DE102012112749A1

DE102012112749A1 - Verfahren zur Auswertung von Messsignalen eines Füllstandsmessgeräts

Info

Publication number: DE102012112749A1
Application number: DE102012112749.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Gorenflo; Alexey Malinovskiy; Piotr Paczoski; Herbert Schroth; Dietmar Spanke; Mariusz Szwagrzyk
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-07-10
Also published as: US20150323370A1; WO2014095410A3; WO2014095410A2; DE102012112749A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Messsignalen eines nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräts (5), umfassend die Schritte, Aussenden eines Sendesignals (S) in Richtung eines Füllguts (1), Empfangen eines Echosignals (E) des Sendesignals (S), Ermitteln eines Füllstands (F) des Füllguts (1) nach dem Laufzeitprinzip des Echosignals (E), Bestimmen mindestens eines Parameters des Echosignals (E), Speichern der Werte des mindestens einen Parameters und des korrespondierenden Füllstands (F) in einer ersten Tabelle, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter eine Phasenlage des Echosignals (E), und/oder eine Geschwindigkeit mit welcher sich eine Höhe des Füllguts (1) in dem Behälter (3) ändert, und/oder eine Amplitudenänderung des Echosignals (E), und/oder eine Temperatur des Füllguts (1) und/oder eine Temperaturänderung des Füllguts (1), und/oder eine Änderung der Amplitudenänderung des Echosignals (E), ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Messsignalen eines nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräts und ein korrespondierende Füllstandsmessgerät.
Eine bekannte Messmethode aus einer Vielzahl von Messmethoden zur Ermittlung des Füllstands in einem Behälter ist die Laufzeit-Messmethode. Bei dieser Messmethode werden beispielsweise Mikrowellen über eine Antennenvorrichtung ausgesendet und die an dem Füllstand reflektierten Echosignalen detektiert, wobei die Laufzeit des Messsignals ein Maß für den Abstand ist. Aus der halben Laufzeit lässt sich demgemäß der Füllstand des Mediums in einem Behälter ermitteln. Die Echokurve stellt hierbei den gesamten Signalverlauf als Funktion der Zeit dar, wobei jeder Messwert der Echokurve der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand an einer Oberfläche reflektierten Echosignals entspricht. Die Laufzeit-Messmethode wird im Wesentlichen in zwei Ermittlungsverfahren eingeteilt: Bei der Zeitdifferenzmessung wird die Zeit, die ein breitbandiger Wellensignalimpuls für eine zurückgelegte Wegstrecke benötigt, ermittelt. Bei der Kippfrequenzdifferenzmessung (FMCW – Frequency-Modulated Continuous Wave) wird das ausgesendete, frequenzmodulierte Hochfrequenzsignal zum reflektierten, empfangenen, frequenzmodulierten Hochfrequenzsignal ermittelt. Im Weiteren wird keine Beschränkung auf ein spezielles Ermittlungsverfahren gemacht. Füllstandsmessgeräte, die ein Laufzeitverfahren nutzen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung Microplot oder Levelflex angeboten und vertrieben.
Die EP 2 418 465 A1 beschreibt eine Füllstandmessung und insbesondere eine Elektronikeinheit zur Ermittlung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Füllstand und der Amplitude eines von dem Füllstand reflektierten und von dem Füllstandmessgerät empfangenen Echosignals. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Füllstandbestimmung erhöht werden.
Ein Zusammenhang zwischen der Amplitude des empfangenen Echosignals und dem Füllstand ist in vielen Fällen nicht genau genug, um den Füllstand mit der gewünschten Genauigkeit zu bestimmen. Insbesondere ist die Bestimmung des Füllstands umso ungenauer je mehr Zeit zwischen den Messungen vergeht, weil sich Belag bzw. Ansatz auf der Antennenvorrichtung sammelt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Füllstandsmessgerät bereitzustellen, die es erlauben, den Füllstand des Füllguts mit einer hohen Genauigkeit zu bestimmen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung von Messsignalen eines nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräts gelöst. Das Verfahren umfasst die Schritte, Aussenden eines Sendesignals in Richtung eines Füllguts, Empfangen eines Echosignals des Sendesignals, Ermitteln eines Füllstands des Füllguts nach dem Laufzeitprinzip des Echosignals, Bestimmen mindestens eines Parameters des Echosignals, Speichern der Werte des mindestens einen Parameters und des korrespondierenden Füllstands in einer ersten Tabelle, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter eine Phasenlage des Echosignals, und/oder eine Geschwindigkeit mit welcher sich eine Höhe des Füllguts in dem Behälter ändert, und/oder eine Amplitudenänderung des Echosignals, und/oder eine Temperatur des Füllguts und/oder eine Temperaturänderung des Füllguts, und/oder eine Änderung der Amplitudenänderung des Echosignals, ist.
