausgesendet werden. Gerichtet heißt in diesem Zusammenhang, dass die Laserpulse auf der Oberfläche des Füllguts, insbesondere des flüssigen Füllguts unter einem Winkel auftreffen, unter dem der von der Oberfläche des Füllguts reflektierte Signalanteil maximal ist.It is considered to be particularly advantageous if the number of measured values qualified as invalid is reduced by emitting the laser pulses directed into the container. Direction means in this context that the laser pulses impinge on the surface of the medium, in particular of the liquid product at an angle below which the signal component reflected by the surface of the product is maximal.
Weiterhin wird zur Erhöhung der Anzahl der gültigen Signale vorgeschlagen, die Signaldivergenz des Laserstrahls z.B. auf wesentlich größer als 10–20 mrad, z.B. 70mrad zu erhöhen bzw. aufzuweiten. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die von der Oberfläche reflektierten Laserpulse im Empfänger eintreffen. Auch ist es möglich, die Signaldivergenz des Laserstrahls an die jeweiligen Gegebenheiten zu adaptieren.Furthermore, in order to increase the number of valid signals, the signal divergence of the laser beam is e.g. to substantially greater than 10-20 mrad, e.g. 70mrad increase or expand. This increases the probability that the laser pulses reflected from the surface will arrive in the receiver. It is also possible to adapt the signal divergence of the laser beam to the respective conditions.
Die Aufgabe wird bezüglich des Laserbasierten Füllstandsmessgeräts durch die folgenden Merkmale gelöst:
eine Signalerzeugungseinheit, die Laserpulse einer vorgegebenen Impulsbreite erzeugt;
eine Sendeeinheit, die die Laserpulse mit einer definierten Sendewiederholfrequenz in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet; eine Empfangseinheit, die die Laserpulse nach Reflexion an der Oberfläche des Füllguts empfängt;
eine Abtastschaltung, die die reflektierten Laserpulse mit einer Abtastfrequenz abtastet;
eine Regel-/Auswerteeinheit, die so ausgestaltet ist, dass sie anhand der Echokurve die IST-Signalform oder zumindest eine IST-Signalcharakteristik des reflektierten Laserpulses ermittelt und analysiert, die Ist-Signalform oder die IST-Signalcharakteristik mit einer vorgegebenen SOLL-Signalform oder einer entsprechenden SOLL-Signalcharakteristik vergleicht, und die einen anhand der Echokurve ermittelten Messwert zur Bestimmung des Füllstands heranzieht, wenn die IST-Signalform und die SOLL-Signalform bzw. die IST-Signalcharakteristik und die entsprechende SOLL-Signalcharakteristik in einem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen.The task is solved with respect to the laser-based level gauge by the following features:
a signal generating unit that generates laser pulses of a predetermined pulse width;
a transmitting unit which emits the laser pulses at a defined transmission repetition frequency in the direction of the surface of the medium; a receiving unit which receives the laser pulses after reflection at the surface of the contents;
a sampling circuit that samples the reflected laser pulses at a sampling frequency;
a control / evaluation unit which is designed such that it uses the echo curve to determine and analyze the actual signal shape or at least one actual signal characteristic of the reflected laser pulse, the actual signal shape or the actual signal characteristic with a predetermined desired signal shape or one corresponding nominal signal characteristic compares, and which uses a determined based on the echo curve measurement for determining the level, when the actual waveform and the desired waveform or the actual signal characteristic and the corresponding target signal characteristic in a predetermined tolerance range match.
Bei der Sendeeinheit handelt es sich bevorzugt um eine Pulslaserdiode, eine Lasertreiberschaltung und eine optische Linse zur Fokussierung der Laserstrahlung. Die Empfangseinheit besteht bevorzugt aus einer Photodiode und einer optischen Sammellinse zur Fokussierung der von der Oberfläche des Füllguts reflektierten Laserstrahlung auf die Photodiode. Bei der Photodiode kann es sich um eine Avalanche Photodiode und einen Transimpedanzverstärker handeln.The transmitting unit is preferably a pulse laser diode, a laser driver circuit and an optical lens for focusing the laser radiation. The receiving unit preferably consists of a photodiode and an optical converging lens for focusing the laser radiation reflected from the surface of the medium onto the photodiode. The photodiode may be an avalanche photodiode and a transimpedance amplifier.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, dass es sich bei der Abtastschaltung um einen Analog-/Digitalwandler und bei der Auswerteeinheit um einen Mikroprozessor handelt.An advantageous embodiment of the device according to the invention suggests that the sampling circuit is an analog / digital converter and the evaluation unit is a microprocessor.
