DE102016108594B3

DE102016108594B3 - Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes sowie zur Ermittlung zumindest einer Zusatzinformation

Info

Publication number: DE102016108594B3
Application number: DE102016108594.4A
Authority: DE
Inventors: Romuald Girardey; Thomas Blödt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2036-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes (L) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3) und zur Ermittlung zumindest einer Zusatzinformation (IT), sowie ein zur Ausführung dieses Verfahrens geeignetes System. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Effekt, dass ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät (1) durch dessen Sende-Empfangs-Einheit (12) potentiell auch in der Lage ist, einen oder mehrere Transponder (141, 142) anzusteuern, sofern sich die Transponder (141, 142) im Abstrahlkegel des Füllstandsmessgerätes (1) befinden. Hierdurch wird der Synergie-Effekt erreicht, dass neben der Füllstandsmessung obendrein Zusatzinformationen (IT) von im Behälter befindlichen Transpondern (141, 142) ausgelesen werden können, ohne dass hierzu neben dem Füllstandsmessgerät (1) eine separate Auslese-Einheit notwendig ist. Eventuelle Zusatzinformationen (IT) können im Rahmen der Füllstandsmessung wiederum vorteilhaft genutzt werden, um die Füllstandsmessung beispielsweise genauer oder zuverlässiger zu machen oder zusätzliche Informationen zum Füllgut in Erfahrung zu bringen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes und zur Ermittlung zumindest einer Zusatzinformation, sowie ein zur Ausführung dieses Verfahrens geeignetes System.
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 diejenigen 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 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. Ein Füllstandsmessgerät, welches nach dem Puls-Laufzeit-Verfahren arbeitet, ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2012 104 858 A1 beschrieben. Das Auflösungsvermögen dieses Messgeräte-Typs ist allerdings Prinzip-bedingt 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 wird, bietet sich zur Radar-basierten Füllstandsmessung auch FMCW („Frequency Modulated Continuous Wafe”) als Messprinzip an. Bei vergleichbarem schaltungstechnischem ermöglicht FMCW eine höhere Auflösung, als es mit dem Pulslaufzeit-Messprinzip möglich ist. Bezüglich eines typischen Aufbaus von FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten sei hier exemplarisch auf die Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 490 A1 verwiesen.
Das Messprinzip von FMCW-basierten Radar-Entfernungsmessverfahren beruht darauf, dass ein moduliertes Mikrowellen-Signal kontinuierlich ausgesendet wird. Dabei liegt die Frequenz des Signals in einem festgelegten Frequenzband im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz (f₀, f₁). Standardmäßig werden hier Frequenzbänder im 6 GHz-Band, dem 24 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.
Um das von der Oberfläche des Füllgutes reflektierte Sende-Signal bei schwach reflektierenden Füllgütern zu verstärken, ist es außerdem bekannt, einen Schwimmer mit RFID-Transponder auf der Füllgut-Oberfläche zu plazieren. Ein entsprechendes Verfahren ist in der internationalen Veröffentlichungsschrift WO 2009/000283 A1 beschrieben.
Darüber hinaus ist in der Veröffentlichungsschrift US 2014/0150549 A1 ein Verfahren beschrieben, bei dem der Füllstand mittels eines RFID-Transponders auf der Füllgut-Oberfläche und drei stationären Sende-Empfangs-Einheiten mittels Triangulation bestimmt wird.
Zusätzlich zur reinen Ermittlung des Füllstandes ist es von Vorteil, weitere periphere Informationen zu der Messung zu erhalten. Dabei kann es sich einerseits um Mediums-Eigenschaften des Füllgutes handeln, beispielsweise den pH-Wert, die Dichte, die Viskosität oder die Dielektrizitätskonstante. Hierdurch können gegebenenfalls sehr spezifische Rückschüsse auf die Art oder den Zustand des Füllgutes gezogen werden. Zum anderen sind Informationen zur Messumgebung, beispielsweise zur Temperatur, dem Druck oder dem Behältertyp oftmals hilfreich, um eine genauere und sicherere Messung des Füllstandes durchzuführen zu können.
