DE102017100269A1 - Verfahren zur Detektion eines Fehlerzustandes an einem FMCW-basierten Füllstandsmessgerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Fehlerzustandes an einem FMCW-basierten Füllstandsmessgerät. Hierzu werden in mindestens zwei zeitlich nacheinander stattfindenden Referenz-Messungen jeweils ein erstes Referenz-Messsignal (s, s) und mindestens ein zweites Referenz-Messsignal (s, s) ermittelt, wobei die Referenz-Messungen durch das Füllstandsmessgerät (1) unter ein und dergleichen vordefinierten Referenzmessbedingung durchgeführt werden. In den zumindest zwei Referenz-Messsignalen (s, ss, s) wird jeweils zumindest ein charakteristischer Kennwert (A, A, f, f, ϕ) ermittelt, wobei durch Vergleich der mindestens zwei Referenz-Messsignale (s, ss, s) eine zeitliche Änderung des charakteristischen Kennwertes (ΔA, ΔA, Δf, Δf, Δϕ) ermittelt wird. Ein Fehlerzustand wird erfindungsgemäß dann detektiert, wenn die Änderung des Kennwertes (ΔA, ΔA, Δf, Δf, Δϕ) eine vordefinierten Maximal-Kennwertwertänderung (bspw. ΔA) überschreitet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann also ein etwaiger Fehlerzustand am Füllstandsmessgerät (1) detektiert werden. Somit wird erreicht, dass das Füllstandsmessgerät (1) auch in kritischen Anwendungen mit hoher erforderlicher Zuverlässigkeit eingesetzt werden kann.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Fehlerzustandes an einem FMCW-basierten Füllstandsmessgerät, sowie ein zur Ausführung dieses Verfahrens geeignetes Füllstandsmessgerät.
• In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Eine Vielzahl dieser 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 (unter dem Begriff „Behälter“ werden im Rahmen der Erfindung auch nichtabgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden). Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in ihrer Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich, also mit einer sehr hohen Auflösung messen zu können. Dementsprechend werden hierzu vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt. Ein etabliertes Messprinzip bildet hierbei das FMCW-Messprinzip („Frequency Modulated Continuos Wafe“). Es beruht darauf, dass ein kontinuierliches Radar-Sendesignal ausgesendet wird und das reflektierte Radar-Empfangssignal, das an der Oberfläche des Füllgutes reflektiert wird, mit der momentanen Frequenz des Sendesignals verglichen wird. Dabei liegt die Frequenz des Radar-Sendesignals 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.
• Beim FMCW-basierten Füllstands-Messverfahren besteht eine besondere Herausforderung darin, das Messsignal zweifelsfrei gegenüber Störsignalen zu erkennen. Durch Störsignale entsprechender Fehlerquellen können fehlerhafte Messwerte generiert werden, anhand derer die Funktionsfähigkeit des Füllstandsmessgeräts beeinträchtigt wird. Eine wesentliche Ursache ist hierbei der Empfang von Störsignalen, die durch Reflektion des Sende-Signals an Störkörpern, wie Rührwerken oder Einbauten im Behälter hervorgerufen werden. Es können jedoch auch Geräte-interne Störsignale auftreten, wenn es sich bei der Fehlerquelle beispielsweise um eine Rückkopplung in der Antenneneinheit handelt.
• Mittlerweile existieren viele technische Ansätze zur Filterung von Störsignalen bei FMCW-basierter Füllstandsmessung, um das Empfangssignal korrigieren zu können. So ist aus der internationalen Veröffentlichungsschrift 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, selbst während des normalen Messbetriebs ein eindeutiges Referenz-Messsignal generiert werden kann.
• In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 050 117 A1 wird ein Verfahren zur Korrektur interner Störsignale des Füllstandsmessgerätes beschrieben. Das dort beschriebene Verfahren basiert auf Messung eines Referenz-Messsignals in einer weitestgehend absorbierenden Test-Umgebung, und anschließender Erstellung einer Korrekturkurve auf Basis des Referenz-Signals.
• Mittels der genannten Verfahren können Störsignale zwar gegebenenfalls kompensiert werden, eine Alterung oder Verschmutzung des Füllstandsmessgerätes verändert jedoch die Störsignale über die Zeit. Daher ist es interessant die Korrektur im laufenden Betrieb durchzuführen und bei Veränderung der Kompensationswerte auf einen Fehlerzustand zu schließen. Die Detektion eines solchen Fehlerzustandes ist gerade bei Füllstandsmessgeräten erstrebenswert, die in kritischen Prozessanlagen mit hoher erforderlicher Zuverlässigkeit eingesetzt werden. Die notwendigen Vorrausetzungen für solch einen Einsatz werden beispielsweise in der Norm IEC/EN 61508 zur funktionalen Sicherheit beschrieben (auch bekannt unter dem Begriff „Safety Integrity Level, SIL“).
