Die Erfindung betrifft ein Füllstand-Meßverfahren, bei dem wiederholt in einer Sendephase zumindest ein Impuls in Richtung zur zu detektierenden Füllgutoberfläche ausge­ sandt und das von dort reflektierte, Nutz- und Störechos enthaltende Signal in einer Empfangsphase empfangen, in einem Speicher gespeichert und durch eine Auswerteschal­ tung ausgewertet wird.

Ein solches Füllstand-Meßverfahren ist beispielsweise aus der US-PS 4 596 144 bekannt. In dem dort beschriebenen akustischen Meßsystem werden in einem Speicher Echodaten zumindest eines Sendeimpulses gespeichert und der Verlauf dieser Echosignale durch Vergleich mit Geraden einer dem Abklingen der Amplituden des Echosignals entsprechenden Neigung verrechnet, um das gewünschte Nutzecho mit verbes­ serter Erfassungswahrscheinlichkeit zu ermitteln und aus­ werten zu können. Dieses Verfahren erfordert allerdings verhältnismäßig hohen Verarbeitungsaufwand. Zudem besteht weiterhin die auch sonst allgemein gegebene Schwierigkeit, Nutzechos, die direkt von der Füllgutoberfläche reflek­ tiert werden und die gewünschte Abstandsinformation bein­ halten, von Störechos zu unterscheiden, die von Behälter­ wandungen oder dergleichen stammen und damit keine rele­ vante Füllstandinformation enthalten.

Allgemein werden nämlich bei einer Füllstandmessung in Form einer Laufzeitmessung von ausgesandten und wieder zu­ rückreflektierten Signalen diese Signale nicht nur am Füllgut selbst, sondern auch an Behälterwänden, Behäl­ tereinbauten, Füllgutanbackungen, evtl. im Signalweg lie­ genden Fenstern, Stutzenrändern oder auch mehrfach zwi­ schen Füllgutoberfläche und Behälterdeckel oder -wand re­ flektiert. Das empfangene Signal beinhaltet somit im all­ gemeinen neben dem eigentlichen Nutzecho auch noch etliche Störechos völlig unterschiedlicher Laufzeit, wobei sich die einzelnen Echos zusätzlich in der Amplitude und ggf. der Echoform unterscheiden. Die Auswerteschaltung des Meß­ geräts muß daher aus der Fülle der in einem Empfangssignal vorhandenen Echosignale anhand einer Gewichtung dieser Echomerkmale (Laufzeit, Amplitude und ggf. Echoform) das direkt von der Füllgutoberfläche reflektierte Nutzecho er­ fassen können, um dieses hinsichtlich der Laufzeit und da­ mit des gemessenen Abstands auswerten zu können.

Um diese Nutzechoerkennung zu ermöglichen, werden häufig vom Bedienungspersonal Informationen über Parameter be­ treffend das Füllgut und den Behälter eingegeben und in der Auswerteschaltung des Füllstand-Meßgeräts gespeichert. zudem kann im Füllstand-Meßgerät ein Erfahrungskatalog über die Art und Weise der Nutzsignalextrahierung imple­ mentiert werden, um die Wahrscheinlichkeit der korrekten Nutzechoerfassung zu verbessern. Aufgrund der großen Band­ breite einsatzbedingter Aweichungen des Empfangssignal­ verlaufs ist es jedoch trotz solcher unterstützenden Maß­ nahmen schwierig, das Nutzecho mit hoher Zuverlässigkeit von Störechos zu unterscheiden und somit eine Füllstandde­ tektion mit hoher Genauigkeit durchzuführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Füllstand- Meßverfahren zu schaffen, das in verhältnismäßig einfacher Weise eine Verbesserung der Erkennung des Nutzechos er­ laubt und damit eine erhöhte Zuverlässigkeit und Genauig­ keit der Füllstanddetektion ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben.

Bei der Erfindung wird somit überprüft, ob in auf einander­ folgenden Signalverläufen Echoimpulse enthalten sind, die sich zeitlich kontinuierlich verschieben. Bei Erfassung solcher Echoimpulse werden diese als Nutzecho eingestuft.

Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß normalerweise alle Echosignale in ihrer zeitlichen Lage, bezogen auf den jeweiligen Außendezeitpunkt des Sendesi­ gnals, statisch sind. Dies rührt daher, daß die Signallaufzeiten bei Reflexion an den Behälterinnenwän­ den, usw. in zeitlicher Hinsicht stabil sind, so daß die Lage solcher Störimpulse auch bei wiederholten Messungen innerhalb des Empfangsprofils unveränderlich ist. Diese zeitliche Lagestabilität innerhalb des Empfangsprofils trifft normalerweise auch für das direkt von der Füll­ gutoberfläche reflektierte Nutzecho zu.