Um solche Informationen erhalten zu können, ist der Einsatz zusätzlicher Messgeräte an den entsprechenden Stellen in dem Behälter, in dem sich das Füllgut befindet, notwendig. Zusätzlich muss in diesem Fall dafür Sorge getragen werden, dass die jeweilige Information, möglicherweise leitungsgebunden, an das Füllstandsmessgerät oder eine übergeordnete Prozessleitstelle kommuniziert wird, damit es die Informationen verarbeiten kann. Aufgrund dieses Zusatzaufwandes wird bei Füllstandsmessgeräten in der Praxis weitestgehend auf die Verarbeitung zusätzlicher peripherer Informationen verzichtet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Füllstandsmessgerät bereitzustellen, welches neben dem Füllstand mit geringem Aufwand weitere Informationen zur Messung ermitteln kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes, sowie zur Ermittlung zumindest einer Zusatzinformation, welche von zumindest einem an einer Innenwand eines Behälters angeordneten Transponder vorgehalten wird. Hierbei wird das Verfahren von einem Füllstandsmessgerät ausgeführt und umfasst folgende Verfahrensschritte:

– ein Sendesignal mit einer ersten Mittenfrequenz im Radiowellenbereich, Mikrowellenbereich, THz-Bereich oder Infrarot-Bereich wird in Richtung des Füllgutes gesendet,
– nach Reflektion des Sendesignals an der Oberfläche des Füllgutes wird das reflektierte Sendesignal nach einer vom Füllstand abhängigen Laufzeit empfangen,
– anhand der Laufzeit wird der Füllstand bestimmt,
– durch Ansteuern des zumindest einen Transponders mittels des Sendesignals wird ein vom zumindest einen Transponder ausgesendetes Transpondersignal, welches die zumindest eine Zusatzinformation beinhaltet, empfangen, und
– anhand des zumindest einen empfangenen Transpondersignals wird die zumindest eine Zusatzinformation ausgelesen.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Effekt, dass Radar-basierte Füllstandsmessgeräte durch ihre Sende-/Empfangs-Einheit potentiell auch in der Lage sind, einen oder mehrere Transponder anzusteuern, sofern sich die Transponder im Abstrahlkegel des Füllstandsmessgerätes befinden. Hierdurch wird der Synergie-Effekt erreicht, dass bei der Füllstandsmessung obendrein Zusatzinformationen von im Behälter befindlichen Transpondern ausgelesen werden können, ohne dass hierzu neben dem Füllstandsmessgerät eine separate Auslese-Einheit notwendig ist. Eventuelle Zusatzinformationen können im Rahmen der Füllstandsmessung wiederum vorteilhaft genutzt werden, um die Füllstandsmessung beispielsweise genauer oder zuverlässiger zu machen oder zusätzliche Informationen zum Füllgut in Erfahrung zu bringen. Die erzielbaren Vorteile sind hierbei in erster Linie von der Art der Anbringung und der Auslegung des Transponders abhängig. Verschiedene Ausgestaltungsvarianten hierzu werden nachfolgend beschrieben.
Die Ansteuerung von Transpondern durch das Füllstandsmessgerät kann auf mehrere Arten erfolgen: Einerseits ist es möglich, den anzusteuernden Transponder so auszulegen, dass dieser bereits angesprochen wird, sobald er das reine Sendesignal des Füllstandsmessgerätes, also den periodischen Sende-Puls im Falle von Pulsradar, oder das FMCW-Signal empfängt. Alternativ ist es erfindungsgemäß allerdings auch möglich, das Füllstandsmessgerät und den zumindest einen Transponder derart auszulegen, dass der zumindest eine Transponder mittels zumindest eines vordefinierten Codes, welcher im Sendesignal enthalten ist, angesteuert wird. Abgesehen von der aufwändigeren Umsetzung bietet dies den Vorteil, dass im Falle von mehreren Transpondern diese separat und unabhängig voneinander angesteuert bzw. abgerufen werden können.
Außerdem ist es möglich, dass der zumindest eine Transponder durch das Sendesignal parametriert werden kann, um durch das Füllstandsmessgerät beispielsweise Daten auf den Transponder zu übertragen, oder Voreinstellungen im Transponder zu ändern. Sofern der Transponder Sensoren oder Aktoren umfasst, ist es zudem denkbar, diese im Zuge einer etwaigen Parametrierung zu kalibrieren.
Abhängig von der Intensität des Sendesignals kann der zumindest eine Transponder durch das Sendesignal zumindest teilweise oder komplett mit Energie versorgt werden. Zusätzliche Energiequellen nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise Batterien oder Energieversorgung über so genanntes „Micro Energy Harvesting” könnten natürlich zusätzlich oder alternativ zur Energieversorgung des jeweiligen Transponders eingesetzt werden.