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem ein Fehlerzustand an FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten detektiert werden kann.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Detektion eines Fehlerzustandes an einem FMCW-basierten Füllstandsmessgerät. Es umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
• - Referenz-Messung eines ersten Referenz-Messsignals (s_ref1, s_ZF1 ) unter zumindest einer vordefinierten Referenzmessbedingung durch das Füllstandsmessgerät,
• - Ermittlung von zumindest einem charakteristischen Kennwert (A_peak, A_Hüll, f_peak, f_mean, ϕ) des Referenz-Messsignals (s_ref1, s_ZF1),
• - Referenz-Messung von zumindest einem zweiten Referenz-Messsignal (s_ref2, s_ZF2) unter zumindest der einen vordefinierten Referenzmessbedingung,
• - Ermittlung einer Änderung des zumindest einen Kennwertes (ΔA_peak, Δ A_Hüll, Δf_peak, Δf_mean, Δϕ) anhand zumindest des ersten Referenz-Messsignals (s_ref1, s_ZF1) und des zweiten Referenz-Messsignals (s_ref2, s_ZF2), und
• - Detektion des Fehlerzustandes, wenn die Änderung des Kennwertes (ΔA_peak, ΔA_Hüll, Δf_peak, Δf_mean, Δϕ) eine vordefinierten Maximal-Kennwertwertänderung (bspw. ΔA_peak,max) überschreitet.
• Dabei ist ein Fehlerzustand im Rahmen der Erfindung als ein Zustand des Füllstandsmessgerätes definiert, bei dem nicht sichergestellt ist, dass das Füllstandsmessgerät einen korrekten Füllstand L ermittelt. Als Referenz-Messsignal (s_ref1, s_ZF1 ,s_ref2, s_ZF2) ist im Kontext der Erfindung prinzipiell jedes Signal zu verstehen, welches unter zumindest einer definierten Referenzbedingung vom Füllstandsmessgerät zur Ermittlung des Füllstandes L ausgesendet, empfangen und verarbeitet wird.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann also ein etwaiger Fehlerzustand am Füllstandsmessgerät detektiert werden. Somit wird erreicht, dass das Füllstandsmessgerät auch in kritischen Prozessanlagen mit hoher erforderlicher Zuverlässigkeit eingesetzt werden kann.
• Je nachdem, wie der charakteristische Kennwert definiert ist, können erfindungsgemäß verschiedene Störsignale potentieller Fehlerquellen, die zum Fehlerzustand führen können, erfasst werden. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung nicht relevant, ob der charakteristische Kennwert aus einem internen oder externen (Stör-) Signal des Füllstandsmessgerätes resultiert. Dementsprechend bietet es sich im Rahmen der Erfindung an, als charakteristischen Kennwert insbesondere eine Amplitude (A_peak) und/oder eine Frequenz (f_peak) eines Signal-Maximums (s_peak) des jeweiligen Referenz-Messsignals (s_ref1, s_REF2), und/oder eine Einhüllende der Amplitude (A_Hüll), eine Phasenlage (ϕ) oder eine Frequenz einer niederfrequenten Störung (f_mean) des jeweiligen Zwischenfrequenz-Referenz-Messsignals (s_ZF1, s_ZF2) zu ermitteln. Als Referenzmessbedingung kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise ein bekannter Mindestfüllstand (L_min) (bzw. dessen Erreichen) definiert werden. Eine vergleichbare, ebenfalls denkbare Referenzmessbedingung besteht darin, dass das Referenz-Messsignal im Rahmen einer Kalibration oder Eichung an einem definiert entfernten Referenzobjekt ermittelt wird. Alternativ könnte es sich bei der Referenzmessbedingung aber auch um einen vollständig entleerten Behälter handeln, so dass das Referenz-Messsignal keinen Füllstands-Messwert wiedergibt, sondern lediglich vorwiegend externe Störsignale von außerhalb des Füllstandsmessgerätes wiederspeigelt. Eine weitere denkbare Referenzmessbedingung, bei der ausschließlich interne Fehlerquellen des Füllstandsmessgerätes abgebildet werden, besteht darin, in einer Test-Umgebung zu messen, in der jegliche elektromagnetische Wellen des Füllstandsmessgerätes absorbiert werden.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest anhand des zumindest einen Kennwertes (A_peak, A_Hüll, f_peak, f_mean, ϕ) und dessen Änderung (ΔA_peak, ΔA_Hüll, Δf_peak, Δf_mean, Δϕ eine zumindest zeitliche Änderungsfunktion (bspw. dA_peak/dt) erstellt wird. Hierbei wird für den Fall, dass die Änderung des zumindest einen Kennwertes (ΔA_peak, ΔA_Hüll, Δf_peak, Δf_mean, Δϕ) die vordefinierten Maximal-Kennwertwertänderung (bspw. ΔA_peak,max) nicht überschreitet, anhand der zeitlichen Änderungsfunktion (bspw. dA_peak/dt) eine Restbetriebszeitdauer (Δt_r) bis zum Überschreiten der vordefinierten Maximal-Kennwertwertänderung (bspw. ΔA_peak,max) berechnet.
