DE102016105419A1

DE102016105419A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Rohr-Innendurchmessers eines Schwallrohres durch ein Füllstandsmessgerät

Info

Publication number: DE102016105419A1
Application number: DE102016105419.4A
Authority: DE
Inventors: Alexey Malinovskiy; Stefan Gorenflo; Jens Merle; Markus Vogel
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-24
Also published as: US20170276536A1; US10753783B2; DE102016105419B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Rohr-Innendurchmessers (D) eines Schwallrohres (11), welches sich zur Messung des Füllstands (L) eines in einem Prozessraum (4) eines Behälters (2) befindlichen Füllgutes (3) in den Prozessraum (4) erstreckt, oder neben dem Behälter (2) angebracht und mit dem Prozessraum (4) verbunden ist. Das Verfahren lässt sich bei einem Füllstandsmessgerät (1), welches nach dem FMCW-Prinzip arbeitet, implementieren. Erfindungsgemäß wird hierbei neben der Zwischenfrequenz (fZF) des Differenz-Signals (ZF) auch dessen Phasenverschiebung (ϕist(L)) ermittelt, wobei auf Basis der Phasenverschiebung (ϕist(L)) der exakte Rohr-Innendurchmesser (D) bestimmt werden kann. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass sich das Füllstandsmessgerät (1) mithilfe des nunmehr exakt bekannten Rohrdurchmessers (D) nachkalibrieren kann und dementsprechend den Füllstand (L) genauer bestimmt, ohne dass der Rohr-Innendurchmesser (D) vorher genau bekannt sein muss.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Rohr-Innendurchmessers eines Schwallrohres, welches sich zur Messung des Füllstands eines in einem Prozessraum eines Behälters befindlichen Füllgutes in den Prozessraum erstreckt oder neben dem Behälter angebracht und mit dem Prozessraum verbunden ist.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich, also mit einer sehr hohen Auflösung messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt. Ein etabliertes Messprinzip bildet hierbei das Pulslaufzeit-Messprinzip, auch unter dem Namen Pulsradar bekannt. Hierbei wird ein Mikrowellenpuls in Richtung des Füllguts ausgesandt und die Laufzeit bis zum Empfang des Echo-Pulses gemessen. Durch das Messprinzip können Pulsradar-basierte Füllstandsmessgeräte vergleichsweise ohne großen schaltungstechnischen Aufwand realisiert werden. Allerdings ist das Auflösungsvermögen dieses Messgeräte-Typs begrenzt. Dies hängt damit zusammen, dass die ausgesandten Mikrowellenpulse nicht infinitesimal kurz sein können. Somit reduziert sich die Messgenauigkeit der Laufzeit und folglich die des Füllstands.
Sofern eine komplexere Schaltungstechnik in Kauf genommen werden kann, bietet sich zur Radar-basierten Füllstandsmessung auch FMCW („Frequency Modulated Continuos Wafe“) als Messprinzip an. Es ermöglicht Prinzip-bedingt eine noch höhere Auflösung, als es mit dem Pulslaufzeit-Messprinzip möglich ist. Das Messprinzip von FMCW-basierten Radar-Entfernungsmessverfahren beruht darauf, dass ein hochfrequentes Mikrowellen-Signal kontinuierlich ausgesendet wird. Dabei liegt die Frequenz des Signals in einem festgelegten Frequenzband im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz (f₀). Standardmäßig werden hier Frequenzbänder im 6 GHz-Band, dem 26 GHz, oder dem 79 GHz-Band verwendet. Kennzeichnend für das FMCW Verfahren ist hierbei, dass die Sende-Frequenz nicht konstant ist, sondern sich periodisch innerhalb eines Frequenzbandes ändert. Die Änderung kann hierbei linear sein und eine Sägezahn- beziehungsweise Dreiecks-Form aufweisen, eine Sinus-Förmige Änderung kann je nach Anwendung jedoch auch verwendet werden.
Wie beim Pulsradar besteht auch beim FMCW-basierten Füllstands-Messverfahren eine besondere Herausforderung darin, das Messsignal zweifelsfrei gegenüber Störsignalen zu erkennen. Hierdurch können fehlerhafte Messwerte generiert werden, anhand derer die Funktionsfähigkeit des Füllstandsmessgeräts beeinträchtigt wird. Eine wesentliche Ursache ist hierbei der Empfang von Störecho-Signalen, die nicht an der Oberfläche des Füllguts entstehen, sondern durch Reflektion des Sende-Signals an Störkörpern, wie Rührwerken oder Einbauten im Behälter hervorgerufen werden.
