DE102017126734A1 - Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve für ein Füllstandsmessgerät - Google Patents

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Tanja Haag
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve (C) über einen Messbereich (h) eines Ultraschall- oder Radar-basierten Füllstandsmessgerätes (1), wobei sich der Messbereich (h) vom Füllstandsmessgerät (1) aus bis zum Behälterboden (21) erstreckt. Zur Erstellung der Ausblendkurve (C) wird ein Messsignal (S) entlang des Messbereichs (h) ausgesendet, eine Messkurve (C) auf Basis des reflektierten Messsignals (E) aufgenommen, und die zumindest zwei größten Maxima (M, M, M, M) aus der Messkurve (C) ermittelt. Erfindungsgemäß werden die mindestens zwei ermittelten Maxima (M, M, M, M) in Bezug zum größten Maximum (M) normiert und eines der normierten Maxima (M) zum Füllstand (L) zugeordnet, so dass die Ausblendkurve (C) auf Basis der Messkurve (C) in zumindest einem Teilbereich (d) zwischen dem Füllstandsmessgerät (1) und dem Maximum (M, M) des Füllstands-Wertes (L) zugewiesen ist, erstellt werden kann. Durch die erfindungsgemäße Normierung kann also die Verwechslungsgefahr bei der Zuweisung verringert werden, so dass die Zuweisung sowie die anschließenden Füllstandsmessungen sicherer werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve über einen Messbereich eines Ultraschall- oder Radar-basierten Füllstandsmessgerätes.
  • In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung 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, oder vergleichbaren Messgeräten zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen 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. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Ultraschall- oder Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung beziehen sich der Begriff Ultraschall auf Schall-Wellen in einem Frequenzbereich zwischen 14 KHz und 1 GHz; Der Begriff „Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz).
  • Im Fall von Radar-basierter Füllstandsmessung bildet das Pulslaufzeit-Messprinzip ein etabliertes Messprinzip. Hierbei werden Ultraschall- oder Mikrowellenpulse als Messsignale zyklisch in Richtung des Füllguts ausgesandt und die Laufzeit bis zum Empfang des entsprechenden Echo-Pulses gemessen. Auf Basis dieses Messprinzips können Füllstandsmessgeräte mit vergleichsweise geringem schaltungstechnischem Aufwand realisiert werden. Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät, welches nach dem Puls-Laufzeit-Verfahren arbeitet, ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2012 104 858 A1 beschrieben. Das Ultraschallbasierte Pendant ist unter anderem in der Patentschrift EP 1480021 B1 gezeigt.
  • Sofern eine komplexere Schaltungstechnik in Kauf genommen werden kann, bietet sich zur Radar-basierten Füllstandsmessung auch FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) als Messprinzip an. Bezüglich eines typischen Aufbaus von FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten sei exemplarisch auf die Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 490 A1 verwiesen.
  • Das Messprinzip von FMCW- Radar basierten Entfernungsmessverfahren beruht darauf, ein Radar-basiertes Messsignal kontinuierlich mit modulierter Frequenz auszusenden. Dabei liegt die Frequenz des Messsignals in einem festgelegten Frequenzband im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz. Kennzeichnend für FMCW ist hierbei, dass die Sende-Frequenz nicht konstant ist, sondern sich periodisch innerhalb eines definierten Frequenzbandes ändert. Die zeitliche Änderung ist hierbei standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise Dreiecks-Form auf. Eine Sinus-förmige Änderung kann prinzipiell jedoch auch verwendet werden. Im Gegensatz zum Pulslaufzeit-verfahren wird die Entfernung bzw. der Füllstand bei Implementierung des FMCW-Verfahrens auf Basis der instantanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen, reflektierten Messsignal und dem momentan ausgesendeten Messsignal bestimmt.
  • Bei jedem der oben genannten Messprinzipien (Ultraschall, Pulsradar, und FMCW) wird zur Ermittlung des Füllstandes anhand des empfangenen, reflektierten Messsignals eine entsprechende Messkurve aufgenommen. Bei Verwendung von Ultraschall entspricht die Messkurve grundsätzlich direkt dem zeitlichen Amplitudenverlauf des reflektierten Messsignals. Im Falle des Pulsradar-basierten Verfahrens wird die Messkurve aufgrund der hohen Pulsfrequenz hingegen durch Unterabtastung des reflektierten Messsignals erstellt. Dadurch bildet die Messkurve das eigentliche, reflektierte Messsignal zeitgedehnt ab. Bei Implementierung des FMCW-Verfahrens wird die Messkurve durch Mischen des momentan gesendeten Messsignals mit dem reflektierten Messsignal erstellt. In allen Fällen spiegelt die Messkurve jedoch die Amplitude des reflektierten Messsignals in Abhängigkeit der Messdistanz wieder.
  • Der Füllstand wird aus der Messkurve durch Detektion und örtlicher Zuweisung des entsprechenden lokalen Maximums bestimmt. Um dieses Maximum zweifelsfrei erkennen zu können, ist es bereits bekannt, die Messkurve gegebenenfalls mittels eines geeigneten Filterverfahrens wie Mittelwert-, Maximalwert- oder Tiefpassfilterung zu glätten, um im Anschluss den Füllstand anhand der geglätteten Messkurve bestimmen zu können. Dabei bietet eine geringe Glättung den Vorteil, dass Maxima örtlich besser aufgelöst werden können. Hierdurch lässt sich der Füllstand genauer bestimmen. Dies wird durch eine stärkere Glättung eingeschränkt. Allerdings sinkt durch eine stärkere Glättung die Fehler- bzw. Störanfälligkeit der Füllstandsmessung.
