DE10260959A1

DE10260959A1 - Füllstandsmeßgerät und Verfahren zur Füllstandsmessung

Info

Publication number: DE10260959A1
Application number: DE10260959A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. Spanke
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15
Also published as: WO2004059262A3; US20060169040A1; AU2003292241A8; WO2004059262A2; EP1573281A2; AU2003292241A1; US8065912B2

Abstract

Es ist ein Füllstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes (3) in einem Behälter (5) vorgesehen, das nach einer einmaligen Inbetriebnahme in mehreren Anwendungen einsetzbar ist, mit einer Meßeinheit (7), die dazu dient ein vom Füllstand (1) abhängiges Meßsignal (M) aufzunehmen, einem Speicher (19), in dem für verschiedene Anwendungen Parametersätze abgelegt sind, und einer Auswerteeinheit (17), die dazu dient einen Parametersatz auszuwählen, und anhand dieses Parametersatzes aus dem Meßsignal (M) den Füllstand (1) abzuleiten und einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung zu stellen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmeßgerät und ein Verfahren zur Füllstandsmessung.
Füllstandsmeßgeräte werden in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, z.B. in der verarbeitenden Industrie, in der Chemie oder in der Lebensmittelindustrie.
Eine häufig eingesetzte Art der Füllstandsmessung basiert auf dem Laufzeitprinzip. Dabei werden z.B. periodisch kurze Sendesignale, z.B. Mikrowellen oder Ultraschallwellen, mittels einer Antenne zur Oberfläche eines Füllguts gesendet und die an der Oberfläche reflektierten Echosignale nach einer abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen. Es wird eine die Echoamplituden als Funktion der Laufzeit darstellende Echofunktion gebildet. Jeder Wert dieser Echofunktion entspricht der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand von der Antenne reflektierten Echos.
Aus der Echofunktion wird ein Nutzecho bestimmt, das wahrscheinlich der Reflexion eines Sendesignals an der Füllgutoberfläche entspricht. Dabei wird in der Regel angenommen, daß das Nutzecho, eine größere Amplitude aufweist, als die übrigen Echos. Aus der Laufzeit des Nutzechos ergibt sich bei einer festen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Sendepulse unmittelbar der Abstand zwischen der Füllgutoberfläche und der Antenne.
Üblicherweise wird nicht ein empfangenes Rohsignal zur Auswertung herangezogen, sondern dessen sogenannte Hüllkurve. Die Hüllkurve wird erzeugt, indem das Rohsignal gleichgerichtet und gefiltert wird. Zur genauen Bestimmung einer Laufzeit des Nutzechos wird zuerst ein Maximum der Hüllkurve bestimmt.
Damit das Nutzecho erkannt und daraus der zugehörige Füllstand abgeleitet werden kann, benötigt das Füllstandsmeßgerät einige Informationen. Bei der Bestimmung des Füllstandes ist z.B. eine Einbauhöhe des Füllstandsmeßgeräts im Behälter zu berücksichtigen. Soll nicht nur der Abstand zwischen Füllstandsmeßgerät und Füllgut ermittelt werden, sondern auch eine Angabe der im Behälter vorhandenen Füllgutmenge erfolgen, so muß das Füllstandsmeßgerät über Informationen über die Form des Behälters verfügen.
Daneben können auch Angaben über Materialeigenschaften des Füllguts von Bedeutung sein. Bei der Füllstandsmessung mittels Mikrowellen ist eine solche Materialeigenschaft z.B. eine Dielektrizitätskonstante des Füllguts. Wie gut das Füllgut Mikrowellen reflektiert, bzw. wie groß ein Anteil der Reflektierten Mikrowellen ist, hängt von der Dielektrizitätskonstanten des Füllguts ab. Entsprechend kann anhand der Dielektrizitätskonstanten eine Abschätzung einer zu erwartenden Amplitude des Nutzechos vorgenommen werden, die die Findung des richtigen Nutzechos erleichtert.
Bei herkömmlichen Füllstandsmeßgeräten wird daher nach einer Installation des Füllstandsmeßgeräts eine Inbetriebnahme vorgenommen, bei der dem Füllstandsmeßgerät unter anderem alle für die jeweilige Anwendung relevanten Parameter zugänglich gemacht werden. Die Parameter werden als Parametersatz abgelegt und stehen nach der Inbetriebnahme zur Verfügung.
Nach der Inbetriebnahme arbeitet das Füllstandsmeßgerät dann unter zu Hilfenahme des Parametersatzes eigenständig.
Allerdings ist es nicht ohne weiteres möglich, die Anwendung zu verändern. Jede Änderung, die sich auf einen Parameter des Parametersatzes auswirkt, macht eine erneute Inbetriebnahme erforderlich. Dies kann unter Umständen mit hohem Zeit und Kostenaufwand verbunden sein.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Füllstandsmeßgerät anzugeben, das nach einer einmaligen Inbetriebnahme in mehreren Anwendungen einsetzbar ist.
Dies erreicht die Erfindung durch Füllstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mit

