-
Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmeßgerät und ein
Verfahren zur Füllstandsmessung
nach dem Laufzeitprinzip mit berührungslos
arbeitenden Füllstandsmeßgeräten.
-
Derartige berührungslos arbeitende Meßgeräte werden
in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, z.B. in der verarbeitenden
Industrie, in der Chemie oder in der Lebensmittelindustrie.
-
Bei der Füllstandsmessung werden periodisch
kurze Sendesignale, z.B. Mikrowellen oder Ultraschallwellen, mittels
einer Antenne zur Oberfläche eines
Füllguts
gesendet und deren an der Oberfläche reflektierte
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.
-
Diese herkömmliche Vorgehensweise funktioniert
in einer Vielzahl von Anwendungen einwandfrei.
-
Probleme treten jedoch immer dann
auf, wenn das vom Füllstand
stammende Echo nicht zweifelsfrei identifiziert werden kann. Dies
kann beispielsweise der Fall sein, wenn Einbauten im Behälter vorhanden
sind, die die Sendesignale besser Reflektieren, als die Füllgutoberfläche.
-
In solchen Fällen kann, z.B. bei der Inbetriebnahme,
dem Füllstandsmeßgerät einmal
der aktuelle Füllstand
vorgegeben werden. Das Füllstandsmeßgerät kann anhand
des vorgegebenen Füllstandes das
zugehörige
Echo als Nutzecho identifizieren und z.B. durch einen geeigneten
Algorithmus verfolgen. Dabei werden z.B. in jedem Meßzyklus
Maxima des Echosignals oder der Echofunktion bestimmt und aufgrund
der Kenntnis des im vorangegangenen Meßzyklus ermittelten Füllstandes
und einer anwendungs-spezifischen maximal zu erwartenden Änderungsgeschwindigkeit
des Füllstandes
das Nutzecho ermittelt. Aus einer Signallaufzeit des so ermittelten aktuellen
Nutzechos ergibt sich dann der neue Füllstand.
-
Eine solche Echoverfolgung hat den
Nachteil, daß das
Nutzecho ohne Unterbrechung verfolgt werden muß. Wenn das Füllstandsmeßgerät, z.B.
zu Wartungszwecken, außer
Betrieb genommen wird, geht das Nutzecho in der Regel verloren.
Das Füllstandsmeßgerät ist dann
bei der Wiederinbetriebnahme nicht in der Lage das Nutzecho zuverlässig zu erkennen.
Es muß erneut
der aktuelle Füllstand
vorgegeben werden. Dies kann jedoch unter Umständen einen erheblichen Aufwand
bedeuten. Wenn z.B. keine alternativen Meßmethoden zur Verfügung stehen, kann
es erforderlich sein, den Behälter
komplett zu entleeren oder vollständig oder bis zu einer Referenzmarke
zu befüllen.
Dies bedeutet in der Industrie häufig
eine Unterbrechung eines Herstellprozesses und kann mit erheblichem
Zeitaufwand und hohen Kosten verbunden sein.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
ein nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmeßgerät anzugeben, das bei einer
Wiederinbetriebnahme unmittelbar eigenständig und zuverlässig Füllstandsmessungen
durchführen
kann.
-
Dies erreicht die Erfindung durch
ein Füllstandsmeßgerät zur Messung
eines Füllstandes
eines Füllgutes
in einem Behälter
mit
-
- – mindestens
einer Antenne zum Senden von Sendesignalen und zum Empfangen von
Echosignalen,
- – einer
Signalverarbeitung, die dazu dient aus den empfangenen Echosignalen
eine Echofunktion abzuleiten, die Amplituden des Echosignals in
Abhängigkeit
von deren Laufzeit enthält,
- – einem
Speicher zur Speicherung von behälterspezifischen
Daten in einer Tabelle,
– deren
Spalten zur Aufnahme jeweils einer Echofunktion dienen,
– wobei
die Echofunktionen in den Spalten in einer Reihenfolge abgelegt
sind, die den den jeweiligen Echofunktionen zugehörigen Füllständen entspricht,
und
- – einer
Auswerteeinheit,
– die
zur Bestimmung des Füllstandes
Zugriff auf die Tabelle hat.
-
Gemäß einer Ausgestaltung sind
die Daten im Speicher in komprimierter Form abgelegt.
-
Weiter besteht die Erfindung in einem
Verfahren zur Speicherung von behälterspezifischen Daten in der
Tabelle eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei
dem
-
- – ein
an einer Füllgutoberfläche reflektiertes
Echo als Füllstandsecho
durch einen vorgegebenen Füllstand
identifiziert wird,
- – dieses
Echo über
einen Zeitraum verfolgt wird,
- – während dieses
Zeitraums periodisch Sendesignale ausgesendet werden, deren Echosignale aufgenommen
werden und aus den Echosignalen Echofunktionen gebildet werden,
– die in
der Tabelle in einer Spalte mit einem Spaltenindex abgelegt wird,
der einem zu diesem Zeitpunkt durch die Verfolgung des Füllstandsechos bestimmten
Füllstand
entspricht.
-
Weiter besteht die Erfindung in einem
Verfahren zur Speicherung von behälterspezifischen Daten in der
Tabelle eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei
dem
-
- – ein
Sendesignal ausgesendet wird, dessen Echosignal aufgenommen wird
und aus dem Echosignal eine Echofunktion abgeleitet wird,
- – ein
wahrscheinlich von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche stammendes Nutzecho bestimmt
wird,
- – dieses
Nutzecho über
einen Zeitraum verfolgt wird,
- – während dieses
Zeitraums periodisch Sendesignale ausgesendet werden, deren Echosignale aufgenommen
werden und aus den Echosignalen Echofunktionen bestimmt werden,
– die in
der Tabelle in einer Spalte unter einem Spaltenindex abgelegt werden,
der einem zu diesem Zeitpunkt durch die Verfolgung des Nutzechos
bestimmten Füllstand
entspricht.
