DE102013114737A1

DE102013114737A1 - Laser-basierte Füllstandsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102013114737A1
Application number: DE102013114737.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Seiler; Jan Schleiferböck; Mingzheng Jiang
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-25
Also published as: WO2015090770A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laser-basierte Füllstandsmessvorrichtung (1) zur Erfassung eines Füllstands in einem Behälter (2), wobei die Füllstandmessvorrichtung (1) eine Auswerteeinheit (21) aufweist, welche aus einer Signallaufzeit des Laserlichtsignals (5, 8) einen Füllstand bezogenen Messwert ableitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (21) dazu dient eine Häufigkeitsverteilung (13) anzulegen, indem die Auswerteeinheit (21) die Messwerte in vordefinierte Klassen einteilt, und dass die Auswerteeinheit (21) ferner dazu dient, die Häufigkeitsverteilung (13) mit einem Kurvenanpassungsalgorithmus zu analysieren, um einen Füllstandswert zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laser-basierte Füllstandsmessvorrichtung zur Erfassung eines Füllstands in einem Behälter, wobei die Füllstandmessvorrichtung eine Auswerteeinheit aufweist, welche aus einer Signallaufzeit des Laserlichtsignals einen Füllstand bezogenen Messwert ableitet.
Heute bekannte Laser-basierte Produkte und Verfahren zur Füllstandmessung funktionieren bei der Messung von transparenten Flüssigkeiten auf Wasserbasis schlecht oder überhaupt nicht, da der Laserstrahl jeweils das Medium vollständig oder teilweise durchdringt und auf dem Behälterboden eine Reflexion erzeugt.
Insbesondere in Edelstahltanks ist dabei die direkte Reflexion am Behälterboden im Vergleich zur gestreuten Rückstrahlung oder Remission des Mediums sehr stark, und führt somit zu einem falschen Füllstandswert. Zudem kommt es aufgrund der räumlich sehr breiten Laserpulse von typischerweise 1–2 Metern häufig zu einer Vermischung der Reflexionen vom Behälterboden und der Flüssigkeitsoberfläche. Das ist insbesondere der Fall wenn der Füllstand niedrig bzw. nicht weit entfernt vom Behälterboden ist.
Klare Flüssigkeiten basieren in den häufigsten Fällen auf Wasser und enthalten oft keine oder zu wenig Schwebeteilchen, für eine ausreichende Remission an der Flüssigkeitsoberfläche. Jedoch sind Laser-Verfahren zur Füllstandmessung von klaren Flüssigkeiten auf die direkte Reflexion des Lichtes auf der Flüssigkeitsoberfläche angewiesen.
Heute auf dem Markt verfügbare Laser-basierte Messvorrichtungen zur Füllstandmessung sind nicht für Flüssigkeit-Füllstandsbestimmung geeignet. Insbesondere im Zusammenhang mit transparenten bzw. klaren Flüssigkeiten, z.B. für Produktions- und Abfüllprozesse in der Pharma und Lebensmittelindustrie, werden bestimmte optische Eigenschaften eines Laserlichts wie schwache Reflexionen bzw. Remissionen von Medienoberflächen oder die zusätzliche Reflexionen bzw. Remissionen vom Behälterboden oder tiefer liegenden Schichten nicht berücksichtigt. Daher sind die heute verfügbaren Vorrichtungen zur Laser-Füllstandmessung auf Basis der Laufzeitmessung nicht in der Lage zwischen Behälterboden und vermischten sowie unvermischten Oberflächensignalen zu unterscheiden.
Es gibt verschiedene bekannte Verfahren zur Laufzeitbestimmung eines Füllstands. Im einfachsten Fall wird die Zeitspanne vom Start eines Laserpulses bis zu dem Zeitpunkt, indem die Intensität der reflektierten Laserpulse eine Schwelle bzw. Schwellwert in einem Empfängerelement überschreitet, gemessen. Weiterhin sind Verfahren zur Abtastung eines Reflexionssignals bekannt. Es wird auf die noch nicht offenbarte DE 10 2012 106 149.1 verwiesen, die ausdrücklich Bestandteil dieser Offenbarung sein soll. In dieser Anmeldung ist ein Verfahren zur Abtastung und Zusammensetzung einer Hüllkurve eines Reflexionssignals beschrieben. Überlagert sich jedoch ein Signalanteil, der von der Medienoberfläche reflektiert wurde, mit einem Signalanteil, der vom Behälterboden reflektiert wurde, sind die zwei Signalanteile mittels dieses Verfahrens nicht zu unterscheiden. Ein Messgerät, das dieses Verfahren verwendet, liefert in diesem Fall einen Füllstandswert, der von der tatsächlichen Oberflächendistanz abweichend ist, indem der meist zum Behälterboden hin verschoben ist.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Laser-basierte Füllstandsmessvorrichtung, die nach dem Laufzeitprinzip arbeitet, zu realisieren, die eine zuverlässige Füllstandswert für klaren Flüssigkeiten liefert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Laser-basierte Füllstandsmessvorrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 8, Verwendungen nach Ansprüche 14 und 15, ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 16 und ein Datenträger nach Anspruch 17.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Laser-basierte Füllstandsmessvorrichtung zur Erfassung eines Füllstands in einem Behälter, wobei die Füllstandmessvorrichtung eine Auswerteeinheit aufweist, welche aus einer Signallaufzeit des Laserlichtsignals einen Füllstand bezogenen Messwert ableitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu dient eine Häufigkeitsverteilung anzulegen, indem die Auswerteeinheit die Messwerte in vordefinierte Klassen einteilt, und dass die Auswerteeinheit ferner dazu dient, die Häufigkeitsverteilung mit einem Kurvenanpassungsalgorithmus zu analysieren, um einen Füllstandswert zu bestimmen.