Erfindungsgemäß wird ein Laserbasiertes Füllstandmessgerät für insbesondere Flüssigkeiten nach dem Laufzeitprinzip realisiert, das in der Lage ist, die Signalform eines reflektierten Laserpulses aufzunehmen und einer Plausibilitätsprüfung zu unterziehen. Das Messgerät ist z.B. in der Lage, reine Oberflächenreflexe von gemischten Signalen aus Oberflächen- und Tankbodenreflexen sowie Signalformen, bei denen sowohl reine Oberflächen als auch reine Tankbodenreflexe vorkommen, zu unterscheiden. Signalformen, die auf gemischten Reflexen beruhen, werden hierbei als ungültig qualifiziert. Sie fließen nicht in die Messung ein.According to the invention, a laser-based level measuring device for liquids, in particular, is realized according to the transit time principle, which is able to record the signal form of a reflected laser pulse and to subject it to a plausibility check. The measuring device is e.g. able to distinguish pure surface reflections from mixed signals from surface and tank floor reflections as well as signal forms in which both pure surfaces and pure tank bottom reflections occur. Signal forms based on mixed reflections are qualified as invalid. They are not included in the measurement.
Erfindungsgemäß wird die aufgezeichnete „Hüllkurve“ bzw. die Echokurve mittels einer intelligenten digitalen Signalverarbeitung auf ihre Signalform hin analysiert. Reflektierte Laserpulse unterschiedlichen Ursprungs lassen sich prinzipiell voneinander unterscheiden.According to the invention, the recorded "envelope" or the echo curve is analyzed for its signal shape by means of intelligent digital signal processing. Reflected laser pulses of different origin can in principle be distinguished from one another.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Abtastschaltung die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Laserpulse mit einer von der Grundfrequenz geringfügig abweichenden Abtastfrequenz derart abtastet, dass pro Laserpuls mehrere Abtastwerte erfasst und jeweils als Subechokurve abgespeichert werden, und
wobei die Regel-/Auswerteeinheit, die Subechokurven nach einem Messzyklus zu einer Gesamtechokurve zusammensetzt und anhand der Gesamtechokurve die IST-Signalform des an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Laserpulses ermittelt und analysiert. Wie bereits zuvor erwähnt, ist es natürlich auch möglich, die Abtastung auf eine alternative Art und Weise durchzuführen: z.B. über eine Echtzeitabtastung oder über eine Abtastung, wie sie von Mikrowellen-Füllstandsmessgeräten bereits bekannt ist. Die Vor- und Nachteile dieser Lösungen bezüglich der favorisierten Lösung sind in der
wherein the control / evaluation unit, the Subechokurven composed after a measurement cycle to a total technology curve and based on the total technology curve determines the actual waveform of the laser pulse reflected at the surface of the medium and analyzed. Of course, as previously mentioned, it is also possible to perform the sampling in an alternative manner: for example, via a real-time sampling or sampling, as already known from microwave level gauges. The advantages and disadvantages of these solutions with respect to the favored solution are in the
Darüber hinaus wird im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät vorgeschlagen, die Regel-/Auswerteeinheit so auszugestalten, dass sie Messwerte, die nicht zur Bestimmung des Füllstands herangezogen werden, als ungültig qualifiziert, und dass sie anhand der Anzahl der als ungültig qualifizierten Messwerte eine Aussage im Hinblick auf die Güte der Füllstandsbestimmung generiert.In addition, in connection with the level measuring device according to the invention, it is proposed that the control / evaluation unit be designed to invalidate measured values which are not used to determine the filling level, and to make a statement on the basis of the number of measured values qualified as invalid Generated with regard to the quality of the level determination.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts sieht vor, dass die Regel-/Auswerteeinheit so ausgestaltet ist, dass sie die Anzahl der zur Füllstandsmessung herangezogenen Messwerte in Relation zu der Anzahl der als ungültig qualifizierten Messwerte setzt und eine Warnmeldung generiert, wenn die Anzahl der als ungültig qualifizierten Messwerte eine vorgegebene oder vorgebbare Höchstgrenze überschreitet.An advantageous embodiment of the filling level measuring device according to the invention provides that the control / evaluation unit is configured such that it sets the number of measured values used for level measurement in relation to the number of measured values qualified as invalid and generates a warning message if the number of times is invalid qualified measured values exceeds a specified or specifiable upper limit.
