DE102015202448A1 - Auswerteverfahren für einen TDR-Grenzstandschalter - Google Patents

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Levin Dieterle
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Abstract

TDR-Grenzstandschalter, der anhand der aus dem erfassten Messsignal ablesbaren Positionen relativ zum Sendepuls und die damit zusammenhängenden Amplituden der Reflexionen des Sendepulses an der Einkoppelstelle und an dem Ende der Messsonde bestimmt, ob die Messsonde vom Füllgut umgeben ist oder nicht. Somit lässt sich eine Grenzstandmeldung einfacher, sicherer und zuverlässiger gestalten.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft die Messung von Grenzständen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen TDR-Grenzstandschalter, ein Verfahren zum Bestimmen eines Grenzstandes eines Füllgutes in einem Behälter, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
  • Technologischer Hintergrund
  • Für bestimmte Anwendungen ist es nützlich, Grenzstände zu erfassen, um beispielsweise ein Überlaufen oder Leerlaufen des Behälters, in dem sich ein Füllgut befindet, zu vermeiden. Insbesondere bei Prozesstanks, Lagertanks, Silos oder Rohrleitungen in der Prozessindustrie kann die Erfassung einer vordefinierten Füllhöhe (Grenzstand) vorteilhaft sein. Hierfür werden Grenzstandschalter, die auch als Grenzschalter, Grenzstandmelder oder Grenzstandmessgerät bezeichnet werden können, verwendet. Derartige Vorrichtungen können in unterschiedlichsten Flüssigkeiten sowie granulierten oder pulverförmigen Schüttgütern eingesetzt werden.
  • Je nach der Eigenschaft des Füllgutes sowie den individuellen Prozessbedingungen kommen unterschiedliche Grenzstandschalter zum Einsatz. Bekannt sind beispielsweise TDR-Melder (TDR: Time Domain Reflectometry), Vibrationsgrenzschalter, sowie Sensoren, die nach dem kapazitiven Messprinzip arbeiten. Ein Schaltbefehl, der vom Grenzstandschalter generiert wird, startet oder stoppt beispielsweise Befülleinrichtungen, wie Förderbänder oder Pumpen.
  • Das vom Grenzstandschalter erfasste Messsignal ändert sich, je nachdem, ob die Messsonde des Grenzstandschalters vom Füllgut umgeben ist oder nicht. Auch kann das Messsignal davon abhängen, ob die Messsonde sauber ist oder ob sich darauf Anhaftungen (Verschmutzungen) befinden. Um das erfasste Messsignal zuverlässig auszuwerten, werden oft aufwendige Auswerteverfahren eingesetzt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Auswertung der von einem Grenzstandschalter erfassten Messsignale zuverlässig und treffsicher zu gestalten.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen TDR-Grenzstandschalter, der eine Messsonde und eine Auswerteeinheit aufweist. Die Messsonde ist zum Eintauchen in ein Füllgut und zum Erfassen eines mit dem Zustand der Messsonde, beispielsweise relativ zum Füllgut, korrespondierenden Messsignals ausgeführt. Mit dem „Zustand der Messsonde” sind insbesondere die Zustände „Messsonde vom Füllgut (halb oder vollständig) bedeckt”, „Messsonde vom Füllgut nicht bedeckt” und „Messsonde verschmutzt” zu verstehen.
  • Je nach dem Zustand der Messsonde kann sich das von der Sonde erfasste Messsignal ändern.
  • Der TDR-Grenzstandschalter weist darüber hinaus eine Auswerteeinheit zum Auswerten des erfassten Messsignals auf. Die Messsonde besitzt eine sogenannte Einkoppelstelle, an welcher der Sendepuls, der von dem TDR-Grenzstandschalter generiert wird, in die Messsonde eingekoppelt wird. Aus dem Sendepuls entsteht letztendlich das erfasste Messsignal, welches sich beispielsweise aus dem ursprünglichen Sendepuls und den daraus entstehenden Reflexionen des Sendepulses an den Orten der Messsonde, an denen ein Impedanzsprung auftritt, zusammensetzt. Bei diesen Orten handelt es sich insbesondere um die Einkoppelstelle und dem Ende der Sonde.
  • Die Auswerteeinheit ist ausgeführt, anhand der an mindestens zwei zeitlich festlegbaren Referenzpositionen relativ zum Sendepuls erfassten Amplituden des Messsignals zu bestimmen, ob die Messsonde vom Füllgut umgeben ist oder nicht.