Die Füllstandsmessvorrichtung kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Die Füllstandsmessvorrichtung beispielsweise kann folgendes aufweisen:
eine Sendeeinheit zum Senden eines Sendelichtsignals im Pulsbetrieb, und
eine Empfangseinheit zum Empfangen eines Empfangslichtsignals, das einen reflektierten Anteil des Sendelichtsignals umfasst.
Die Füllstandsmessvorrichtung kann auch bspw. eine Speichereinheit zum Hinterlegen von mehreren Füllstandswerten aufweisen.
Die Füllstandsmessvorrichtung kann auch bspw. so ausgelegt sein, dass die Auswerteeinheit aus einer Sendezeit des Sendelichtsignals und einer Empfangszeit des Empfangslichtsignals die Signallaufzeit des Laserlichtsignals erfasst.
Die Auswerteeinheit kann direkt in ein Gehäuse mit der Sendeeinheit und/oder Empfangseinheit eingebaut werden. Aber es ist ebenso möglich, dass die Auswerteeinheit räumliche von den anderen Elementen der Füllstandsmessvorrichtung getrennt ist. In diesem Fall wäre es möglich, dass die Auswerteeinheit mit den anderen Elementen der Füllstandsmessvorrichtung über ein Bussystem kommuniziert. Die hier genannten anderen Elemente sind beispielsweise eine Sendeeinheit und/oder eine Empfangseinheit. Ein anderes Kommunikationsmittel als ein Bussystem wäre auch für den Austausch von Informationen möglich.
In einer ersten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung dient die Auswerteeinheit dazu die Anzahl von vorhandenen Ansammlungen von Messwerten in Klassen in der Häufigkeitsverteilung zu bestimmen, und dass die Auswerteeinheit weiterhin dazu dient eine Breite jeder Ansammlung anhand eines Kriteriums zu bewerten, um somit zu beurteilen, ob die Häufigkeitsverteilung ein eindeutiges Signal oder gestörtes Signal enthält.
Die Auswerteeinheit dient dazu, die Ansammlung der geringsten Messwert entsprechenden Distanz in der Häufigkeitsverteilung zu erkennen und einem Grenzfläche zuzuschreiben. Weiter wird diese Ansammlung anhand verschiedene wenigstens eins oder mehrere Kriterien beurteilt, ob diese einem einzigen Ziel entspricht, oder eine Mischungung meherer Ziele von z.B. Füllstand und Tankboden darstellt.
Unter Breite kann beispielsweise eine vorgegeben Anzahl an links- und/oder rechtseitigen Nachbarklassen, insbesondere unmittelbare Nachbarklassen, verstanden werden, beispielsweise 3 Nachbarklassen.
Ein Kriterium zur Erkennung von vermischten Ansammlung in einer Häufigkeitsverteilung kann das Bestimmtheitsmaß zwischen einem, mit Hilfe eines Kurvenanpassungsalgorithmus angepassten Modells einer Häufigkeitsverteilung und der zu beurteilenden Ansammlung sein. Als Modell kann im speziellen ein Gaußmodell Anwendung finden. Ein weiteres Kriterium stellt das Maß der Fehlerquadrate oder der Korrelationskoeffizient zwischen Ansammlung und angepasstem Modell dar.
Im speziellen kann im Falle eines Messdistanzrauschens, das durch eine Füllstandsoberflächenbewegung bedingt ist, ein Kriterium in Form von wenigsten eines Grenzwertes festgelegt oder in Form wenigstens einer berechenbaren Größe, wie zum Beispiel der Breite der Ansammlung der gerinsten eingeteilter Messwert entsprechende Distanz bzw. die Standartabweichung des zu grunde liegenden statistischen Prozesses, bestimmt oder berechnet werden.