Darüber hinaus lässt sich das Laserbasierte Füllstandsmessgerät mittels der nachfolgend genannten erfindungsgemäßen Ausrichtevorrichtung zu einem besonders vorteilhaften System zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter nach einem Laufzeitverfahren erweitern. Die Ausrichtevorrichtung ist so ausgestaltet, dass sie eine Ausrichtung des Füllstandsmessgeräts in eine für die jeweilige Anwendung optimale Messposition gestattet. In dieser optimalen Messposition ist das Füllstandsmessgerät so ausgerichtet, dass die ausgesendeten Laserpulse unter einem Winkel auf die Oberfläche des Füllguts auftreffen, unter dem die ermittelte Güte der Füllstandbestimmung maximal ist. Dies ist meist der Fall, wenn der an der Oberfläche des Füllguts reflektierte Signalanteil zumindest näherungsweise maximal ist.In addition, the laser-based level measuring device can be extended by means of the alignment device according to the invention mentioned below to a particularly advantageous system for determining the filling level of a filling material in a container according to a transit time method. The alignment device is designed so that it allows an alignment of the level gauge in an optimal for each application measurement position. In this optimum measuring position, the level gauge is aligned so that the emitted laser pulses impinge at an angle on the surface of the medium, below which the determined quality of the filling level determination is maximum. This is usually the case when the signal component reflected on the surface of the medium is at least approximately maximum.
Als besonders vorteilhaft wird es darüber hinaus angesehen, wenn ein für die Laserpulse im Wesentlichen transparentes Schauglas vorgesehen ist, das mit dem Füllstandsmessgerät über einen Verstellmechanismus gekoppelt ist, wobei das Füllstandsmessgerät und das Schauglas außerhalb des Behälters angeordnet sind, so dass die gesendeten und reflektierten Laserpulse das Schauglas auf ihrem Laufweg passieren.It is also considered to be particularly advantageous if a sight glass, which is substantially transparent to the laser pulses, is provided, which is coupled to the fill level gauge via an adjusting mechanism, wherein the fill level gauge and the sight glass are arranged outside the container, so that the transmitted and reflected laser pulses pass the sight glass on its way.