  • Die Auswerteeinheit kann alternativ oder zusätzlich dazu ausgeführt sein, anhand der aus dem erfassten Messsignal ablesbaren zwei Positionen in der Echokurve XR1, XR2, die relativ zur Position XR0 des Sendepulses bestimmt werden, die entsprechenden zwei Amplituden YE1, YE2 der Reflexionen des Sendepulses an der Einkoppelstelle und an dem Ende der Messsonde zu bestimmen und mit Hilfe der beiden Amplituden zu entscheiden, ob die Messsonde vom Füllgut umgeben ist oder nicht.
  • Auch kann, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die Auswerteeinheit ausgeführt sein, anhand der aus dem erfassten Messsignal ablesbaren Positionen (relativ zum Sendepuls) und den damit zusammenhängenden Amplituden der Reflexionen des Sendepulses an der Einkoppelstelle und an dem Ende der Messsonde, sowie anhand der Minima in den Bereichen dieser Reflexionen zu bestimmen bzw. zu entscheiden, ob die Messsonde verschmutzt ist.
  • Im Falle einer Verschmutzung der Messsonde mag es sein, dass die Auswerteeinheit nicht unterscheiden kann, ob die Sonde vom Füllgut bedeckt ist oder nicht, da die Verschmutzung bzw. Anhaftung das Messsignal so stark beeinflusst, dass ein Eintauchen der Messsonde in das Füllgut nicht mehr detektierbar ist.
  • An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die oben und im Folgenden beschriebenen Positionen und Amplituden der Reflexionen des Sendepulses in der sogenannten Echokurve abgelesen werden können, die die Auswerteeinheit aus dem Messsignal erzeugen kann. In einer solchen Echokurve ist die Messsignalamplitude gegen die Signallaufzeit aufgetragen. Die Signallaufzeit korrespondiert mit der Position des entsprechenden Reflektors (Einkoppestelle, Messsondenende, Füllgutoberfläche).
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinheit ausgeführt, aus einer Referenzmessung bei leerem Behälter die Positionen relativ zum Sendepuls und die Amplituden der Reflexionen des Sendesignals an der Einkoppelstelle und an dem Ende der Messsonde (oder einem Reflektor in der Sonde) zu bestimmen.
  • Aus dem durch die Referenzmessung erzeugten Messsignal kann eine Referenzechokurve erzeugt werden, mit welcher die Echokurve der eigentlichen Messung verglichen werden kann. Insbesondere können aus dieser Referenzechokurve die Positionen und entsprechenden Amplituden der Reflexionen des Sendepulses an der Einkoppelstelle und dem Messsondenende bestimmt werden. Sind diese Positionen aus der Referenzechokurve bestimmt, wird (näherungsweise) davon ausgegangen, dass diese Positionen auch in der tatsächlichen Echokurve mit der Einkoppelstelle und dem Messsondenende korrespondieren (was jedoch im Falle einer bedeckten Messsonde hinsichtlich dem Messsondenende nicht 100%ig korrekt sein mag, da sich der Sendesignalpuls im Füllmedium mit einer anderen Geschwindigkeit ausbreitet als in der Behälteratmosphäre).
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der TDR-Grenzstandschalter einen in den Grenzstandschalter integrierten Lagesensor zum Erfassen von Informationen über eine Einbaulage des Grenzstandschalters in den Behälter, in dem sich das Füllgut befindet, und zum Übermitteln der erfassten Informationen an die Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit ist hierbei ausgeführt, die von dem Lagesensor erfassten Informationen beim Auswerten des Messsignals zu berücksichtigen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung betreffen die von dem Lagesensor erfassten Informationen die Orientierung des Grenzstandschalters relativ zum Füllgut und die Position des Grenzstandschalters im Behälter.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die erfassten Informationen bezüglich der Orientierung des Grenzstandschalters darauf beschränkt, anzugeben, ob der Grenzstandschalter vertikal nach oben gerichtet, vertikal nach unten gerichtet oder horizontal in dem Behälter angebracht ist.
  • Für die Auswertung des Messsignals zieht die Auswerteeinheit somit die vom Lagesensor erfassten Informationen heran. Hierdurch wird das Auswerteverfahren insgesamt vereinfacht, da der Lagesensor wertvolle Informationen über die Einbaulage (beispielsweise vertikal nach unten gerichtet, vertikal nach oben gerichtet, horizontal) bereitstellen kann, so dass die Auswerteeinheit von vornherein bestimmte Szenarien ausschließen kann.
  • So weist beispielsweise ein Messsignal, das von einer vertikal nach oben gerichteten und halb vom Füllgut bedeckten Messsonde erfasst wird, andere Charakteristika auf als ein Messsignal, das von einer vertikal nach unten gerichteten, halb vom Füllgut bedeckten Messsonde erfasst wurde. Allerdings ist es möglich, dass das Messsignal einer halb bedeckten, vertikal nach oben gerichteten Messsonde ähnliche Charakteristika aufweist wie das Messsignal einer unbedeckten, jedoch verschmutzten, also mit Anhaftungen versehenen Messsonde.
