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Die Erfindung bezieht sich auf eine Methode und ein Messgerät zur Messung des Füllstands eines Materials in einem Behälter mithilfe von radiometrischen Füllstandmesssensoren, wobei mindestens zwei Sensoren in einer bestimmten Höhe am Behälter entlang angeordnet sind und die von einer radioaktiven Quelle abgegebene Strahlung empfangen, wobei jeder Sensor in einem aktiven Betriebsmodus den Füllstand innerhalb eines vorgegebenen Füllstandbereichs des Behälters überwacht, wobei besagter Füllstandbereich einem Teil der Höhe des Behälters entspricht.
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Das radiometrische Messgerät umfasst mindestens eine radioaktive Quelle, d. h. eine Strahlenquelle, die im Messbetrieb auf einer ersten Seite des Behälters angeordnet ist. Im Messbetrieb sendet die Strahlenquelle Gammastrahlung durch den Behälter. Die mindestens zwei Sensoren des Gerätes sind z. B. extern auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite des Behälters angeordnet. Die Sensoren dienen dazu, die in den Behälter eindringende Strahlung zu empfangen. Die Intensität der empfangenen Strahlung ist eine Funktion des Füllstands. Die Sensoren konvertieren die empfangene Strahlung in ein elektrisches Signal abhängig vom Füllstand.
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Ein radiometrisches Messgerät wird in der Regel dann eingesetzt, wenn konventionelle Füllstandmessgeräte aufgrund spezieller Anforderungen an der Messstelle nicht verwendet werden können. So herrschen z. B. sehr häufig extrem hohe Temperaturen und Drücke an der Messstelle oder es liegen sehr aggressive chemische, mechanische und/oder Umwelteinflüsse vor, die den Einsatz anderer Messmethoden und -geräte unmöglich machen.
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Strahlenquellen können z. B. Co 60- oder Cs 137-Isotope sein. Sie werden üblicherweise in einem Strahlenschutzbehälter platziert. Die Strahlenschutzbehälter verfügen über eine Öffnung, durch die die von der Strahlenquelle abgestrahlte Strahlung entweicht. Es wird eine Strahlungsrichtung ausgewählt, sodass die Strahlung in die Bereiche des Behälters eindringt, die von dem Füllstandmessgerät überwacht werden sollen.
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Auf der gegenüberliegenden Seite des Behälters wird die Intensität der aus dem Behälter austretenden Strahlung von den Sensoren quantitativ überwacht. Die Strahlungsintensität hängt von der geometrischen Anordnung der Strahlenquelle oder -quellen und der Absorptionsmenge ab, die zwischen der Quelle und den Sensoren auftritt. Letztere hängt von der Materialmenge ab, die sich im Strahlungspfad im Behälter befindet. Dadurch ist die vom Sensor erkannte Gesamtstrahlungsintensität eine Metrik für den aktuellen Füllstand des Materials im Behälter. Alternativ kann das radiometrische Messgerät entlang eines Rohrs zur Messung der im Rohr befindlichen Materialmenge angeordnet werden. Im Sinne der Erfindung ist die Messung des Materials in einem Behälter dahingehend zu verstehen, dass dies auch die Messung eines Materials in einem Rohr beinhaltet.
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Ein geeigneter Sensor wäre z. B. ein Szintillationsdetektor mit einem stabförmigen, massiven Szintillator und einem optoelektrischen Transducer, z. B. einem Photoelektronenvervielfacher. Die Gammastrahlung wird vom Szintillationsmaterial in Lichtblitze umgewandelt, die ihrerseits vom Photoelektronenvervielfacher in elektrische Impulse umgewandelt werden. Die Impulse werden verstärkt und gezählt. Die Impulsrate, in der die Impulse auftreten, hängt von der Gesamtstrahlungsintensität ab, die in den Sensor eindringt, und ist somit ein Messwert für den Füllstand.