Weiterhin wir im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System vorgeschlagen, dass das Schauglas und das Füllstandsmessgerät bzw. das Schauglas mit dem gekoppelten Füllstandsmessgerät in einer Wandung des Behälters, bevorzugt im Bereich des Deckels, positioniert ist. Diese Lösung ist besonders vorteilhaft, wenn das Füllstandsmessgerät bei chemischen oder pharmazeutischen Herstellungsverfahren eingesetzt wird, da das Messgerät von dem eigentlichen Prozess durch das Schauglas getrennt ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass zwischen dem Schauglas und dem Füllstandsmessgerät ein Schwenkmechanismus vorgesehen ist, der so ausgestaltet ist, dass das Füllstandsmessgerät von dem Schauglas wegklappbar ist und dass bei Zurückklappen in die Messstellung die zuvor eingestellte Messposition wieder erreicht ist. Hierbei kann das Schauglas auch für die Inspektion des Behälterinnern durch das Bedienpersonal genutzt werden.Furthermore, we proposed in connection with the system according to the invention that the sight glass and the level gauge or the sight glass with the coupled level gauge in a wall of the container, preferably in the region of the lid, is positioned. This solution is particularly advantageous when the level gauge is used in chemical or pharmaceutical manufacturing processes, since the meter is separated from the actual process by the sight glass. It is further provided that a pivot mechanism is provided between the sight glass and the level gauge, which is designed so that the level gauge is folded away from the sight glass and that when folded back into the measuring position, the previously set measuring position is reached again. Here, the sight glass can also be used for the inspection of the container interior by the operator.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass zur Vermeidung bzw. Minimierung von Frontscheibenreflexen die Blockdistanz des Füllstandsmessgeräts so gewählt wird, dass sie innerhalb des Behälters und demnach hinter dem Schauglas liegt.In addition, it is proposed that to avoid or minimize windshield reflections the blocking distance of the level gauge is chosen so that it lies inside the container and therefore behind the sight glass.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass Laser-Füllstandmessgerät eine Anzeigeeinheit zugeordnet ist, auf der die Güte der Füllstandsbestimmung zur Anzeige kommt, die in der jeweiligen Ausrichteposition erreicht wird. Insbesondere wird auf der Anzeigeeinheit während des Ausrichtevorgangs die Ausrichteposition grafisch angezeigt, die das beste Messergebnis gebracht hat. Um das Füllstandsmessgerät in der optimalen Ausrichteposition bzw. Messposition zu arretieren, ist eine entsprechende Fixiervorrichtung vorgesehen.An advantageous development of the system according to the invention provides that the laser level gauge is associated with a display unit on which the quality of the level determination is displayed, which is achieved in the respective alignment position. In particular, on the display unit during the alignment process, the alignment position which has produced the best measurement result is graphically displayed. In order to lock the level gauge in the optimal alignment position or measuring position, a corresponding fixing device is provided.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows:
- a) außerhalb des Messbetriebs
- b) im Messbetrieb
- a) outside the measuring operation
- b) in measuring mode
Die Signalerzeugungseinheit
Die Laserpulse werden von der Sendeeinheit
Die an der Oberfläche des Füllguts bzw. am Behälterboden reflektierten Laserpulse werden nach einer von der Entfernung und daher vom Füllstand des Füllguts abhängigen Laufzeit in der Empfangseinheit
In Abhängigkeit von der gewünschten Auflösung bzw. Messgenauigkeit werden mehrere Subechokurven SEKx aufgenommen, wobei die Abtastwerte der einzelnen Subechokurven SEKx aufgrund der Grundfrequenz f, der Abtastfrequenz fS, der Differenzfrequenz fdiff und des Teilerfaktors TF jeweils zueinander um einen definiertes Zeitintervall ∆t verschoben sind. Bevorzugt beträgt der Teilerfaktor TF 1/2n, mit n = 1, 2, 3, ... Hierdurch wird eine optimale Ausnutzung des Speichers, der dem Mikroprozessor
Die
In
In
Typische Pulsbreiten von Lasern liegen beispielsweise im Bereich von 3–5 ns und haben damit eine räumliche Ausdehnung zwischen 0,9 m und 1,5 m. Somit ist bei niedrigen Füllständen bzw. kleinen Behältern statistisch eine häufige Signalvermischung sehr wahrscheinlich. Eine Messung, die nicht in der Lage ist, ungültige Mischsignale zu erkennen, liefert keine ausreichende Messgenauigkeit bei der Füllstandsmessung.Typical pulse widths of lasers are, for example, in the range of 3-5 ns and thus have a spatial extent between 0.9 m and 1.5 m. Thus, at low levels or small containers, statistically frequent signal mixing is very likely. A measurement that is unable to detect invalid mixed signals does not provide sufficient measurement accuracy in level measurement.