  • Allein aus den Informationen, ob die Messsonde vertikal nach oben oder nach unten gerichtet ist, kann somit bei einer bestimmten Charakteristik des Messsignals auf eine halbe Bedeckung der Messsonde durch das Füllgut oder auf eine Verschmutzung der Messsonde geschlossen werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Lagesensor ausgeführt, die Informationen über die Einbaulage des Grenzstandschalters in dem Behälter bei Inbetriebnahme des Grenzstandschalters automatisch zu erfassen. Auf eine aufwendige Parametrierung kann somit verzichtet werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Grenzstandes eines Füllgutes in einem Behälter angegeben, bei dem zunächst ein Sendepuls an einer Einkoppelstelle einer Messsonde in die Messsonde eingekoppelt wird. Danach wird ein mit dem Zustand der Messsonde relativ zum Füllgut korrespondierendes (und aus dem Sendepuls durch Reflexion des Sendepulses an Orten der Messsonde, an denen ein Impedanzsprung auftritt, insbesondere an der Einkoppelstelle und dem Sondenende entstandenes) Messsignal erfasst. Anhand der aus dem erfassten Messsignal ablesbaren bzw. aus einem Referenzsignal ablesbaren Positionen relativ zum Sendepuls und den damit zusammenhängenden Amplituden der Reflexionen des Sendepulses an der Einkoppelstelle und an dem Ende der Messsonde wird bestimmt, ob die Messsonde von Füllgut umgeben ist oder nicht.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es von einem Prozessor eines Grenzstandschalters ausgeführt wird, den Grenzstandschalter anleitet, die oben und im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte durchzuführen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein computerlesbares Medium angegeben, auf dem ein oben beschriebenes Programmelement gespeichert ist.
  • Ein Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, dass der TDR-Grenzstandschalter auf die Zustände „bedeckt” (und nicht stark verschmutzt), „nicht bedeckt” (und auch nicht stark verschmutzt) und „verschmutzt” durch Analyse des Messsignals (bzw. der daraus generierten Echokurve) schließen kann. Zur Unterscheidung der Zustände werden die Positionen und die Amplituden der Einkoppelstelle und des Sondenendes relativ zur Position des Sendepulses durch Schwellwertvergleiche bewertet.
  • Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt einen in einem Tank eingebauten TDR-Grenzstandsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 zeigt eine Referenzechokurve.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 4 zeigt eine Referenzechokurve und eine zusätzliche Messkurve.
  • 5 zeigt eine Referenzechokurve und eine zusätzliche Messkurve.
  • 6 zeigt eine Referenzechokurve und eine zusätzliche Messkurve.
  • 7 zeigt einen in ein Behälter eingebauten TDR-Grenzstandschalter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 8 zeigt eine Referenzechokurve und eine zusätzliche Echokurve.
  • 9 zeigt einen TDR-Grenzstandschalter, der in einem Behälter eingebaut ist, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 10 zeigt eine Referenzechokurve und eine zusätzliche Echokurve.
  • Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
  • Werden in der folgenden Figurenbeschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Gleiche oder ähnliche Elemente können aber auch durch unterschiedliche Bezugszeichen bezeichnet sein.
  • 1 zeigt einen Behälter 102, in den ein TDR-Grenzstandschalter 101 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eingeschraubt ist. In dem Behälter befindet sich ein Füllgut 112. Der TDR-Grenzstandschalter 101 arbeitet nach dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie (TDR). Ein TDR-Sensor besteht im Allgemeinen aus einer Elektronikeinheit 103 und einer sogenannten Messsonde 108, beispielsweise in Form eines elektrisch leitenden Stabes oder eines Seils.
  • Die Länge der Messsonde 108 beträgt beispielsweise einige Zentimeter, beispielsweise weniger als 4 cm, so dass die Reflexionen des Sendepulses an der Einkoppelstelle und am Stabende miteinander interferieren bzw. sich überlagern, was die Auswertung der Echokurve erschwert. Es sei darauf hingewiesen, dass aktuell auf dem Markt erhältliche Messsonden deutlich länger (≥ 0.5 m) sind, so dass es nicht zu einer Interferenz der Reflexionen des Sendepulses zwischen Einkoppelstelle, Stabende und Füllmedium kommt und die einzelnen Extrema in der Echokurve sauber getrennt werden können und einzeln auswertbar sind.