Mittlerweile existieren viele technische Ansätze, um diese Art von Störecho-Signalen zu identifizieren, beziehungsweise zu filtern. So ist aus der WO 2012/139852 A1 ein Verfahren zur Kalibration von FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten bekannt, bei dem mittels eines schwingenden Referenzreflektors, der zwischen Messgerät und Füllgut positioniert ist, ein eindeutiges Kalibrier-Signal generiert wird.
Eine Möglichkeit, um Störkörper-bedingte Störecho-Signale von vornherein zu vermeiden, besteht in der Verwendung eines Schwallrohres oder Bypass-Rohres. Hierbei ist das Schwallrohr in etwa senkrecht innerhalb des Prozessraums im Behälter angebracht. Dabei wird das Schwallrohr konstruktiv in der Art entlüftet, dass der Füllstand des Füllgutes innerhalb des Schwallrohres mit dem Füllstand innerhalb des restlichen Prozessraums übereinstimmt.
Im Falle eines Bypass-Rohres ist dieses neben dem Behälter angebracht, wobei es auch in diesem Fall derart mit dem Prozessraum verbunden ist, dass auch hier der Füllstand im Bypass-Rohr gleich zum Füllstand im Prozessraum ist.
Bei Verwendung eines Schwall- oder Bypass-Rohres wird das Füllstandsmessgerät nicht, wie andernfalls üblich, derart angeordnet, dass die Antenne des Füllstandsmessgerätes direkt in den Prozessraum des Behälters, in dem sich das Füllgut befindet, gerichtet ist. Vielmehr wird das Füllstandsmessgerät so am oberen Ende des Schwallrohres angebracht, dass die Antenne des Füllstandsmessgerätes das Mikrowellen-Signal entlang des Schwallrohres in Richtung des Füllgutes aussendet. Füllstandsmessgeräte, die an Schwallrohren mit rundem Innendurchmesser angeordnet sind, werden in der Regel auf den Rohr-Innendurchmesser des später verwendeten Schwallrohres kalibriert. Bei Anwendungen im Öl- und Gasbereich wird häufig auf Referenz-Innendurchmesser nach der Norm DIN EN ISO 6708, beispielsweise DN 100, kalibriert.
Ein Problem tritt auf, wenn der Rohr-Innendurchmesser des Schwallrohres, auf welches das Füllstandsmessgerät im späteren Einsatz angebracht wird, nicht exakt mit dem Referenz-Innendurchmesser des Kalibrationsrohres übereinstimmt. Dieser häufige Fall ist insofern nachteilig, als das bereits eine geringe Abweichung zwischen den Innendurchmessern einen starken Messfehler bei der Füllstandsmessung verursacht und dementsprechend zu einer sehr ungenauen Füllstandsmessung führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem FMCW-basierte Füllstandsmessgeräte, die an Schwallrohren oder Bypass-Rohren verwendet werden, trotz nicht exakt bekanntem Rohr-Innendurchmesser den Füllstand genau bestimmen können.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Rohr-Innendurchmessers eines Schwallrohres, welches sich zur Messung des Füllstands eines in einem Prozessraum eines Behälters befindlichen Füllgutes in den Prozessraum erstreckt oder neben dem Behälter angebracht und mit dem Prozessraum verbunden ist. Hierzu umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Verfahrensschritte:

– Mittels eines periodischen elektrischen Signals wird, wie beim FMCW-Verfahren üblich, ein Mikrowellen-Signal erzeugt, wobei das elektrische Signal (s) im Bereich einer Mittenfrequenz eine periodische Frequenzänderung aufweist,
– das Mikrowellen-Signal wird entlang des Schwallrohres in Richtung der Oberfläche des Füllguts ausgesendet,
– ein Echo-Signal, welches nach Reflektion des Mikrowellen-Signals an der Oberfläche des Füllgutes entlang des Schwallrohres in entgegengesetzte Richtung reflektiert wird, wird empfangen und in ein elektrisches Empfangs-Signal umgewandelt,
– durch Mischen des Empfangs-Signals mit dem elektrischen Signal wird ein Differenz-Signal mit einer Zwischenfrequenz erzeugt,
– in Abhängigkeit des Füllstandes wird eine Phasenverschiebung zwischen dem Differenz-Signal und dem elektrischen Signal ermittelt,
– erfindungsgemäß wird eine Phasendifferenz zwischen der Phasenverschiebung und einer vorbekannten Soll-Phasenverschiebung, welche auf einem Referenz-Innendurchmesser basiert, ermittelt, und
– anhand der Phasendifferenz wird der Rohr-Innendurchmesser bestimmt.