  • Eine Filterung ermöglicht jedoch nicht die Erkennung bzw. die Ausblendung von statischen Störechos, die bspw. durch Einbauten im Behälter-Inneren hervorgerufen werden. Daher wird bei der Installation oder erneuten Kalibration des Füllstandsmessgerätes eine Messkurve bei möglichst leeren Tank aufgenommen und als sogenannte Ausblendkurve abgespeichert. Sie enthält all diejenigen Störechos (wie das Füllstands-Echo in Form von entsprechenden Maxima), die durch statische Störeinflüsse, wie Einbauten im Inneren des Behälters hervorgerufen werden. Bei den anschließenden Messungen des Füllstandes wird die jeweilige Messkurve im einfachsten Fall durch Differenzwertbildung mit der aktuellen Ausblendkurve verglichen, so dass (neben einer etwaigen, vorherigen Glättung) die Messkurve hierdurch von denjenigen statischen Störeinflüssen bereinigt wird, die individuell aus dem spezifischen Behälter-Inneren resultieren. Somit wird bei den nachfolgenden Füllstandsmessungen die Gefahr verringert, dass das Füllstandsmessgerät ein falsches Maximum der Messkurve als Füllstands-Echo interpretiert und dadurch ein falscher Füllstands-Wert ausgegeben wird.
  • Das gezielte Entleeren des Behälters ausschließlich zum Zweck der Aufnahme einer Ausblendkurve ist in der Regel unverhältnismäßig aufwendig oder schlicht unmöglich (bspw. bei Öl-Tanks mit mehreren Millionen Litern Fassungsvolumen oder Kläranlagen-Becken, deren Betrieb nicht unterbrochen werden kann). Üblich ist es daher, die Ausblendkurve zunächst bei nicht komplett leerem Behälter aufzunehmen. Die so ermittelte Ausblendkurve kann für die darauffolgenden regulären Füllstandsmessungen dementsprechend erstmal nur für den Teilbereich oberhalb des Füllstandes angewandt werden. Die Aufnahme einer neuen Ausblendkurve kann entsprechend wiederholt werden, sobald der Behälter im regulären Betrieb zumindest weniger gefüllt als zum Zeitpunkt der vorigen Aufnahme ist.
  • Im Falle eines nicht komplett leeren Behälters muss zur Erstellung der Ausblendkurve dasjenige Maximum der zugrundeliegenden Messkurve, das von der Oberfläche des Füllgutes hervorgerufen wird, entsprechend bestimmt bzw. zugeordnet werden, um die Ausblendkurve für den Teilbereich der Messkurve oberhalb des Füllstandes erstellen zu können (sofern der Behälter zum Zeitpunkt der Aufnahme der Ausblendkurve tatsächlich komplett leer ist, ist das entsprechende Maximum des Behälterbodens zuzuweisen, da das Behälterboden-Echo in diesem Fall das Füllstands-Echo ersetzt). Die Zuweisung kann dabei entweder automatisch erfolgen, wenn dieser Füllstands-Wert dem Füllstandsmessgerät bereits bekannt ist (beispielsweise auf Grundlage eines Referenzmessgerätes im Behälter). Andernfalls muss diese Zuweisung manuell durch den Installateur des Füllstandsmessgerätes erfolgen. Insbesondere hierbei kann es jedoch zu einer falschen Zuweisung des entsprechenden Maximums (bzw. dessen korrespondierenden Distanzwertes) zum korrekten Füllstands-Wert kommen. Auch bei automatischer Zuweisung kann eine Verwechslung eintreten, vor allem, wenn das Referenzmesssystem den Füllstands-Wert lediglich mit einer eingeschränkten Auflösung ermitteln bzw. wiedergeben kann.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein sicheres Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve für Ultraschall- oder Radar-basierte Füllstandsmessgeräte bereitzustellen.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein sicheres Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve über einen Messbereich eines Ultraschall- oder Radar-basierten Füllstandsmessgerätes. Hierzu ist das Füllstandsmessgerät zur Messung des Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes oberhalb des maximalen Füllstandes angeordnet, wobei sich der Messbereich vom Füllstandsmessgerät aus bis zum Behälterboden erstreckt. Folgende Verfahrensschritte umfasst das Verfahren:
    • - Aussenden eines Messsignals entlang des Messbereichs,
    • - Aufnehmen einer Messkurve auf Basis des reflektierten Messsignals,
    • - Ermittlung von zumindest den zwei größten Maxima und den korrespondierenden Distanzwerten aus der gegebenenfalls gefilterten Messkurve,
    • - Normierung der zumindest zwei ermittelten Maxima in Bezug zum größten Maximum,
    • - Zuweisung eines der normierten Maxima zum Behälterboden, oder für den Fall, dass sich im Behälter ein Füllgut befindet, Zuweisung eines der normierten Maxima zum Füllstand,
    • - Erstellung der Ausblendkurve auf Basis der Messkurve in zumindest einem Teilbereich zwischen dem Füllstandsmessgerät und demjenigen Distanzwert, dessen korrespondierendes Maximum dem Füllstand oder dem Behälterboden zugewiesen ist.