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Der Sensor umfasst in der Regel eine Elektronikeinheit, die ein Ausgangssignal ausgibt, das der Impulsrate entspricht. Die Elektronikeinheit umfasst üblicherweise ein Steuerungssystem und einen Zähler. Die elektrischen Impulse werden gezählt und eine Zählrate abgeleitet, die als Basis zur Ermittlung des Füllstands dient. Das Ausgangssignal kann z. B. über ein herkömmliches Bussystem oder speziell entworfene Kommunikationsleitungen an eine Steuereinheit übertragen werden. Die Steuereinheit erfasst die Impulsraten der mindestens zwei Sensoren und nimmt Berechnungen vor, um den Füllstand im Behälter zu bestimmen. In einigen Fällen überträgt die Steuereinheit auch Befehlssignale an die Sensoren. Alternativ können die Sensoren in Reihe miteinander verbunden werden und unidirektional kommunizieren, wobei ein End Slave Informationen an einen Intermediate Slave sendet; diese Informationen werden dann an die nachfolgenden Intermediate Slaves und zuletzt an eine Master-Steuereinheit weitergeleitet. In einer solchen Konfiguration kann einer der Sensoren auch als Steuereinheit dienen. Wenn nur zwei Sensoren vorhanden sind, kann die Konfiguration z. B aus einem Sensor als End Slave und einem Sensor als Master-Steuereinheit bestehen. Bei einem radiometrischen Messgerät, das mehr als einen Sensor umfasst (z. B. acht Sensoren), erfordert diese Kommunikation einen Kommunikationspfad, der eine ausreichende Bandbreite und Geschwindigkeit bietet, um eine unidirektionale Kommunikation zwischen den Sensoren und der Steuereinheit zu ermöglichen.
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Aufgrund dieser Anforderung gibt es eine Reihe von herkömmlichen Bussystemen, die nicht für den Anschluss der radiometrischen Sensoren verwendet werden können. Daher gibt es verschiedene Industrieanlagen, in denen – selbst dann, wenn der Einsatz der radiometrischen Sensortechnologie aufgrund der Bedingungen an der Messstelle von Vorteil wäre – zuerst ein neues Bussystem oder speziell entworfene Kommunikationsleitungen installiert werden müssen, bevor ein radiometrisches Messgerät eingesetzt werden kann. In der deutschen Patentschrift
DE 10 2008 039 696 A1 wird eine Methode für den Betrieb eines Systems aus Feldgeräten offengelegt, wobei das System über mindestens zwei Feldgeräte verfügt und wobei es sich bei den Feldgeräten insbesondere um Messgeräte und/oder Aktoren und/oder Anzeigegeräte handelt. Ein zweites Feldgerät wird durch ein erstes Feldgerät aktiviert. Bei erfolgreicher Aktivierung eines Feldgerätes, bei dem es sich nicht um das erste Feldgerät handelt, wird das erste Feldgerät deaktiviert. Dies trägt dazu bei, beim Betrieb der Feldgeräte Energie einzusparen.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, die von einem radiometrischen Füllstandmessgerät für die Datenübertragung benötigte Bandbreite zu reduzieren.
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Das Ziel der Erfindung wird erreicht durch eine Methode und ein Gerät, das radiometrische Sensoren zur Messung des Füllstands eines Materials in einem Behälter umfasst.
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Hinsichtlich der Methode wird das Ziel der Erfindung durch eine Methode zur Messung des Füllstands eines Materials in einem Behälter mit radiometrischen Füllstandmesssensoren erreicht, wobei ein erster und ein zweiter Sensor in einer vorgegebenen Höhe am Behälter entlang angeordnet sind und die von einer radioaktiven Quelle abgegebene Strahlung empfangen. Dabei überwacht der besagte erste Sensor in einer aktiven Betriebsart den Füllstand in einem entsprechenden ersten Füllstandbereich des Behälters und der besagte zweite Sensor den Füllstand in einem entsprechenden zweiten Füllstandbereich des Behälters. Dieser besagte erste und der besagte zweite Füllstandbereich entsprechen vorgegebenen Teilen der Höhe des Behälters. Die Methode umfasst zudem die Schritte zur Messung des aktuellen Füllstands, die Schritte zur Identifizierung des ersten Sensors, der den ersten Füllstand im ersten Füllstandbereich misst, wobei besagter erster Füllstandbereich den aktuellen Füllstand umfasst, und die Schritte zur Umschaltung des zweiten Sensors in eine passive Betriebsart. Hierdurch kann die Bandbreitennutzung eines Bussystems für die Prozessautomatisierungstechnologie optimiert werden.
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In einer Ausgestaltung der erfundenen Methode überlappen sich der erste Füllstandbereich und der zweite Füllstandbereich mindestens teilweise. Alternativ können Sensoren in einer bestimmten Höhe am Behälter entlang angeordnet werden, so dass nur ein oberer Teil und ein unterer Teil des Behälters überwacht werden. Durch überlappende Füllstandbereiche wird sichergestellt, dass der Füllstand über die gesamte Höhe des Behälters überwacht werden kann. Zusätzlich ermöglicht dies, dass das Füllstandmessgerät Zeitverzögerungen ausgleichen kann, die durch das Umschalten zwischen den Betriebsarten auftreten können.