Die entsprechend definierte Breite einer Ansammlung oder die Standarabweichung kann weiterhin als Qualitätskriterium des Messsignals dienen und bspw. ausgegeben werden. Ist beispielsweise nur eine Ansammlung vorhanden, kann diese Ansammlung schmal und spitz sein oder entsprechend verbreitert sein, je nachdem wie die für die Anwendung spezifische Breite definiert wird. Eine schmale, spitze Ansammlung bedeutet ein eindeutiges Signal ohne Bodenreflex bzw. Behälterboden bezogene Messwerte. In diesem Fall funktioniert die Füllstandsmessvorrichtung mit der besten Genauigkeit. Eine breite Ansammlung indiziert dagegen ein gestörtes bzw. vermischtes Signal. In diesem Fall sind potentiell Genauigkeitseinbußen vorhanden.
Damit können auch turbulente Oberflächen von glatten Oberflächen unterschieden werden.
Sind zwei oder mehrere eindeutige Ansammlungen vorhanden, sind Signale mehrerer Ziele wie z.B. Behälterboden und Oberfläche des Füllguts vorhanden, die jedoch eindeutig getrennt sind. Daher gibt es in diesem Fall keine größere Beeinflussung der Genauigkeit. Es ist somit ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens, dassder Füllstandeswert anhand der ersten Ansammlung, insbesondere von der Position, abgeleitet wird.
Einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung sieht vor, dass die Auswerteeinheit den Kurvenanpassungsalgorithmus derart ausführt, dass nur eine ansteigende Flanke der Häufigkeitsverteilung beim Kurvenanpassen berücksichtigt wird, und dass die angepasste Kurve für die weitere Auswertung und damit Positionsbestimmung des Füllstandes verwendet wird. Für den Fall, dass mehrere Ansammlungen vorhanden sind, werden die ansteigenden Flanken berücksichtigt.
Eine ansteigende Flanke umfasst mindestens ein ersten Punkt, der einen ersten Anzahl von Messwerten in einer ersten Klassen entspricht, und mindests ein zweiten Punkt, der einen zweiten Anzahl von Messwerten in einen zweiten Klasse entspricht und/oder zwei Punkte eines kurvenangepassten Modells, die einer geringeren Distanz entsprechen als die Distanz der Klasse mit den meisten eingeteilten Messwerten bzw. die Distanz der Klasse mit mehr eingeteilten Messwerten als die Klassen, die unmittelbar benachbart sind.
Die Weiterbildung ist insbesondere Vorteilhaft für den Fall, dass nur breite Ansammlungen vorhanden sind. Eine breite Ansammlung entspricht herkömmlich einer ungenauen Füllstandsbestimmung. Die Weiterbildung ermöglicht zuverlässige Füllstandsbestimmungen auch bei teilweise vorhandenen Mischsignalen aus Behälterboden und Oberflächenreflexen. Beispielsweise können Füllstandsbestimmungen bei klaren Flüssigkeiten und hoch glänzenden Behälteroberflächen selbst bis auf wenige Zentimeter Abstand zum Behälterboden durchgeführt werden. Es gilt eine korrekte Oberflächendistanz zu ermitteln, selbst wenn die Mehrheit der Signale aus vermischten und damit ungültigen Signalen bestehen.
Einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung sieht vor, dass die Auswerteeinheit die Häufigkeitsverteilung regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert, indem die Auswerteeinheit neu abgeleitete Messwerte in den vordefinierten Klassen einteilt. Anders formuliert ist die Auswerteeinheit in der Lage neue Messwerte zu inkorporieren. Vorzugsweise wird die Häufigkeitsverteilung jedes Mal, wenn ein neuer Messwert zur Verfügung steht erneuert. Für manche Anwendungen ist eine schnelle Erneuerungsrate nicht notwendig. In eine Vorteilhafte Ausgestaltung ist diese Erneuerungsrate mit einem Bedienelement wie bspw. ein Display, oder ein Bedienmodul, das mit der Vorrichtung über ein Bussystem verbunden ist, einstellbar.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung sieht vor, dass die Auswerteeinheit die Häufigkeitsverteilung regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert, indem die Auswerteeinheit regelmäßig zumindest ein bereits in eine Klasse eingeteilter Messwert beim Anlegen der Häufigkeitsverteilung nicht mehr berücksichtigt, wobei der zumindest einem Messwert, der nicht mehr berücksichtigt wird, zeitlich vor den noch zu berücksichtigen Messwerten abgeleitet würde. Anders formuliert ist die Auswerteeinheit in der Lage alte Messwerte zu löschen oder aus die Berechnungen auszuschließen.
Vorzugsweise wird die Häufigkeitsverteilung jedes Mal einen neuen Messwert zur Verfügung steht aktualisiert. Für manche Anwendungen ist eine schnelle Erneuerungsrate nicht notwendig. In eine Vorteilhafte Ausgestaltung ist diese Erneuerungsrate mit einem Bedienelement wie bspw. ein Display, oder ein Bedienmodul, das mit der Vorrichtung über ein Bussystem verbunden ist, einstellbar.
Einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung sieht vor, dass die Auswerteeinheit die Häufigkeitsverteilung regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert, indem die Auswerteeinheit nach dem Ableiten von einem neuen Messwert einen ersten Messwert, der zeitlich vor allen anderen Messwerten abgeleitet würde, durch den neu abgeleiteten Messwert beim Anlegen der Häufigkeitsverteilung ersetzt, sodass nur eine vorgegebene Anzahl von Messwerten berücksichtigt wird. Das hat den Vorteil, dass es so einfacher ist bestimmte Bedingungen zu definieren, und die Leistung des Systems, insbesondere bezüglich der Nachführbarkeit wird verbessert. Dies bedeutet eine Erhöherung der Aktualisierungsrate des Messwertes.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung sieht vor, dass in einem ersten Betriebsmodus der Füllstandsmessvorrichtung die Auswerteeinheit füllstandsbezogene Messwerte ableitet,
dass die Auswerteeinheit anhand von wenigstens eins oder mehreren vorgegebenen Kriterien eine Plausibilitätsprüfung eines der abgeleiteten Messwerte durchführt,
dass in dem Fall, dass es sich bei der Plausibilitätsprüfung herausstellt, dass sich der eine der abgeleiteten Messwerte auf den Behälterboden bezieht, die Füllstandsmessvorrichtung von dem ersten Betriebsmodus zu einem zweiten Betriebsmodus schaltet, in dem die Auswerteeinheit die Häufigkeitsverteilung anlegt.
Ein Beispiel einer Plausibilitätsprüfung wäre ein Vergleich der Entfernung, die einem Messwert entspricht, mit einer bekannten Entfernung des Behälterbodens. In dem Fall, dass beide Entfernungen innerhalb eines bestimmten bzw. vorgegeben Intervalles liegen, ist es insbesondere für Klaren Flüssigkeiten möglich, dass eine Vermischung von Behälterboden mit Oberflächensignalen vorliegt. Ein anderes Beispiel wäre ein Vergleich zwischen aufeinanderfolgenden Messwerten mit vorgegebenen Stabilitätsstandards, sodass bei starken Schwankungen von einem Messwert zur nächsten die Plausibilität der Messung in Frage gestellt wird.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung eines Füllstands in einem Behälter mittels einer Laser-basierten Füllstandsmessvorrichtung, wobei mehrere füllstandsbezogene Messwerte aus Signallaufzeiten von ausgesendeten Laserlichtsignalen abgeleitet werden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Messwerte in vordefinierten Klassen eingeteilt werden;
dass eine aus dieser Einteilung entstehende Häufigkeitsverteilung mit einem Kurvenanpassungsalgorithmus analysiert wird;
und dass anhand dieser Analyse einen Füllstandswert bestimmt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Anzahl von vorhandenen Ansammlungen in der Häufigkeitsverteilung bestimmt wird, und dass eine Breite jeder Ansammlung anhand eines Kriteriums bewertet wird, um somit zu beurteilen, ob die Häufigkeitsverteilung ein eindeutiges Signal oder gestörtes Signal enthält.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass nur eine ansteigende Flanke der Häufigkeitsverteilung beim Kurvenanpassen berücksichtigt wird, und dass die angepasste Kurve für eine weitere Auswertung und damit Positionsbestimmung des Füllstandes verwendet wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Häufigkeitsverteilung regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert wird, indem neu abgeleitete Messwerte in den vordefinierten Klassen eingeteilt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Häufigkeitsverteilung regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert wird, indem zumindest ein bereits in eine Klasse eingeteilter Messwert bei der Analyse der Häufigkeitsverteilung nicht mehr berücksichtigt wird, wobei zumindest dieser nicht mehr berücksichtigte Messwert, zeitlich vor den noch zu berücksichtigen Messwerten abgeleitet wurde.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Häufigkeitsverteilung regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert wird, indem ein erster Messwert, der zeitlich vor allen anderen Messwerten abgeleitet wurde, durch einen neu abgeleiteten Messwert in der Häufigkeitsverteilung ersetzt wird, sodass nur eine vorgegebene Anzahl von Messwerten bei der Analyse der Häufigkeitsverteilung berücksichtigt wird.