  • In der Elektronikeinheit wird ein elektromagnetisches Signal erzeugt und an der Einkoppelstelle 109 auf die Messsonde 108 eingekoppelt. Das Signal breitet sich entlang der Sonde geführt aus. Impedanzsprünge entlang der Messsonde haben zur Folge, dass gewisse Teile des hochfrequenten Sendesignals (hierbei handelt es sich beispielsweise um einen Sendepuls) reflektiert und als Empfangssignal von der Elektronikeinheit detektiert werden. In der Elektronikeinheit 103 werden die empfangenen Reflexionsverhältnisse entlang der Messsonde in eine sogenannte Echokurve umgesetzt und daraus eine Grenzstandbewertung durchgeführt. Das hier und im Folgenden beschriebene Verfahren führt dazu, dass Anhaftungen an der Messsonde sowie Einbauten im Behälter, wie beispielsweise Stutzen, berücksichtigt werden. Nur unter Berücksichtigung von Anhaftungen sowie unterschiedlicher Einbausituationen des TDR-Grenzstandschalters im Behälter kann eine sichere und zuverlässige Grenzstandbestimmung verschiedenster Medien nach dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie erfolgen.
  • Ein Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Auswerteverfahren einen Grenzstand detektieren kann, eine Anhaftung erkennen kann und zudem den Einfluss von Behälterstutzen in der Grenzstandbestimmung beachtet. Die Basis der Auswertung bilden die Echokurven, welche die Reflexionsverhältnisse entlang der Messsonde 108 wiedergeben. Der in 1 gezeigte Grenzstandsensor 101 arbeitet nach dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie (TDR-Grenzstandschalter). Der Grenzstandschalter 101 ist von oben in den Behälter 102 montiert. Die Elektronikeinheit 103 weist im Einzelnen eine Sendeeinheit 104, eine Empfangseinheit 105, einen Lagesensor 106 und eine Auswerteeinheit 107 auf. Der Lagesensor ist nicht zwingend erforderlich. Alternativ können die Lagedaten des Sensors auch im Zuge einer Geräteparametrierung vom Benutzer eingegeben werden.
  • Die Sendeeinheit 104 hat die Aufgabe, hochfrequente Signale zu erzeugen und diese auf den elektrisch leitenden Stab, die Messsonde 108, einzukoppeln. Impedanzsprünge entlang der Messsonde 108 haben zur Folge, dass gewisse Signalanteile des Sendesignals zurückreflektiert werden.
  • Sehr starke Reflexionen entstehen insbesondere im Bereich der Einkoppelstelle 109, einer Mediengrenzfläche 111 (im Beispiel der 1 handelt es sich hierbei um die Füllgutoberfläche) sowie am Stabende 110.
  • Die Reflexionssignale werden von der Empfangseinheit 105 empfangen und in eine Echokurve umgesetzt. Eine weitere Komponente der Elektronikeinheit 103 ist der Lagesensor 106, der die Einbauposition des Grenzstandmelders 101 ermitteln kann. Unter Einbauposition ist in diesem Zusammenhang die Ausrichtung des Sensors zu verstehen (also der Winkel, den die Messsonde 108 relativ zur Füllgutoberfläche einnimmt). Hierbei kann es sich im einfachsten Fall um drei mögliche Ausrichtungen handeln, die der Lagesensor detektieren kann, nämlich „horizontal”, „vertikal nach unten gerichtet” und „vertikal nach oben gerichtet”.
  • In einer komplexeren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Lagesensor den genauen Winkel der Messsonde zur Füllgutoberfläche bestimmt. In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Lagesensor auch noch die Einbauposition im Behälter bestimmt und somit feststellen kann, ob der Grenzstandschalter im Behälterdeckel, am Behälterboden oder an der Behälterwandung installiert ist.
  • In der Auswerteeinheit 107 werden aus der Echokurve sowie unter Berücksichtigung der ermittelten Einbaulage verschiedene Zustände (bedeckt, nicht bedeckt und verschmutzt) erkannt und dementsprechend ausgegeben.
  • 2 zeigt eine Referenzechokurve 201, welche dem TDR-Grenzstandschalter beispielsweise ab Werk bekannt ist. Die Vertikalachse bezeichnet die Amplitude des erfassten Messsignals und die Horizontalachse die Zeit, beispielsweise in Millisekunden. Der Nullpunkt befindet sich am Kreuzungspunkt der beiden Achsen.
  • Für die Auswertung der Echokurve werden drei markante Merkmale herangezogen. Dazu zählen der Sendepuls 202 mit seinem Minimum P0 205, die Reflexion des Sendepulses an der Einkoppelstelle 203 mit ihrem Minimum P1 206 sowie die Reflexion des Sendepulses am Stabende 204 mit ihrem Minimum P2 207.
  • Das Auswerteverfahren bewertet grundsätzlich die Amplituden der empfangenen Reflexionen der Einkoppelstelle 203 sowie deren relative Position zum Sendepuls 202. Zudem werden die Amplitude der empfangenen Reflexion am Stabende 204 sowie deren relative Position zum Sendepuls 202 in der Grenzstandbestimmung berücksichtigt.