In den
Die
Die
Die in
Die
Wie bereits gesagt, haben der Eintrittswinkel der Laserpulse bzw. der Laserstrahlung und die Wellenlänge der Laserpulse bzw. der Laserstrahlung einen entscheidenden Einfluss darauf, ob ein Behälterbodenreflex entsteht oder nicht. Daher ist es im Zusammenhang mit einem Laserbasierten Füllstandsmessgerät sehr wichtig, die Laserstrahlung unter einen optimalen Einstrahlwinkel in Richtung des Füllguts auszusenden. In
Laserbasierte Verfahren und Vorrichtungen zur Füllstandmessung von klaren und stark absorbierenden Flüssigkeiten sind auf die direkte Reflexion der Laserstrahlung an der Flüssigkeitsoberfläche angewiesen. Hierbei ist zu beachten, dass die Absorption in der Flüssigkeit abhängig ist von der Wellenlänge der Laserstrahlung, während die direkte Reflexion an der Oberfläche der Flüssigkeit von der Wellenlänge der Laserstrahlung nicht beeinflusst wird.Laser-based methods and devices for level measurement of clear and strongly absorbing liquids rely on the direct reflection of the laser radiation at the liquid surface. It should be noted that the absorption in the liquid is dependent on the wavelength of the laser radiation, while the direct reflection on the surface of the liquid is not affected by the wavelength of the laser radiation.
An einer Flüssigkeitsoberfläche wird abhängig vom Einfallswinkel und den optischen Medieneigenschaften immer ein Teil der einfallenden Strahlung gebrochen und reflektiert. Damit der Anteil der von der Flüssigkeitsoberfläche zurückreflektierten Strahlung einen Maximalwert erreicht, ist es wichtig, die Laserstrahlung unter dem idealen Einfallswinkel – meist lotrecht – auf die Oberfläche zu richten. Insbesondere bei größeren Messdistanzen verursachen bereits kleine Winkeländerungen der einfallenden Laserstrahlung einen deutlichen Strahlungsverlust.Depending on the angle of incidence and the optical media properties, a portion of the incident radiation is always refracted and reflected at a liquid surface. In order for the proportion of the radiation reflected back from the surface of the liquid to reach a maximum value, it is important to direct the laser radiation to the surface at the ideal angle of incidence, usually perpendicularly. Even with larger measurement distances even small changes in angle of the incident laser radiation cause a significant radiation loss.
Zusätzlich besteht bei Verwendung gängiger Wellenlängen der Laserstrahlung das Problem, dass die Laserstrahlung die mehr oder weniger transparente Flüssigkeit durchdringt und am Behälterboden eine Reflexion erfährt. Dies führt zu der bereits beschriebenen Vermischung des Behälterboden- oder Wandreflexes mit dem Oberflächenreflex.In addition, when using common wavelengths of the laser radiation, there is the problem that the laser radiation penetrates the more or less transparent liquid and undergoes a reflection at the container bottom. This leads to the already described mixing of the container floor or wall reflex with the surface reflection.
Bekannte Füllstandsmessgeräte, deren Anordnungen bzw. Prozessanschlüsse und Behältergeometrien erlauben häufig keine gewünscht genaue Ausrichtung der einfallenden Strahlung. Bei Radarmessgeräten ist es bekannt, die Messstrahlung über einen verstellbaren Flansch auszurichten. Entsprechende Flanschanordnungen erfüllen nicht immer die geforderter Hygienerichtlinien und können daher nicht uneingeschränkt eingesetzt werden. Aufgrund der bereits erwähnten starken Winkelempfindlichkeit der Laserbasierten Füllstandsmesssysteme ist es einem Servicetechniker bzw. Kunden ohne weitere Hilfsmittel nicht möglich, eine präzise Ausrichtung des Laserstrahles manuell zu gewährleisten.Known level gauges, their arrangements or process connections and container geometries often do not allow a desired precise alignment of the incident radiation. In radar instruments, it is known to align the measuring radiation via an adjustable flange. Corresponding flange arrangements do not meet always the required hygiene guidelines and therefore can not be used without restriction. Due to the already mentioned high sensitivity of the laser-based level measurement systems, it is not possible for a service technician or customer without additional aids to ensure a precise alignment of the laser beam manually.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Laserbasierten Füllstandsmessung vorzuschlagen, das eine berührungslose, nicht intrusive Füllstandmessung auf transparenten Flüssigkeiten gewährleistet. Bevorzugt sollten die Hauptkomponenten des Systems außerhalb des Behälters
Beispiele für die Anzeige bzw. Benutzerführung einer lotrechten Ausrichtung des Laser-Füllstandmessgerätes sind in den
In den
- –
Eine Ausrichtvorrichtung 8 , die in der optimalen Position fixiert werden kann, sobald das Gerät justiert ist. Eine nachträgliche Dejustage wird dadurch vermieden. - –
Einen Schwenkmechanismus 13 , der ein Wegklappen des Füllstandsmessgeräts12 ermöglicht, wodurch das Sichtfeld des Schauglases10 wie gewöhnlich zur visuellen Inspektion des Behälterinnenraums freigegeben wird. Bei anschließendem Zurückschwenken,rastet das Füllstandsmessgerät 12 wieder in der ursprünglich eingestellten bzw. justierten optimalen Position ein. - – Die Blockdistanz der Optik des Füllstandsmessgeräts
12 wird so ausgelegt, dass die Laserpulse bzw. die Laserstrahlung erst innerhalb desBehälters 9 direkt auf dieEmpfangseinheit 2 abgebildet werden. Dargestellt ist dieser bevorzugt verwendete Fall in7 . Durch diese Auslegung der Optik wird das Auftreten von Reflexionen an der Frontscheibe des Schauglases10 minimiert.