Das erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung eines Füllstands in einem Behälter wird vorteilhaft verwendet, für den Fall, dass mittels einer Plausibilitätsprüfung eines abgeleiteten Messwerts, wobei die Plausibilitätsprüfung anhand von mindestens eins oder mehreren vorgegebenen Kriterien durchgeführt wird, ein neu abgeleiteter Messwert als Behälterboden bezogen erkannt wird. Ein Beispiel für eine Plausibilitätsprüfung wäre ein einfacher Vergleich eines Messwerts mit einem vorhergehend abgeleiteten Messwert. In dem Fall, dass der neue Messwert stark in Richtung Behälterboden abweicht, so dass es im physikalischen Sinne nicht möglich wäre, dass beide Messwerte mit der Realität übereinstimmen können, ist der neu abgeleitete Messwert behälterbodenbezogen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung eines Füllstandes in einem Behälter wird vorteilhaft verwendet, insbesondere nur dann, sobald zumindest ein Füllstandsbezogener Messwert unterhalb eines vorgegebenen Grenzwertes liegt, wobei der vorgegebene Grenzwert einer Mindest-Entfernung vom Behälterboden entspricht. So kann gesichert werden, dass auch in der nähe des Behälterbodens eine genaue Füllstandsbestimmung durchführbar ist.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, das bei Ausführung dazu dient, das vorherbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Die Aufgabe wird weiterhin durch einen Datenträger zum Hinterlegen und/oder Ausführen des erfindungsgemäßen vorher erwähnten Computerprogramms gelöst.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Laser-basierte Füllstandsmessvorrichtung zur Erfassung eines Füllstands in einem Behälter,
2A, B, C: eine Überlappung einzelner Reflexionen (gestrichelte Linie) und die daraus resultierende vermischte Reflexion für unterschiedliche zeitliche Abstände,
3: eine beispielshafte Abbildung einer Häufigkeitsverteilung in graphischer Form, die auch unter dem Begriff „Histogramm“ bekannt ist, und eine Kurve, die an dieses Histogramm angepasst ist,
4: histogrammäßige graphische Darstellung von einer Häufigkeitsverteilung mit zwei Ansammlungen,
5: histogrammäßige graphische Darstellung einer Häufigkeitsverteilung mit einer breiten Ansammlungen, in der eine Kurve nur unter Berücksichtigung der steigenden Flanke des Histogramms angepasst ist, und
6: ein beispielhafter erfindungsgemäßer Verfahrensablauf. 1 zeigt eine Laser-basierte Füllstandsmessvorrichtung 1 zur Erfassung eines Füllstands in einem Behälter 2. Eine Sendeeinheit 3 und ein Empfangseinheit 4 sind dargestellt, wobei die Sendeeinheit 3 ein Sendelichtsignal 5 sendet. Ein Anteil des Sendelichtsignals 5 ist von der Oberfläche 6 des Mediums 7 bzw. Füllguts 7 reflektiert und wird von der Empfangseinheit 4 empfangen als Empfangslichtsignals 8. Ein anderer Anteil des Sendelichtsignals 5 wird vom Behälterboden reflektiert.
2A–C zeigen eine Überlappung einzelner Reflexionen 9, 10 und die daraus resultierende vermischte Reflexion 11 für unterschiedliche zeitliche Abstände. In 2A sind die Reflexionen 9, 10 zeitlich weit genug getrennt, so dass es kaum eine Überlappung gibt. In 2B überlappen sich die Reflexionen 9, 10 bereits, und eine entstandene vermischte Reflexion 11 weist zwei Maxima auf, die sich theoretisch noch voneinander trennen ließen. 2C zeigt den Fall, in dem die zwei einzelnen Reflexionen 9, 10 sich so überlappen, dass die daraus resultierende vermischte Reflexion 11 nicht von einer einzelnen Reflexion zu unterscheiden ist. Ein Messwert, der von diesem Signal abgeleitet wäre, wäre zum Behälterboden 12 hingezogen bzw. würde sich zwischen Oberfläche und Behälterboden befinden.
Typischerweise ergibt sich nicht bei der wirklichen Oberflächendistanz eine schwerpunktmäßige Ansammlung der Messwerte sondern irgendwo zwischen Behälterboden 12 und Oberfläche 6 bzw. die Ansammlung ist zum Behälterboden 12 hin verzerrt. Insbesondere dann, wenn die Distanz zwischen Oberfläche 6 und Behälterboden 12 sehr gering wird.
Typische Pulsbreiten des Lasers liegen beispielsweise im Bereich 3–5 ns und haben damit eine räumliche Ausdehnung zwischen 0,9 und 1,5 Metern. Auch in dem Fall, dass nur die Flankenbreite einer Pulse berücksichtigt wird, ist die Trennschärfe auf 10–30 cm begrenzt. Somit ist bei niedrigen Füllständen bzw. kleinen Behältern eine statistisch häufige Signalvermischung sehr wahrscheinlich und eine Messung ohne die Erkennung ungültiger Mischsignale nicht ausreichend zuverlässig.
Ob sich eine Behälterbodenreflexion 8b mit einer Oberflächenreflexion 8a vermischt, hängt dabei von der Höhe des Füllstandes und der Breite des Laserpulses ab.
3 eine beispielshafte Abbildung einer Häufigkeitsverteilung 13 im graphischer Form, die auch unter dem Begriff „Histogramm“ 13 zu verstehen ist, und eine Kurve 14 der an diese Histogramm 13 angepasst ist.