• Dieser Weiterbildung liegt also die Idee zugrunde, durch Ermittlung der Änderung von zumindest einer bestimmten charakteristischen Kenngröße über zumindest zwei oder mehrere Referenz-Messungen hinweg eine Restbetriebszeitdauer Δt_r zu approximieren, bis zu der die jeweilige Maximal-Kennwertänderung voraussichtlich überschritten werden wird und somit der Fehlerzustand am Füllstandsmessgerät eintreten wird. Voraussetzung hierfür ist, dass die Änderung der entsprechenden charakteristischen Kenngröße zum Zeitpunkt der jeweils letzten Referenz-Messung die Maximal-Kennwertänderung noch nicht überschritten hat.
• Mittels dieser Weiterbildung der Erfindung kann somit ein Fehlerzustand gemäß dem Prinzip der „Predictive Maintenance“ bereits im Voraus prognostiziert werden. Hierbei besteht eine Möglichkeit zur Ermittlung der Änderungsfunktion (bspw. dA_peak/dt) in der Verwendung einer Regression, im einfachsten Fall einer linearen Regression. Allgemein ist die Wahl eines geeigneten Regressionstypen (also auch exponentiell, logarithmisch, etc.) im Sinne der Erfindung jedoch nicht auf lineare Regression beschränkt, sondern vielmehr vom individuellen Verlauf der Änderung eines jeweiligen charakteristischen Kennwertes abhängig. Zur Durchführung der Regression und/oder zur Ermittlung eines geeigneten Regressionstyps kann dementsprechend die Methode der kleinsten Quadrate angewendet wird.
• Insbesondere, um eine Änderungsfunktion (bspw. dA_peak/dt) exakter ermitteln zu können, ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn jeweils nicht nur ein zweites, sondern zusätzlich ein weiteres Referenz-Messsignal (s_ref3 - s_refn) ermittelt wird, sobald die zumindest eine vordefinierte Referenzmessbedingung erneut vorherrscht.
• Im Rahmen der Erfindung ist es außerdem möglich, mittels des ersten Referenz-Messsignals (s_ref1, s_ZF1 ) eine erste Korrekturkurve, und mittels des zweiten Referenz-Messsignals (s_ref2, s_ZF2) eine zweite Korrekturkurve zu erstellen. Mittels der jeweiligen Korrekturkurve könnte das Mess-Signal, auf dessen Basis im regulären Messbetrieb der Füllstand L ermittelt wird, um die Störeinflüsse, die in den Referenz-Signalen (s_ref1, s_ZF1, s_ref2, s_ZF2) abgebildet sind, korrigiert werden.
• In diesem Fall ist es erfindungsgemäß zudem möglich, die Änderung des zumindest einen Kennwertes (ΔA_peak, ΔA_Hüll, Δf_peak, Δf_mean, Δϕ) nicht (ausschließlich) anhand der Referenz-Messsignale (s_ref1, s_ref2 s_ZF1, s_ZF2), sondern (ggf. zusätzlich) anhand der ersten Korrekturkurve und der zweiten Korrekturkurve zu ermitteln.
• Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, wird analog zum erfindungsgemäßen Verfahren durch ein Füllstandsmessgerät gelöst, welches zur Durchführung des vorhergehend beschriebenen Verfahrens in zumindest einem dieser Varianten geeignet ist. Dementsprechend umfasst es zumindest:
• - Eine Signalerzeugungs-Einheit (11) zur Erzeugung eines Radar-Sendesignals (S_HF)
• - eine Sendeantenne (14) und/oder eine Empfangsantenne (15) zum Aussenden des Sendesignals (S_HF) und/oder zum Empfang eines Radar-Empfangssignals (E_HF),
• - einen Mischer (17) zur Erzeugung eines Zwischenfrequenzsignals (s_ZF1, s_ZF2) mittels Mischen des Sendesignals (S_HF) mit dem Empfangssignal (E_HF), und
• - eine Auswerte-Einheit (19) zur Ermittlung eines Messsignals und/oder von Referenz-Messsignalen (s_ref1, s_ref2) mittels des Zwischenfrequenzsignals (s_ZF1, s_ZF2), und/oder zur Bestimmung eines Füllstandes (L) anhand des Messsignals, und oder zur Bestimmung eines Fehlerzustandes anhand der Referenz-Messsignale (s_ref1, S_ref2 s_ZF1, s_ZF2).
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand folgender Figuren näher erläutert. Es zeigt:
• 1: Eine standardmäßige Anordnung eines FMCW basierten Füllstandsmessgerätes an einem Behälter,
• 2: ein typischer Schaltungsaufbau eines FMCW-basierten Füllstandsmessgerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 3: schematische Darstellungen zur Ermittlung von charakteristischen Kenngrößen an Empfangssignalen eines FMCW-basierten Füllstandsmessgerätes, und