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In einer Ausgestaltung der erfundenen Methode wird der zweite Sensor in der passiven Betriebsart aus- oder in den Sleep-Modus geschaltet. In der passiven Betriebsart stoppt der jeweilige Sensor die Datenübertragung über den Kommunikationspfad zur Steuereinheit. Vorteilhafterweise kann in der passiven Betriebsart auch Energie gespart werden.
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Eine Weiterentwicklung der erfundenen Methode umfasst die Schritte zum Einstellen eines Füllstandschwellwertes innerhalb des besagten ersten Füllstandbereichs in einer vorgegebenen Distanz vom Ende des ersten Füllstandbereichs und die Schritte zum Umschalten des besagten zweiten Sensors in eine aktive Betriebsart, wenn der aktuelle Füllstand den besagten Schwellwert übersteigt. Bei dem Schwellwert kann es sich um einen oberen oder unteren Schwellwert gemäß der Anwendung des Füllstandmessgerätes handeln.
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In einer Ausgestaltung der erfundenen Methode ist die Distanz des Schwellwertes vom Ende des ersten Füllstandmessbereichs vorgegeben, sodass sich der zweite Sensor in der aktiven Betriebsart befindet, bevor der aktuelle Füllstand, wenn er sich mit der maximal erwarteten Änderungsrate ändert, den ersten Füllstandbereich verlässt.
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In einer Verfeinerung der erfundenen Methode wird die maximal erwartete Änderungsrate des aktuellen Füllstands durch die geometrischen Eigenschaften des Behälters und/oder durch die maximalen Durchflussraten des Füllmaterials in den und/oder aus dem Behälter vorgegeben.
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Eine Weiterentwicklung der erfundenen Methode umfasst das Einleiten einer Verzögerungszeit nach dem Umschalten des ersten Sensors und/oder zweiten Sensors von der aktiven in die passive Betriebsart und/oder nach dem Umschalten des besagten ersten Sensors und/oder besagten zweiten Sensors von der passiven in die aktive Betriebsart, wobei während der besagten Verzögerungszeit der besagte erste Sensor und/oder der besagte zweite Sensor in der passiven bzw. aktiven Betriebsart verbleibt.
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Eine Weiterentwicklung der erfundenen Methode umfasst eine Hysterese, wobei ein dritter Sensor bereitgestellt wird, der den Füllstand innerhalb eines dritten Füllstandbereichs überwacht. Besagter dritter Füllstandbereich überlappt mit dem besagten ersten Füllstandbereich. In den Fällen, in denen der Füllstand dem überlappenden Teil des ersten und dritten Füllstandbereichs entspricht, befinden sich sowohl der erste als auch der dritte Sensor in der aktiven Betriebsart, und nur der erste Sensor oder nur der dritte Sensor überträgt ein Füllstandmesssignal an eine Steuereinheit.
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Hinsichtlich des Messgerätes wird das Ziel der Erfindung durch ein Messgerät erreicht, das einen ersten radiometrischen Sensor und einen zweiten radiometrischen Sensor umfasst, wobei der erste und der zweite Sensor in einer vorgegebenen Höhe am Behälter entlang angeordnet sind und die von einer radioaktiven Quelle abgegebene Strahlung empfangen. Dabei überwacht der besagte erste Sensor in einer aktiven Betriebsart den Füllstand in einem entsprechenden ersten Füllstandbereich des Behälters und der besagte zweite Sensor den Füllstand in einem entsprechenden zweiten Füllstandbereich des Behälters. Dieser besagte erste und der besagte zweite Füllstandbereich entsprechen einem vorgegebenen Teil der Höhe des Behälters, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor dazu dienen, den Füllstand eines Materials im Behälter zu messen, wobei eine Steuereinheit so ausgestaltet ist, dass sie den ersten und zweiten radiometrischen Sensor steuert, sodass die Steuereinheit basierend auf dem aktuellen Füllstand des Materials im Behälter den ersten und/oder zweiten radiometrischen Sensor selektiv in die aktive oder passive Betriebsart umschaltet.
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In einer Ausgestaltung des erfundenen Gerätes werden der erste und zweite radiometrische Sensor zu Kommunikationszwecken und zum Zweck der Spannungsversorgung über ein Bussystem miteinander verbunden, wobei einer der Sensoren oder ein separates elektronisches Gerät als Steuereinheit dient.