-
Gemäß einer Weiterbildung des letztgenannten
Verfahrens wird eine Plausibilitätsbetrachtung der
Tabelle vorgenommen, deren Ergebnis das Nutzecho als an der Füllgutoberfläche reflektiertes
Echo bestätigt
oder widerlegt.
-
Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten
Weiterbildung wird mittels der Tabelle der momentane Füllstand
gefunden, wenn die Plausibilitätsbetrachtung
ergibt, daß das
Nutzecho nicht von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche stammt, und das gesamte
Verfahren wird wiederholt, wobei als Nutzecho, dasjenige Echo ausgewählt wird,
das dem mittels der Tabelle bestimmten momentanen Füllstand
entspricht.
-
Gemäß einer Weiterbildung des letztgenannten
Verfahrens werden bei der Plausibilitätsbetrachtung in der Tabelle
Höhenlinien
erkannt, die einer Veränderung
einer Laufzeit dieses Echos in Abhängigkeit vom Füllstand
enstprechen. Es wird überprüft, ob ein
Höhenlinienabschnitt
vorliegt, in dem die Laufzeiten mit ansteigendem Füllstand
abfallen und in dem die Laufzeiten in einer Spalte geringer sind,
als die Laufzeit des Nutzechos in der selben Spalte. Liegt ein solcher
Höhenlinienabschnitt
vor, wird das Nutzecho als an der Füllgutoberfläche reflektiertes Echo widerlegt,
liegt ein solcher Höhenlinienabschnitt
nicht vor, wird das Nutzecho als an der Füllgutoberfläche reflektiertes Echo akzeptiert.
-
Gemäß einer Weiterbildung wird
-
- – mittels
der Tabelle der momentane Füllstand
gefunden, wenn die Plausibilitätsbetrachtung
ergibt, daß das
Nutzecho nicht von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche stammt, und
- – das
gesamte Verfahren wird wiederholt,
- – wobei
als Nutzecho dasjenige Echo ausgewählt wird, das dem mittels der
Tabelle bestimmten momentanen Füllstand
entspricht.
-
Weiter besteht die Erfindung in einem
weiteren Verfahren zur Speicherung von behälterspezifischen Daten in der
Tabelle eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei
dem
-
- – ein
Sendesignal ausgesendet wird,
- – dessen
Echosignal aufgenommen wird,
- – aus
dem Echosignal mehrere Echos ausgewählt werden,
- – eins
dieser Echos als wahrscheinlich von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche stammendes Nutzecho
bestimmt wird,
- – während des
Zeitraums periodisch Sendesignale ausgesendet werden, deren Echosignale
aufgenommen werden, und
- – für jedes
Echosignal die Laufzeit der ausgewählten Echos ermittelt wird
und
- – für jedes
Echosignal der dem Nutzecho zuzuordnende wahrscheinliche Füllstand
bestimmt wird,
- – die
diesem wahrscheinlichen Füllstand
entsprechende Spalte ermittelt wird, und
- – in
dieser Spalte für
jedes der ausgewählten Echos
in einer der Laufzeit des jeweiligen Echos entsprechenden Zeile
ein Wert abgelegt wird.
-
Auch besteht die Erfindung in einem
Verfahren zur Speicherung von behälterspezifischen Daten in der
Tabelle eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei
dem
-
- – ein
Sendesignal ausgesendet wird, dessen Echosignal aufgenommen wird,
- – aus
dem Echosignal mehrere Echos ausgewählt werden,
- – eins
dieser Echos als wahrscheinlich von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche stammendes Nutzecho
bestimmt wird,
- – während des
Zeitraums periodisch Sendesignale ausgesendet werden, deren Echosignale
aufgenommen werden, und
- – für jedes
Echosignal die Laufzeit der ausgewählten Echos ermittelt wird
und
- – für jedes
Echosignal der dem Nutzecho zuzuordnende wahrscheinliche Füllstand
bestimmt wird,
- – die
diesem wahrscheinlichen Füllstand
entsprechende Spalte ermittelt wird, und
- – in
dieser Spalte für
jedes der ausgewählten Echos
in einer dem jeweiligen Echo entsprechenden Zeile ein Wert abgelegt
wird.
-
Gemäß einer Weiterbildung des letztgenannten
Verfahrens wird eine Plausibilitätsbetrachtung der
Tabelle vorgenommen, deren Ergebnis das Nutzecho als an der Füllgutoberfläche reflektiertes
Echo bestätigt
oder widerlegt.
-
Gemäß einer Weiterbildung der zuvor
genannten Verfahren zur Speicherung von behälterspezifischen Daten in der
Tabelle eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts werden
in der Tabelle fehlende Daten durch Extrapolation ermittelt und
in der Tabelle abgelegt.
-
Weiter besteht die Erfindung in einem
Verfahren zur Füllstandsmessung
mit einem erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerät, bei dem
- ein Sendesignal ausgesendet wird,
-
- – dessen
Echosignal aufgenommen wird,
- – aus
dem Echosignal eine aktuelle Echofunktion abgeleitet wird, und
- – zur
Bestimmung des Füllstandes
ein Vergleich der Echofunktion mit den in der Tabelle abgelegten
Echofunktionen vorgenommen wird.
-
Gemäß einer Weiterbildung des letztgenannten
Verfahrens zur Füllstandsmessung
wird durch den Vergleich eine Echofunktion aus der Tabelle ermittelt,
die die größte Übereinstimmung
mit der aktuellen Echofunktion aufweist, und der Füllstand
wird gleich dem dem Spaltenindex der ermittelten Echofunktion zugeordneten
Füllstand
gesetzt.