• 4: eine Regression einer charakteristischen Kenngröße zur Bestimmung der voraussichtlichen Restbetriebszeitdauer eines FMCW-basierten Füllstandsmessgerätes.
• Zum Verständnis des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in 1 zunächst eine typische Anordnung eines nach dem FMCW-Messprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. 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. Der Behälter 2 kann hierbei je nach Anwendung bis zu mehr als 30 m hoch sein.
• Das Füllstandsmessgerät 1 ist derart am Behälter 2 angeordnet, dass es ein für FMCW typisches Radar-Sendesignal S_HF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 3 aussendet. Nach Reflektion des Radar-Sendesignals S_HF an der Füllgut-Oberfläche (oder unerwünschter Weise einem Störkörper im Behälter 2, wie zum Beispiel einem in den Behälter hineinragenden Zufluss 21) empfängt das Füllstandsmessgerät 1 ein Radar-Empfangssignal E_HF . Dabei ist, wie bei FMCW charakteristisch, der Frequenzunterschied zwischen dem momentan ausgesendeten Radar-Sendesignal S_HF und dem Radar-Empfangssignal E_HF abhängig vom Abstand d = h - L zur Füllgut-Oberfläche.
• In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über ein Bussystem, etwa „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über einen etwaigen Fehlerzustand 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.
• In 2 ist ein geeigneter Schaltungsaufbau eines FMCW-basierten Füllstandsmessgerätes 1 gezeigt, mit das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion eines etwaigen Fehlerzustandes umgesetzt werden kann: Zur Erzeugung eines beim FMCW-Messverfahren typischen Hochfrequenz-Signals s_HF umfasst das Füllstandsmessgerät 1 eine entsprechende Signalerzeugungs-Einheit 11. Dabei ist das Hochfrequenz-Signal s_HF so konzipiert, dass es eine Frequenz im Mikrowellenbereich (standardmäßig bei 6 GHz, 26 GHz oder 79 GHz, möglich ist aber auch bis über 100 GHz) aufweist. Dabei ist die Frequenz nicht konstant, sondern sie variiert periodisch innerhalb eine vorbestimmte Frequenzdifferenz (im Fall von 79 GHz könnte die Frequenzdifferenz beispielsweise 2 GHz betragen, so dass sich eine entsprechende Frequenz zwischen 78 GHz und 80 GHz einstellt). Üblich ist beim FMCW-Verfahren, dass es sich bei der periodischen Änderung um eine sägezahnförmige (also innerhalb dieser Periode zeitlich konstante) Änderung der Frequenz des Hochfrequenz-Signals S_HF handelt. Denkbar wäre jedoch auch jegliche andere Form, bspw. eine sinusförmige Änderung der Frequenz innerhalb der jeweiligen Frequenzdifferenz.
• Die Periodizität der (sägezahnförmigen) Änderung kann dabei, wie beim FMCW-Verfahren typisch, in einer Größenordnung von bis zu einigen 100 MHz liegen. Die Frequenzdifferenz des Hochfrequenz-Signals s_HF ist in diesem Fall vorzugsweise größtmöglich zu bemessen, da durch Erhöhung der Bandbreite die Auflösung der Füllstandsmessung erhöht werden kann. Somit ist eine generell höhere Frequenz des Hochfrequenz-Signals s_HF bezüglich der Auflösung vorteilhaft, weil bei höheren Frequenzen eine absolut gesehen höhere Frequenzdifferenz implementiert werden kann.
• Nach dessen Erzeugung wird das Hochfrequenz-Signal s_HF über einen Signalteiler 12 (und gegebenenfalls einen Sendeverstärker 13) einer Sende-Antenne 14 zugeführt. Dort wird das elektrische Hochfrequenz-Signal s_HF in das eigentliche Radar-Sendesignal S_HF umgewandelt und entsprechend abgestrahlt.
• Im Messbetrieb wird durch die Reflektion des Radar-Sendesignals S_HF an der Oberfläche des Füllgutes 3 (und/oder an einem Störkörper im Behälter 2, wie beispielsweise einen in den Behälter 2 hineinragenden Zufluss 21, siehe 1) ein Radar-Empfangssignal E_HF erzeugt. Im Falle einer Kalibration oder Referenz-Messung ergibt sich das Radar-Empfangssignal E_HF aus Reflektion des Radar-Sendesignals S_HF durch einer vordefinierten Referenzbedingung, bspw. durch ein in einer Messstrecke angeordneten Referenzobjekt mit bekanntem Abstand d. Eine weitere Referenzbedingung könnte auch durch einen genau bekannten Füllstand L im Behälter 2 selbst dargestellt werden (beispielsweise einen bekannten Mindestfüllstand L_min , der zum Beispiel aufgrund eines entsprechend angeordneten Abflusses 22 nicht weiter absinken kann, siehe wiederum 1). Darüber hinaus wäre als Referenzbedingung auch eine weitestgehend reflexionsfreie Messumgebung (bspw. eine entsprechende Absorptionskammer) denkbar. In diesem Fall entsteht optimaler Weise gar kein Radar-Empfangssignal E_HF .