  • Zur Normierung der ermittelten Maxima gibt es erfindungsgemäß verschiedene Möglichkeiten: Die ermittelten Maxima können, bezogen auf das größte Maximum, beispielsweise in Prozent normiert werden. Daneben ist es auch denkbar, dass die ermittelten Maxima, beginnend ab dem größten Maximum, in Form von fortlaufenden Nummern normiert werden. Alternativ kann außerdem implementiert werden, dass die ermittelten Maxima durch Einteilung in vordefinierte Größenklassen (bspw. „Groß“ und „Klein“) in Bezug zum größten Maximum normiert werden. Dementsprechend kann aufgrund der erfindungsgemäßen Abstrahierung der Maximalwerte durch eine geeignete Normierung die Zuweisbarkeit des korrekten Maximums der Messkurve zum entsprechenden Füllstands-Wert vereinfacht bzw. sicherer gemacht werden.
  • Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nicht fest vorgeschrieben, ob die Zuweisung eines normierten Maximums zum Füllstand oder zum Behälterboden automatisiert auf Basis eines Referenz-Wertes, der insbesondere durch ein Referenz-Füllstandsmessgerät gemessen wird, erfolgt, oder ob die Zuweisung eines normierten Maximums zum Füllstand oder zum Behälterboden durch eine manuelle Auswahl erfolgt. Insbesondere im Falle manueller Zuweisung ist es von Vorteil, wenn die normierten Maxima graphisch auf einer Anzeige-Einheit dargestellt werden. Denkbar ist, dass die normierten Maxima bspw. in einer Tabelle in der Reihenfolge der zugehörigen Distanzwerte aufgelistet dargestellt werden, oder dass die normierten Maxima in der Reihenfolge der zugehörigen Distanzwerte in Form einer schematischen Messkurve dargestellt werden. Dabei kann die Anzeige entweder direkt auf einem Display des Feldgerätes erfolgen, oder aber auch an einem peripheren Gerät, wie beispielsweise einem Tablet-PC oder dem Bildschirm eines Prozessleitsystems.
  • Eine schrittweise Erschließung der Ausblendkurve über den gesamten Messbereich bis zum Behälterboden kann erreicht werden, indem die Ausblendkurve, sofern das Füllstandsmessgerät den Füllstand unterhalb des Teilbereichs der aktuellen Ausblendkurve misst, auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest in einem Ausschnitt zwischen dem Teilbereich und dem aktuellen Füllstand neu erstellt wird. In diesem Fall erkennt das Füllstandsmessgerät quasi automatisch einen günstigen Zeitpunkt mit niedrigem Füllstand oder komplett leerem Tank, an dem sich die Aufnahme einer neuen, erweiterten Ausblendkurve lohnt. Hierzu gibt es einerseits die Variante, die Ausblendkurve zum entsprechenden Zeitpunkt über den gesamten Messbereich bzw. den vergrößerten Teilbereich neu aufzunehmen. Eine weitere Variante besteht darin, die Ausblendkurve um denjenigen Bereich zu erweitern, der aufgrund des gesunkenen Füllstandes seit der letzten Aufzeichnung der Ausblendkurve hinzugekommen ist.
  • In einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zudem implementiert werden, dass einem Maximum, dessen korrespondierender Distanzwert größer als der Messbereich ist, der Distanzwert dem Abstand des Füllstandsmessgerätes zum Behälterboden gleichgesetzt wird. Solche Maxima bzw. Echos können beispielsweise durch Mehrfachreflexionen des gesendeten Messsignals im Behälter verursacht werden. Durch eine „Verschiebung“ solcher Maxima auf die Höhe des Behälterbodens kann zum einen die graphische Darstellung der Messwerte vereinfacht werden. Übersichtlichkeit gewinnen. Außerdem können solche Maxima durch den Behälterboden selbst hervorgerufen werden, beispielsweise bei gewölbter oder trichterförmiger Auslegung des Behälterbodens.
  • Eine abgewandelte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zur Messung des Füllstandes oder eines Dielektrizitätswertes mittels eines Radar-basierten Füllstandsmessgerätes, das nach dem TDR-Prinzip arbeitet, angewendet werden (bei „TDR“ handelt es sich um die Kurzform des Begriffs „Time Domain Reflection“; Im Deutschen ist diese spezifische Radar-basierte Entfernungsmessmethode unter dem Begriff „Zeitbereichs-Reflektometrie“ bekannt). Wie bei frei abstrahlenden Radar-Füllstandsmessgeräten ist auch das TDR-basierte Füllstandsmessgerät zur Messung des Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes oberhalb des maximalen Füllstandes angeordnet. Allerdings ist anstelle der Antenne ein Wellenleiter vorgesehen, der sich vom Füllstandsmessgerät derart in Richtung des Behälterbodens erstreckt, dass der Wellenleiter auch bei minimalem Füllstand in Kontakt mit dem Füllgut ist. In der abgewandelten Form umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Verfahrensschritte:
    • - Aussenden eines Messsignals entlang des Wellenleiters,
    • - Aufnehmen einer Messkurve auf Basis des reflektierten Messsignals,
    • - Ermittlung von zumindest den zwei größten Maxima und den korrespondierenden Distanzwerten aus der Messkurve,
    • - Normierung der zumindest zwei ermittelten Maxima in Bezug zum größten Maximum,
    • - Zuweisung eines der normierten Maxima zum Behälter- bzw. Füllgut-seitigen Ende des Wellenleiters.