  • Die exakte Vorgehensweise des Auswerteverfahrens wird anhand des Flussdiagramms der 3 beschrieben. Dabei werden durch das Verfahren die Zustände „bedeckt”, „nicht bedeckt” und „verschmutzt” ausgegeben.
  • Das Verfahren startet mit Schritt 301. In Schritt 302 wird die Referenzechokurve der 2 gemessen. Dies erfolgt beispielsweise im Werk, also vor der Auslieferung an den Kunden. In Schritt 303 werden die XY-Koordinaten des Sendepulses (XR0/YR0), der Reflexion des Sendepulses an der Einkoppelstelle (XR1/YR1) und der Reflexion des Sendepulses am Stabende (XR2/YR2) aus der Referenzechokurve bestimmt. Dies alles kann im Werk erfolgen.
  • Ist der Grenzstandschalter im Behälter eingebaut, kann eine Echokurve in Schritt 304 gemessen werden. Diese Echokurve wird beispielsweise in Schritt 305 einer Filterung unterzogen und in Schritt 306 ermittelt der Lagesensor die Einbaulage des Grenzstandschalters. Dieser Schritt kann auch schon früher im Verfahren, bevor die Echokurve in Schritt 304 gemessen wird, durchgeführt werden und muss danach nicht weder durchgeführt werden, falls der Sensor seine Einbauposition nicht mehr ändert. Auch kann die Sensorlage benutzerseitig eingegeben werden.
  • Vorzugsweise ermittelt der Lagesensor jedoch die Einbaulage des Sensors automatisch bei Inbetriebnahme des Sensors, so dass der Nutzer weitgehend entlastet wird.
  • In Schritt 307 wird untersucht, ob es sich bei der Einbaulage um die in der 1 dargestellte Einbaulage oben am Behälterdeckel mit nach unten gerichteter Messsonde handelt. Ist dies der Fall, springt das Verfahren zu Schritt 308, in welchem die Amplitude YE1 an der Position XR1 der aufgenommenen Echokurve bestimmt wird. Danach (oder davor) erfolgt in Schritt 309 die Bestimmung der Amplitude YE2 an der Position XR2 der Echokurve. Im Schritt 310 wird dann festgestellt, ob sich der Wert YE1 zwischen einem ersten Schwellwert SW11 und einem zweiten Schwellwert SW12 befindet. Ist dies der Fall, erfolgt in Schritt 311 eine Minimumsuche im Bereich zwischen zwei weiteren Schwellwerten SW13 und SW14, also in einem bestimmten Zeitintervall der Echokurve, in welchem sich die Reflexion an der Einkoppelstelle befindet.
  • Die hier und im Folgenden beschriebenen Schwellwerte sind Erfahrungswerte, die durch Probemessungen erhalten werden können. Ihre Werte hängen beispielsweise vom Medium ab, das vermessen werden soll, insbesondere aber auch von der Sondenart (deren Länge, etc.). In einer ersten Näherung ist es möglich, dieselben Schwellwerte für sämtliche zu vermessenden Medien zu verwenden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass für jedes zu vermessende Medium ein bestimmter Satz an Schwellwerten verwendet wird. Im Folgenden werden Echokurven für die Medien Wasser, Honig und Öl beschrieben.
  • Nach Auffinden des Minimums im Bereich zwischen SW13 und SW14 (das Minimum ist mit dem Bezugszeichen 403 bezeichnet) wird bestimmt, ob die X-Koordinate (Zeitkoordinate) des Minimums XEM1 größer ist als die Zeitkoordinate der Reflexion des Sendepulses an der Einkoppelstelle in der Referenzkurve XR1, in anderen Worten, ob das Minimum nach rechts verschoben ist (Schritt 312).
  • Ist dies nicht der Fall, springt das Verfahren von Schritt 312 zu Schritt 313, indem beurteilt wird, ob YE2 (also die Amplitude der Echokurve zur Zeit XR2) größer ist als ein weiterer Schwellwert SW21.