Das Auslesen des zumindest einen Transponders durch das Füllstandsmessgerät kann erfindungsgemäß auf verschiedene Arten erfolgen, um gegebenenfalls einer begrenzten Rechenleistung des Füllstandsmessgerätes Rechnung zu tragen: So kann die Ermittlung des Füllstandes und das Auslesen der zumindest einen Zusatzinformation entweder zeitgleich, getaktet und/oder im Wechsel durchgeführt werden. Ein getaktetes Auslesen des zumindest einen Transponders macht eventuell auch dann Sinn, wenn die Zusatzinformation nur sporadisch abgerufen werden muss und/oder nicht durchgehend aktuell im Füllstandsmessgerät vorliegen muss. Im Falle von mehreren Transpondern mit unterschiedlichen Zusatzinformationen ist es denkbar, diese nacheinander im Wechsel durch das Füllstandsmessgerät abzurufen.
Für den Fall, dass sich mehrere Transponder im Behälter befinden, ist es außerdem denkbar, dass die Transponder nicht nur durch das Füllstandsmessgerät ausgelesen werden, sondern darüber hinaus auch untereinander kommunizieren können.
Sofern ein Transponder im Füllgut angeordnet ist und entsprechende Sensoren umfasst, bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, dass anhand der zumindest einen Zusatzinformation zumindest eine Mediums-Eigenschaft, beispielsweise die Dichte, die Viskosität, der pH-Wert, die Trübung, die Dielektrizitätszahl, die Stoffkonzentration, den dielektrischen Verlustfaktor oder die Leitfähigkeit des Füllgutes, oder die Stoff-Konzentration eines weiteren Stoffes bestimmt wird. Hieraus lassen sich gegebenenfalls Informationen zum Füllgut, wie den Aggregatzustand, eventuelle Verschmutzung oder Schaumbildung ableiten. Im Falle von Schaumbildung könnte diese Information genutzt werden, um den Füllstandswert im Bedarfsfall um die Höhe des Schaums zu korrigieren. Schaumbildung kann hierbei beispielsweise über die elektrische Leitfähigkeit, die Dichte oder die optische Durchlässigkeit detektiert werden. Sofern das Sendesignal im Wechsel mit der ersten Mittenfrequenz und einer zweiten Mittenfrequenz im Mikrowellenbereich oder THz-Bereich in Richtung des Füllgutes 3 gesendet wird, ist es außerdem möglich, die Dielektrizitäts-Konstante der Gasphase oberhalb des Füllgutes zu bestimmen: Da die Laufzeit des reflektierten Sendesignals stark von der Dielektrizitäts-Konstante abhängig ist, unterscheidet sich die Laufzeit bei verschiedenen Mittenfrequenzen. Dementsprechend lässt sich aus der Differenz von zwei Laufzeiten bei zwei unterschiedlichen Mittenfrequenzen die Dielektrizitäts-Konstante der Gasphase berechnen.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, wird zudem durch ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in zumindest einer seiner vorhergehend beschriebenen Varianten gelöst. Hierzu umfasst das System mindestens folgende Komponenten: Ein Füllstandsmessgerät mit

– einer Signalerzeugungs-Einheit zur Erzeugung des Sendesignals,
– einer ersten Sende-/Empfangseinheit zum Senden und/oder Empfangen des Sendesignals sowie zum Empfangen des zumindest einen Transpondersignals,
– einer Auswerte-Einheit zur Ermittlung des Füllstandes sowie zur Auswertung der zumindest einen Zusatzinformation, und einen an einer Innenwand eines Behälters angeordneten Transponder, mit
– zumindest einer zweiten Sende-/Empfangs-Einheit zum Empfang des Sendesignals und/oder zum Senden des Transpondersignals.

Bezüglich des Transpondersignals ist es von Vorteil, wenn es eine Sendefrequenz aufweist, die in etwa der ersten Mittenfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen der ersten Mittenfrequenz oder einem geradzahligen Teiler der ersten Mittenfrequenz entspricht. In diesem Fall muss die die Sende-/Empfangseinheit des Füllstandsmessgerät nicht auf eine zusätzliche Empfangsfrequenz ausgelegt werden, da das Transpondersignal, wie auch das reflektierte Sendesignal beide im gleichen Frequenzbereich liegen. Allgemein ist es jedoch auch denkbar, dass der Transponder mit anderen Frequenzen sendet. Beispielsweise kann er als RFID-chip („Radio Frequency Identification”) ausgelegt sein und mit den dort üblichen Frequenzen senden.
In manchen Fällen wird die Zusatzinformation im Transponder kontinuierlich generiert, wie es beispielsweise im Falle von Sensor-basierten Messdaten vorkommen kann. In den anderen Fällen ist es notwendig, dass der zumindest eine Transponder eine Speicher-Einheit zum Vorhalten der zumindest einen Zusatzinformation umfasst.