  • Durch die Zuweisung des entsprechenden Maximums zum Wellenleiter-Ende ist es möglich, in einer regulären Füllstands-Messung, die nach der Messung der Zuweisung (also nach der initialen Installations- oder Kalibrationsmessung) durchgeführt wird, eine Verschiebung des zugewiesenen Maximums in Bezug zur Kalibrationsmessung zu ermitteln. Anhand der ermittelten Verschiebung kann wiederum ein Dielektrizitätswert und/oder der Füllstand des Füllgutes berechnet werden. Dabei verläuft eine Messung während des normalen Messbetriebs vom Verfahrensablauf her analog zu der Installations- oder Kalibrationsmessung ab:
    • - Aussenden eines Messsignals entlang des Wellenleiters,
    • - Aufnehmen einer Messkurve auf Basis des reflektierten Messsignals,
    • - Ermittlung von zumindest den zwei größten Maxima und den korrespondierenden Distanzwerten aus der Messkurve, und
    • - Ermittlung des Füllstandes anhand einem der ermittelten Maxima.
  • Diese Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt also den physikalischen Effekt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radar-Signale vom jeweiligen Dielektrizitätswert εr des entsprechenden Füllgut-Typs, bzw. vom konkreten Füllstand abhängt. Aufgrund dieses Effektes verschiebt sich der Distanz-Wert des korrespondierenden Maximums vom Wellenleiter-Ende in der Messkurve, wenn sich der Füllstand ändert (oder im Falle eines anderen Füllgut-Typs mit einem anderen Dielektrizitätswert), obwohl sich die Länge des Wellenleiters an sich natürlich nicht ändert. Sofern also entweder der Füllstandswert (bspw. auf Basis der eigentlichen Füllstandsmessung) oder der konkrete Dielektrizitätswert εr des jeweiligen Füllgutes bereits bekannt ist, kann basierend auf der abgewandelten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens der jeweils andere Wert berechnet werden. Auch hier verringert die erfindungsgemäße Normierung der ermittelten Maxima in Bezug zum größten Maximum wiederum die Gefahr einer falschen Zuweisung.
  • Zur Durchführung des Verfahrens nach einer der zuvor genannten Ausführungsvarianten hat ein entsprechendes Füllstandmessgerät zumindest folgende Komponenten zu umfassen:
    • - Eine Sende-Empfangseinheit zum Aussenden des Messsignals und zum Aufnehmen einer Messkurve nach Empfang des reflektierten Messsignals,
    • - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, um
      • ◯ zumindest die zwei größten Maxima und deren korrespondierenden Distanzwerte aus der Messkurve zu ermitteln,
      • ◯ die ermittelten Maxima in Bezug zum größten Maximum zu normieren, und um
      • ◯ auf Basis der Messkurve die Ausblendkurve zu erstellen, und
    • - eine Schnittstelle, über die eines der ermittelten Maxima dem Füllstand oder dem Behälterboden zuweisbar ist.
  • Vor allem bei manueller Zuweisung des entsprechenden Maximums zum Füllstands-Wert bietet es sich an, wenn eine Anzeige-Einheit zur graphischen Darstellung der normierten Maxima und deren korrespondierenden Distanzwerten vorgesehen ist. Eine solche Anzeige-Einheit kann dabei entweder als Display direkt am Füllstandsmessgerät ausgelegt sein. Im Falle einer am Füllstandsmessgerät vorhandenen Drahtlos-Schnittstelle wie „WLAN“ oder „Bluetooth“ kann aber auch ein Display eines Handgerätes, wie einem Smartphone oder Tablet-PC als Anzeige-Einheit eingesetzt werden. Denkbar ist aber auch die Darstellung der normierten Maxima an einer entsprechenden Anzeige-Einheit einer übergeordneten Einheit, wie einem Prozessleitsystem.
  • Sofern das Füllstandsmessgerät auf Basis des TDR-basierten Messprinzips arbeitet, umfasst es anstelle einer Antenne einen Wellenleiter, der so an der Sende-Empfangseinheit anbringbar ist, dass das Messsignal entlang des Wellenleiters in Richtung des Füllgutes aussendbar ist, und das reflektierte Messsignal über den Wellenleiter empfangbar ist.
  • In diesem Fall ist es erfindungsgemäß denkbar, die Schnittstelle des Füllstandsmessgerätes so auszulegen, dass eines der ermittelten Maxima auch dem Füllgut-seitigen Ende des Wellenleiters zuweisbar ist. Denn sofern zudem die Auswerte-Einheit ausgelegt ist, um in einer Messung, die nach der Kalibrations-Messung (also nach der Messung, in der die Zuweisung des Maximums zum Wellenleiter-Ende) durchgeführt wird, eine Verschiebung des zugewiesenen Maximum (in Bezug zur Kalibrations-Messung) zu ermitteln, kann anhand der ermittelten Verschiebung ein Dielektrizitätswert und/oder der Füllstand des Füllgutes berechnet werden.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt:
    • 1: Eine typische Anordnung eines Füllstandsmessgerätes,
    • 2: eine Messkurve mit einer hinterlegten Ausblendkurve, und
    • 3: eine tabellarische Auflistung der größten Maxima einer Messkurve.
  • Zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung ist in 1 eine typische Anordnung eines frei abstrahlenden Ultraschall- oder Radar-basierten Füllstandsmessgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. Im Behälter 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Dazu ist das Füllstandsmessgerät 1 in einer vorbekannten Einbauhöhe h oberhalb des Behälterbodens 21 am Behälter 2 angebracht. Hierbei kann der Behälter 2 bzw. der Messbereich h je nach Anwendung bis zu mehr als 100 m hoch sein. Unabhängig vom implementierten Messprinzip (Ultraschall, Pulsradar, FMCW und auch TDR) umfasst das Füllstandsmessgerät 1 als grundlegende Funktionsblöcke:
    • - Eine Sendeeinheit, die ausgelegt ist, ein Ultraschall- oder Radar-basiertes Messsignal SHF auszusenden (für Ultraschall beispielsweise ein entsprechend angesteuertes Piezo-Element; Bei Radar ab 70 GHz beispielsweise ein Halbleiter-basierter Primärstrahler),
    • - eine Empfangseinheit zum Empfang des reflektierten Messsignals EHF , und
    • - eine Auswerteeinheit, die konzipiert ist, um auf Basis des reflektierten Messsignals EHF eine Messkurve Cm zu erstellen und anhand dessen den Füllstand L zu bestimmen.