– einer Meßeinheit, die dazu dient ein vom Füllstand abhängiges Meßsignal aufzunehmen,
– einem Speicher, in dem für verschiedene Anwendungen Parametersätze abgelegt sind, und
– einer Auswerteeinheit, die dazu dient
– einen Parametersatz auszuwählen, und
– anhand dieses Parametersatzes aus dem Meßsignal den Füllstand abzuleiten und einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung zu stellen.

Gemäß einer ersten Weiterbildung ist dem Füllstandsmeßgerät eine Vorortbedienung zugeordnet, über die ein Bediener eingeben kann, welcher Parametersatz auszuwählen ist.
Gemäß einer zweiten Weiterbildung ist dem Füllstandsmeßgerät eine Kommunikationsschnittstelle zugeordnet, über die eingegeben werden kann, welcher Parametersatz auszuwählen ist.
Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Füllstandsmessung mit einem erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerät, bei dem

– die Meßeinheit Sendesignale aussendet und deren Echosignale empfängt, und
– die Auswerteeinheit den Füllstand bestimmt, in dem sie
– die Echosignale auf markante Strukturen untersucht,
– anhand der Strukturen einen Parametersatz auswählt, und
– mittels des Parametersatzes den Füllstand bestimmt.

Ebenso besteht die Erfindung in einer Anordnung zur Füllstandsmessung mit einem erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerät, bei der

– eine Vorrichtung zur Erkennung einer vorliegenden Anwendung vorgesehen ist, und
– eine Verbindung zwischen der Vorrichtung und der Auswerteeinheit besteht, über die der Auswerteeinheit Erkenntnisse der Vorrichtung zur Verfügung stehen.