Das Puls-Laser Messverfahren ist in der Lage entweder durch Abtastung des Empfangssignales 8 oder Zeitmessung mit festen bzw. flexiblen Empfangsschwellen 15 die Position der Oberfläche 6 bzw. dem Behälterboden 12 zu messen. Die Messwerte werden dabei nach gemessener Distanz stufenweise klassifiziert und in einem Speicher 16 geordnet abgelegt, so dass sich eine Häufigkeitsverteilung 13 der Messwerte ergibt.
Genauere Werte mit höherer Auflösung der Distanzwerte ließen sich durch ein Gauß-Fitting der Häufigkeitsverteilung 13 realisieren, wie es in 3 gezeigt wird. In diesem Falle würde der Peak 17 der Fitting-Parabel dem Messwert entsprechen.
4 zeigt eine histogrammäßige graphische Darstellung von einer Häufigkeitsverteilung 13 mit zwei Ansammlungen 18, 36. Hier ist der Fall dargestellt, in dem sich Oberflächen- und Behälterbodenreflexionen 8a, 8b zeitlich abwechseln. Somit sind eher wenige Mischsignale aus Oberfläche- und Behälterbodenreflexionen 8a, 8b vorhanden, und es ergibt sich eine Zweiteilung der Häufigkeitsverteilung 13, einmal um die Oberfläche 18 und einmal um den Behälterboden 32 herum. Die genaue Distanz zur Oberfläche 6 lässt sich in diesem Fall z.B. durch eine Schwerpunktbildung der linken Ansammlung 18 ermitteln.
Bei zweigeteilter Häufigkeitsverteilung ist die erste Ansammlung 18 der Flüssigkeits- bzw. Füllgutsoberfläche 6 und die zweite Ansammlung 36 dem Behälterboden 12 zuzuschreiben. Zur genaueren Auswertung der Oberflächendistanz kann bei Zweiteilung der Häufigkeitsverteilung 13 auch die Distanz zwischen den beide Ansammlungen 18, 36 zur Korrektur des der Oberflächendistanz und damit des Füllstandes verwendet werden.
5 zeigt eine histogrammäßige graphische Darstellung von einer Häufigkeitsverteilung 13 mit einer breiten Ansammlungen 20. Das ist eine typische Form der Häufigkeitsverteilung 13 in der Nähe vom Behälterboden 12. Herkömmlich ist mit Messwerten dieser Art nur eine fehlerhafte Füllstandbestimmung möglich.
Zur Erkennung der korrekten Oberflächendistanz wendet das erfindungsgemäße Verfahren in diesem Fall einen Kurvenanpassalgorithmus auf die Häufigkeitsverteilung 13 der Distanzwerte an, der auf der Auswertung der Anstiegsflanke 19 der Häufigkeitsverteilung 13 basiert und somit den Bereich berücksichtigt, der im Wesentlichen durch die Messwerte beeinflusst ist.
In die in 5 dargestellte Häufigkeitsverteilung 13 ist eine Kurve unter Berücksichtigung von nur der steigenden Flanke 19 des Histogramms 13 angepasst. Hierbei wird eine feste oder dynamische Schwelle 15 festgelegt bei der die korrekte Oberflächendistanz gemessen werden soll. Auch hier ließe sich vorteilhaft ein Gauß- oder Parabel-Fitting einsetzen, dass hierbei jedoch nur die ansteigende Flanke 19 der Häufigkeitsverteilung 13 für die Kurvenanpassung berücksichtigt und sich somit eine Funktion ergibt, die sich an der ansteigenden Flanke 19 anlehnt.
6 zeigt einen beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrensablauf. Bei dem Start 100 ist die Füllstandsmessvorrichtung 1 in einem ersten Betriebsmodus b1. In einem ersten Schritt 100 wird einen Messwert aus der Signallaufzeit des Laserlichtsignals 5 abgeleitet bzw. erfasst. In einem zweiten Schritt 200 erfolgt eine Entscheidung, ob die Füllstandsmessvorrichtung 1 in dem ersten Betriebsmodus b1 weiterhin arbeiten soll, oder ob die Füllstandsmessvorrichtung 1 in einen zweiten Betriebsmodus b2 schalten soll. Die Füllstandsmessvorrichtung 1 soll bei transparenten Medien in den zweiten Betriebsmodus b2 schalten für den Fall, dass der abgeleitete Messwert einem Füllstand entspricht, der in der Nähe des Behälterbodens 12 ist bzw. wenn das Laserlichtsignal 5 vom Behälterboden 12 selbst reflektiert wurde.
Eine weitere Plausibilisierung, ob in den Betriebsmodus b2 geschaltet werden soll, könnte von der Größe der Standardabweichung des ermittelten Messwertes abgeleitet werden. In diesem Fall wird die Standardabweichung mit jeder Messung erneut berechnet, wenn diese eine festgelegte Schwelle übersteigt. Der Messwert weist somit eine erhöhte Varianz auf. Es wird in den Modus b2 geschaltet.