  • In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über ein Bussystem, etwa „Ethernet“, „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Hierüber können aber auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter 2 vorhandene Zuflüsse zu steuern.
  • Wie aus 1 ersichtlich wird, ist das frei abstrahlende Füllstandsmessgerät 1 so am Behälter 2 oberhalb des maximal möglichen Füllstandes L angeordnet, dass es die Radar- oder Ultraschall-basierten Messsignale SHF über eine (Horn-) Antenne in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 3 aussendet. Bei Verwendung des TDR-Messprinzips wäre die Antenne durch einen Wellenleiter (entweder einen metallischen Stab, ein metallisches Seil oder einen metallischen Hohlleiter) ersetzt, der sich vom Füllstandsmessgerät 1 bis kurz vor den Behälterboden 21 erstreckt und somit entsprechend tief in das Füllgut 3 eintaucht. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche (bzw. im Fall von TDR an der korrespondierenden Stelle des Wellenleiters) empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Messsignale EHF nach einer entsprechenden Laufzeit. Hierbei hängt die Laufzeit von der Entfernung h - L des Füllstandsmessgerätes 1 zur Füllgut-Oberfläche ab.
  • Zur Ermittlung des Füllstandes L wird das reflektierte Messsignal EHF in Form einer Messkurve Cm aufgezeichnet. Sofern das Füllstandsmessgerät 1 auf Basis von Ultraschall arbeitet, entspricht die Messkurve Cm unmittelbar dem zeitlichen (und somit dem Distanz-abhängigen) Amplituden-Verlauf des reflektierten Messsignals EHF . Im Falle des Pulsradar-Prinzips wird die Messkurve Cm aufgrund der hohen Pulsfrequenz durch das Füllstandsmessgerät 1 in der Regel durch Unterabtastung des reflektierten Messsignals EHF erstellt. Sofern im Füllstandsmessgerät 1 das FMCW-Verfahren implementiert ist, wird die Messkurve Cm durch Mischen des momentan ausgesendeten Messsignals SHF mit dem aktuell empfangenen, reflektierten Messsignal EHF erstellt. Unabhängig vom implementierten Messprinzip spiegelt die Messkurve Cm jedoch stets die Amplitude bzw. die Leistung des reflektierten Messsignals EHF in Abhängigkeit der Distanz zum Füllstandsmessgerät 1 wieder.
  • Eine schematische Messkurve Cm , die das reflektierte Messsignal EHF des in 1 dargestellten Behälters 2 widerspiegelt, ist in 1 rechterhand neben dem Behälter 2 dargestellt. Aus der Messkurve Cm wird der Füllstand L bestimmt, indem das durch die Füllgut-Oberfläche resultierende Echo-Maximum M2 ermittelt wird, und der zum Maximum M2 korrespondierende Distanzwert d2 als Füllstands-Wert L ausgegeben wird.
  • In der dargestellten Messkurve Cm zeigt sich jedoch, dass nicht nur die Füllgut-Oberfläche ein entsprechendes Maximum M2 in der Messkurve Cm erzeugt. Bei tiefem Füllstand L wird beispielsweise auch durch den Behälterboden 21 eine Reflektion des ausgesendeten Messsignals SHF und somit ein zusätzliches Maximum M3 in der Messkurve Cm erzeugt. Auch durch Einbauten im Inneren des Behälters 2, wie bspw. Zuleitungen, kann eine Reflektion und ein entsprechendes Maximum M1 in der Messkurve Cm hervorgerufen werden. Darüber hinaus können auch Mehrfachreflektionen innerhalb des Behälters 2 zu Maxima M4 in der Messkurve Cm führen, deren korrespondierende Distanzwerte d4 aufgrund der langen Laufzeit bzw. der langen Weglänge außerhalb des Messbereichs h, also unterhalb des Behälterbodens 21 erscheinen.
  • Um trotz dieser statischen Störechos M1 , M3 , M4 dasjenige Maximum M2 , das der Füllgut-Oberfläche zugeordnet ist, korrekt bestimmen zu können, wird bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Füllstandsmessgerätes 1 am Behälter 2 eine sogenannte Ausblendkurve Cr aufgenommen. Dabei wird die Ausblendkurve Cr prinzipiell wie eine normale Messkurve Cm aufgenommen, wobei die Aufnahme bei einem möglichst leerem Behälter 2 vorteilhaft ist. Denn in diesem Fall wird keine Reflektion am Füllgut 3 und somit kein korrespondierendes Maximum M2 , dass nicht als Störecho zu betrachten ist, in der Ausblendkurve Cr generiert.
  • In den anschließenden Füllstandsmessungen wird die jeweilige Messkurve Cm mit der vorliegenden Ausblendkurve Cr verglichen. Dies geschieht im simpelsten Fall mittels Differenzbildung zwischen den zwei Kurven Cm , Cr . Hierdurch verbleibt nach Subtraktion der Ausblendkurve Cr lediglich das Maximum ML des Füllstands-Echos in der aktuellen Messkurve Cm , da die Maxima M1 M3 , M4 der statischen Störechos durch die Subtraktion ausgeblendet werden (siehe 2).