Weiter besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Füllstandsmessung mit einem erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerät, bei dem die Auswerteeinheit anhand der Meßsignale Ereignisse erkennt, die einen Wechsel des Parametersatzes erfoderlich machen.
Gemäß einer Weiterbildung der Verfahren, wird die Erkenntnis, welche Anwendung vorliegt zur Plausibilitätskontrolle oder als Eingabe für andere Geräte ausgegeben.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Füllstandsmeßgerät;
2 zeigt eine Anordnung zur Füllstandsmessung;
3 zeigt ein entlang einer Schiene bewegbares Füllstandsmeßgerät, mit dem Füllstandsmessungen in mehreren Behältern durchführbar sind;
4 zeigt ein endseitig auf einem stabförmigen Träger 29 montiertes Füllstandsmeßgerät;
5 zeigt ein Füllstandsmeßgerät mit einer Vorortbedienung; und
6 zeigt mehrere über ein Bussystem an eine übergeordnete Einheit angebundene Füllstandsmeßgeräte.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Füllstandsmeßgerät dargestellt. 2 zeigt eine Anordnung zur Füllstandsmessung bei der das in 1 dargestellte Füllstandsmeßgerät auf einem Behälter 5 montiert ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät, das nach dem Laufzeitprinzip arbeitet. Genauso können auch andere herkömmliche Füllstandsmeßgeräte erfindungsgemäß ausgestaltet werden, z.B. mit Ultraschall arbeitende Füllstandsmeßgeräte oder kapazitve Füllstandsmeßgeräte.
Das Füllstandsmeßgerät dient zur Messung eines Füllstandes 1 eines Füllgutes 3 in einem Behälter 5 und weist eine Meßeinheit 7 auf, die dazu dient ein vom Füllstand 1 abhängiges Meßsignal aufzunehmen. Die Meßeinheit 7 umfaßt bei dem dargestellten mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgerät eine Mikrowellenquelle 9, die über eine Sende- und Empfangsweiche 11 mit einer Antenne 13 verbunden ist.
Im Betrieb sendet die Meßeinheit 7 über die Antenne 13 von der Mikrowellenquelle 9 z.B. periodisch kurze Sendesignale S in Richtung des Füllguts 3 aus und empfängt deren Echosignale E. Die Echosignale E werden von der Antenne 13 über die Sende- und Empfangsweiche 11 zu einer Signalvorverarbeitung 15 geleitet. In der Signalvorverarbeitung 15 werden die Echosignale E aufbereitet. Beispielsweise können die Echosignale E verstärkt, gleichgerichtet und gefiltert werden. Die Signalvorverarbeitung 15 erzeugt ein Meßsignal, das vom Füllstand abhängt. In dem gewählten Ausführungsbeispiel ist dies z.B. eine von dem Echosignal E abgeleitete Echofunktion, wie sie in 1 graphisch dargestellt ist. Die Echofunktion gibt Echoamplituden als Funktion der Laufzeit wieder. Das dargestellte ausgeprägte Maximum der Echofunktion stammt von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche.
Das Meßsignal wird einer Auswerteeinheit 17 zugeführt, die daraus den aktuellen Füllstand 1 bestimmt.
Erfindungsgemäß weist das Füllstandsmeßgerät einen Speicher 19 auf, in dem für verschiedene Anwendungen Parametersätze abgelegt sind. Die Parametersätze umfassen anwendungsspezifische Informationen, die zur Bestimmung des Füllstands 1 erforderlich sind. Hierdurch ist es möglich ein und dasselbe Füllstandsmeßgerät in mehreren verschiedenen Anwendungen einzusetzen. Für jede Anwendung liegt der erforderliche Parametersatz bereits abrufbereit im Speicher 19 vor.
Die Parametersätze werden vor der ersten Füllstandsmessung, z.B. bei einer Inbetreibnahme, in dem Speicher 19 abgelegt. Dabei wird in dem Speicher 19 für jede mögliche Anwendung in der das Füllstandsmeßgerät eingesetzt werden soll ein Parametersatz abgelegt, der die erforderlichen anwendungsspezifischen Informationen, wie z.B. die Einbauhöhe des Füllstandsmeßgeräts im Behälter, die Behältergeometrie, mögliche Einbauten, die nicht mit Füllständen verwechselt werden dürfen, die Dielektrizitätskonstante des Füllguts, u.s.w. enthält.
Die Auswerteeinheit 17 dient dazu, aus den abgespeicherten Parametersätzen denjenigen Parametersatz auszuwählen, der die für die momentane Anwendung relevanten Informationen enthält.
Es gibt eine Vielzahl von Meßaufgaben, bei denen es eine deutliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit und der Effizienz bedeutet, wenn ein Füllstandsmeßgerät ohne zusätzlichen Aufwand in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden kann.
Ein Beispiel hierfür sind Herstellverfahren bei denen Behälter 5 nacheinander mit Füllgütern 3 mit stark unterschiedlichen Eigenschaften, z.B. Dichten oder Dielektrizitätskonstanten, befüllt werden. Jeder Wechsel des Füllguts 3 bedeutet für das Füllstandsmeßgerät eine andere Anwendung.
Genauso kann es sehr kostensparend sein mit einem einzigen Füllstandsmeßgerät nacheinander Füllstände 1 in mehreren Behältern 5 zu messen. Das Füllstandsmeßgerät kann hierzu z.B. entlang einer Schiene 27 von einem Behälter 5 zum nächsten fahren. Dies ist in 3 dargestellt.
Auch kann das Füllstandsmeßgerät endseitig auf einem stabförmigen Träger 29 montiert sein, der um seine Aufhängung rotierbar ist. So kann das Füllstandsmeßgerät zu mehreren in einem Kreis in Reichweite des Trägers 29 angeordneten Behältern 5 gelangen. Dies ist in 4 dargestellt.
Jeder Behälterwechsel entspricht bei den in 3 und 4 dargestellten Beipielen einer neuen Anwendung, in denen jeweils ein anderer Parametersatz herangezogen werden muß.
Die Auswahl des Parametersatzes kann auf verschiedene Weise erfolgen.
In 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist dem Füllstandsmeßgerät eine Vorortbedienung 21 zugeordnet. Über die Vorortbedienung 21 kann ein Bediener eingeben, welcher Parametersatz auszuwählen ist. Jedesmal wenn die Anwendung gewechselt wird, wird der Bediener diese Eingabe vornehmen. Diese Eingabe wird der Auswerteinheit 17 zugeleitet, die dann anhand der Eingabe den für die neue Anwendung benötigten Parametersatz auswählt.