Bleibt die Füllstandsmessvorrichtung 1 in dem ersten Betriebsmodus b1, wird in dem nächsten Schritt 301 den Füllstand bestimmt, und das Verfahren kann wieder vom Anfang starten. Bezieht sich der abgeleiteten Messwert auf den Behälterboden 12, schaltet die Füllstandsmessvorrichtung 1 in dem nächsten Schritt 300 von dem ersten Betriebsmodus b1 zu dem zweiten Betriebsmodus b2, in dem die Auswerteeinheit 21 der Füllstandsmessvorrichtung 1 eine Häufigkeitsverteilung 13 anlegt.
In einem vierten Schritt 400 werden die Ansammlungen 18, 36, 20, die in der Häufigkeitsverteilung 13 vorhanden sind, gezählt. Ist mehr als eine Ansammlung 18, 36 vorhanden, wird die Ansammlung 18, die der kürzesten Laufzeit entspricht, in einem nächsten Schritt 501 mit einem Kurvenanpassungsalgorithmus analysiert X.
Ist nur eine Ansammlung 20 vorhanden, wird in einem nächsten Schritt 500 die Breite dieser Ansammlung 20 anhand eines Kriteriums bewertet, um somit zu beurteilen, ob die Häufigkeitsverteilung 13 ein eindeutiges Signal enthält, wie in 3, oder ein gestörtes Signal enthält, wie in 5. Für den Fall, dass eine eindeutige Ansammlung 22 vorhanden ist, wird die Ansammlung 22 in einem nächsten Schritt 601 mit einem Kurvenanpassungsalgorithmus analysiert Y.
Ist die eine Ansammlung 20 vermischt bzw. breit, wird sie analysiert Z, indem die Auswerteeinheit 21 einen Kurvenanpassungsalgorithmus in einem nächsten Schritt 600 derart ausführt, dass nur eine ansteigende Flanke 19 der Ansammlung 20 bzw. Häufigkeitsverteilung 13 beim Kurvenanpassen berücksichtigt wird.
In der letzten Schritt 700 werden die durchgeführte Analysen X, Y, Z für die oben beschriebenen Fällen angewendet, um den Füllstand zu bestimmen.
Bezugszeichenliste

1: Füllstandsmessvorrichtung
2: Behälter
3: Sendeeinheit
4: Empfangseinheit
5: Sendelichtsignal
6: Oberfläche
7: Medium bzw. Füllgut
8: Empfangslichtsignal
8a, 8b: Oberfläche- und Behälterbodenreflexionen
9, 10: einzelne Reflexionen
11: vermischte Reflexion
12: Behälterboden
13: Häufigkeitsverteilung
14: Kurve
15: Empfangsschwellen
16: Speichereinheit
17: Peak
18, 36: Ansammlungen
19: ansteigende Flanke
20: breite Ansammlung
21: Auswerteeinheit
100: Start
200: Plausibilität
300: erster Modus
301: zweiter Modus
400: Ansammlungen zählen
500: eine Ansammlung
501: mehrere Ansammlungen
600: vermischte Ansammlung
601: eindeutige Ansammlung
700: Füllstandsbestimmungen
b1: erster Betriebsmodus
b2: zweiter Betriebsmodus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012106149 [0006]

Claims

Laser-basierte Füllstandsmessvorrichtung (1) zur Erfassung eines Füllstands in einem Behälter (2), wobei die Füllstandmessvorrichtung (1) eine Auswerteeinheit (21) aufweist, welche aus einer Signallaufzeit des Laserlichtsignals (5, 8) einen Füllstand bezogenen Messwert ableitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (21) dazu dient eine Häufigkeitsverteilung (13) anzulegen, indem die Auswerteeinheit (21) die Messwerte in vordefinierte Klassen einteilt, und dass die Auswerteeinheit (21) ferner dazu dient, die Häufigkeitsverteilung (13) mit einem Kurvenanpassungsalgorithmus zu analysieren, um einen Füllstandswert zu bestimmen.
Füllstandsmessvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (21) dazu dient die Anzahl von vorhandenen Ansammlungen (18, 36) von Messwerten in Klassen in der Häufigkeitsverteilung (13) zu bestimmen, und dass die Auswerteeinheit (21) weiterhin dazu dient, eine Breite jeder Ansammlung (18, 36) anhand eines Kriteriums zu bewerten, um somit zu beurteilen, ob die Häufigkeitsverteilung ein eindeutiges Signal oder gestörtes Signal enthält.
Füllstandsmessvorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (21) den Kurvenanpassungsalgorithmus derart ausführt, dass nur eine ansteigende Flanke (19) der Häufigkeitsverteilung (13) beim Kurvenanpassen berücksichtigt wird, und dass die angepasste Kurve (14) für die weitere Auswertung und damit Positionsbestimmung des Füllstandes verwendet wird.
Füllstandsmessvorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (21) die Häufigkeitsverteilung (13) regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert, indem die Auswerteeinheit (21) neu abgeleitete Messwerte in den vordefinierten Klassen einteilt.
Füllstandsmessvorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (21) die Häufigkeitsverteilung (13) regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert, indem die Auswerteeinheit (21) regelmäßig zumindest ein bereits in eine Klasse eingeteilter Messwert beim Anlegen der Häufigkeitsverteilung (13) nicht mehr berücksichtigt, wobei der zumindest einem Messwert, der nicht mehr berücksichtigt wird, zeitlich vor den noch zu berücksichtigen Messwerten abgeleitet wurde.
Füllstandsmessvorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (21) die Häufigkeitsverteilung (13) regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert, indem die Auswerteeinheit (21) nach dem Ableiten von einem neuen Messwert einen ersten Messwert, der zeitlich vor allen anderen Messwerten abgeleitet wurde, durch den neu abgeleiteten Messwert beim Anlegen der Häufigkeitsverteilung (13) ersetzt, sodass nur eine vorgegebene Anzahl von Messwerten berücksichtigt wird.
Füllstandsmessvorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsmodus (b1) der Füllstandsmessvorrichtung (1) die Auswerteeinheit (21) füllstandsbezogene Messwerte ableitet, dass die Auswerteeinheit (21) anhand von wenigstens eins oder mehreren vorgegebenen Kriterien eine Plausibilitätsprüfung eines der abgeleiteten Messwerte durchführt, dass in dem Fall, dass es sich bei der Plausibilitätsprüfung herausstellt, dass sich der eine der abgeleiteten Messwerte auf den Behälterboden (12) bezieht, die Füllstandsmessvorrichtung (1) von dem ersten Betriebsmodus (b1) zu einem zweiten Betriebsmodus (b2) schaltet, in dem die Auswerteeinheit (21) die Häufigkeitsverteilung (13) anlegt.
Verfahren zur Erfassung eines Füllstands in einem Behälter (2) mittels einer Laser-basierten Füllstandsmessvorrichtung (1), wobei mehrere füllstandsbezogene Messwerte aus Signallaufzeiten von ausgesendeten Laserlichtsignalen (5, 8) abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte in vordefinierten Klassen eingeteilt werden; dass eine aus dieser Einteilung entstehende Häufigkeitsverteilung (13) mit einem Kurvenanpassungsalgorithmus analysiert wird; und dass anhand dieser Analyse einen Füllstandswert bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von vorhandenen Ansammlungen (18, 36, 20) in der Häufigkeitsverteilung (13) bestimmt wird, und dass eine Breite jeder Ansammlung anhand eines Kriteriums bewertet wird, um somit zu beurteilen, ob die Häufigkeitsverteilung (13) ein eindeutiges Signal oder gestörtes Signal enthält.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine ansteigende Flanke (19) der Häufigkeitsverteilung (13) beim Kurvenanpassen berücksichtigt wird, und dass die angepasste Kurve (14) für eine weitere Auswertung und damit Positionsbestimmung des Füllstandes verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeitsverteilung (13) regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert wird, indem neu abgeleitete Messwerte in den vordefinierten Klassen eingeteilt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeitsverteilung (13) regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert wird, indem zumindest ein bereits in eine Klasse eingeteilter Messwert bei der Analyse der Häufigkeitsverteilung (13) nicht mehr berücksichtigt wird, wobei zumindest dieser nicht mehr berücksichtigte Messwert, zeitlich vor den noch zu berücksichtigen Messwerten abgeleitet würde.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeitsverteilung (13) regelmäßig aktualisiert bzw. erneuert wird, indem ein erster Messwert, der zeitlich vor allen anderen Messwerten abgeleitet würde, durch einen neu abgeleiteten Messwert in der Häufigkeitsverteilung (13) ersetzt wird, sodass nur eine vorgegebene Anzahl von Messwerten bei der Analyse der Häufigkeitsverteilung (13) berücksichtigt wird.
Verwendung des Verfahrens zur Erfassung eines Füllstands in einem Behälter (2) nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 13, für den Fall, dass mittels einer Plausibilitätsprüfung eines abgeleiteten Messwerts, wobei die Plausibilitätsprüfung anhand von wenigstens eins oder mehreren vorgegebenen Kriterien durchgeführt wird, ein neu abgeleiteter Messwert als Behälterboden (12) bezogen erkannt wird.
Verwendung des Verfahrens zur Erfassung eines Füllstands in einem Behälter (2) nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis13, für den Fall, dass zumindest ein Füllstandsbezogener Messwert unterhalb einen vorgegebenen Grenzwert liegt, wobei der vorgegebene Grenzwert einer Mindest-Entfernung vom Behälterboden (12) entspricht.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die wenn sie ausgeführt ist dazu dient das Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 13 auszuführen.
Datenträger zum Hinterlegen und/oder Ausführen des in Anspruch 16 beanspruchten Computerprogramms.