Etwaige Sensoren können im Sinne der Erfindung beispielsweise klimatische Einflussgrößen ermitteln, so dass es sich bei der zumindest einen Zusatzinformation um die Temperatur, den Atmosphärendruck, eine Gaskonzentration und/oder die relative Luftfeuchtigkeit am Transponder handelt. In diesem Fall kann sich das Füllstandsmessgerät anhand der Temperatur, des Atmosphärendruckes und/oder der relativen Luftfeuchtigkeit nachkalibrieren. Durch die Berücksichtigung dieser klimatischen Einflussgrößen bietet sich der Vorteil, dass das Füllstandsmessgerät eine höhere Genauigkeit bei der Füllstandsmessung erzielen kann.
Bei entsprechender Ausgestaltung ist es außerdem möglich, mittels der klimatischen Einflussgrößen eine Aussage über die Gaszusammensetzung oberhalb des Füllgutes im Behälter zu treffen. Bei kritischer Zusammensetzung, beispielsweise Sauerstoffmangel oder Explosionsgefahr, könnte das Füllstandsmessgerät beispielsweise ein entsprechendes Warnsignal generieren. Eine derart ermittelte Gaszusammensetzung könnte zudem dazu genutzt werden, um die wahre Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendesignals zu ermitteln und die Füllstandsmessung dementsprechend zu korrigieren.
Zu diesem Zwecke ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Transponder an einer Innenwand des Behälters angeordnet ist. Bei einer dortigen Anbringung bietet es sich außerdem an, dass die zumindest eine Zusatzinformation eine spezifische Information über den Behälter beinhaltet. Bei Behälterspezifischen Informationen kann es sich beispielsweise um die Behältergröße, oder den Behältertyp handeln. Denkbar ist aber auch, behälterspezifische Korrekturdaten für das Füllstandsmessgerät in dem Transponder vorzuhalten. Bei den Korrekturdaten kann es sich im Fall von Pulsradar-basierter Füllstandsmessung um eine hinterlegte Störecho-Kurve, die dem jeweiligen Behältertyp zugeordnet ist, handeln. Analog könnte es sich im Falle von FMCW um spezifische Stör-Frequenzspektren des verwendeten Behältertyps handeln.
Bei einem Transponder, der an einer Innenwand des Behälters angeordnet ist, ist es darüber hinaus auch denkbar, dass die zumindest eine Zusatzinformation eine Information über das Erreichens eines vorbestimmten Grenzstandes beinhaltet. Realisiert werden könnte dies zum einen dadurch, dass der Transponder einen Sensor zur Detektion des Füllgutes, beispielsweise einen Leitfähigkeitssensor, umfasst. Folglich könnte dies im Falle einer Detektion als Erreichen des Grenzstandes aufgefasst werden und dementsprechend als Zusatzinformation an das Füllgut gesendet werden.
Alternativ könnte zur Grenzstanddetektion auch die Sendeleistung, mit der das Transpondersignal gesendet wird, derart eingestellt sein, dass das Transpondersignal in dem Fall, in dem der Transponder mit Füllgut bedeckt ist, zu schwach zum Empfang durch das Füllstandsmessgerät ist. Aus dem Nicht-Empfang des Transpondersignals wird folglich abgeleitet, dass der Füllstand des Füllgutes den Grenzstand erreicht hat. Solch eine Funktion erhöht die Redundanz des Füllstandsmessgerätes, wodurch es höhere Schutzvorgaben einhält.
Zusätzlich zur Anbringung an einer Behälterwand kann auch ein Transponder auf der Oberfläche des Füllgutes angeordnet sein. In diesem Fall kann durch entsprechende Sensoren eine oder mehrere Mediums-Eigenschaften bestimmt werden, so dass es sich bei der zumindest einen Zusatzinformation, die der Transponder an das Füllstandsmessgerät sendet, um den pH-Wert, die Trübung, die Dielektrizitätszahl, die Stoffkonzentration, den dielektrischen Verlustfaktor oder die Leitfähigkeit des Füllgutes, oder die Stoff-Konzentration eines weiteren Stoffes handelt.
Ein Transponder, der auf der Oberfläche des Füllgutes angeordnet ist, kann neben Sensoren auch einen oder mehrere Aktoren umfassen. Solche könnten einerseits zur Beeinflussung des Füllgutes, beispielsweise zum Rühren und/oder zur Schaumreduktion dienen. Denkbar wären aber auch entsprechende Aktoren zur Beeinflussung der Position des Transponders. Dies könnte vorteilhaft eingesetzt werden, um den Transponder mittels der Aktor-Einheit in den Bereich der maximalen Sendeleistung des Sendesignals zu positionieren. Dies ist insbesondere bei Füllgütern mit kleinem Reflexionsfaktor, hoher Absorption oder unruhiger Oberfläche vorteilhaft, da hier eine Reflektion des Sendesignals oftmals schwierig ist.