-
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
eine Anordnung zur Füllstandsmessung
mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmeßgerät;
-
2 zeigt
ein Echosignal E;
-
3 zeigt
die Spalten der Tabelle, wobei in jeder Spalte zur Veranschaulichung
die dort einzutragende Echofunktion graphisch dargestellt ist;
-
4 zeigt
ein Diagramm, in dem die Höhenlinien
der Tabelle dargestellt sind, für
den Fall, daß das
tatsächlich
an der Füllgutoberfläche reflektierte
Echo als Nutzecho eingesetzt wurde;
-
5 zeigt
ein Diagramm, in dem die Höhenlinien
der Tabelle dargestellt sind, für
den Fall, daß das
am Störer
reflektierte Echo als Nutzecho eingesetzt wurde;
-
6 zeigt
eine Übersicht über die
verfolgten Echos der Füllgutoberfläche, des
Störers
und des Bodens; und
-
7 zeigt
ein Diagramm, in dem die Höhenlinien
der Tabelle dargestellt sind, für
den Fall, daß das
am Boden reflektierte Echo als Nutzecho eingesetzt wurde.
-
1 zeigt
eine Anordung zur Füllstandsmessung.
Es ist ein mit einem Füllgut 1 gefüllter Behälter 3 dargestellt.
Auf dem Behälter 3 ist
ein nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmeßgerät 5 angeordnet. Als
Füllstandsmeßgerät 5 eignet
sich z.B. ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät oder ein mit Ultraschall
arbeitendes Füllstandsmeßgerät. Das Füllstandsmeßgerät 5 dient
dazu, einen Füllstand 7 des
Füllguts
1 im Behälter
zu messen. In dem Behälter 3 ist
exemplarisch ein Störer 9 eingezeichnet.
Störer 9 sind
z.B. Einbauten im Behälter 3,
Rührwerke
und natürlich
jede andere Struktur, an der Reflektionen auftreten können. Das
hier nur ein einziger Störer 9 vorgesehen
ist, dient dem leichteren Verständnis
und der Übersichtlichkeit.
Selbstverständlich
können
in realen Meßsituationen
sehr viel mehr Störer
vorhanden sein.
-
Das Füllstandsmeßgerät 5 weist mindestens eine
Antenne 11 zum Senden von Sendesignalen S und zum Empfangen
von Echosignalen E auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist eine einzige Antenne 11 vorgesehen, die sowohl sendet
als auch empfängt.
Alternativ können
aber auch eine Antenne zum Senden und mindestens eine weitere Antenne zum
Empfangen vorgesehen sein.
-
Die Sendesignale S werden in Richtung
des Füllguts 1 gesendet
und an einer Füllgutoberfläche, aber
auch am Behälter 3 und
an im Behälter 3 befindlichen
Störern 9 reflekiert.
Die Überlagerung
dieser Reflektionen bildet das Echosignal E.
-
Bei der Füllstandsmessung nach dem Laufzeitprinzip
werden periodisch Sendesignale S, z.B. kurze Mikrowellen- oder Ultraschallpulse,
in Richtung eines Füllgutes 1 ausgesendet.
Es werden deren Echosignale E der Sendepulse S aufgenommen und einer
Signalverarbeitung 13 zugeführt, die dazu dient aus den
empfangenen Echosignalen E eine Echofunktion abzuleiten, die Amplituden
A des Echosignals E in Abhängigkeit
von deren Laufzeit t enthält.
-
In 2 ist
ein Beispiel einer solchen Echofunktion für die Anordnung von 1 dargestellt. Die Echofunktion
weist drei ausgeprägte
Maxima auf. Diese Maxima sind Echos L, S, B von denen das Echo L
auf eine Reflektion an der Füllgutoberfläche, das
Echo S auf eine Reflektion an dem Störer 9 und das Echo
B auf eine Reflektion an einem Boden 15 des Behälters 3 zurückzuführen sind.
Die Echos L, S, B treten nach Laufzeiten tL, tS, tB auf, die einer
Entfernung zwischen der Antenne 11 und der Füllgutoberfläche, bzw.
dem Störer 9 und
dem Boden 15 entsprechen.
-
Das Füllstandsmeßgerät 5 weist einen Speicher 17 auf,
der dazu dient, behälterspezifische
Daten abzuspeichern.
-
Diese behälterspezifischen Daten werden bei
einer Erstinbetriebnahme der Anordung aufgezeichnet und permanent
gespeichert. Sie werden auch bei einem Abschalten des Füllstandsmeßgeräts 5 oder
einer Unterbrechung von dessen Stromversorgung nicht gelöscht.
-
Die behälterspezifischen Daten werden
in einer Tabelle abgespeichert, deren Spalten 1 bis n zur Aufnahme
jeweils einer Echofunktion dienen. Dabei sind die Echofunktionen
in den Spalten in einer Reihenfolge abgelegt, die den den jeweiligen
Echofunktionen zugehörigen
Füllständen entspricht. Äquivalent
zu den zugehörigen
Füllstanden
sind natürlich die
zugehörigen
Laufzeiten tL der an der Füllgutoberfläche reflektierten
Echos L und genauso die zugehörigen
Entfernungen zwischen Antenne 11 und Füllgutoberfläche. Diese Größen sind
direkt proportional zueinandern und können durch einfache Umrechnung
mittels einer bekannten Signalausbreitungsgeschwindigkeit ineinander überführt werden.
-
In 3 sind
in Spalten 1 bis n Echofunktionen in der Reihenfolge dargestellt,
in der sie auch in der Tabelle anzuordnen sind. In der Tabelle entspricht dabei
jede Zeile einer Spalte einer Laufzeit.
-
Zur Veranschaulichung ist am rechten
Rand von 3 eine zusätzliche
Spalte eingefügt,
in der ein Zeilenindex für
jede Zeile 1 bis m eingetragen ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
steigt der Zeilenindex mit der Laufzeit t an. Alternativ könnte der
Zeilenindex mit der Laufzeit abfallen. Äquivalent zur Laufzeit ist
analog zu dem zuvor für
die Spalten erläuterten
eine der Laufzeit entsprechende Entfernung.
-
In der ersten Spalte 1 der Tabelle
ist eine Echofunktion einzutragen, wie sie bei voll gefülltem Behälter 3 entsteht.