  • Ist dies der Fall, wird in Schritt 314 auf eine Bedeckung der Messsonde geschlossen und das Verfahren geht zurück zu Schritt 304, indem eine neue Echokurve vermessen werden kann. Ist dies nicht der Fall, springt das Verfahren zu Schritt 325, in welchem eine Minimumsuche im Bereich zwischen SW22 und SW23 erfolgt und es wird dann in Schritt 326 festgestellt, ob dieses Minimum XEM2 größer ist als XR2. Ist dies der Fall, wird auf Bedeckung der Sonde in Schritt 314 geschlossen. Ist dies nicht der Fall, wird auf Nichtbedeckung geschlossen (Schritt 327) und es folgt Schritt 304, also die Aufnahme einer weiteren Echokurve. Kommt Schritt 312 jedoch zu dem Ergebnis, dass XEM1 größer ist als XR1, so springt das Verfahren zu Schritt 315, indem davon ausgegangen wird, dass die Messsonde mit einer Anhaftung versehen ist. Diese Anhaftung wird dann in Schritt 315 bewertet. Im folgenden Schritt 316 wird entschieden, ob eine neue Messung freigegeben werden soll. Ist dies der Fall, springt das Verfahren zu Schritt 304, indem eine neue Echokurve vermessen werden kann. Wird durch die Echokurvenauswertung jedoch auf eine starke Verschmutzung geschlossen, kann eine neue Messung blockiert werden und das Verfahren springt von Schritt 316 zu Schritt 317, in welchem an den Benutzer eine Mitteilung ausgegeben wird, dass die Sonde zu stark verschmutzt ist.
  • Wird in Schritt 310 festgestellt, dass YE1 nicht zwischen SW11 und SW12 liegt, springt das Verfahren zu Schritt 328, in welchem beurteilt wird, ob YE1 größer ist als SW12. Ist dies der Fall, wird auf eine Bedeckung der Sonde geschlossen und das Verfahren geht zu Schritt 314. Ist dies nicht der Fall, springt das Verfahren zu Schritt 327, in welchem auf eine Nichtbedeckung der Sonde geschlossen wird und es folgt Schritt 304, also die Aufnahme einer weiteren Echokurve.
  • Wird in Schritt 307 festgestellt, dass sich die Sonde nicht in der oberen Einbaulage befindet, wird in Schritt 318 beurteilt, ob sie sich in einer seitlichen Einbaulage befindet. In diesem Fall springt das Verfahren zu Schritt 320 und es erfolgt dieselbe Auswertung wie bei der oberen Einbaulage 307 (also eine Durchführung der Schritte 308, 309 etc.).
  • Andernfalls wird in Schritt 319 festgestellt, ob sich die Sonde in der unteren Einbaulage (am Behälterboden und nach oben gerichtet) befindet. In diesem Fall geht es weiter mit Schritt 321. Andernfalls springt das Verfahren zu Schritt 306 zurück und die Einbaulage des Grenzstandschalters wird durch den Lagesensor erneut ermittelt.
  • In Schritt 321 wird die Amplitude YE1 an der Position XR1 bestimmt und in Schritt 322 wird die Amplitude YE2 an der Position XR2 bestimmt. Danach folgt Schritt 323, in welchem festgestellt wird, ob sich YE1 zwischen den Schwellwerten SW11 und SW12 befindet. Ist dies der Fall, wird das Verfahren in Schritt 324 fortgeführt, in welchem bestimmt wird, ob YE2 größer ist als SW21. Ist dies der Fall, wird auf eine Bedeckung der Sonde geschlossen. Ist dies nicht der Fall, läuft das Verfahren zur Schritt 325, in welchem eine Minimumsuche im Bereich zwischen SW22 und SW23 erfolgt und es wird dann in Schritt 326 festgestellt, ob dieses Minimum XEM2 größer ist als XR2. Ist dies der Fall, wird auf Bedeckung der Sonde in Schritt 314 geschlossen. Ist dies nicht der Fall, wird auf Nichtbedeckung geschlossen (Schritt 327).
  • Wird in Schritt 323 hingegen verneint, dass YE1 zwischen SW11 und SW12 liegt, macht das Verfahren weiter mit Schritt 328, gefolgt von 314 oder 327, wie bereits oben beschrieben.
  • 4 zeigt einen Ausschnitt einer Referenzechokurve 411 und einer zusätzlichen Messkurve 412. Auch hier befindet sich der Koordinatenursprung (wie auch in den 2, 5, 6, 8 und 10) im Schnittpunkt der beiden Achsen. Die Echokurve 412 wurde durch den in 1 präsentierten Messaufbau gemessen, wobei die Messsonde 108 zur Hälfte mit dem Medium Wasser bedeckt war. Der Grenzstandschalter 101 würde bei dieser Messung den Zustand „bedeckt” ausgeben.
  • Die Zeitschwellwerte SW13 und SW14 (zwischen denen sich die Reflexion an der Einkoppelstelle befindet) sind mit Bezugszeichen 404, 405 bezeichnet, die Zeitschwellwerte SW22 und SW23 (zwischen denen sich die Reflexion am Stabende befindet) sind mit Bezugszeichen 406 und 407 bezeichnet. Die Amplitudenschwellwerte SW11, SW12 und SW21 mit den Bezugszeichen 408, 409 und 410.