Eine Positionierung des Transponders in Bezug zur Mitte des Antennen-Abstrahl-Kegels könnte dadurch realisiert werden, dass die Signal-Erzeugungs-Einheit des Füllstandsmessgeräts neben der ersten Mittenfrequenz mit einer abweichenden, zweiten Mittenfrequenz sendet. Bei gleichem Antennenquerschnitt der jeweils selben Antenne wird die höhere Mittenfrequenz stärker gebündelt. Dadurch ergibt sich aus dem Verhältnis der Signalstärken des Sende-Signals am Transponder, ob sich der Transponder der mittigen Position annähert oder entfernt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass das Füllstandsmessgerät eine Zeitdifferenz zwischen Ansteuern des zumindest einen Transponders und Empfang des zumindest einen Transpondersignals ermittelt. Auf Basis der gemessenen Zeitdifferenz könnte eine alternative Bestimmung des Füllstands erfolgen. Dies könnte das Füllstandsmessgerät vorteilhaft dazu verwenden, um anhand des zumindest einen Transpondersignals die Plausibilität des regulär ermittelten Füllstands zu prüfen.
Hierdurch, wie auch durch die zuvor genannten Ausgestaltungsvarianten ergibt sich für das Füllstandsmessgerät insbesondere der Vorteil, dass es potentiell höhere Schutzvorgaben erreichen kann. Dies betrifft beispielsweise den Explosionsschutz gemäß der Normenreihe IEC 60079-0, oder die funktionale Sicherheit gemäß der Normenreihe IEC 61508/IEC 61511.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur/Figuren erläutert. Es zeigt:
1: ein erfindungsgemäßes System an einem Behälter,
2: ein möglicher Schaltungsaufbau des Füllstandsmessgerätes bei Verwendung des Puls-Laufzeit-Verfahrens, und
3: ein möglicher Schaltungsaufbau des Füllstandsmessgerätes bei Verwendung des FMCW-Verfahrens.
1 zeigt eine Anordnung eines Radar-basierten Füllstandsmessgerätes 1, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist, an einem Behälter 2. In dem Behälter 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Hierzu ist das Füllstandsmessgerät 1 in einer vorbekannten Einbauhöhe h oberhalb des Füllgutes 3 am Behälter 2 angebracht. Hierbei kann der Behälter 2 je nach Anwendung bis zu mehr als 30 m hoch sein. Das Füllstandsmessgerät 1 ist derart am Behälter 2 angeordnet, dass es ein Sendesignal S in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 3 aussendet. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 das reflektierte Sendesignal S in Abhängigkeit der Entfernung h-L zur Füllgut-Oberfläche nach einer Laufzeit t. Die Ermittlung des Füllstandes L erfolgt auf Basis der Laufzeit t.
Zusätzlich zum Füllstandsmessgerät 1 ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest ein Transponder 141, 142 erforderlich. Dieser kann, wie es nach dem Stand der Technik bekannt ist und in 1 gezeigt, auf der Oberfläche des Füllgutes 3 angeordnet sein. Ein dort angebrachter Transponder 141 kann zum Beispiel als frei beweglicher Schwimmer ausgelegt sein. Durch die Anbringung auf der Füllgut-Oberfläche ist es möglich, eine Mediums-Eigenschaft des Füllgutes 3, wie den pH-Wert, die Dichte, eventuelle Trübung oder die Dielektrizitätszahl zu bestimmen und als Zusatzinformation I_T in einem Transpondersignal R mit einer Sendefrequenz f_T an das Füllstandsmessgerät 1 zu senden. Hieraus kann beispielsweise eine Mediums-Eigenschaft über das Füllgut 3, wie die Zusammensetzung, den Aggregatzustand, eventuelle Schaumbildung oder Verunreinigung abgeleitet werden. Dafür ist es notwendig, dass der auf der Füllgut-Oberfläche angeordnete Transponder 141 zusätzlich zu einer Sende-/Empfangs-Einheit und einer Speicher-Einheit einen entsprechenden Sensor zur Bestimmung der jeweiligen Mediums-Eigenschaft umfasst.