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In einer Ausgestaltung des erfundenen Gerätes ist das Bussystem so aufgebaut, dass die mindestens zwei radiometrischen Sensoren in einer HART-Multidrop-Konfiguration angeordnet sind. Bei der HART-Multidrop-Konfiguration handelt es sich um eine konventionelle Bussystemkonfiguration mit niedriger Bitrate. Insbesondere können mit einer HART-Multidrop-Konfiguration maximal 1200 Bits übertragen werden.
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In einer Weiterentwicklung des erfundenen Gerätes sind der erste und der zweite radiometrische Sensor so angeordnet, dass sich die Füllstandbereiche, die jeweils vom ersten und zweiten radiometrischen Sensor überwacht werden, mindestens teilweise überlappen.
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Die Erfindung wird im Folgenden genauer beschrieben, wobei auf folgende Abbildungen verwiesen wird. Sie zeigen:
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: eine schematische Darstellung eines radiometrischen Messgerätes
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: ein Flussdiagramm, das die einzelnen Schritte der beispielhaften Methode zum Messen des Füllstands mit einem radiometrischen Füllstandmessgerät zeigt.
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enthält eine schematische Darstellung eines radiometrischen Füllstandmessgerätes zum Messen des Füllstands 1 eines Materials 5 in einem Behälter 2. Das Messgerät umfasst eine Reihe von radioaktiven Quellen 4 oder Strahlenquellen 4. Die Strahlenquellen 4 sind auf einer ersten Seite des Behälters 2 angeordnet. Der Behälter 2 enthält ein Material 5, dessen Füllstand 1 überwacht werden soll. Auf der den Strahlenquellen 4 gegenüberliegenden Seite des Behälters 2 sind drei radiometrische Sensoren Xn, Xn+1, Xn-1 angeordnet. Die Sensoren Xn, Xn+1, Xn-1 überwachen jeweils einen Füllstandbereich Rn, Rn+1, Rn-1, der einem Teil der Höhe h des Behälters 2 entspricht. Jeder Sensor Xn, Xn+1, Xn-1 umfasst einen stabförmigen Teil 8, der ein szintillierendes Material enthält. Der stabförmige Teil 8 ist mit einem zweiten stabförmigen Teil 9 verbunden, der einen etwas größeren Durchmesser aufweist und einen Photoelektronenvervielfacher umfasst. Jeder Sensor Xn, Xn+1, Xn-1 umfasst außerdem eine Elektronikeinheit 10, die dazu dient, die Impulse des Photoelektronenvervielfachers zu zählen und Daten an eine Steuereinheit 6 zu übertragen und von dieser zu empfangen. Bei der Steuereinheit 6 kann es sich z. B. um eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) handeln.
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Aufgrund der Dämpfungseigenschaften des szintillierenden Materials darf der szintillierende Teil 8 des Sensors Xn, Xn+1, Xn-1 nur eine begrenzte Länge aufweisen. Die Grenze wird durch eine Begrenzungslänge festgelegt. Bei Überschreiten dieser Begrenzungslänge ist der Szintillator 8 nicht länger in der Lage, die Lichtimpulse der auftreffenden Strahlung 3 effektiv an den Photoelektronenvervielfacher 9 zu leiten. Aufgrund dieser Längenbegrenzung werden in Industrieanwendungen, wo die Höhe h des Behälters 2 um ein Vielfaches größer als die Begrenzungslänge eines Sensors Xn, Xn+1, Xn-1 sein kann, Füllstandmessungen in der Regel mithilfe von mehreren aufeinanderfolgenden Sensoren Xn, Xn+1, Xn-1 durchgeführt. Das heißt: Es werden mehrere Sensoren Xn, Xn+1, Xn-1 eingesetzt, um den Füllstand 1 in einem bestimmten Füllstandbereich Rn, Rn+1, Rn-1 zu überwachen. Die von diesen Sensoren Xn, Xn+1, Xn-1 erfassten Messdaten werden dann in einer zentralen Rechnereinheit 6 erfasst, wo der Füllstand 1 ermittelt wird.
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Das Erfassen dieser Informationen kann für die Bussysteme 7 mit einer niedrigen Bitrate – so z. B. ein HART-Multidrop-Bussystem, in dem nur 1200 Bit/s übertragen werden können – eine Herausforderung darstellen. Das bedeutet, dass nur zwei oder drei Nachrichten pro Sekunde übertragen werden können. Allerdings kann gemäß der Erfindung ermittelt werden, dass sich der Füllstand 1 des Materials 5 in Behälter 2 im ersten Füllstandbereich Rn befindet, der von einem ersten Sensor Xn überwacht wird. Die übrigen Sensoren Xn+1, Xn-1, die in der Höhe h am Behälter 2 entlang angeordnet sind, können dann in eine passive Betriebsart umgeschaltet werden, in der sie nicht länger Messdaten senden müssen, wodurch sich der Bandbreitenbedarf des eingesetzten Bussystems 7 deutlich reduziert.