  • Der erste Tiefpunkt in der Referenzechokurve 411 P1(XR1/YR1) 206 entspricht der minimalen Amplitude und der Position (bzw. der Signallaufzeit) der Reflexion des Sendepulses an der Einkoppelstelle. Direkt darüber befindet sich der mit P1'(XR1/YE1) 401 bezeichnete Punkt der tatsächlichen Echokurve 412. Links daneben befindet sich der Tiefpunkt P1M(XEM1/YEM1) 403 in der tatsächlichen Echokurve.
  • Der zweite Tiefpunkt in der Referenzechokurve P2(XR2/YR2) 207 entspricht der Reflexion des Referenzsendepulses am Sondenende und direkt darüber befindet sich der Punkt P2'(XR2/YE2) 402 der tatsächlichen Echokurve.
  • Auch in 5 ist dieser Ausschnitt der Referenzechokurve 501 gezeigt. Zudem ist eine weitere Echokurve 502 abgebildet. Diese wurde ebenfalls mit dem in 1 beschriebenen Messaufbau gemessen, wobei der Sondenstab 108 zur Hälfte mit Honig bedeckt war. Auch bei diesem Messszenario würde der Grenzstandsensor 101 „bedeckt” melden.
  • In 6 ist derselbe Ausschnitt der Referenzkurve abgebildet, wie in 5. Zudem ist eine tatsächliche Echomesskurve 602 abgebildet. Diese wurde wiederum mit dem in 1 beschriebenen Messaufbau vermessen, wobei der Stab 108 zur Hälfte mit dem Medium Öl bedeckt war. Das Auswerteverfahren würde auch in diesem Fall den Zustand „bedeckt” ausgeben. Bezugszeichen 601 zeigt den Messpunkt P2M(XEM2/YEM2) auf der tatsächlichen Echokurve. Er befindet sich unterhalb des Schwellwertes SW21.
  • Die drei zuvor beschriebenen Messszenarien belegen, dass der in 3 beschriebene Auswertealgorithmus auf unterschiedlichste Medien anwendbar ist. Eine zuverlässige Grenzstanddetektion ist sowohl für Medien mit niedriger Permittivität (Öl) als auch für Füllgüter mit hoher Permittivität (Wasser) möglich. Des Weiteren ist es völlig unerheblich, ob es sich um elektrisch leitende Füllgüter handelt oder um nicht leitende Medien.
  • 7 zeigt einen weiteren Messsaufbau mit einem TDR-Grenzstandschalter 701, der dem Grenzstandschalter der 1 entspricht. Er weist eine Elektronikeinheit 702 und einen elektrisch leitenden Stab 703 auf. In dieser Ausführungsform ist der Grenzstandschalter 701 indirekt über einen Einschraubstutzen 705 in den Behälter 704 montiert.
  • Der Einfluss des Stutzens 705 auf die Echokurve und dementsprechend auf die Grenzstandbestimmung wird in 8 näher erläutert. Zum einen ist in 8 die Referenzechokurve 801 und zum anderen eine zusätzliche tatsächliche Messechokurve 802 aufgeführt. Die Messechokurve 802 ist nach dem in 7 beschriebenen Ausführungsbeispiel gemessen worden. Der elektrisch leitende Stab 703 war nicht mit einem Medium in Kontakt. In diesem Fall würde der Auswertealgorithmus nach 3 den Zustand „nicht bedeckt” ausgeben. Folglich werden Einbauten vom Algorithmus erkannt und in der Grenzstandbestimmung berücksichtigt.
  • Ein weiteres Messszenario ist in 9 gezeigt. Der TDR-Grenzstandschalter 901 ist von oben in den Behälter 902 eingebaut und steht nicht in Kontakt mit einem Füllgut. Wesentlich ist, dass der elektrisch leitende Stab 903 sehr stark verschmutzt ist. Der Einfluss der Anhaftung 904 auf die Form der Echokurve ist in 10 gezeigt. Die Referenzechokurve ist mit 1001 bezeichnet. Das Anhaftungsverhalten spiegelt sich insbesondere in der Messechokurve 1002 wider. In diesem Fall würde der Auswertealgorithmus nach 3 den Zustand „verschmutzt” ausgeben.
  • Die vorgestellten Messszenarien zeigen, dass sowohl Anhaftungen als auch Einbauten durch den in 3 präsentierten Auswertealgorithmus erkannt werden. Darüber hinaus werden diese Kenntnisse in die Grenzstandbestimmung mit einbezogen und dadurch eine zuverlässige und sichere Grenzstandmeldung realisiert.