Alternativ kann dem Füllstandsmeßgerät eine Kommunikations-schnittstelle zugeordnet sein, über die dann die Eingabe erfolgt, welcher Parametersatz auszuwählen ist. Diese Ausführungsform erspart einem Bediener den Weg bis zur Vorortbedienung 21. Sie wird daher immer dann bevorzugt eingesetzt werden, wenn das Füllstandsmeßgerät Bestandteil einer größeren Anlage ist. Auf größeren Anlagen werden Meßgeräte häufig über ein Busleitungssystem 23 an eine übergeordnete Einheit 25, z.B. eine Prozeßleitstelle oder eine speicherprogrammierbare Steuerung, geschlossen. 6 zeigt eine Prinzipskizze einer solchen Anlage mit drei Füllstandsmeßgeräten, die über das Busleitungssystem 23 an die übergeordnete Einheit 25 angebunden sind. Jedes Füllstandsmeßgerät ist an das Busleitungssystem 23 über eine Kommunikationeschnittstelle 27 angeschlossen. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann dem Füllstandsmeßgerät, bzw. dessen Auswerteeinheit 17 von der übergeordneten Einheit 25 mitgeteilt werden, in welcher Anwendung das jeweilige Füllstandsmeßgerät gerade eingesetzt wird.
Eine weitere besonders Vorteilhafte Form der Auswahl des richtigen Parametersatzes besteht in einem Verfahren zur Füllstandsmessung mit dem erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerät, bei dem die Meßeinheit 7 Sendesignale S aussendet und deren Echosignale E empfängt. Das Senden von Sendesignalen S und der Empfang von deren Echosignalen E wird, wie eingangs erläutert, regelmäßig bei nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmeßgeräten durchgeführt.
Die Auswerteinheit 17 bestimmt dann den Füllstand 1 indem sie zunächst die Echosignale E auf markante Strukturen untersucht. Markante Strukturen sind z.B. von festen Einbauten im Behälter 5 erzeugte Störechos, ein Echo eines Bodens des Behälters 5 oder ein signifikanter Signalverlauf des Echosignals E im Bereich der Antenne 11.
Anhand der markanten Strukturen erkennt die Auswerteeinheit 17, in welcher Anwendung des Füllstandsmeßgerät gerade im Einsatz ist und wählt den anhand der Strukturen den zugehörigen Parametersatz aus. Mittels des zu der Anwendung gehörigen Paramtersatzes bestimmt die Auswerteinheit 17 dann den Füllstand 1.
Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das Füllstandsmeßgerät keine Eingabe benötigt. Es erkennt eigenständig welche Anwendung gerade vorliegt. Diese Erkenntnis kann zusätzlich als Plausibilitätskontrolle oder als Eingabe für andere Geräte, die nicht in der Lage sind automatisch die aktuelle Anwendung zu erkennen, ausgegeben werden.
Ist das oben genannte Verfahren nicht anwendbar, z.B. weil keine markanten Strukturen vorliegen, durch die die Anwendungen unterschieden werden können, so kann alternativ eine Anordnung zur Füllstandsmessung eingesetzt werden, die neben dem Füllstandsmeßgerät eine Vorrichtung zur Erkennung einer vorliegenden Anwendung aufweist.
Dies wird nachfolgend am Beispiel der in den 3 und 4 dargestellten Anordnungen näher erläutert. In beiden Ausführungsbeispielen ergibt sich die Anwendung aus der Position des Füllstandsmeßgeräts. Entsprechend kann die Vorrichtung zur Erkennung der vorliegenden Anwendung z.B. einen Satz an den Meßorten angebrachter Lichtschranken aufweisen, oder es können Druckschalter vorgesehen sein, die durch das passierende Füllstandsmeßgerät geschaltet werden. Ebenso kann die Position des Füllstandsmeßgerät durch eine Vorrichtung erfaßt werden, die eine Motorstellung eines die Bewegung des Füllstandsmeßgeräts entlang der Schiene oder eine Drehung des Trägers 29 verursachenden Motors, erfaßt.
Damit dem Füllstandsmeßgerät diese Information zugeführt werden kann, besteht eine Verbindung 31 zwischen der Vorrichtung und der Auswerteeinheit 17, über die der Auswerteeinheit 17 Erkenntnisse der Vorrichtung zur Verfügung stehen. Die Verbindung 31 kann beispielsweise für analoge Signale, für digitale Signale oder für eine Buskommunikation ausgelegt sein. Ein füllstandsmeßgerät-seitiges Ende der Verbindung ist in 1 dargestellt. Es ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Anschlußmöglichkeit für die Vorrichtung ausgeführt, die direkt an die Auswerteeinheit 17 angeschlossen ist.
Die Auswahl des für die jeweils aktuell vorliegende Anwendung richtigen Parametersatzes kann aber auch über ein Verfahren zur Füllstandsmessung erfolgen, bei dem die Auswerteeinheit 17 anhand der Meßsignale Ereignisse erkennt, die einen Wechsel des Parametersatzes erforderlich machen.
Solche Ereignisse können z.B. durch ein Bewegen des Füllstandsmeßgeräts von einem Behälter 5 zu einem anderen, wie dies beispielsweise bei den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen erfolgt, ausgelöst werden. Das Verschieben des Füllstandsmeßgeräts wird von dem Füllsfandsmeßgerät als eine plötzliche Füllstandsänderung registriert. Eine plötzliche Füllstandsänderung ist also ein solches Ereignis, das einen Parameterwechsel erforderlich macht.
Ebenso können die auslösenden Ereignisse aber auch bei einem in einem einzigen Behälter 5 durchgeführten Herstellprozeß durch den Herstellprozeß selber vorgegeben sein. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn in den Behälter 5 nacheinander verschiedene Füllgüter 3 eingefüllt werden. Der Herstellprozeß gibt vor, in welcher Abfolge die einzelnen Füllgüter 3 eingefüllt bzw. abgelassen werden. Wird nun in Kenntnis des Herstellprozesses der Füllstand 1 gemessen und dessen zeitliche Entwicklung verfolgt, so läßt sich hierüber eine Zuordnung vornehmen. Entsprechend sind die Ereignisse dann zu einem bestimmten Stadium im Herstellprozeß erfolgende Füllstandsanstiege bzw. -abfälle.
Die Auswerteienheit 17 dient dabei nicht nur dazu den Parametersatz auszuwählen, nach erfolgter Auswahl dient sie ebenfalls dazu anhand des ausgewählten Parametersatzes aus dem Meßsignal M den Füllstand abzuleiten und einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung zu stellen. Die Ausgabe kann beispielsweise über eine Ausgangsstufe 33, wie sie in 1 dargestellt ist, erfolgen.