Bei der periodischen Frequenzänderung handelt es sich, wie es beim FMCW-Verfahren in der Regel verwendet wird, vorzugsweise um eine sägezahnförmige oder dreiecksförmige Änderung des elektrischen Signals. Dabei wird anhand der Zwischenfrequenz und/oder der Soll-Phasenverschiebung der Füllstand bestimmt.
Der zentrale Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass anhand des so ermittelten Rohr-Innendurchmessers die Messung des Füllstands nachkalibriert werden kann. Dies ermöglicht eine genaue Bestimmung des Füllstandes, auch wenn der Rohr-Innendurchmesser vorher nicht genau bekannt war.
Eine einfache Ermittlung der Phasenverschiebung ist beispielsweise mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) des Differenz-Signals möglich.
Alternativ könnte natürlich auch eine gewöhnliche Art der Fourier-Transformation verwendet werden.
Vorzugsweise wird der Rohr-Innendurchmesser anhand der Änderung der Phasendifferenz in Abhängigkeit des Füllstandes bestimmt. In diesem Fall bietet es sich insbesondere an, wenn der Rohr-Innendurchmesser (D) anhand der Formel
berechnet wird. Hierbei ist c die Wellen-Ausbreitungsgeschwindigkeit im Freifeld. Die Frequenz f_c ist die vorbekannte Grenzfrequenz in einem Kalibrationsrohr, welches den Referenz-Innendurchmesser (D₀) aufweist. Bei der Frequenz f_r handelt es sich um eine Referenz-Frequenz, beispielsweise um die Mittenfrequenz des elektrischen Signals.
Die Änderung ( dΔϕ / dL) kann beispielsweise durch jede beliebige Art der linearen Regression ermittelt werden.
Erfindungsgemäß kann die Soll-Phasenverschiebung auf mehrere Arten ermittelt werden, insbesondere durch eine theoretische Berechnung, eine Simulation, und/oder anhand von Kalibrationsdaten. Für den Fall, dass die Soll-Phasenverschiebung anhand von Kalibrationsdaten ermittelt wird, ist die Kalibration, die den Kalibrationsdaten zugrunde liegt, vorzugsweise an einem Kalibrationsrohr, welches den Referenz-Innendurchmesser aufweist, durchzuführen. Es bietet sich an, dass der Referenz-Innendurchmesser in etwa dem späteren Rohr-Innendurchmesser entspricht.
Des Weiteren wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, durch ein Füllstandsmessgerät zur Durchführung des in zumindest einem der vorhergehenden Varianten beschriebenen Verfahrens gelöst. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät:

– Eine Signalerzeugungs-Einheit zur Erzeugung des elektrischen Signals,
– eine Antennen-Einheit zum Senden des Mikrowellen-Signals und/oder zum Empfangen des Echo-Signals und/oder zur Umwandlung des reflektierten Echo-Signals in ein elektrisches Empfangs-Signal,
– einen Mischer zum Mischen des elektrischen Signals mit dem Empfangssignal, und
– eine Auswerte-Einheit zur Bestimmung des Rohr-Innendurchmessers anhand der Phasendifferenz und/oder zur Bestimmung des Füllstandes anhand der Frequenz des Differenz-Signals.

Bei Füllstandsmessgerät nach dem Stand der Technik umfasst die Auswerte-Einheit eine Weiterverarbeitungs-Einheit zur Digitalisierung und/oder zur Filterung und/oder zur Verstärkung des Differenz-Signals. Um das Differenz-Signal möglichst gut von etwaigen Störsignalen trennen zu können, ist es von Vorteil, wenn die Weiterverarbeitungs-Einheit einen Bandpass umfasst, der insbesondere für die Zwischenfrequenz des Differenz-Signals durchlässig ist.