In 3 ist diese Echofunktion unter
Spalte 1 als Funktion abgebildet. In der eigentlichen Tabelle ist
natürlich
keine Funktion abgebildet, sondern es ist in einigen oder allen
Zeilen 1 bis m der ersten Spalte 1 ein Amplitudenwert dieser Echofunktion
abgelegt, der bei der dem jeweiligen Zeilenindex 1 bis m entsprechenden
Laufzeit auftritt. Dies gilt für alle
anderen Spalten 2 bis n der Tabelle analog.
-
Die Echofunktion beginnt mit einem
Abklingen des Sendesignals S. Daran schließt sich unmittelbar das an
der Füllgutoberfläche reflektierte
Echo L an. Etwa in der Mitte der ersten Spalte 1 der Tabelle tritt
das Echo S des Störers 9 auf
und in den letzten Zeilen (m, m – 1 ..) tritt das Echo B des
Bodens 15 auf.
-
In der letzten Spalte n der Tabelle
ist eine Echofunktion einzutragen, wie sie bei leerem Behälter 3 entsteht.
In 3 ist diese Echofunktion
unter Spalte n als Funktion abgebildet. Die Echofunktion beginnt
mit dem Abklingen des Sendesignals S. Darauf folgt ungefähr in der
Mitte der Tabelle das Echo S des Störers 9 auf das in
einigem Abstand das Echo B des Bodens 15 folgt. Ein an
der Füllgutoberfläche reflektiertes
Echo L tritt in dieser Echofunktion nicht auf, da der Behälter 3 leer
ist.
-
Vergleicht man die Laufzeiten tS
und tB der Echos S und B des Störers 9 und
des Bodens 15, so fällt
auf, daß beide
Echos S und B in Spalte n nach kürzeren
Laufzeiten tS, tB auftreten, als in Spalte 1. Ursache hierfür ist, daß die Sendesignale
S bzw. deren Echosignale E bei vollem Behälter 3 weite Strecken
durch das Füllgut 1 hindurch
zurücklegen
müssen,
während
sie sich bei leerem Behälter 3 durch den
freien Raum ausbreiten. Dieser Unterschied ist auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit
von Mikrowellen zurückzuführen, die
im Füllgut 1 geringer
ist, als im freien Raum.
-
Neben den beiden äußeren Spalten 1 und
n sind in 3 noch weitere
Spalten a, c und f dargestellt.
-
Die Spalte a entspricht einem Füllstand,
der zwischen dem höchsten
Füllstand
bei vollem Behälter 3 und
dem Störer 9 liegt.
Die Spalte c entspricht einem Füllstand,
bei dem der Störer 9 gerade
noch vom Füllgut 1 überdeckt
ist und die Spalte feinem Füllstand,
bei dem der Störer 9 nicht
mehr vom Füllgut überdeckt
ist.
-
Anhand von 3 sind einige grundsätzliche Strukturen erkennbar.
-
Das Echo B vom Boden 15 weist
in Spalte 1 seine größte Laufzeit
tB, in Spalte n seine geringste Laufzeit tB auf. Von Spalte 1 bis
n nimmt die Laufzeit tB dieses Echos B kontinuierlich ab.
-
Das Echo L von der Reflektion an
der Füllgutoberfläche weist
in Spalte 1 seine geringste Laufzeit tL, in Spalte n seine größte Laufzeit
tL auf. Von Spalte 1 bis n steigt die Laufzeit tL dieses Echos L
kontinuierlich an.
-
Das Echo S vom Störer 9 weist in Spalte
1 seine größte Laufzeit
auf. Danach nimmt die Lauftzeit tS kontinuierlich mit abfallendem
Füllstand
ab, bis der Füllstand
sich auf gleicher Höhe
mit dem Störer 9 befindet.
Abfallender Füllstand
ist gleichbedeutend mit ansteigendem Spaltenindex. Hat der Füllstand
einmal die Höhe
des Störers 9 unterschritten ändert sich die
Laufzeit tS des Echos S vom Störer 9 mit
weiter abfallendem Füllstand
bzw. weiter ansteigendem Spaltenindex nicht mehr. Die Laufzeit tS
des Störers 9 ist
in Spalte f gleich der in Spalte n. In Spalte 1 ist sie größer als
in Spalte a, in Spalte a größer als
in Spalte c und in Spalte c größer als
in Spalte f.
-
Selbstverständlich brauchen in der Tabelle nicht
sämtliche
in einem Echosignal enthaltene Informationen im Detail wiedergespiegelt
zu sein. Die in der Tabelle abgelegten Echofunktionen können vielmehr
stark vereinfachte Abbilder der Echosignale sein. Dabei bietet es
sich an Daten in größerem Umfang
zu komprimieren und möglichst
nur essentiele Informationen aufzunehmen. Es ist auch denkbar, in der
Tabelle Echofunktionen abzulegen, die nur die Amplituden und die
Laufzeiten der Maxima der in einem Echosignal auftretenden Echos
enthalten. Man kann sogar Echofunktionen verwenden die nur die Laufzeiten
der Maxima enthalten. Die Tabelle enthält in diesem Fall sehr viele
freie Felder und benötigt
entsprechend weniger Speicherplatz. Genauso muß nicht jedes noch so kleine
Echo aufgezeichnet werden. Es können
z.B. Schwellwerte für
eine Mindestamplitude festgelegt werden, die ein Echo mindestens
aufweisen muß,
um überhaupt
singang in die Tabelle zu finden.
-
Die Daten der Tabelle werden vor
Ort von und mit der beschriebenen Anordnung erstellt und abgelegt.
Hierzu sind verschiedene Verfahren einsetzbar.
-
Ein mögliches Verfahren zur Generierung der
Tabelle besteht darin, daß zu
Beginn einmal der aktuelle Füllstand
vorgegeben wird. Dieser kann z.B. durch eine Zusatzmessung mit einem
anderen Meßgerät oder durch
ein Anfahren eines markanten Füllstandes,
wie z.B. voll oder leer, ermittelt werden.