Neben einer Anbringung auf der Füllgut-Oberfläche ist es erfindungsgemäß möglich, einen Transponder 142 an einer Innenwand des Behälters 2 anzubringen. In diesem Transponder 142 können beispielsweise spezifische Informationen zu dem Behälter 2, wie die Tankgröße oder spezifische Korrekturdaten für das Füllstandsmessgerät 1, die für den jeweiligen Behältertyp gelten, vorgehalten werden. Außerdem wäre auch die Ausstattung dieses Transponders 142 mit Sensoren die zur Bestimmung von klimatischen Größen, wie der Temperatur, dem Druck im Behälter, der relativen Feuchtigkeit usw. dienen, denkbar. Diese Größen könnten als Zusatzinformationen I_T über das Transpondersignal R dem Füllstandsmessgerät 1 übermittelt werden. Dadurch kann sich das Füllstandsmessgerät 1 anhand der aktuell vorherrschenden Klima-Bedingungen nachkalibrieren und den Füllstand L entsprechend genauer bestimmen.
Ein an der Innenwand des Behälters 2 angebrachter Transponder 142 könnte außerdem dazu eingesetzt werden, um das Erreichen eines vorbestimmten Grenzstandes L_max zu detektieren. Hierzu gibt es wiederum mehrere Möglichkeiten: Zum einen könnte der Transponder 142 einen entsprechenden Sensor umfassen, der das Vorhandensein des Füllgutes 3 detektiert. Folglich könnte dies im Falle einer Detektion als Zusatzinformation I_T an das Füllgut gesendet werden. Zum anderen könnte aber auch die Sendeleistung, mit der das Transpondersignal R gesendet wird, derart eingestellt sein, dass das Transpondersignal R in dem Fall, in dem der Transponder 142 mit Füllgut 3 bedeckt ist, zu schwach zum Empfangen durch das Füllstandsmessgerät 1 ist. Aus dem Nicht-Empfangen des Transpondersignals R könnte folglich darauf geschlossen werden, dass der Füllstand L des Füllgutes 3 den Grenzstand L_max erreicht hat.
Das Ansteuern der Transponder 141, 142 durch das Sendesignal S kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. Eine Möglichkeit besteht darin, dass der jeweilige Transponder 141, 142 das Transpondersignal R mit der zumindest einen Zusatzinformation I_T bereits dann sendet, sobald der Transponder 141 das reine Sendesignal S empfängt.
Alternativ wäre es auch denkbar, dass das Sendesignal S zur Ansteuerung der Transponder 141, 142 zumindest eine für den jeweiligen Transponder 141, 142 vorgesehene Kodierung aufweist. In diesem Fall sendet der jeweils adressierte Transponder 141, 142 das Transpondersignal R erst nach Aufforderung durch das Füllstandsmessgerät 1, also dann, wenn das Sendesignal S den für den jeweiligen Transponder 141, 142 entsprechenden Code enthält. Unabhängig von der Art der Ansteuerung kann der jeweilige Transponder 141, 142 das Transpondersignal R nach Ansteuern durch das Sendesignal S entweder zyklisch oder kontinuierlich senden.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 zusätzlich über ein Bussystem, etwa „PROFIBUS”, „HART” oder „Wireless HART” mit einer übergeordneten Einheit 9, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Es kann aber auch der Füllstand L oder die Zusatzinformation I_T übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter vorhandene Zuflüsse 21 und/oder Abflüsse 22 zu steuern.
Das in 1 gezeigte Füllstandsmessgerät 1 umfasst drei wesentliche Hauptkomponenten:

– Eine Signalerzeugungs-Einheit 11 zur Erzeugung des Sendesignals S,
– einer ersten Sende-/Empfangseinheit 12 zum Senden und/oder Empfangen des Sendesignals S sowie zum Empfangen des zumindest einen Transpondersignals R,
– eine Auswerte-Einheit 13 zur Ermittlung des Füllstandes L sowie zur Auswertung der zumindest einen Zusatzinformation I_T.

Erfindungsgemäß ist es möglich, dass das Füllstandsmessgerät 1 sowohl auf Basis des Puls-Laufzeit-Verfahren, als auch auf Basis des FMCW-Verfahrens arbeitet.
Sofern das Füllstandsmessgerät 1 auf Basis des Puls-Laufzeit-Verfahrens arbeitet, wird das Sendesignal S zyklisch mit einer Wiederholfrequenz f_r in Form eines Mikrowellenpulses ausgesendet. Eine hierfür geeignete Schaltung ist in 2 dargestellt. Dort wird der Mikrowellenpuls innerhalb der Signalerzeugungs-Einheit 11 durch einen ersten Pulsgenerator 111 und einen ersten Hochfrequenz-Oszillator 112, der die erste Mittenfrequenz f₀ aufweist, erzeugt. Zur Ermittlung des Füllstandes L anhand des reflektierten Sendesignals S umfasst die Auswerte-Einheit 13, einen zweiten Pulsgenerator 136 und einen zweiten Hochfrequenz-Oszillator 137 mit einer leicht von der ersten Mittenfrequenz f₀ abweichenden Frequenz. Durch diese wird das reflektierte Sendesignal S mittels eines Mischers 134, wie es beim Puls-Laufzeit-Verfahren üblich ist, in ein zeitgedehntes Signal ZF umgewandelt. Die Ermittlung des Füllstandes L anhand des zeitgedehnten Signals ZF geschieht durch einen Microcontroller 131. Durch den Microcontroller 131 wird zudem die Zusatzinformation I_T, welche ebenfalls im zeitgedehnten Signal ZF enthalten ist, ausgelesen.