Je nach Einsatzgebiet des Füllstandsmessgerätes ist es von Vorteil, wenn etwaigem Bedien- oder Wartungspersonal der Rohr-Innendurchmesser der durch das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt wird, angezeigt werden kann. Daher bietet es sich an, dass das Füllstandsmessgerät eine Anzeige-Einheit zur Anzeige des Rohr-Innendurchmessers umfasst. In diesem Fall gibt es die Möglichkeiten, dass sich das Füllstandsmessgerät anhand des Rohr-Innendurchmessers entweder automatisch, oder lediglich nach Aufforderung durch das Bedien- bzw. Wartungspersonal nachkalibriert.
Bei dieser Nachkalibration übernimmt das Füllstandsmessgerät den erfindungsgemäß ermittelten Rohr-Innendurchmesser und bestimmt daraus durch eine theoretische Berechnung eine entsprechende Ausbreitungsgeschwindigkeit des Mikrowellen-Signals in einem Rohr mit dem ermittelten Rohr-Innendurchmesser. Formeln zu dieser Berechnung sind bekannt und gehören zum Stand der Technik. Die Bestimmung des Füllstands aus der Signallaufzeit erfolgt dann unter Annahme der berechneten Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
1: Eine typische Anordnung eines nach dem FMCW-Prinzip arbeitenden Füllstandsmessgerätes an einem Schwallrohr,
2: ein schaltungstechnische Realisierung eines Füllstandsmessgerätes zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3: eine sägezahnförmige Anregung des Mikrowellen-Signals,
4: eine Phasendifferenz zwischen der Phasenverschiebung des Empfangssignals und einer vorbekannten Soll-Phasenverschiebung.
1 zeigt eine typische Anordnung eines nach dem FMCW-Prinzip arbeitenden Füllstandsmessgerätes 1 an einem Schwallrohr 11. Das Schwallrohr 11 ist in etwa senkrecht in einem Prozessraum 4 eines Behälters 2 angeordnet. In dem Prozessraum 4 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Das Füllstandsmessgerät 1 ist in einer vorbekannten Einbauhöhe h oberhalb des Füllgutes 3 am Schwallrohr 11 angebracht. Hierbei kann der Behälter 2 bzw. der Prozessraum 4 je nach Einsatzgebiet bis zu mehr als 30 m hoch sein. Das Füllstandsmessgerät 1 ist derart am oberen Ende des Schwallrohres 11 angebracht, dass es ein Mikrowellen-Signal S entlang des Schwallrohres 11 in Richtung des Füllgutes 3 aussendet und nach Reflektion an der Oberfläche des Füllgutes 3 ein Echo-Signal E empfängt.
Alternativ zu einer Anbringung des Schwallrohres 11 innerhalb des Behälters 2, wäre kommt es auch vor, dass das Schwallrohr 11 neben dem Behälter 2 angebracht ist. Auch in diesem Fall wäre das Schwallrohr 11 derart mit dem Prozessraum 4 verbunden, dass der dortige Füllstand L ebenso im Schwallrohr 11 vorherrscht.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über ein Bussystem, etwa „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 5, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Es können auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter 2 vorhandene Zuflüsse 21 und/oder Abflüsse 22 zu steuern.
Das Schwallrohr 11 hat in der Praxis einen Rohr-Innendurchmesser D, welcher in der Regel nicht genau bekannt ist, oder von seinem Sollwert abweicht. Darüber hinaus ist das Füllstandsmessgerät 1 üblicherweise an einem Kalibrationsrohr mit einem Referenz-Innendurchmesser D₀, welcher nicht exakt dem Rohr-Innendurchmesser D entspricht, kalibriert. Grund dafür können beispielsweise Ablagerungen im Schwallrohr oder abweichende Fertigungsverfahren sein. Die Folge ist, dass das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L nicht genau bestimmen kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es jedoch möglich, auf Basis des Referenz-Innendurchmessers D₀ den Rohr-Innendurchmesser D exakt zu ermitteln. Mittels des exakt ermittelten Rohr-Innendurchmessers D wird es somit möglich, dass sich das Füllstandsmessgerät 1 anhand des Rohr-Innendurchmessers D nachkalibriert und hierdurch im Anschluss eine genaue Messung des Füllstandes L durchführen kann.