-
Anhand dieses vorgegebenen bekannten Füllstandes
wird ein an einer Füllgutoberfläche reflektiertes
Echo eines Echosignals oder der zugehörigen Echofunktion identifiziert.
-
Dieses einmal als Füllstandsecho
erkannte Echo wird über
einen Zeitraum verfolgt. Ändert
sich nun der Füllstand,
so ist durch die Echoverfolgung das Füllstandsecho bekannt. Aus dessen
Laufzeit tL ergibt sich dann jeweils der zugehörige Füllstand.
-
Während
dieses Zeitraums werden periodisch Sendesignale S ausgesendet. Die
Echosignale E der Sendesignale S werden aufgenommen und aus den
Echosignalen E werden Echofunktionen gebildet.
-
Diese Echosfunktionen werden in der
Tabelle jeweils in einer Spalte abgelegt, deren Spaltenindex dem
zu diesem Zeitpunkt durch die Verfolgung des Füllstandsechos bestimmten Füllstand
entspricht.
-
Es gibt jedoch eine Reihe von Anwendungen,
bei denen es nicht möglich
oder sehr teuer ist, einmal einen aktuellen Füllstand vorzugeben.
-
In diesen Fällen ist ein Verfahren zu bevorzugen,
daß ohne
vorgegebenen Füllstand
in der Lage ist, die Tabelle aufzuzeichnen.
-
Ein solches Verfahren ist nachfolgend
beschrieben. Dabei wird zu Beginn ein Sendesignal S ausgesendet
und dessen Echosignal E aufgenommen. Aus dem Echosignal E eine Echofunktion
abgeleitet und es wird ein wahrscheinlich von einer Reflektion an
der Füllgutoberfläche stammendes
Nutzecho bestimmt. Die Bestimmung des Nutzechos kann dabei genauso
erfolgen, wie dies bei herkömmlichen Füllstandsmeßgeräten geschieht.
Es kann z.B. wie eingangs beschrieben das Maximum mit der größten Amplitude
ausgewählt
werden, es kann aber auch das Nutzecho unter Berücksichtigung einer Form der Echos
und/oder Laufzeitvorgaben und/oder Amplitudenvorgaben ausgewählt werden.
-
Dieses einmal ausgewählte Nutzecho
wird über
einen Zeitraum verfolgt. Genau wie bei dem zuvor beschriebenen Verfahren
werden während
dieses Zeitraums periodisch Sendesignale S ausgesendet, deren Echosignale
E aufgenommen und aus den Echosignalen E Echofunktionen bestimmt.
-
Die Echofunktionen werden in der
Tabelle jeweils in einer Spalte unter einem Spaltenindex abgelegt,
der einem zu diesem Zeitpunkt durch die Verfolgung des Nutzechos
bestimmten Füllstand
entspricht.
-
Vorzugsweise wird anschließend eine
Plausibilitäts-betrachtung
der Tabelle vorgenommen. Das Ergebnis der Plausibilitätsbetrachtung
besteht darin, daß sie
das Nutzecho als an der Füllgutoberfläche reflektiertes
Echo bestätigt
oder widerlegt.
-
Eine besonders gute Form der Plausibilitätsbetrachtung
beruht darauf, in der Tabelle Höhenlinien zu
erkennen, die einer Veränderung
einer Laufzeit dieses Echos in Abhängigkeit vom Spaltenindex,
der hier für
den Füllstand
steht, entsprechen. Dabei werden bespielsweise in allen Spalten
die Maxima der Echofunktionen ermittelt und beginnend beipsielsweise
mit Spalte 1 als Ausgangsspalte untersucht ob, in der benachbarten
Spalte in unmittelbarer Nähe
der Maxima der Ausgangsspalte ebenfalls Maxima liegen. Ist dies
der Fall, werden die benachbarten Maxima durch ein Höhenliniensegment verbunden.
Auf diese Weise werden alle Spalten durchlaufen und die benachbarten
Höhenliniensegmente
zu Höhenlinien zusammen
gefaßt.
-
Anhand der Höhenlinien ist erkennbar, ob das
gewählte
Nutzecho tatsächlich
das richtige Nutzecho ist, also auf Reflektionen an der Füllgutoberfläche zurück zu führen ist.
-
Zum besseren Verständnis werden
nachfolgend charakteristische Verläufe von Höhenlinien diskutiert, wie sie
auftreten, wenn das Nutzecho tatsächlich das richtige Nutzecho
ist, und wenn nicht.
-
Bei der in 3 veranschaulichten Tabelle wurde in
allen Spalten das richtige an der Füllgutoberfläche reflektierte Echo eingesetzt.
In 3 sind auf die zuvor
beschriebene Weise gewonne Höhenlinien
eingezeichnet. Es sind drei ausgeprägte Höhenlinien HL, HB, HS zu erkennen.
Die Höhenlinie
HL stammt von an der Füllgutoberfläche reflektierten Echos
und steigt streng monoton. Die Höhenlinie
HB ist dem Boden 15 zuzuordnen und fällt streng monoton ab. Die
Höhenlinie
HS ist Reflektionen am Störer 9 zuzuordnen
und schneidet die Höhenlinie
HL. In 4 sind die Höhenlinien
in einem zweidimensionalen Diagramm dargestellt.
-
Wird ein Echo als Nutzecho ausgewählt, das nicht
von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche her
rührt,
sondern vom Störer 9,
so entsteht ein ganz anderes Bild. In 5 ist
ein Beispiel für
Höhenlinien dargestellt,
die in einem solchen Fall auftreten.
-
Zur Veranschaulichung kann man sich
den leeren Behälter 3 vorstellen,
der sich langsam füllt. Bei
leerem Behälter 3 werden
das Nutzecho und das Echo B des Bodens 15 aufgezeichnet.
Da das Nutzecho als Füllstandsecho
interpretiert wird, wird in der Tabelle an der der Lauftzeit tx
des Nutzechos bei leerem Behälter
entsprechenden Spalte X die zugehörige Echofunktion eingetragen.