  • Da bei der Erstinbetriebnahme des Füllstandsmessgerätes 1 in der Regel kein komplett leerer Behälter 2 vorzufinden ist, wird die Ausblendkurve Cr zunächst nur für den Teilbereich d oberhalb des Füllgutes 3 aufgenommen. Somit können zumindest die statischen Störechos bzw. deren Maxima M1 , die aus diesem Teilbereich d entstammen, bei den nachfolgenden Füllstandsmessungen bereits ausgeblendet werden. Eine weitere, neue Ausblendkurve Cr kann aufgenommen werden, wenn der Behälter 2 im nachfolgenden Betrieb zufällig komplett entleert oder zumindest weniger befüllt ist, als zum Zeitpunkt der Aufnahme der aktuellen Ausblendkurve Cr . Hierdurch kann im Laufe des Betriebs des Füllstandsmessgerätes 1 eine schrittweise „Erschließung“ der Ausblendkurve Cr über den gesamten Messbereich h bis zum Behälterboden 21 erreicht werden. Neben der Erschließung des gesamten Messbereichs besteht ein weiterer Vorteil einer Neu-Aufnahme darin, dass die Ausblendkurve Cr auf eine gegebenenfalls geänderte Situation im Behälter-Inneren angepasst wird. So können StörEchos, die beispielsweise durch Ansatzbildung im fortschreitenden Betrieb neu entstanden sind, mitausgeblendet werden.
  • Eine aktuelle Messkurve Cm sowie eine hinterlegte Ausblendkurve Cr , die in der Situation des in 1 dargestellten Behälters 2 aufgenommen ist, werden in 2 gezeigt: Da der Behälter 2 in der Situation von 1 nicht komplett entleert ist, ist die daraus generierte Ausblendkurve Cm nur für denjenigen Teilbereich d, der sich zum Zeitpunkt der Aufnahme oberhalb des Füllgutes 3 befunden hat, aufgezeichnet. In 2 ist dargestellt, dass sich der Füllstand L im Vergleich zum Zeitpunkt der Erstellung der Ausblendkurve Cr erhöht hat. Dementsprechend weist die aktuelle Messkurve Cm ein entsprechendes Maximum ML auf, das sich im Teilbereich d der bereits erstellten Ausblendkurve Cr befindet.
  • Wie aus 2 hervorgeht, ist es zur Erstellung der Ausblendkurve Cr auf Basis der Messsituation von 1 notwendig, das Maximum M2 des Füllstandes L im Füllstandsmessgerät 1 entsprechend zuzuweisen. Hierdurch kann das Füllstandsmessgerät 1 die Messkurve Cm im Teilbereich d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und dem Distanzwert d2 , der dem zugewiesenen Maximum M2 korrespondiert, als Ausblendkurve Cr abspeichern (bzw. den verbleibenden Teil außerhalb des Teilbereichs d gleich null setzen). Damit das Füllstandsmessgerät 1 eine (neue) Ausblendkurve Cr aufnimmt, kann es beispielsweise mit einem entsprechenden Betriebs-Modus konzipiert sein, in dem es nach Aufnahme einer Messkurve Cm das korrekte Maximum M2 dem Füllstands-Wert L entweder automatisch zuweist, oder eine manuelle Zuweisung vom Installateur bzw. einem Servicetechniker anfordert.
  • Für eine automatische Zuweisung ist es erforderlich, dass dem Füllstandsmessgerät 1 der korrekte Füllstands-Wert L vorliegt. Sofern im Behälter 2 ein Referenz-Füllstandsmessgerät installiert ist, ist es zwecks automatischer Zuweisung also denkbar, dass das Füllstandsmessgerät 1 im Modus der Ausblendkurven-Erstellung den „korrekten“ Füllstands-Wert L über die übergeordnete Einheit 4 vom Referenz-Füllstandsmessgerät abfragt.
  • Bei der überwiegenden Anzahl der Anwendungen ist jedoch kein Referenz-Füllstandsmessgerät im Behälter 2 installiert, so dass die Zuweisung manuell erfolgen muss. In diesen Fällen muss der Service-Techniker die Zuweisung über entsprechende Schnittstellen des Feldgerätes 1 vornehmen.
  • Als Schnittstelle kommen zum einen Anzeige-/Eingabe-Einheiten 11 am Gerät selber, wie z. B. Touch-Displays, in Frage. Es können aber auch externe Anzeige-/Eingabe-Einheiten eingesetzt werden (zum Beispiel Mobilfunkgeräte oder andere Handgeräte), die über eine kabellose Schnittstelle mit dem Füllstandsmessgerät 1 kommunizieren.
  • Vor allem bei manueller Zuweisung des korrekten Maximums M2 zum Füllstands-Wert L ist es notwendig, alle relevanten Maxima M1-4 der zugrundeliegenden Messkurve Cm nicht nur zu erfassen, sondern einem Service-Techniker zwecks Zuweisung an der Anzeige-/Eingabe-Einheit 11 anzuzeigen. In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, kleine, irrelevante Maxima, die bspw. durch Rauscheinflüsse hervorgerufen werden, mittels entsprechenden Glättungs-Filtern im Voraus aus der Messkurve Cm zu entfernen. Zwecks manueller Zuweisung kann die (gefilterte) Messkurve Cm dementsprechend an der Anzeige-/Eingabe-Einheit 11 angezeigt werden.