Sofern das Füllstandsmessgerät 1 über eine Anzeige-Einheit verfügt, ist es zudem möglich, dass der exakt ermittelte Rohr-Innendurchmesser D an dieser Anzeige-Einheit angezeigt wird. In diesem Zusammenhang besteht eine Ausführungsvariante darin, dass das Füllstandsmessgerät 1 die Nachkalibration nicht automatisch durchführt, sondern nur nach einer Bestätigung durch etwaiges Bedien- oder Servicepersonal, sofern es aufgrund des angezeigten Rohr-Innendurchmessers D für erforderlich erachtet wird.
Eine mögliche schaltungstechnische Ausführungsvariante des Füllstandsmessgerätes 1, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist, wird in 2 dargestellt. Zwecks besserer Übersichtlichkeit sind dort nur Signalpfade und keine Steuerpfade dargestellt. Ausschlaggebend für die Erzeugung des Mikrowellen-Signals S ist eine Signalerzeugungs-Einheit 12. Sie erzeugt ein für FMCW typisches elektrisches Signal s, welches sich im Bereich einer Mittenfrequenz f₀ im GHz-Bereich befindet und eine konstante Frequenzänderung f‘₀ aufweist. Wie aus 3 hervorgeht, kann es sich um eine sägezahnförmige Anregung mit einer Mittenfrequenz von heutzutage bei FMCW üblichen 79 GHz und einer Bandbreite von 2 GHz handeln. Im Gegensatz zur dort gezeigten sägezahnförmigen Anregung mit zeitlich linear zunehmender Frequenz wäre auch eine sägezahnförmige Anregung mit zeitlich abnehmender Frequenz denkbar.
Bei der Signalerzeugungs-Einheit 12 kann es sich beispielsweise um einen spannungsgesteuerten Oszillator handeln, der einen hierfür geeigneten Schwingquarz umfasst.
In dem Füllstandsmessgerät, welches in 2 gezeigt ist, wird mittels des elektrischen Signals s in einer Antennen-Einheit 13 das Mikrowellen-Signal S erzeugt. Aus 2 wird zudem ersichtlich, dass die Antennen-Einheit 13 neben der Erzeugung des Mikrowellen-Signals S auch das Echo-Signale E, das durch Reflektion des Mikrowellen-Signals S an der Oberfläche des Füllguts 3 entsteht, empfängt. Alternativ zur gezeigten Darstellung könnte dies erfindungsgemäß auch über eine separate Empfangsantenne geschehen.
Das Echo-Signal E wird durch die Antennen-Einheit 13 in ein elektrisches Empfangs-Signal e umgewandelt. Im Messbetrieb wird dann das Empfangs-Signal e in einem Mischer 14 mit dem Sende-Signal s gemischt. Durch das Mischen des Empfangs-Signals e mit dem Sende-Signal s wird ein Differenz-Signal ZF gebildet, wobei sich die Zwischenfrequenz f_ZF des Differenz-Signals ZF aus der Differenz der momentanen Frequenz des Sende-Signals s und der momentanen Frequenz des Empfangssignals e ableitet.
Zur Ermittlung der Zwischenfrequenz f_ZF des Differenz-Signals ZF sowie der Phasenverschiebung ϕ_ist(L) zwischen dem Differenz-Signal ZF und dem elektrischen Signal s umfasst das Füllstandsmessgerät eine Auswerte-Einheit 15. Die Ermittlung dieser beiden Werte f_ZF, ϕ_ist(L) wird hierbei per Fast-Fourier-Transformation durch eine hierfür vorgesehene Rechen-Einheit 152 durchgeführt. Wie bei der Verarbeitung dieser Daten üblich, geschieht dies auf der Basis digitalisierter Signale. Daher ist bei der in 2 dargestellten Auswerte-Einheit 15 der Fast-Fourier-Transformation eine Weiterverarbeitungs-Einheit 151 vorgeschaltet. Diese könnte ebenfalls derart ausgelegt sein, dass das Differenz-Signal ZF einer Verstärkung oder Bandpassfilterung, die insbesondere für die Zwischenfrequenz f_ZF des Differenz-Signals ZF durchlässig ist, unterzogen wird.