-
Steigt der Füllstand langsam an, so taucht
in den Echofunktionen nebem dem Nutzecho ein Füllstandsecho auf, daß sich dem
Nutzecho mit ansteigendem Füllstand
nähert.
Diese Füllstandsechos
bewegen sich in der Tabelle in Spalte X vertikaler Richtung auf
das Nutzecho zu. Dies ist in 5 durch Sternchen
angedeutet.
-
Steigt der Füllstand weiter an und übersteigt die
Höhe des
Störers,
so steigt die Laufzeit des Nutzechos an. Die verlängerte Laufzeit
ist dabei auf die geringere Ausbreitungsgeschwindigkeit der Sende- und
Empfangssignale S, E im Füllgut
zurück
zu führen.
Da das Nutzecho als vom Füllgut
reflektiertes Echo interpretiert wird, obwohl es tatsächlich das Echo
des Störers 9 ist,
werden die entsprechenden Echofunktionen auch hier entsprechend
der Laufzeit des Nutzechos in der Tabelle abgelegt. Folglich wandert
das Nutzecho in 5 entlang
der Diagonalen nach oben. Dies ist als gepunktete Linie eingezeichnet.
-
Zeitgleich nimmt natürlich die
Laufzeit des vom Füllgut
reflektierten Echos immer weiter ab. Dieses Echo wandert entsprechen
in 5 nach rechts unten
ab. Je größer die
Laufzeit des Nutzechos ist, umso geringer ist die des vom Füllgut reflektierten Echos.
Dies ist durch Dreiecke dargestellt.
-
Aus diesen Betrachtungen läßt sich
die Verallgemeinerung ableiten, daß immer dann, wenn ein Höhenlinienabschnitt
aus der Tabelle hervorgeht, in dem die Laufzeiten mit ansteigendem
Füllstand
abfallen, obwohl die zum Höhenlinienabschnitt
zugehörige
Echoquelle vermeindlich nicht vom Füllgut überdeckt ist, das Nutzecho
nicht auf eine Reflektion am Füllgut
zurück
geht.
-
Die Echoquelle ist nicht vom Füllgut überdeckt,
wenn die Laufzeiten des Höhenlinienabschnitts
in einer Spalte geringer sind, als die Laufzeit des Nutzechos in
der selben Spalte. Dies heißt,
daß der
Höhenlinienabschnitt
in dem in 5 dargestellten
Diagramm unterhalb der Diagonalen liegt.
-
Bei der gewählten Darstellung, in der Spalten-
und Zeilenindex mit ansteigender Laufzeit ansteigen bedeutet dies,
das ein Auftreten von Höhenlinienabschnitten
mit negativer Steigung unterhalb der Diagonalen gleichbedeutend
damit ist, daß das Nutzecho
falsch ausgewählt
wurde.
-
Bei der Plausibilitätsbetrachtung
werden daher vorzugsweise die Höhenlinien
ermittelt. Anschließend
wird überprüft, ob ein
Höhenlinienabschnitt
vorliegt, in dem die Laufzeiten mit ansteigendem Füllstand
abfallen und in dem die Laufzeiten in einer Spalte geringer sind,
als die Laufzeit des Nutzechos in der selben Spalte.
-
Wenn ein solcher Höhenlinienabschnitt
nicht vorliegt wird das Nutzecho als an der Füllgutoberfläche reflektiertes Echo akzeptiert.
-
Wenn ein solcher Höhenlinienabschnitt
jedoch vorliegt wird das Nutzecho als an der Füllgutoberfläche reflektiertes Echo widerlegt
wird.
-
Wenn die Plausibilitätsbetrachtung
ergibt, daß das
Nutzecho nicht von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche stammt, wird vorzugsweise
mittels der Tabelle der momentane Füllstand gefunden. Anschließend wird
das gesamte Verfahren wiederholt, wobei als Nutzecho, dasjenige
Echo ausgewählt wird,
das einem mittels der Tabelle bestimmten momentanen Füllstand
entspricht.
-
Bei der Bestimmung des momentanen
Füllstandes
anhand der Tabelle wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß die Höhenlinie,
die mit ansteigender Laufzeit abfällt und gleichzeitig in ein
und derselben Spalte kürzere
Laufzeiten aufweist als das Nutzecho, auf Echos zurückzuführen ist,
die an der Füllgutoberfläche reflektiert
wurden.
-
Der aktuelle Füllstand läßt sich somit aus der Tabelle
ermitteln, indem ein Sendesignal S ausgesendet wird, dessen Echosignal
E aufgezeichnet wird, aus letzterem die zugehörige Echofunktion abgeleitet
wird, und diese mit den Echofunktionen der Tabelle verglichen wird.
Es wird durch den Vergleich diejenige Echofunktion ermittelt, die
der aktuell aufgezeichneten Echofunktion am nächsten kommt. Liegt die ermittelte
Echofunktion in einer Spalte, in der auch ein Segement des abfallenden
Höhenlinienabschnitts
liegt, so ergibt sich aus der Laufzeit des Segments unmittelbar
der akutelle Füllstand.
In dem in 5 dargestellten
Beispiel wäre
das der Fall, wenn der Spaltenindex der ermittelten Spalte größer als
x ist.
-
Ist der Spaltenindex gleich x, so
gibt es zwei Möglichkeiten.
Läßt sich
aus den Echos der akuuellen Echofunktion unter Ausschluß des Nutzechos eindeutig
ein Füllstandsecho
identifizieren, so ergibt sich daraus der aktuelle Füllstand,
ist dies nicht der Fall, können
solange weitere Sendesignale S ausgesendet, deren Echosignale E
aufgenommen und deren zugehörige
Echofunktionen mit denen der Tabelle verglichen werden, bis der
Vergleich der aktuellen Echofunktion mit den Echofunktionen der
Tabelle eine Echofunktion ergibt, deren Spaltenindex größer als
x ist. Für
den Betreiber bedeutet dies, daß er
abwarten muß,
bis der Füllstand
die Höhe
der Störers, auf
den das bisherige Nutzecho zurück
zu führen
ist, übersteigt.