  • Insbesondere die Zuweisung des korrekten Maximums M2 zum Füllstands-Wert L auf Basis der angezeigten Messkurve Cm birgt jedoch eine Verwechslungsgefahr: Zum einen liegen die Distanzwerte d1-4 der relevanten Maxima M1-4 oftmals sehr nahe bei einander. Zum anderen können überproportionale Amplitudenunterschiede zwischen einigen der relevanten Maxima M1-4 zu einer verzerrten Wahrnehmung über den Ursprung des jeweiligen Maximums M1 - M4 führen. Aber auch bei automatischer Zuweisung besteht die Gefahr einer falschen Zuweisung, bspw. wenn ein etwaiges Referenz-Füllstandsmessgerät den Füllstand L nur mit einer sehr geringen Genauigkeit bestimmen kann. Eine falsche Zuweisung kann wiederum dazu führen, dass das Füllstandsmessgerät 1 aufgrund einer entsprechend fehlerhaften Ausblendkurve Cm entweder einen falschen Füllstands-Wert L ausgibt, oder erst gar keinen Messwert ermitteln kann.
  • Diese Gefahr wird erfindungsgemäß dadurch verringert, dass alle relevanten Maxima M1-4 in Bezug zum größten Maximum M2 normiert werden, bevor die Zuweisung des korrekten Maximums M2 zum Füllstands-Wert L erfolgt. Ein konkretes Ausführungsbeispiel einer möglichen Normierung ist dazu in 3 gezeigt: Dort sind die Maxima M1-4 beginnend ab dem größten Maximum M2 in Form von fortlaufenden Nummern #1-4 normiert und in einer Tabelle aufgelistet. Neben der fortlaufenden Nummerierung in Spalte 4 sind in der Tabelle zudem die Amplituden (Spalte 3) und die Distanzen d1-4 (Spalte 2) der einzelnen Maxima M1-4 abgebildet. Dabei sind die Maxima M1-4 in der Tabelle in zunehmender Reihenfolge der korrespondierenden Distanzwerte d1-4 aufgelistet. Zwecks manueller Zuweisung könnte eine solche Tabelle beispielsweise auf dem Touch-Display 11 des Feldgerätes oder eines Handgerätes dargestellt werden, so dass der Bediener bspw. in Form einer weiteren Spalte die Zuweisung vornehmen kann, wie es in 3 durch Spalte 5 angedeutet ist. Im Gegensatz zu einer Normierung mittels fortlaufender Nummerierung wäre es erfindungsgemäß auch denkbar, die ermittelten Maxima M1-4 bezogen auf das größte Maximum M2 in Prozent zu normieren und entsprechend in der Tabelle aufzulisten. Eine weitere mögliche Form der Normierung besteht in einer Klassifizierung der Maxima M1-4 in Bezug zum größten Maximum, im einfachsten Fall in „groß“ und „klein“. In diesem Zusammenhang kann sich die Klassifizierung „groß“ entweder auf einen vordefinierten Minimal-Amplitudenwert beziehen, oder sie kann sich auf eine vordefinierte Anzahl der größten Maxima beziehen, die sich in dieser Klasse befinden sollen.
  • Alternativ zu einer tabellarischen Darstellung der normierten Maxima M1-4 ist es im Sinne der Erfindung auch vorstellbar, die normierten Maxima M1-4 in Form einer abstrahierten Messkurve darzustellen, wobei jedes ermittelte Maximum M1-4 hierzu bspw. mit einer 20% geringeren Höhe als das nächstgrößere Maximum visualisiert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Füllstandsmessgerät
    2
    Behälter
    3
    Füllgut
    4
    Übergeordnete Einheit
    11
    Anzeige-/Eingabe-Einheit
    21
    Behälterboden
    Cm
    Messkurve
    Cr
    Ausblendkurve
    d
    Teilbereich
    d1-4
    Distanzwerte
    EHF
    Reflektierte Messsignale
    h
    Messbereich
    L
    Füllstand
    M1-4
    Maxima
    SHF
    Messsignale
  • 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
    • DE 102012104858 A1 [0004]
    • EP 1480021 B1 [0004]
    • DE 102013108490 A1 [0005]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve (Cr) über einen Messbereich (h) eines Ultraschall- oder Radar-basierten Füllstandsmessgerätes (1), wobei das Füllstandsmessgerät (1) zur Messung des Füllstandes (L) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3) oberhalb des maximalen Füllstandes (L) angeordnet ist, und wobei sich der Messbereich (h) vom Füllstandsmessgerät (1) aus bis zum Behälterboden (21) erstreckt, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Aussenden eines Messsignals (SHF) entlang des Messbereichs (h), - Aufnehmen einer Messkurve (Cm) auf Basis des reflektierten Messsignals (EHF), - Ermittlung von zumindest den zwei größten Maxima (M1, M2, M3, M4) und den korrespondierenden Distanzwerten (d1, d2, d3, d4) aus der Messkurve (Cm), - Normierung der zumindest zwei ermittelten Maxima (M1, M2, M3, M4) in Bezug zum größten Maximum (M2), - Zuweisung eines der normierten Maxima (M3) zum Behälterboden (h), oder für den Fall, dass sich im Behälter (2) ein Füllgut (3) befindet, Zuweisung eines der normierten Maxima (M2) zum Füllstand (L), - Erstellung der Ausblendkurve (Cr) auf Basis der Messkurve (Cm) in zumindest einem Teilbereich (d) zwischen dem Füllstandsmessgerät (1) und demjenigen Distanzwert (d2, d3), dessen korrespondierendes Maximum (M2, M3) dem Füllstand (L) oder dem Behälterboden (21) zugewiesen ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ermittelten Maxima (M1, M2, M3, M4), bezogen auf das größte Maximum (M2), in Prozent normiert werden, oder wobei die ermittelten Maxima (M1, M2, M3, M4), beginnend ab dem größten Maximum (M2), in Form von fortlaufenden Nummern normiert werden, oder wobei die ermittelten Maxima (M1, M2, M3, M4) durch Einteilung in vordefinierte Größenklassen in Bezug zum größten Maximum (M2) normiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausblendkurve (Cr), sofern das Füllstandsmessgerät (1) den Füllstand (L) unterhalb des Teilbereichs (d) der aktuellen Ausblendkurve (Cr) misst, zumindest in einem Ausschnitt zwischen dem Teilbereich (d) und dem aktuellen Füllstand (L) neu erstellt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei einem Maximum (M4), dessen korrespondierender Distanzwert (d4) größer als der Messbereich (h) ist, der Distanzwert (d4) dem Abstand (h) des Füllstandsmessgerätes (1) zum Behälterboden (21) gleichgesetzt wird.