Aus der Amplitudenänderung des Echosignals als Funktion des Füllstands kann auf die Art der Installation geschlossen werden. Insbesondere kann darauf geschlossen werden, ob es sich bei dem Behälter um ein Messrohr, insbesondere einen Bypass, ein Schwallrohr oder ein Freifeld handelt.
Aus der Phasenlage und/oder den Verlauf der Phasenlage bzw. der Änderung der Phasenlage des Echosignals als Funktion des Füllstands kann auf einen wechselnden Durchmesser des Behälters, geschlossen werden. Ein wechselnder Durchmesser kann z. B. durch eine Verstopfung oder bestimmte Störer, wie z. B. Rührflügel oder Wechten, zustande kommen. Ferner kann die Phasenlage für eine hochgenaue Bestimmung des Füllstands herangezogen werden.
Aus der Geschwindigkeit mit welcher sich eine Höhe des Füllguts in dem Behälter ändert als Funktion des Füllguts kann eine Diagnose zur Erkennung von Belag oder Ansatz auf einem Sende-/Empfänger bzw. einer Sonde zum Führen der Radarwellen erstellt werden. Ferner ist möglich verstopfte Zu- und Abläufe zu erkennen.
Aus der Änderung der Amplitudenänderung des Echosignals als Funktion des Füllstands, ist es möglich gewisse Prozesseigenschaften zu identifizieren und entsprechende Algorithmen adaptiv anzuwenden. Eine Änderung der Amplitudenänderung ist ein Indiz für mindestens einen veränderten Prozessparameter.
Auf diese Weise lassen sich Prozessfehler, wie eine Verstopfung des Schwallrohrs, ein „Absaufen“ einer Einkopplung, Messfehler durch Verflüchtigen des Füllguts in eine Gasphase, Störer, die zeitlich veränderlich sind, wie z. B. Rührflügel oder Wechten im Behälter, erkennen.
Gemäß einer Weiterbildung wird nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums, nachdem die erste Tabelle erstellt wurde, eine zweite Tabelle erstellt und bei einem bestimmten Füllstand werden die zu diesem Füllstand korrespondierenden Werte des einen Parameters aus der ersten Tabelle und aus der zweiten Tabelle verglichen, um festzustellen wie groß eine Abweichung ist.
Der vorgegebene Zeitraum kann mehrere Tage, bevorzugt mehrere Wochen, besonders bevorzugt mehrere Monate, ganz besonders bevorzugt mehrere Jahre betragen.
Durch einen Vergleich einer ersten Tabelle und einer zweiten Tabelle lassen sich Veränderungen bezüglich der Werte der ersten Tabelle feststellen. Die Unterschiede in den Werten der Tabellen sind umso größer, je größer der Zeitraum zwischen der Aufnahme der ersten und der zweiten Tabelle ist. Übersteigt die Differenz einen vorgegebenen Tolleranzwert, so wird ein Signal oder ein Alarm ausgelöst.
Eine Abweichung ist dann nicht mehr tollerierbar, wenn bei einem bestimmten Füllstand, die korrespondierenden Werte des einen Parameters aus der ersten und der zweiten Tabelle zu diesem Füllstand um mehr als 15 %, bevorzugt um mehr als 10 %, besonders bevorzugt um mehr als 5 % abweichen. Wird eine zu große Abweichung festgestellt, so wird beispielsweise ein Alarm ausgelöst.
Auf diese Weise lassen sich ebenfalls Prozessfehler, wie die Verstopfung des Schwallrohrs, „Absaufen“ der Einkopplung, Messfehler durch Bildung einer Gasphase aus dem Füllmedium, zeitlich veränderliche Störer wie, z. B. Rührflügel oder Wächten noch, genauer erkennen.
Gemäß einer Weiterbildung wird bei Auftreten von einer vorgegebenen Abweichung eines der Werte des mindestens einen Parameters bei demselben Füllstand zwischen der ersten Tabelle und der zweiten Tabelle eine Reinigung des Füllstandsmessgeräts, insbesondere eines Sende-/Empfängers des Füllstandsmessgeräts, durchgeführt.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Reinigung eine Spülung, insbesondere eine Luftspülung.
Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch ein Füllstandsmessgerät, insbesondere ein Füllstandsmessgerät für das erfindungsgemäße Verfahren, gelöst. Es umfasst einen Sende-/Empfänger, der Sendesignale in Richtung eines Füllguts aussenden und Echosignale empfangen kann, eine Signalverarbeitung, zur Bestimmung des Füllstands des Füllguts nach dem Laufzeitprinzip aus mindestens einen Parameter des Echosignals, eine Speichereinheit, zum Speichern der Werte des mindestens einen Parameters des Echosignals und den korrespondierenden Füllstand in einer Tabelle, wobei der mindestens eine Parameter eine Phasenlage, und/oder eine Geschwindigkeit, mit welcher sich eine Höhe des Füllguts in dem Behälter ändert, und/oder eine Amplitudenänderung, und/oder eine Temperatur und/oder eine Temperaturänderung des Füllguts, und/oder eine Änderung der Amplitudenänderung, ist.
Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten im Folgenden, mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt
1: eine Anordnung zur Füllstandsmessung mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät,
2: ein Ablaufdiagram zum Erstellen einer Tabelle aus den ermittelten Phasenlagen und die korrespondierenden Füllständen nach dem Stand der Technik,
3: ein Ablaufdiagram zum Vergleichen einer ersten mit einer zweiten Tabelle, die nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums aufgenommen wurde.
1 zeigt eine Anordnung zur Füllstandsmessung nach dem Stand der Technik. Es ist ein mit einem Füllgut 1 gefüllter Behälter 3 dargestellt. Im oberen Bereich des Behälters 3 ist ein nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät 5 angeordnet. Als Füllstandsmessgerät 5 eignet sich z.B. ein mit Mikrowellen oder ein mit Ultraschall arbeitendes Füllstandsmessgerät. Das Füllstandsmessgerät 5 dient dazu, einen Füllstand F des Füllguts 1 im Behälter 3 zu messen. In dem Behälter 3 ist exemplarisch ein Störer 2 eingezeichnet. Störer 2 sind z.B. Einbauten im Behälter 3, Rührwerke und natürlich jede andere Struktur, an der Reflektionen auftreten können.
Das Füllstandsmessgerät 5 weist mindestens ein Sende-/Empfänger 7 zum Senden von Sendesignalen S und zum Empfangen von Echosignalen E auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein einziger Sende-/Empfänger 7 vorgesehen, der sowohl sendet als auch empfängt. Alternativ können aber auch ein Sende-/Empfänger zum Senden und mindestens ein weiterer Sende-/Empfänger zum Empfangen vorgesehen sein. Alternativ kann auch anstelle des Sende-/Empfänger 7 eine Sonde 8, in Form eines Wellenleiters vorhanden sein, auf dem die Sendesignalen S und Echosignalen E geführt werden können.
Die Sendesignale S werden in Richtung des Füllguts 1 gesendet und an der Oberfläche des Füllguts 1, aber auch am Behälter 3 und an im Behälter 3 befindlichen Störern 2 reflektiert. Die Überlagerung dieser Reflektionen bildet das Echosignal E. Bei der Füllstandsmessung nach dem Laufzeitprinzip werden periodisch Sendesignale S, z.B. Mikrowellen- oder Ultraschallpulse, in Richtung eines Füllguts 1 ausgesendet. Die Echosignale E der Sendepulse S werden aufgenommen und einer Signalverarbeitung 4 zugeführt, die dazu dient aus den empfangenen Echosignalen E eine Echofunktion abzuleiten, welche die Amplituden A der Echosignale E in Abhängigkeit von deren Laufzeit t enthält.
2 zeigt wie eine Tabelle aus den ermittelten Phasenlagen und den korrespondierenden Füllständen nach dem Stand der Technik erstellt wird. Zuerst wird mittels des Sende-/Empfängers 7 das Sendesignal S in Richtung des Füllguts 1 ausgesendet. Das Sendesignal S wird an dem Füllstand F reflektiert und kehrt als Echosignal S zurück und wird vom Sende-/Empfänger 7 empfangen (siehe Block 9). Die Signalverarbeitung 4 ermittelt die Phasenlage P und den korrespondierenden Füllstand F als ein Wertepaar (P, F) (siehe Block 10) und speichert dieses Wertepaar (P, F) in dem Speicher 6 (siehe Block 11).
3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren. Innerhalb einer ersten Zeitspanne wird eine erste Folge aus Wertepaaren (P_i0, F_i0) mit i = 1, 2, 3 ... aufgenommen und in einer ersten Tabelle gespeichert (siehe Block 12). Nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums T, wird innerhalb einer zweiten Zeitspanne eine zweite Folge aus Wertepaaren (P_jT, F_jT) mit j = 1, 2, 3 ... aufgenommen (siehe Block 13), wobei die erste und die zweite Zeitspanne im Vergleich zu dem Zeitraum T gering sind.