-
Alternativ kann natürlich ein
Echo der aktuellen Echofunktion, das natürlich nicht gleich dem bisherigen
Nutzecho ist, als wahrscheinliches Nutzecho ausgewählt werden.
Das gesamte Verfahren wird dann mit diesem wahrscheinlichen Nutzecho
wiederholt.
-
Neben dem zuvor beschriebenen Verfahren zur
Speicherung der behälterspezifischen
Daten in der Tabelle sind andere Verfahren einsetzbar.
-
Ein vorteilhaftes Verfahren besteht
darin, ein Sendesignal S auszusenden, dessen Echosignal aufzunehmen,
und aus dem Echosignal mehrere Echos auszuwählen. In dem in 2 dargestellten übersichtlichen
Echosignal E würden
z.B. die Echos L, S und B ausgewählt
werden.
-
Alle ausgewählten Echos, hier L, S und
B, werden über
einen Zeitraum verfolgt und es wird eins dieser Echos als wahrscheinlich
von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche stammendes
Nutzecho bestimmt.
-
Um das Verständnis zu erleichtern wird hier auf
das in den 2 und 3 dargestellte Beispiel zurückgegriffen.
Es wird zur Erläuterung
des Prinzips der Einfachheit halber ein Fall durchlaufen, bei dem sich
der anfänglich
volle Behälter 3 während des
Zeitraums vollständig
entleert.
-
In diesem Zeitraum, in dem die Echos
verfolgt werden, werden periodisch Sendesignale S ausgesendet und
deren Echosignale E aufgenommen. Für jedes Echosignal E werden
die Laufzeiten der ausgewählten
Echos ermittelt.
-
Es wird bei vollem Behälter 3 zur
Zeit t0 mit der Aufzeichnung der Tabelle begonnen und während des
Zeitraums zu den Zeiten t0 bis t5 Echosignale E aufgezeichnet. Selbstverständlich werden
in der Regel sehr viel mehr, z.B. einige hundert, Echosignale E
ausgewertet werden. Die Beschränkung auf
t0 bis t5 dient hier nur der besseren Übersicht. Es wird zu jedem
der Zeitpunkte t0 bis t5 die Lage der ausgewählten Echos L, S, B bestimmt. 6 zeigt eine Übersicht,
in der die Lage der Echos L, S, B zu den Zeiten t0 bis t5 eingetragen
sind. Die Lage der Echos L, S, B ist durch deren Laufzeit gegeben,
die wiederum einer Entfernung von der Antenne 11 entspricht
und unmittelbar einem Zeilenindex zugeordnet werden kann. Entsprechend
sind in 6 direkt die
Zeilenindizes eingetragen.
-
Wird nun eins der Echos L, S, B als
von der Füllgutoberfläche stammendes
Nutzecho identifiziert, so kann unmittelbar aus der Übersicht
die Tabelle erstellt werden.
-
Dabei wird für jedes Echosignal E der dem Nutzecho
zuzuordnende wahrscheinliche Füllstand bestimmt.
Dieser entspricht in unserem Beispiel dem in der ersten Zeile der Übersicht
unter L eingetragenen Zeilenindex.
-
Anschließend wird die diesem wahrscheinlichen
Füllstand
entsprechende Spalte ermittelt. Der Spaltenindex dieser Spalte ist
gleich dem unter L eingetragenen Zeilenindex.
-
In dieser Spalte wird dann jeweils
für jedes der
ausgewählten
Echos L, S, B in einer der Laufzeit des jeweiligen Echos L, S, B
entsprechenden Zeile ein Wert abgelegt. Der Zeilenindex dieser Zeilen
ist gleich dem in der Übersicht
an der entsprechenden Stelle eingetragenen Zeilenindex. Der einzutragende Wert
ist im einfachsten Fall eine Konstante, die lediglich anzeigt, daß an der
entsprechenden Stelle ein Maximum vorliegt. Es kann aber stattdessen
hier auch die jeweilige Amplitude der Echos L, S, B eingetragen
werden. Alle übrigen
Felder der Tabelle bleiben frei. Dies bietet den Vorteil, daß die Tabelle
nur einen sehr geringen Speicherplatzbedarf aufweist.
-
Ausgehend von der in 6 dargestellten Übersicht kommt man zu einer
der 4 entsprechenden
Tabelle, wenn man richtiger Weise das Echo L als Nutzecho erkennt.
-
Hält
man versehentlich das Echo S für
das Nutzecho, so gelangt man zu einer Tabelle, wie sie in 5 abgebildet ist. Hält man versehentlich
das Echo B für
das Nutzecho, so gelangt man zu einer Tabelle, wie sie in 7 abgebildet ist.
-
Genau wie bei dem zuvor beschriebenen Verfahren,
wird auch hier wieder vorzugsweise eine Plausibilitätsbetrachtung
der Tabelle vorgenommen, deren Ergebnis das Nutzecho als an der
Füllgutoberfläche reflektiertes
Echo bestätigt
oder widerlegt. Bei der Plausibilitätsbetrachtung kann genauso
vorgangen werden, wie bei dem zuvor beschriebenen Verfahren. Wie
man an den 4, 5 und 7 sieht, zeigt eine Untersuchung der
Höhenlinienabschnitte,
daß einzig
bei 4 das richtige Nutzecho
ausgewählt wurde.
In den 5 und 7 liegt dagegen jeweils ein Höhenliniensegment
vor, in dem die Laufzeiten mit ansteigendem Füllstand abfallen und in dem
die Laufzeiten in einer Spalte geringer sind, als die Laufzeit des
Nutzechos in der selben Spalte. Daraus folgt unmittelbar, daß hier das
falsche Echo als Nutzecho herangezogen wurde. Genau wie bei dem
zuvor beschriebenen Verfahren kann mittels der mit dem falschen
Nutzecho aufgezeichneten Tabelle das richtige Nutzecho bestimmt
werden.