Claims (11)

  1. TDR-Grenzstandschalter (101), aufweisend: eine Messsonde (108) zum Eintauchen in ein Füllgut und zum Erfassen eines mit dem Zustand der Messsonde korrespondierenden Messsignals (412, 502, 602); eine Auswerteeinheit (107) zum Auswerten des erfassten Messsignals; wobei die Messsonde eine Einkoppelstelle (109) aufweist, an der ein Sendepuls in die Messsonde eingekoppelt wird, aus dem dann das erfasste Messsignal entsteht; wobei die Auswerteeinheit ausgeführt ist, anhand der an mindestens zwei zeitlich festlegbaren Referenzpositionen relativ zum Sendepuls erfassten Amplituden des Messsignals zu bestimmen, ob die Messsonde vom Füllgut umgeben ist oder nicht.
  2. TDR-Grenzstandschalter (101) nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit ausgeführt ist, anhand der im Messsignal an Referenzpositionen (XR1, XR2) erfassten Amplituden (YE1, YE2) zu bestimmen, ob die Messsonde vom Füllgut umgeben ist oder nicht; wobei es sich bei den Referenzpositionen um die Reflexionsstellen des Sendepulses an der Einkoppelstelle und am Ende (110) der Messsonde, relativ zum Sendepuls, handelt.
  3. TDR-Grenzstandschalter (101) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerteeinheit (107) ausgeführt ist, anhand der im Messsignal an den Referenzpositionen (XR1, XR2) erfassten Amplituden (YE1, YE2), sowie der Minima (XEM1, XEM2) in den Bereichen dieser Reflexionen zu bestimmen, ob die Messsonde verschmutzt ist.
  4. TDR-Grenzstandschalter (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (107) ausgeführt ist, aus einer Referenzmessung bei leerem Behälter die Positionen (XR1, XR2), relativ zum Sendepuls, und die Amplituden (YR1, YR2) der Reflexionen des Sendepulses an der Einkoppelstelle (109) und an dem Ende (110) der Messsonde zu bestimmen.
  5. TDR-Grenzstandschalter (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend: einen in dem Grenzstandschalter integrierten Lagesensor (106) zum Erfassen von Informationen über eine Einbaulage des Grenzstandschalters in dem Behälter (102), in dem sich das Füllgut befindet, und zum Übermitteln der erfassten Informationen an die Auswerteeinheit (107); wobei die Auswerteeinheit ausgeführt ist, die von dem Lagesensor erfassten Informationen beim Auswerten des Messsignals zu berücksichtigen.
  6. TDR-Grenzstandschalter (101) nach Anspruch 5, wobei die von dem Lagesensor (106) erfassten Informationen die Orientierung des Grenzstandschalters relativ zum Füllgut (112) und die Position des Grenzstandschalters im Behälter (102) betreffen.
  7. TDR-Grenzstandschalter (101) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die erfassten Informationen bezüglich der Orientierung des Grenzstandschalters darauf beschränkt sind, anzugeben, ob der Grenzstandschalter vertikal nach oben gerichtet, vertikal nach unten gerichtet oder horizontal in dem Behälter (102) angebracht ist.
  8. TDR-Grenzstandschalter (101) nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei der Lagesensor (106) aufgeführt ist, die Informationen über die Einbaulage des Grenzstandschalters in dem Behälter (102) bei Inbetriebnahme des Grenzstandschalters automatisch zu erfassen.
  9. Verfahren zum Bestimmen eines Grenzstandes eines Füllgutes (112) in einem Behälter (102), aufweisend die Schritte: Einkoppeln eines Sendepulses an einer Einkoppelstelle einer Messsonde (108); Erfassen eines mit dem Zustand der Messsonde korrespondierenden Messsignals (412, 502, 602); Bestimmen, anhand der im Messsignal an Referenzpositionen (XR1, XR2) erfassten Amplituden (YE1, YE2), ob die Messsonde vom Füllgut umgeben ist oder nicht; wobei es sich bei den Referenzpositionen um die Reflexionsstellen des Sendepulses an der Einkoppelstelle und am Ende (110) der Messsonde, relativ zum Sendepuls, handelt.
  10. Programmelement, das, wenn es auf einem Prozessor eines Grenzstandschalters (101) ausgeführt wird, den Grenzstandschalter anleitet, die folgenden Schritte durchzuführen: Einkoppeln eines Sendepulses an einer Einkoppelstelle einer Messsonde (108); Erfassen eines mit dem Zustand der Messsonde korrespondierenden Messsignals (412, 502, 602); Bestimmen, anhand der im Messsignal an Referenzpositionen (XR1, XR2) erfassten Amplituden (YE1, YE2), ob die Messsonde vom Füllgut umgeben ist oder nicht; wobei es sich bei den Referenzpositionen um die Reflexionsstellen des Sendepulses an der Einkoppelstelle und am Ende (110) der Messsonde, relativ zum Sendepuls, handelt.
  11. Computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement nach Anspruch 10 gespeichert ist.
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