• An einer Empfangs-Antenne 15 des Füllstandsmessgerätes 1 wird das Radar-Empfangssignal E_HF empfangen und in ein elektrisches Signal zurückgewandelt (welches wiederum gegebenenfalls durch einen Empfangsverstärker 16 verstärkt werden kann). Dieses wird im Anschluss mittels eines Empfangsmischers 17 mit dem Hochfrequenz-Signal s_HF gemischt, wobei das Hochfrequenz-Signal s_HF hierfür aus einem Signalteiler 12 abgezweigt wird. Hierdurch wird jeweils ein beim FMCW-Verfahren typisches Zwischenfrequenz-Signal s_ZF1,s_ZF2 erzeugt, dessen Frequenz f_peak vom Abstand d abhängig ist und somit die Messung des Füllstandes L ermöglicht. Anstelle einer separaten Sende-Antenne 14 und einer Empfangs-Antenne 15 wäre unter Verwendung einer geeigneten Sende-/Empfangsweiche alternativ natürlich auch der Einsatz einer einzigen Sende-/Empfangsantenne möglich. Diese könnte klassischerweise als Hornantenne realisiert sein. Hin zu höheren Frequenzen, oder wenn die Sende- und Empfangsantenne 14, 15 jeweils separat realisiert sind, ist jedoch eine Auslegung als Planar-Antenne, insbesondere als Patch- oder Fraktal-Antenne vorteilhaft.
• Zur Ermittlung seiner Frequenz f_peak (oder, sofern das Radar-Sendesignal ggf. auch an Störkörpern reflektiert wird, einer Mehrzahl an Frequenzen f_peak ) wird das Zwischenfrequenzsignal s_ZF1, s_ZF2 üblicherweise durch eine Digitalisierungs-Einheit 18 einer (Fast-) Fourier-Transformation unterzogen und somit in einfach auswertbare (Referenz-) Messsignale s_ref1, s_ref2 überführt. Dabei erfolgt gegebenenfalls auch eine A/D-Wandlung. Die hierbei resultierenden Frequenz-Spektren sind schematisch in 3a dargestellt:
• Die Frequenz-Spektren stellen jeweils die Signalstärke bzw. die Amplitude A eines dazugehörigen (Referenz-) Messsignals s_ref1, s_ref2 in Abhängigkeit der Frequenz f dar. Die zwei in 3a dargestellten Frequenz-Spektren resultieren aus zwei Referenz-Messungen, die zeitlich nacheinander unter zumindest ein und der gleichen Referenzbedingung, beispielsweise einem genau bekannten Mindestfüllstand L_min im Behälter 2, durchgeführt sind. Abhängig von der jeweiligen Referenzbedingung können anhand der zwei Spektren der entsprechenden Referenz-Messsignale s_ref1 s_ref2 verschiedene charakteristische Kennwerte, die in allen zwei Frequenz-Spektren enthalten sind, ermittelt werden. Als charakteristischer Kennwert kann beispielsweise ein Signal-Maximum s_peak , bzw. dessen Amplitude A_peak und/oder dessen Frequenz f_peak ermittelt werden. Das Auftreten des jeweiligen Signal-Maximums s_peak ist von den einzelnen Referenzbedingungen abhängig und könnte somit beispielsweise von dem bekannten Mindestfüllstand L_min der Referenz-Messung herrühren.
• Aus dem Vergleich der zwei Referenz-Messsignale s_ref1, s_ref2 in 3a wird ersichtlich, dass sich die Kennwerte, also die Frequenz f_peak oder die Amplitude A_peak des Signal-Maximums s_peak über die Zeitspanne, die zwischen den zwei Referenz-Messungen liegt, nicht zwangsweise konstant bleibt. Vielmehr kann beispielsweise eine Frequenzänderung Δf_peak oder eine Amplitudenänderung ΔA_peak des Signal-Maximums s_peak auftreten.
• Ein Grund für eine Abschwächung ΔA_peak der Amplitude A_peak über die Zeitspanne zwischen den zwei Referenz-Messungen könnte beispielsweise eine allmähliche Ansatz-Bildung auf der Sende-Antenne 14 und/oder der Empfangs-Antenne 15 durch staubhaltiges Füllgut 3 sein. Eine Frequenzänderung Δf_peak könnte hingegen auf eine interne Fehlerquelle des Füllstandsmessgerätes 1, beispielsweise ein Verstimmen des Mischers 17 zurückgeführt werden.
• Durch das mindestens zweimalige Durchführen einer Referenz-Messung in zeitlich entsprechendem Abstand wird erfindungsgemäß also nicht nur der zumindest eine charakteristische Kennwert (bspw. die Frequenz f_peak oder die Amplitude A_peak des Signal-Maximums s_peak ) selbst, sondern über die Zeitspanne zwischen den Referenz-Messungen hinweg auch dessen/deren etwaige Änderung(en) ΔA_peak , Δf_peak erfasst.
• Kern der Erfindung ist, dass die Kennwert-Änderung, beispielsweise die der Amplitude ΔA_peak , mit zumindest einer vorher festgelegten Maximal-Kennwertwertänderung ΔA_peak,max , Δf_peak,max verglichen wird, die dem jeweiligen Kennwert zugeordnet ist. Hierbei stellt die Maximal-Kennwertwertänderung ΔA_peak,max , Δf_peak,max einen Schwellwert dar, ab dem eine zuverlässige Füllstandsmessung nicht mehr möglich ist und somit ein Fehlerzustand des Füllstandsmessgerätes 1 eingetreten ist.