Claims

Füllstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes (3) in einem Behälter (5) mit – einer Meßeinheit (7), die dazu dient ein vom Füllstand (1) abhängiges Meßsignal (M} aufzunehmen, – einem Speicher (19), in dem für verschiedene Anwendungen Parametersätze abgelegt sind, und – einer Auswerteeinheit (17), die dazu dient – einen Parametersatz auszuwählen, und – anhand dieses Parametersatzes aus dem Meßsignal (M) den Füllstand (1) abzuleiten und einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung zu stellen.
Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dem eine Vorortbedienung (21) zugeordnet ist, über die ein Bediener eingeben kann, welcher Parametersatz auszuwählen ist.
Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dem eine Kommunikationsschnittstelle zugeordnet ist, über die eingegeben werden kann, welcher Parametersatz auszuwählen ist.
Verfahren zur Füllstandsmessung mit einem Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem – die Meßeinheit (7) Sendesignale (S) aussendet und deren Echosignale (E) empfängt, und – die Auswerteeinheit (7) den Füllstand (1) bestimmt, in dem sie – die Echosignale (E) auf markante Strukturen untersucht, – anhand der Strukturen einen Parametersatz auswählt, und -- mittels des Parametersatzes den Füllstand (1) bestimmt.
Anordnung zur Füllstandsmessung mit einem Füllstandsmeßgerät gemäß Anspruch 1, bei der – eine Vorrichtung zur Erkennung einer vorliegenden Anwendung vorgesehen ist, und – eine Verbindung (31) zwischen der Vorrichtung und der Auswerteeinheit (17) besteht, über die der Auswerteeinheit (17) Erkenntnisse der Vorrichtung zur Verfügung stehen.
Verfahren zur Füllstandsmessung mit einem Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die Auswerteeinheit (17) anhand der Meßsignale (M) Ereignisse erkennt, die einen Wechsel des Parametersatzes erforderlich machen.
Verfahren zur Füllstandsmessung nach einem der Ansprüche 4 oder 6, bei dem die Erkenntnis, welche Anwendung vorliegt zur Plausibilitätskontrolle oder als Eingabe für andere Geräte ausgegeben werden.