Bei der Zusatzinformation I_T kann es sich beispielsweise um behälterspezifische Korrekturdaten für das Füllstandsmessgerät 1 handeln. Im Falle des Puls-Laufzeit-Verfahrens ist es naheliegend, dass es sich bei diesen Korrekturdaten um zumindest eine hinterlegte Störecho-Kurve, die dem jeweiligen Behältertyp zugeordnet ist, handelt. Analog könnte es sich im Falle von FMCW um spezifische Stör-Frequenzspektren des verwendeten Behältertyps handeln.
In dem Fall, in dem das Füllstandsmessgerät 1 auf Basis des FMCW-Verfahrens arbeitet, wird das Sendesignal S kontinuierlich mit einer periodischen Frequenzänderung Δf, welche im Bereich der ersten Mittenfrequenz f₀ liegt, ausgesendet. 3 zeigt eine Schaltung, mit der dies umsetzbar ist. In diesem Fall handelt es sich bei der Signalerzeugungs-Einheit 11 um einen modulierbaren Hochfrequenz-Oszillator, beispielsweise einen VCO („Voltage Controlled Oscillator”). Nach Empfang des reflektierten Sendesignals S wird dieses mit dem vom Hochfrequenz-Oszillator ausgehenden Signal in einem Mischer 134 gemischt. Hierdurch entsteht das beim FMCW-Verfahren übliche Differenzsignal ZF. Bei der in 3 gezeigten Schaltung wird der Füllstand L anhand der Frequenz des Differenz-Signals ZF durch den Microcontroller 131 ermittelt. Zur einfacheren Ermittlung dieser Frequenz umfasst die Auswerte-Einheit 13 eine Fast-Fourier Transformations-Einheit 135, in der das Frequenzspektrum des Differenz-Signals bestimmt wird. Durch den Microcontroller 131 der Auswerte-Einheit 13 wird außerdem das Transpondersignal R ausgelesen, welches ebenfalls im Differenz-Signal ZF mitenthalten ist.
Im Falle des Mischers 134 ist es insbesondere möglich, einen Dualband-Mischer zu verwenden, welcher neben dem ZF-Signal zumindest einen zweiten Anschluss entsprechend der Sendefrequenz f_T des Transpondersignals R enthält.
Bei den in 2 und 3 gezeigten Schaltungen sind zugunsten der Übersichtlichkeit lediglich Signalpfade und keine Steuerpfade eingezeichnet. Des Weiteren umfassen die in 2 und 3 gezeigten Signalerzeugungs-Einheiten 11 jeweils keine zusätzliche Modulations-Einheit. Mittels einer zusätzlichen Modulations-Einheit könnte das Sendesignal S entweder derart moduliert werden, dass eine Kodierung zum Ansteuern des jeweiligen Transponders 141, 142 realisiert wird. Alternativ oder zusätzlich könnte eine entsprechende Modulierung des Sendesignals S erfolgen, mittels der zumindest ein Transponder 141, 142 parametrisiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Füllstandsmessgerät
2: Behälter
3: Füllgut
4: Übergeordnete Einheit
11: Signalerzeugungs-Einheit
12: Sende-/Empfangs-Einheit
13: Auswerte-Einheit
21: Zufluss
22: Abfluss
111: Erster Pulsgenerator
112: Erster Hochfrequenz-Oszillator
131: Microcontroller
132: Analog-/Digitalwandler
133: Verstärker
134: Mischer
135: Fast-Fourier Transformations-Einheit
136: Zweiter Pulsgenerator
137: Zweiter Hochfrequenz-Oszillator
141, 142: Transponder
f₀, f₁: Mittenfrequenz
Δf: Frequenzänderung
f_r: Wiederholfrequenz
f_T: Sendefrequenz
h: Einbauhöhe
I_T: Zusatzinformation
L: Füllstand
L_max: Grenzstand
R: Transpondersignal
S: Sendesignal
t: Laufzeit
Δt: Zeitdifferenz

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Füllstandes (L) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3), sowie zur Ermittlung zumindest einer Zusatzinformation (I_T), weiche von zumindest einem an einer Innenwand des Behälters (2) angeordneten Transponder (141, 142) vorgehalten wird, wobei das Verfahren von einem Füllstandsmessgerät (1) ausgeführt wird und folgende Verfahrensschritte umfasst: – ein Sendesignal (S) mit einer ersten Mittenfrequenz (f₀) im Mikrowellenbereich oder THz-Bereich wird in Richtung des Füllgutes (3) gesendet, – nach Reflektion des Sendesignals (S) an der Oberfläche des Füllgutes (3) wird das reflektierte Sendesignal (S) nach einer vom Füllstand (F) abhängigen Laufzeit (t) empfangen, – anhand der Laufzeit (t) wird der Füllstand (L) bestimmt, – durch Ansteuern des zumindest einen Transponders (141, 142) mittels des Sendesignals (S) wird ein vom zumindest einen Transponder (141, 142) ausgesendetes Transpondersignal (R), welches die zumindest eine Zusatzinformation (I_T) beinhaltet, empfangen, und – anhand des zumindest einen empfangenen Transpondersignals (R) wird die zumindest eine Zusatzinformation (I_T) ausgelesen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Transponder (141, 142) mittels zumindest eines vordefinierten Codes, welcher im Sendesignal (S) enthalten ist, angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zumindest eine Transponder (141, 142) durch das Sendesignal (S) parametriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, wobei der zumindest eine Transponder (141, 142) durch das Sendesignal (S) mit Energie versorgt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ermittlung des Füllstandes (L) und das Auslesen der zumindest einen Zusatzinformation (I_T) zeitgleich durchgeführt oder getaktet und/oder im Wechsel durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand der zumindest einen Zusatzinformation (I_T) zumindest eine Mediums-Eigenschaft des Füllgutes (L) bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sendesignal (S) im Wechsel mit der ersten Mittenfrequenz (f₀) und einer zweiten Mittenfrequenz (f₁) im Mikrowellenbereich oder THz-Bereich in Richtung des Füllgutes (3) gesendet wird.
System zur Durchführung des in zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche beschriebenen Verfahrens, folgende Komponenten umfassend: Ein Füllstandsmessgerät (1) mit – einer Signalerzeugungs-Einheit (11) zur Erzeugung des Sendesignals (S), – einer ersten Sende-/Empfangseinheit (12) zum Senden und/oder Empfangen des Sendesignals (S) sowie zum Empfangen des zumindest einen Transpondersignals (R), – einer Auswerte-Einheit (13) zur Ermittlung des Füllstandes (1) sowie zur Auswertung der zumindest einen Zusatzinformation (I_T), und einen an einer Innenwand des Behälters (2) angeordneten Transponder (141, 142), mit – zumindest einer zweiten Sende-/Empfangs-Einheit zum Empfang des Sendesignals (S) und zum Senden des Transpondersignals (R).
System nach Anspruch 8, wobei das Transpondersignal (R) eine Sendefrequenz (f_T) aufweist, die in etwa der ersten Mittenfrequenz (f₀) oder einem ganzzahligen Vielfachen der ersten Mittenfrequenz (f₀) oder einem geradzahligen Teiler der ersten Mittenfrequenz (f₀) entspricht.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei der zumindest eine Transponder (141, 142) eine Speicher-Einheit zum Vorhalten der zumindest einen Zusatzinformation (I_T) umfasst.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei es sich bei der zumindest einen Zusatzinformation (I_T) um die Temperatur, den Atmosphärendruck, die Gaskonzentration und/oder die relative Luftfeuchtigkeit am Transponder (141, 142) handelt.
System nach Anspruch 11, wobei sich das Füllstandsmessgerät (1) anhand der Temperatur, des Atmosphärendruckes und/oder der relativen Luftfeuchtigkeit nachkalibriert.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die zumindest eine Zusatzinformation (I_T) eine spezifische Information über den Behälter (2) beinhaltet.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die zumindest eine Zusatzinformation (I_T) eine Information über das Erreichen eines vorbestimmten Grenzstandes (L_max) beinhaltet.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei es sich bei der zumindest einen Zusatzinformation (I_T) um den pH-Wert, die Trübung, die Dielektrizitätszahl, die Stoffkonzentration, den dielektrischen Verlustfaktor oder die Leitfähigkeit des Füllgutes (3), oder die Stoff-Konzentration eines weiteren Stoffes handelt.
System nach zumindest einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei das Füllstandsmessgerät (1) anhand des zumindest einen Transpondersignals (R) die Plausibilität des ermittelten Füllstands (L) prüft.