• Im Fall einer Maximal-Amplitudenänderung ΔA_peak,max könnte dies derjenige Amplituden-Wert sein, ab dem die Amplitude A_peak des Signal-Maximums s_peak in einem (Referenz-) Messsignal soweit auf eine Minimal-Amplitude A_peak,min abgesunken ist, ab der das Signal-Maximum s_peak aufgrund des Signal- zu Rausch-Verhältnisses nicht mehr zweifelsfrei erkannt werden kann. Wird als Maximal-Kennwertänderung hingegen eine Maximal-Frequenzänderung Δf_peak,max definiert, so könnte es sich hierbei um eine maximal erlaubte Frequenzänderung handeln, bis zu der noch eine definierte Mindest-Auflösung der Füllstandsmessung gewährleistet ist und dementsprechend noch kein Fehlerzustand ausgelöst wird.
• Wird die Maximal-Kennwertänderung ΔA_peak,max , Δf_peak,max überschritten, so wird dies durch eine entsprechende Auswerte-Einheit 19 (siehe 2) detektiert und gegebenenfalls an die übergeordnete Einheit 4 weitergegeben.
• Dass im Sinne der Erfindung zur Ermittlung des charakteristischen Kennwertes A_peak , f_peak bei der Referenz-Messung nicht nur die zu Frequenz-Spektren transformierten Zwischenfrequenz-Signale s_ZF1 s_ZF2 herangezogen werden können, sondern auch „rohe“ Zwischenfrequenz-Signale s_ZF1 , s_ZF2 selbst, wird aus 3b ersichtlich. Es geht zudem hervor, dass es sich bei dem charakteristischen Kennwert hier um eine Einhüllende A_Hüll (also dem Amplitudenverlauf), eine niederfrequente Störung f_mean oder eine Phase ϕ des Zwischenfrequenz-Signals s_ZF1, s_ZF2 (in Bezug zum Hochfrequenz-Signal s_HF) handeln kann. Diese können durch Alterung der Bauteile ihre Werte ändern. So wirkt sich beispielsweise eine Alterung auf die Dämpfung bei unterschiedlichen Frequenzen aus und ändert so die Einhüllende A_Hüll .
• In 4 wird eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Dieser Weiterbildung liegt die Idee zugrunde, durch Ermittlung der Änderung von zumindest einer bestimmten charakteristischen Kenngröße über zumindest zwei oder mehrere Referenz-Messungen hinweg eine Restbetriebszeitdauer Δt_r zu approximieren, bis zu der voraussichtlich die jeweilige Maximal-Kennwertänderung überschritten werden wird und somit der Fehlerzustand am Füllstandsmessgerät 1 eintreten wird. Voraussetzung hierfür ist, dass die Änderung der entsprechenden charakteristischen Kenngröße zum Zeitpunkt der jeweils aktuell letzten Referenz-Messung die Maximal-Kennwertänderung noch nicht überschritten hat.
• In 4 wird diese Weiterbildung exemplarisch anhand der Amplitudenänderung ΔA_peak des Signal-Maximums s_peak illustriert: Auf Basis der Amplitudenänderung ΔA_peak , die über den Zeitraum zwischen zumindest zwei Referenz-Messungen anhand der entsprechenden Referenz-Messsignale s_ref1, s_ref2,......, s_refn detektiert wurde, wird eine Änderungsfunktion dA_peak/dt erstellt. Hierzu kann eine Regression der Amplitudenänderung ΔA_peak durchgeführt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist hierfür eine lineare Regression eingesetzt, da hier die Amplituden-Abnahme ΔA_peak in etwa zeitlich konstant ist. Eine zeitlich konstant abnehmende Amplitude A_peak kann beispielsweise durch eine stetige Zunahme des Ansatzes auf der Sende-Antenne 14 und/oder der Empfangs-Antenne 15 hervorgerufen werden.
• Allgemein ist die Wahl eines geeigneten Regressionstypen (also auch exponentiell, logarithmisch, etc.) im Sinne der Erfindung jedoch nicht auf lineare Regression beschränkt, sondern vielmehr vom individuellen Verlauf der Änderung eines jeweiligen charakteristischen Kennwertes abhängig zu machen (zur Findung eines geeigneten Regressionstypen und/oder zur Durchführung der eigentlichen Regression könnte beispielsweise die „Least Square Methode“, also die Methode der kleinsten Quadrate angewendet werden).
• Im Anschluss an die Erstellung der Änderungsfunktion dA_peak/dt wird mittels dieser (ausgehend von der Amplitude A_peak zum Zeitpunkt der letzten Referenz-Messung) die voraussichtliche Restbetriebszeitdauer Δt_r approximiert, bis zu der die Amplitudenänderung ΔA_peak so groß sein wird, dass die Amplitude A_peak die Minimal-Amplitude A_peak,min unterschritten haben wird. Mittels dieser Weiterbildung der Erfindung kann also ein Fehlerzustand gemäß dem Prinzip der „Predictive Maintenance“ bereits vorrausschauend detektiert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Füllstandsmessgerät