- - An alignment device
8th , which can be fixed in the optimum position as soon as the device is adjusted. Subsequent misalignment is thereby avoided. - - A
swivel mechanism 13 , the folding away of thelevel gauge 12 allowing the field of view of thesight glass 10 as is usually released for visual inspection of the container interior. When subsequently swinging back, the level gauge locks12 again in the originally set or adjusted optimal position. - - The blocking distance of the optics of the
level gauge 12 is designed so that the laser pulses or the laser radiation only within thecontainer 9 directly to the receivingunit 2 be imaged. This preferred case is shown in FIG7 , Due to this design of the optics, the occurrence of reflections on the windscreen of thesight glass 10 minimized.
Bevorzugt verfügt das Füllstandsmessgerät
Bei der Beurteilung der Güte der Füllstandsmesssignale ist erfindungsgemäß nicht nur die empfangene Signalintensität entscheidend; es findet vielmehr eine qualitative Analyse der empfangenen Signale hinsichtlich ihrer Signalform und/oder hinsichtlich von zumindest einer vorgegebenen Signalcharakteristik statt. Ungültige Signale werden durch das Füllstandsmessgerät
Bekannte Laser-Füllstandmessgeräte können hingegen – wie bereits zuvor beschrieben – nicht zwischen gültigen und ungültigen Signalen unterscheiden, da sich deren Signalintensitäten oftmals überhaupt nicht unterscheiden.On the other hand, as already described above, known laser level measuring devices can not differentiate between valid and invalid signals, since their signal intensities often do not differ at all.
In Bezug auf die Signalgüte können mehrere Kriterien herangezogen werden. Beispielhaft sind einige nachfolgend genannt:
- – Die Beurteilung erfolgt auf der Basis der empfangenen Signalintensität: Je höher die empfangene Signalintensität ist, desto höher ist die Güte der Füllstandsmessung. Der Nachteil bei dieser Art der Auswertung ist darin zu sehen, dass durchaus auch ungültige Signale, z.B. Mischsignale von Behälterboden- und Oberflächenreflexen akzeptiert werden, was zur Ausgabe von fehlerhaften Messwerten führt.
- – Die Bewertung erfolgt auf der Grundlage der Signalform des Laserpulses: Die höchste Güte hat ein Signal, das weitgehend dem Idealbild einer Direktreflexion ohne Mischeffekte durch Behälterboden- oder Wandeffekte entspricht. Sind zwei Signale bezüglich der Signalform gleichwertig, so hat das Signal mit der höheren Intensität auch die höhere Güte.
- – Die Beurteilung erfolgt auf der Basis der Anzahl gültiger und ungültiger Signale:
In einer bevorzugten Ausführung werden hierbei pro Messgeräteposition mehrere Signale aufgenommen und auf Ihre Gültigkeit hin überprüft. Je höher der Anteil der gültigen Signale während eines definierten Zeitraums an der Gesamtzahl der Signale ist, desto höher ist die Signalgüte und desto günstiger ist die gewählte Ausrichtung des Füllstandsmessgeräts
12 für die Messung. Erfolgt die Bewertung auf der Basis der Signalintensität, so muss ein als gültig bewertetes Signal einen festgelegten Schwellwert überschreiten. - – Die Beurteilung erfolgt auf der Basis statistischer Werte, wie z.B. komplexe Histogrammanalysen oder Beurteilung der Varianzen und Mittelwerte von Bewertungskriterien.