Stimmt einer der Füllstände F_i0, beispielsweise F₃₀, aus der ersten Folge von Wertepaaren (P_i0, F_i0), mit einem der Füllstände F_jT, beispielsweise F_2T, aus der zweiten Folge von Wertepaaren (P_jT, F_jT) innerhalb einer Fehlergrenze von 5 % überein (siehe Block 14), werden die Phasenlagen P₃₀ und P_2T aus der ersten und der zweiten Folge von Wertepaaren (P_i0, F_i0) bzw. (P_jT, F_jT), die zu den Füllständen F₃₀ bzw. F_2T korrespondieren, verglichen. Stimmen die Phasenlagen P₃₀ und P_2T innerhalb einer Fehlergrenze von 5 % überein (siehe Block 15), können weitere Wertepaare (P_iT, F_jT) aufgenommen werden, anderenfalls wird eine Reinigung in Gang gesetzt (siehe Block 16).
Das erfindungsgemäße Verfahren, dass in 3 mittels eines Ablaufdiagramms dargestellt ist, ist nicht nur auf die Phasenlage des Echosignals beschränkt. Es können weitere Parameter, wie z. B. die Geschwindigkeit mit welcher sich eine Höhe des Füllguts 1 in dem Behälter 3 ändert, und/oder eine Amplitudenänderung des Echosignals E, und/oder eine Temperatur des Füllguts 1 und/oder eine Temperaturänderung des Füllguts 1, und/oder eine Änderung der Amplitudenänderung des Echosignals E, anstelle der Phasenlage als Funktion des Füllstandes ermittelt und zur Analyse herangezogen werden.
Bezugszeichenliste

1: Füllgut
2: Störer
3: Behälter
4: Signalverarbeitung
5: Füllstandsmessgerät
6: Speicher
7: Sende-/Empfänger
8: Sonde
S: Sendesignal
F: Füllstand
E: Echosignal
P: Phasenlage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2418465 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Auswertung von Messsignalen eines nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräts (5), umfassend die Schritte, Aussenden eines Sendesignals (S) in Richtung eines Füllguts (1), Empfangen eines Echosignals (E) des Sendesignals (S), Ermitteln eines Füllstands (F) des Füllguts (1) nach dem Laufzeitprinzip des Echosignals (E), Bestimmen mindestens eines Parameters des Echosignals (E), Speichern der Werte des mindestens einen Parameters und des korrespondierenden Füllstands (F) in einer ersten Tabelle, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter eine Phasenlage des Echosignals (E), und/oder eine Geschwindigkeit mit welcher sich eine Höhe des Füllguts (1) in dem Behälter (3) ändert, und/oder eine Amplitudenänderung des Echosignals (E), und/oder eine Temperatur des Füllguts (1) und/oder eine Temperaturänderung des Füllguts (1), und/oder eine Änderung der Amplitudenänderung des Echosignals (E), ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums, nachdem die erste Tabelle erstellt wurde, eine zweite Tabelle erstellt wird, und dass bei einem bestimmten Füllstand (F) die zu diesem Füllstand (F) korrespondierenden Werte des einen Parameters aus der ersten Tabelle und aus der zweiten Tabelle verglichen werden, um festzustellen wie groß eine Abweichung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten von einer vorgegebenen Abweichung eines der Werte des mindestens einen Parameters bei demselben Füllstand (F) zwischen der ersten Tabelle und der zweiten Tabelle eine Reinigung des Füllstandsmessgeräts (5), insbesondere eines Sende-/Empfängers (7) des Füllstandsmessgeräts (5), durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung eine Spülung, insbesondere eine Luftspülung ist.
Füllstandsmessgerät, insbesondere ein Füllstandsmessgerät (5) für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend ein Sende-/Empfänger (7), der Sendesignale (S) in Richtung eines Füllguts (1) aussenden und Echosignale (E) empfangen kann, eine Signalverarbeitung (4), zur Bestimmung des Füllstands (F) des Füllguts (1) nach dem Laufzeitprinzip aus mindestens ein Parameter des Echosignals (E), ein Speicher, zum Speichern der Werte des mindestens einen Parameters des Echosignals (E) und den korrespondierenden Füllstand (F) in einer Tabelle, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter eine Phasenlage des Echosignals (E), und/oder eine Geschwindigkeit mit welcher sich eine Höhe des Füllguts (1) in dem Behälter (3) ändert, und/oder eine Amplitudenänderung des Echosignals (E), und/oder eine Temperatur des Füllguts (1) und/oder eine Temperaturänderung des Füllguts (1), und/oder eine Änderung der Amplitudenänderung des Echosignals (E), ist.