2

Behälter

3

Füllgut

4

Übergeordnete Einheit

11

Signalerzeugungs-Einheit

12

Signalteiler

13

Sendeverstärker

14

Sende-Antenne

15

Empfangs-Antenne

16

Empfangsverstärker

17

Mischer

18

Digitalisierungs-Einheit

19

Auswerte-Einheit

21

Zufluss

22

Abfluss

A

Amplitude

A_Hüll

Einhüllende des Zwischenfrequenzsignals

A_peak

Amplitude des Signal-Maximums

A_peak,min

Minimal-Amplitude

d

Abstand

dA_peak/dt

Zeitliche Änderungsfunktion

E_HF

Radar-Empfangssignal

f

Frequenz

f_mean

Frequenz einer niederfrequenten Störung

f_peak

Frequenz des Signal-Maximums

h

Einbauhöhe des Füllstandsmessgerätes

L

Füllstand

L_min

Mindestfüllstand

S_HF

Radar-Sendesignal

S_HF

Hochfrequenz-Signal

s_ref1,2

Referenz-Messsignale

s_peak

Signal-Maximum

s_ZF1,2

Zwischenfrequenzsignale

ΔA_peak

Amplitudenänderung

ΔA_peak,max

Maximal-Amplitudenänderung

Δf_peak

Frequenzänderung

Δt_r

Restbetriebszeitdauer

• 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 [0005]
• DE 102008050117 A1 [0006]

Claims (9)