- - The assessment is made on the basis of the received signal intensity: the higher the received signal intensity, the higher the quality of the level measurement. The disadvantage of this type of evaluation is the fact that even invalid signals, eg mixed signals from container bottom and surface reflections are accepted, which leads to the output of erroneous measured values.
- - The evaluation is based on the waveform of the laser pulse: The highest quality has a signal that largely corresponds to the ideal image of a direct reflection without mixing effects by container bottom or wall effects. If two signals are equivalent with respect to the signal shape, then the signal with the higher intensity also has the higher quality.
- - The assessment is based on the number of valid and invalid signals: In a preferred embodiment, several signals are recorded for each measuring device position and checked for their validity. The higher the proportion of valid signals over a defined period of time in the total number of signals, the higher the signal quality and the more favorable the selected orientation of the
signal level Device 12 for the measurement. If the evaluation is based on the signal intensity, a validated signal must exceed a specified threshold. - - The assessment is based on statistical values, such as complex histogram analysis or assessment of variances and mean values of evaluation criteria.
Als Fazit bleibt festzuhalten: Über die Signalformen der Laserpulse lassen sich gültige von ungültigen Füllstandmessignalen anhand festgelegter Kriterien unterscheiden.In conclusion, it should be noted that the signal shapes of the laser pulses can be used to distinguish valid from invalid level signals based on defined criteria.
Nachfolgend werden noch einige vorteilhafte Weiterentwicklungen der Lösung bzw. Alternativlösungen vorgestellt:
Das Füllstandsmessgerät
The
In einigen Fällen kann es vorkommen, dass die lotrechte Messposition nicht die optimale Messposition ist. In solchen Fällen wird eine Kombination von Lageerkennung mittels eines Lagesensors und Auswertung der Signalgüte vorgeschlagen. Eine entsprechende Kombination ist auch vorgesehen, wenn eine Kalibrierung der Laseroptik auf den Lagesensor unerwünscht ist.In some cases, it may happen that the vertical measurement position is not the optimal measurement position. In such cases, a combination of position detection by means of a position sensor and evaluation of the signal quality is proposed. A corresponding combination is also provided when calibration of the laser optics to the position sensor is undesirable.
Hierzu wird das Füllstandsmessgerät
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems sind nachfolgend noch einmal zusammengefasst:
- – Das System ist zur nicht intrusiven Füllstandmessung geeignet;
- – Die Anordnung erlaubt die die optimale Ausrichtung eines Laserbasierten Füllstandmessgerätes
12 bei der Füllstandsmessung auf insbesondere transparenten Flüssigkeiten ohne diffus streuende Schwebeteilchen bzw. Partikel. - – Das System ermöglicht den Einsatz der Laser-Füllstandmessung bei transparenten Flüssigkeiten, z.B. für Produktions- und Abfüllprozesse in der Pharma- und Lebensmittelindustrie.
- – Grundlegende Erhöhung der Messgenauigkeit von Laserbasierten Füllstandmessgeräten aufgrund der Ausfilterung ungültiger Signale und aufgrund der Auswertung der Signalgüte auf Basis der Signalform bzw. der daraus abgeleiteten Signalcharakterstik.
- - The system is suitable for non-intrusive level measurement;
- - The arrangement allows the optimal alignment of a laser-based
level gauge 12 in the level measurement on in particular transparent liquids without diffusely scattering suspended particles or particles. - - The system enables the use of laser level measurement in transparent liquids, eg for production and filling processes in the pharmaceutical and food industry.
- - Fundamental increase in the measuring accuracy of laser-based level measuring instruments due to the filtering of invalid signals and due to the evaluation of the signal quality based on the signal shape or the signal characteristic derived therefrom.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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