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Das radiometrische Messgerät ist so ausgestaltet, dass es die einzelnen Sensoren Xn, Xn+i, Xn-i von einer aktiven in eine passive Betriebsart und umgekehrt umschaltet, falls sich der Füllstand 1 des Materials 5 im Behälter 2 so weit ändert, dass er nicht mehr im Füllstandbereich Rn, der von einem ersten Sensor Xn überwacht wird, sondern in einem Füllstandbereich Rn+1, Rn-1 liegt, der von einem benachbarten Sensor Xn+1, Xn-1 überwacht wird. Eine beispielhafte Methode, um dies zu erreichen, wird in Zusammenhang mit erläutert.
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zeigt ein Flussdiagramm, das die einzelnen Schritte 100–600 der beispielhaften Methode zum Messen des Füllstands 1 mit einem radiometrischen Füllstandmessgerät zeigt. In einem ersten Schritt 100 übernimmt ein erster Sensor Xn die Messung des Füllstands 1. In einem zweiten Schritt 200 werden die Messwerte an eine Steuereinheit 6 übertragen. In einem dritten Schritt 300 wird der Messwert, der Füllstand 1 wiedergibt, mit einem oberen Schwellwert TH verglichen, der auf einen vorgegebenen Prozentsatz des von dem ersten Sensor Xn überwachten Füllstandbereichs Rn eingestellt werden kann, so z. B. 90%. Wenn der Füllstand 1 den oberen Schwellwert TH überschreitet, dann werden in einem vierten Schritt 400 die Messungen von einem zweiten Sensor Xn+1 übernommen, der den Füllstandbereich Rn+1 überwacht. Dieser Füllstandbereich liegt direkt über dem Füllstandbereich Rn, der von dem ersten Sensor Xn überwacht wird. Wenn im Schritt 300 der vom ersten Sensor Xn gemessene Füllstand 1 den oberen Schwellwert TH unterschreitet, dann wird der Füllstand 1 in Schritt 500 mit einem niedrigeren Schwellwert TL verglichen. Genau wie der obere Schwellwert TH kann auch der untere Schwellwert TL auf einen vorgegebenen Prozentsatz des Füllstandbereichs Rn eingestellt werden, der vom ersten Sensor Xn überwacht wird. Wenn der gemessene Füllstand 1 den unteren Schwellwert TL unterschreitet, dann werden in Schritt 600 die Messungen von einem dritten Sensor Xn-1 übernommen. Der dritte Sensor Xn-1 überwacht einen Füllstandbereich Rn-1, der sich unmittelbar unter dem Füllstandbereich Rn befindet, der vom ersten Sensor Xn überwacht wird. Wenn der gemessenen Füllstand 1 in Schritt 500 den unteren Schwellwert TL überschreitet, dann können die Schritte 200 bis 600 der Methode wiederholt werden. Zusätzlich kann in den Schritten 400 und 600, wenn der zweite Sensor Xn+1 oder der dritte Sensor Xn-1 mit den Messungen von Füllstand 1 beginnt, der ersten Sensor Xn in eine passive Betriebsart umgeschaltet werden, wodurch er keine Messdaten mehr an Steuereinheit 6 sendet.
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Wenn sich z. B. die Füllstandbereiche Rn, Rn+1, die vom ersten Sensor Xn und vom zweiten Sensor Xn+1 überwacht werden, überlappen, kann eine Hysterese in die Methode eingefügt werden, um zu verhindern, dass die Sensoren Xn und Xn-1 unnötigerweise zwischen der aktiven und passiven Betriebsart hin und her schalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Füllstand/aktueller Füllstand
- 2
- Behälter
- 3
- Strahlung
- 4
- Strahlenquellen
- 5
- Material
- 6
- Steuereinheit
- 7
- Bussystem
- 8
- Szintillator
- 9
- Photoelektronenvervielfacher
- 10
- Elektronikeinheit des Sensors
- h
- Höhe des Behälters
- Xn
- Erster Sensor
- Xn+1
- Zweiter Sensor
- Xn-1
- Dritter Sensor
- Rn
- Erster Füllstandbereich
- Rn+1
- Zweiter Füllstandbereich
- Rn-1
- Dritter Füllstandbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008039696 A1 [0008]