1. Verfahren zur Detektion eines Fehlerzustandes an einem FMCW-basierten Füllstandsmessgerät (1), folgende Verfahrensschritte umfassend: - Referenz-Messung eines ersten Referenz-Messsignals (s_ref1, s_ZF1) unter zumindest einer vordefinierten Referenzmessbedingung durch das Füllstandsmessgerät (1), - Ermittlung von zumindest einem charakteristischen Kennwert (A_peak, A_Hüll, f_peak, f_mean, ϕ) des Referenz-Messsignals (s_ref1, s_ZF1), - Referenz-Messung von zumindest einem zweiten Referenz-Messsignal (s_ref2, s_ZF2) unter zumindest der einen vordefinierten Referenzmessbedingung, - Ermittlung einer Änderung des zumindest einen Kennwertes (ΔA_peak, ΔA_Hüll, Δf_peak, Δf_mear, Δϕ) anhand zumindest des ersten Referenz-Messsignals (s_ref1, s_ZF1 ) und des zweiten Referenz-Messsignals (s_ref2, s_ZF2), und - Detektion des Fehlerzustandes, wenn die Änderung des Kennwertes (ΔA_peak, ΔA_Hüll, Δf_peak, Δf_mean, Δϕ) eine vordefinierten Maximal-Kennwertwertänderung (ΔA_peak,max) überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als charakteristischer Kennwert eine Amplitude (A_peak), eine Frequenz (f_peak) eines Signal-Maximums (s_peak) des jeweiligen Referenz-Messsignals (s_ref1, s_ref2), eine Einhüllende der Amplitude (A_Hüll), eine Phasenlage (ϕ) und/oder eine Frequenz einer niederfrequenten Störung (f_mean) des jeweiligen Zwischenfrequenz-Referenz-Messsignals (s_ZF1, s_ZF2) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als Referenzmessbedingung ein Unterschreiten eines Mindestfüllstandes (L_min) verwendet wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest anhand des zumindest einen Kennwertes (A_peak, A_Hüll, f_peak, f_mean, ϕ) und dessen Änderung (ΔA_peak, ΔA_Hüll, Δf_peak, Δf_mean, Δϕ) eine zumindest zeitliche Änderungsfunktion (dA_peak/dt) erstellt wird, und wobei für den Fall, dass die Änderung des zumindest einen Kennwertes (ΔA_peak, ΔA_Hüll, Δf_peak, Δf_mean, Δϕ) die vordefinierten Maximal-Kennwertwertänderung (ΔA_peak,max) nicht überschreitet, anhand der zeitlichen Änderungsfunktion (dA_apeak/dt) eine Restbetriebszeitdauer (Δt_r) bis zum Überschreiten der vordefinierten Maximal-Kennwertwertänderung (ΔA_peak,max) berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Änderungsfunktion (dA_peak/dt) mittels einer Regression, insbesondere einer linearen Regression, ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei zur Durchführung der Regression und/oder zur Ermittlung eines geeigneten Regressionstyps die Methode der kleinsten Quadrate angewendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, wobei jeweils ein weiteres Referenz-Messsignal (s_ref3 - s_refn, s_ZF3 - s_ZFn) ermittelt wird, sobald die zumindest eine vordefinierte Referenzmessbedingung erneut vorherrscht.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des ersten Referenz-Messsignals (s_ref1, s_ZF1 ) eine erste Korrekturkurve erstellt wird, wobei mittels des zweiten Referenz-Messsignals (s_ref2, s_ZF2) eine zweite Korrekturkurve erstellt wird, und wobei die Änderung des zumindest einen Kennwertes (ΔA_peak, ΔA_Hüll, Δf_peak, Δf_mean, Δϕ) anhand der ersten Korrekturkurve und der zweiten Korrekturkurve ermittelt wird.
9. Füllstandsmessgerät zur Durchführung des in zumindest einem der vorhergehend beschriebenen Ansprüche beschriebenen Verfahrens, umfassend: - Eine Signalerzeugungs-Einheit (11) zur Erzeugung eines Radar-Sendesignals (S_HF) - eine Sendeantenne (14) und/oder eine Empfangsantenne (15) zum Aussenden des Sendesignals (S_HF) und/oder zum Empfang eines Radar-Empfangssignals (E_HF), - einen Mischer (17) zur Erzeugung eines Zwischenfrequenzsignals (s_ZF1, s_ZF2) mittels Mischen des Sendesignals (S_HF) mit dem Empfangssignal (E_HF), - eine Auswerte-Einheit (19) zur Ermittlung eines Messsignals und/oder von Referenz-Messsignalen (s_ref1, s_ref2) mittels des Zwischenfrequenzsignals (s_ZF1, s_ZF2), und/oder zur Bestimmung eines Füllstandes (L) anhand des Messsignals, und/oder zur Bestimmung eines Fehlerzustandes anhand der Referenz-Messsignale (s_ref1, S_ref2 s_ZF1, s_ZF2).

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