  5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zuweisung eines normierten Maximums (M2) zum Füllstand (L) oder zum Behälterboden (21) automatisiert auf Basis eines Referenz-Wertes, der insbesondere durch ein Referenz-Füllstandsmessgerät gemessen wird, erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zuweisung eines normierten Maximums (M2) zum Füllstand (L) oder zum Behälterboden (21) durch eine manuelle Auswahl erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die normierten Maxima (M1, M2, M3, M4) in der Reihenfolge der zugehörigen Distanzwerte (d1, d2, d3, d4) aufgelistet dargestellt werden, oder wobei die normierten Maxima (M1, M2, M3, M4) in der Reihenfolge der zugehörigen Distanzwerte (d1, d2, d3, d4) in Form einer schematischen Messkurve dargestellt werden.
  8. Verfahren zur Messung des Füllstandes (L) oder eines Dielektrizitätswertes (εr) mittels eines Radar-basierten Füllstandsmessgerätes (1) nach dem TDR-Prinzip, wobei das Füllstandsmessgerät (1) zur Messung des Füllstandes (L) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3) oberhalb des maximalen Füllstandes (L) angeordnet ist, und wobei ein Wellenleiter vorgesehen ist, der sich vom Füllstandsmessgerät (1) derart in Richtung des Behälterbodens (21) erstreckt, dass der Wellenleiter in Kontakt mit dem Füllgut (3) ist, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Aussenden eines Messsignals (SHF) entlang des Wellenleiters, - Aufnehmen einer Messkurve (Cm) auf Basis des reflektierten Messsignals (EHF), - Ermittlung von zumindest den zwei größten Maxima (M1, M2, M3, M4) und den korrespondierenden Distanzwerten (d1, d2, d3, d4) aus der Messkurve (Cm), - Normierung der zumindest zwei ermittelten Maxima (M1, M2, M3, M4) in Bezug zum größten Maximum (M2), - Zuweisung eines der normierten Maxima (M3) zum Behälter-seitigen Ende des Wellenleiters, wobei in einer Messung, die nach der Messung der Zuweisung durchgeführt wird, eine Verschiebung (Δd3) des zugewiesenen Maximum (M3) in Bezug zur Messung der Zuweisung ermittelt wird, und wobei anhand der ermittelten Verschiebung (Δd3) ein Dielektrizitätswert (εr) und/oder der Füllstand (L) des Füllgutes (3) berechnet wird.
  9. Füllstandsmessgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: - Eine Sende-Empfangseinheit zum Aussenden des Messsignals (SHF) und zum Aufnehmen einer Messkurve (Cm) nach Empfang des reflektierten Messsignals (EHF), - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, um ◯ zumindest die zwei größten Maxima (M1, M2, M3, M4) und deren korrespondierenden Distanzwerte (d1, d2, d3, d4) aus der Messkurve (Cm) zu ermitteln, ◯ die ermittelten Maxima (M1, M2, M3, M4) in Bezug zum größten Maximum (M2) zu normieren, und/oder um ◯ auf Basis der Messkurve (Cm) die Ausblendkurve (Cr) zu erstellen, und - eine Schnittstelle, über die eines der ermittelten Maxima (M1, M2, M3, M4) dem Füllstand (L) oder dem Behälterboden (21) zuweisbar ist.
  10. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 9, wobei eine Anzeige-Einheit (11) zur graphischen Darstellung der normierten Maxima (M1, M2, M3, M4) und deren korrespondierenden Distanzwerten (d1, d2, d3, d4) vorgesehen ist.
  11. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 8, 9 oder 10, umfassend: - Einen Wellenleiter, der so an der Sende-Empfangseinheit anbringbar ist, dass das Messsignal (SHF) entlang des Wellenleiters in Richtung des Füllgutes (3) aussendbar ist, und das reflektierte Messsignal (EHF) über den Wellenleiter empfangbar ist, wobei die Schnittstelle so ausgelegt ist, dass eines der ermittelten Maxima (M1, M2, M3, M4) dem Füllgut-seitigen Ende des Wellenleiters zuweisbar ist, und wobei die Auswerte-Einheit ausgelegt ist, um in einer Messung, die nach der Messung der Zuweisung durchgeführt wird, eine Verschiebung (Δd3) des zugewiesenen Maximum (M3) in Bezug zur Messung der Zuweisung zu ermitteln, und um anhand der ermittelten Verschiebung (Δd3) einen Dielektrizitätswert (εr) und/oder den Füllstand (L) des Füllgutes (3) zu berechnen.
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