Anhand der Zwischenfrequenz f_ZF sowie der Phasenverschiebung ϕ_ist(L) wird, wie es bei FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten üblich ist, der Füllstand L durch einen Microcontroller 153 ermittelt.
Erfindungsgemäß wird anhand einer Differenzbildung die Phasenverschiebung ϕ_ist(L) mit einer Soll-Phasenverschiebung ϕ_soll(L) verglichen. Bei dem in 2 dargestellten Füllstandsmessgerät geschieht dies durch den Microcontroller 153. Dabei ist die Soll-Phasenverschiebung ϕ_soll(L) im Microcontroller 153 abgespeichert. Sie resultiert beispielsweise aus einer Kalibrationsmessung an einem Kalibrationsrohr mit einem Referenz-Innendurchmesser D₀.
Durch die Bildung der Differenz ergibt sich eine Phasendifferenz Δϕ(L). Eine charakteristische Phasendifferenz Δϕ(L) in Abhängigkeit des Füllstandes L ist in 4 dargestellt (Kurve a). Wie es bei Rohr-Innendurchmessern D, die vom Referenz-Innendurchmesser D₀ der Kalibrationsmessung abweichen, charakteristisch ist, weist der dortige Verlauf einen annähernd linearen Anstieg dΔϕ / dL mit steigender Entfernung h-L auf.
Anhand der Steigung dΔϕ / dL kann der exakte Rohr-Innendurchmesser D bestimmt werden. Möglich ist dies über die Beziehung:
Die Berechnung erfolgt im Fall von dem in 2 dargestellten Füllstandsmessgerät 1 wiederum durch den Microcontroller 153. Hierbei wird die Steigung dΔϕ / dL , wie in 4 dargestellt, beispielsweise durch lineare Regression der Phasendifferenz Δϕ(L) bestimmt.
Durch die exakte Bestimmung des Rohr-Innendurchmessers D ist es dem Füllstandsmessgerät 1 möglich, sich entsprechend nachzukalibrieren und den Füllstand L im Anschluss genau zu bestimmen. In Bezug auf die Phasendifferenz Δϕ(L) hat die Nachkalibration zur Folge, dass sich die Phasenverschiebung ϕ_ist(L) in etwa der Soll-Phasenverschiebung ϕ_ist(L) angleicht (siehe Kurve b in 4).
Bezugszeichenliste

1: Füllstandsmessgerät
2: Behälter
3: Füllgut
4: Prozessraum
5: Übergeordnete Einheit
11: Schwallrohr
12: Signalerzeugungs-Einheit
13: Antennen-Einheit
14: Mischer
15: Auswerte-Einheit
21: Zufluss
22: Abfluss
151: Weiterverarbeitungs-Einheit
152: Rechen-Einheit
153: Microcontroller
c: Ausbreitungsgeschwindigkeit im Freifeld
D: Rohr-Innendurchmesser
D₀: Referenz-Innendurchmesser
E: Echo-Signal
e: Empfangs-Signal
f‘₀: Frequenzänderung des elektrischen Signals
f₀: Mittenfrequenz des elektrischen Signals
f_c: Grenzfrequenz in einem Rohr mit D₀
f_r: Referenz-Frequenz
f_ZF: Zwischenfrequenz
h: Einbauhöhe des Füllstandsmessgerätes
L: Füllstand
S: Mikrowellen-Signal
s: Elektrisches Signal
ZF: Differenz-Signal
ϕ_ist(L): Phasenverschiebung
ϕ_soll(L): Soll-Phasenverschiebung
Δϕ(L): Phasendifferenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2012/139852 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN EN ISO 6708 [0009]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Rohr-Innendurchmessers (D) eines Schwallrohres (11), welches sich zur Messung des Füllstands (L) eines in einem Prozessraum (4) eines Behälters (2) befindlichen Füllgutes (3) in den Prozessraum (4) erstreckt oder neben dem Behälter (2) angebracht und mit dem Prozessraum (4) verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst: – Mittels eines periodischen elektrischen Signals (s) wird ein Mikrowellen-Signal (S) erzeugt, wobei das elektrische Signal (s) im Bereich einer Mittenfrequenz (f₀) eine periodische Frequenzänderung (f₀‘) aufweist, – das Mikrowellen-Signal (S) wird entlang des Schwallrohres (11) in Richtung der Oberfläche des Füllguts (2) ausgesendet, – ein Echo-Signal (E), welches nach Reflektion des Mikrowellen-Signals (S) an der Oberfläche des Füllgutes (3) entlang des Schwallrohres (11) in entgegengesetzte Richtung reflektiert wird, wird empfangen und in ein elektrisches