-
Das zuletzt genannte Verfahren bietet
dabei den Vorteil, daß es
nicht vollständig
wiederholt werden muß.
Es genügt,
wenn aus der Übersicht
von 6 in Kenntnis des
nachträglich
aus der Tabelle ermittelten richtigen Nutzechos eine neue Tabelle aufgestellt
wird.
-
Ein weiterer Vorteil des letztgenannten
Verfahrens besteht darin, daß die
Höhenliniensegmente in
der Tabelle auf sehr einfache Weise und insb. ohne aufwendige Algorithmen
erkennbar sind.
-
Außerdem können fehlende Daten der Tabelle
durch Extrapolation ermittelt und in der Tabelle abgelegt werden.
-
Das zuletzt beschriebene Verfahren
kann selbstverständlich
auch in abgewandelter und/oder vereinfachtet Form angewendet werden.
-
Ein solches Verfahren besteht z.B.
darin, ein Sendesignal S auszusenden, dessen Echosignal E aufzunehmen,
aus dem Echosignal mehrere Echos auszuwählen und diese ausgewählten Echos über einen
Zeitraum zu verfolgen. Es wird, genau wie bei dem zuvor beschriebenen
Verfahren eins dieser Echos als wahrscheinlich von einer Reflektion
an der Füllgutoberfläche stammendes
Nutzecho bestimmt. Ebenso werden während des Zeitraums periodisch Sendesignale
S ausgesendet, deren Echosignale E aufgenommen werden. Für jedes
Echosignal E wird die Laufzeit der ausgewählten Echos ermittelt wird und
für jedes
Echosignal E der dem Nutzecho zuzuordnende wahrscheinliche Füllstand
bestimmt.
-
Anschließend wird bei diesem Verfahren,
die diesem wahrscheinlichen Füllstand
entsprechende Spalte ermittelt, und in dieser Spalte für jedes
der ausgewählten
Echos in einer dem jeweiligen Echo entsprechenden Zeile ein Wert
abgelegt. Die so gewonnene Tabelle entspricht im wesentlichen der
in 6 dargestellten Übersicht.
Dort ist für
jedes Echos L, S, B eine eigene Zeile vorgesehen und in den Zeilen
sind die Laufzeiten der Echos L, S, B abgelegt. Da bei der Erstellung
der Übersicht
von 6 ein sich stetig
entleerender Behälter 3 zugrunde
gelegt wurde, sind die Spalten der Übersicht bereits in der richtigen
Reihenfolge angeordnet. Wäre
dies nicht der Fall, so erhält
man die gewünschte
Reihenfolge unmittelbar, indem man die Spalten nach den in der Zeile
des Nutzechos eingetragenen Laufzeiten sortiert.
-
Die so gewonnene Tabelle enthält, abgesehen
von der hier irrelevanten Zuordnung zu den Zeiten zu denen die Echosignale
E aufgezeichnet wurden, alle Informationen, die auch bei dem zuvor
beschriebenen Verfahren vorlagen. Entsprechend kann anhand der Tabelle
genau wie bei dem zuvor beschriebenen Verfahren eine Plausibiltätsbetrachtung vorgenommen
werden, deren Ergebnis das Nutzecho als an der Füllgutoberfläche reflektiertes Echo bestätigt oder
wiederlegt.
-
Ebenso können auch bei diesem Verfahren fehlende
Daten durch Extrapolation ermittelt werden.
-
Ist die Tabelle einmal erstellt und
abgelegt, können
mit dem Füllstandsmeßgerät jederzeit,
also auch nach längeren
Meßpausen,
Füllstandsmessungen
sofort nach dem Einschalten des Füllstandmeßgeräts vom Gerät eigenständig und insb. ohne die Vorgabe
eines aktuellen Füllstandes
oder eine andere Initialisierungsprozedur zuverlässige Füllstandsmessungen ausgeführt werden.
-
Hierzu weist das Füllstandsmeßgerät 5 eine Auswerteeinheit 19 auf,
die zur Bestimmung des Füllstandes
Zugriff auf die im Speicher 17 abgelegte Tabelle hat.
-
Bei der Füllstandsmessung wird ein Sendesignal
S ausgesendet, dessen Echosignal E aufgenommen, und aus dem Echosignal
E eine aktuelle Echofunktion abgeleitet.
-
Zur Bestimmung des Füllstandes
wird ein Vergleich der aktuellen Echofunktion mit den in der Tabelle
abgelegten Echofunktionen vorgenommen, aus dem dann der aktuelle
Füllstand
abgeleitet wird.
-
Dies geschieht vorzugsweise, in dem
durch den Vergleich diejenige in der Tabelle abgelegte Echofunktion
ermittelt wird, die die größte Übereinstimmung
mit der aktuellen Echofunktion aufweist. Der aktuelle Füllstand
wird dann gleich dem dem Spaltenindex der ermittelten Echofunktion
zugeordneten Füllstand
gesetzt.
-
Bei einer ersten Inbetriebnahme arbeitet
ein erfindungsgemäßes Füllstandsmeßgerät 5 genauso genau
und zuverlässig
wie herkömmliche
Füllstandsmeßgeräte. Es ist
aber, anders als herkömmliche Füllstandsmeßgeräte, in der
Lage selbsttätig
zu lernen. Durch die Aufstellung der Tabelle versetzt sich das Füllstandsmeßgerät ohne äußere Hilfe
und ohne zusätzlichen
Kosten- und/oder Zeitaufwand in die Lage, Meßfehler zu erkennen.
-
Auch bedarf es nach einer längeren Meßpause oder
einer vollständigen
Unterbrechung der Messungen keiner neuen Inbetriebnahme. Das Füllstandsmeßgerät 5 arbeitet
nach einer Wiederinbetreibnahme auf Grund der Daten in der Tabelle
sofort mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit. Es kann auch in schwierigen
Fällen
anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens
eindeutig dasjeniuge Echo erkennen, daß von einer Reflektion an der
Füllgutoberfläche herrührt.