Empfangs-Signal (e) umgewandelt, – durch Mischen des Empfangs-Signals (e) mit dem elektrischen Signal (s) wird ein Differenz-Signal (ZF) mit einer Zwischenfrequenz (f_ZF) erzeugt, – in Abhängigkeit des Füllstandes (L) wird eine Phasenverschiebung (ϕ_ist(L)) zwischen dem Differenz-Signal (ZF) und dem elektrischen Signal (s) ermittelt, – eine Phasendifferenz (Δϕ(L)) zwischen der Phasenverschiebung (ϕ_ist(L)) und einer vorbekannten Soll-Phasenverschiebung (ϕ_soll(L)), welche auf einem Referenz-Innendurchmesser (D₀) basiert, wird ermittelt, – anhand der Phasendifferenz (Δϕ(L)) wird der Rohr-Innendurchmesser (D) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der periodischen Frequenzänderung (f₀‘) um eine sägezahnförmige oder dreiecksförmige Änderung des elektrischen Signals (s) handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei anhand der Zwischenfrequenz und/oder der Soll-Phasenverschiebung (ϕ_soll(L)) der Füllstand (L) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei anhand des Rohr-Innendurchmessers (D) die Messung des Füllstands (L) nachkalibriert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenverschiebung (ϕ_ist(L)) mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) des Differenz-Signals (ZF) ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rohr-Innendurchmesser (D) anhand der Änderung ( dΔϕ / dL) der Phasendifferenz (Δϕ(L)) in Abhängigkeit des Füllstandes (L) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Rohr-Innendurchmesser (D) anhand der Formel
berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Änderung ( dΔϕ / dL) durch eine lineare Regression ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Soll-Phasenverschiebung (ϕ_soll(L)) durch eine theoretische Berechnung und/oder anhand von Kalibrationsdaten ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei für den Fall, dass die Soll-Phasenverschiebung (ϕ_soll(L)) anhand von Kalibrationsdaten ermittelt wird, eine Kalibration, die den Kalibrationsdaten zugrunde liegt, an einem Kalibrationsrohr, welches den Referenz-Innendurchmesser (D₀) aufweist, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Kalibration an einem Kalibrationsrohr durchgeführt wird, bei dem der Referenz-Innendurchmesser (D₀) in etwa dem Rohr-Innendurchmesser (D) des Schwallrohres (11) entspricht.
Füllstandsmessgerät zur Durchführung des in zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche beschriebenen Verfahrens, umfassend: – Eine Signalerzeugungs-Einheit (12) zur Erzeugung des elektrischen Signals (s), – eine Antennen-Einheit (13) zum Senden des Mikrowellen-Signals (S) und/oder zum Empfangen des Echo-Signals (E) und/oder zur Umwandlung des reflektierten Echo-Signals (E) in ein elektrisches Empfangs-Signal (e), – einen Mischer (14) zum Mischen des elektrischen Signals (s) mit dem Empfangssignal (e), – eine Auswerte-Einheit (15) zur Bestimmung des Rohr-Innendurchmessers (D) anhand der Phasendifferenz (Δϕ(L)) und/oder zur Bestimmung des Füllstandes anhand der Frequenz des Differenz-Signals (ZF).
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 12, wobei die Auswerte-Einheit (15) eine Weiterverarbeitungs-Einheit (151) zur Digitalisierung und/oder zur Filterung und/oder zur Verstärkung des Differenz-Signals (ZF) umfasst.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 13, wobei die Weiterverarbeitungs-Einheit (151) einen Bandpass umfasst, der insbesondere für die Zwischenfrequenz (f_ZF) des Differenz-Signals (ZF) durchlässig ist.
Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 14, umfassend: – Eine Anzeige-Einheit zur Anzeige des Rohr-Innendurchmessers (D).
Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei sich das Füllstandsmessgerät anhand des Rohr-Innendurchmessers (D) nachkalibriert.