Bei einer Füllstanddetektion tritt aber der Fall auf, daß der das Füllgut enthaltende Behälter zu gegebenen Zeiten gezielt befüllt oder entleert wird. Hierbei verändert sich dann selbstverständlich auch die Höhenlage der Füllgutoberfläche, so daß sich die Laufzeit des von der Füllgutoberfläche reflektierten Nutzechos kontinuierlich ändert, nämlich bei Befüllung (und bei im Behälter-Deckel­ bereich montiertem Wandler) kontinuierlich kleiner wird, während sie umgekehrt bei Entleerung sich vergrößert. Diese Befüllung und/oder Entleerung wirkt sich damit deut­ lich auf die zeitliche Lage des Nutzechos aus, und beein­ flußt die zeitliche Lage der übrigen Echoanteile, d. h. der Störechos nicht.

Bei der Erfindung wird diese kontinuierliche Änderung des Nutzechos während der Befüllung oder Entleerung des Füll­ gutbehälters ausgewertet. Somit wird dieses zusätzliche Echomerkmal der dynamischen Verschiebung der zeitlichen Lage des Nutzechos während der Befüllung und/oder Entlee­ rung ergänzend erfaßt und ausgewertet. Es wird somit das­ jenige Echo, das seine Laufzeit über mehrere Messungen hinweg kontinuierlich ändert, während alle anderen Lauf­ zeiten konstant bleiben, als Nutzecho eingestuft.

Die während der aufeinanderfolgenden Empfangsphasen emp­ fangenen Signalverläufe können im Speicher im wesentlichen unverändert gespeichert werden - abgesehen von der übli­ cherweise vorhandenen Filterung und Digitalisierung sowie der ggf. durchgeführten Hüllkurvendemodulation. Alterna­ tiv ist es zur Verringerung des Speicherplatzbedarfs auch möglich, nicht die Signalverläufe direkt, sondern ledig­ lich Kenndaten hierfür zu speichern. Diese Kenndaten bein­ halten Aussagen über die zeitliche Lage und vorzugsweise auch über die Amplitude und das Echoprofil der einzelnen Echosignale innerhalb des Empfangssignals. In jeder Emp­ fangsphase werden somit Kenndaten für alle empfangenen Echoimpulse gebildet. Die Auswerteschaltung muß dann le­ diglich die Kenndaten aller empfangenen Echoimpulse auf­ einanderfolgender Signalverläufe im Hinblick auf zeitliche Verschiebung auswerten. Zusätzlich lassen sich in diesem Fall noch die weiteren Kontrollüberprüfungen durchführen, daß die Kenndaten für zeitlich dynamisch sich verschie­ bende Echoimpulse dahingehend kontrolliert werden, ob die Amplitudenwerte und ggf. auch das Echoprofil dieser Echoimpulse im wesentlichen gleich bleiben. Durch diese zusätzliche Kontrollüberprüfung kann sichergestellt wer­ den, daß tatsächlich das sich aufgrund einer Befüllung oder Entleerung zeitlich verschiebende, dem Nutzecho ent­ sprechende Impulssignal erfaßt wird. Durch diese Maßnahme lassen sich Störungen, die z. B. durch eingeblendete zu­ sätzliche vermeintliche Echosignale aufgrund des Befül­ lungslärms oder dergleichen hervorgerufen werden, unter­ drücken. Diese Berücksichtigung zusätzlicher Impulsklassifizierungsparameter wie etwa die Impulsampli­ tude und das Echoprofil ist selbstverständlich nicht nur bei Umsetzung der im empfangenen Signal vorhandenen Echoimpulse in Kenndaten möglich, sondern kann in gleicher Weise auch bei direkter Speicherung der ggf. bearbeiteten Empfangssignalverläufe stattfinden.

Als Nutzecho wird somit dasjenige Echo eingestuft, dessen Laufzeit sich aufgrund einer Befüllung oder Entleerung über mehrere Messungen hinweg kontinuierlich ändert. Die­ ses Echo ist beispielsweise auch von dem Echo eines Rühr­ werkflügels klar unterscheidbar, da letzteres Echo immer an derselben zeitlichen Stelle im Empfangsprofil erscheint und lediglich plötzlich auftaucht und dann wieder ver­ schwindet. In gleicher Weise läßt sich das Nutzecho auch von Echos unterscheiden, die aufgrund des Abbrechens einer Füllgutanbakung an der Behälterwand oder eines in die Meß­ strecke gelangenden Befüllstroms erzeugt werden. Solche Echos sind "springende" Echos, die an bestimmten zeitli­ chen Stellen plötzlich auftauchen und wieder verschwinden. Diese springenden Echos zeigen damit deutlich andere Cha­ rakteristik als die kriechenden Veränderungen des Nutzechos bei einer Füllstandänderung.

Ebenso ergeben Störreflexionsstellen, die bei einer Be­ füllung vom Füllgut überdeckt werden oder bei einer Ent­ leerung aus diesem auftauchen, lediglich eine radikale Am­ plitudenänderung bei konstanter Laufzeit, haben aber nicht den Effekt der kontinuierlichen Laufzeitänderung.

In manchen Fällen kann eine Mehrfachreflexion des Sende­ signals zwischen Füllgutoberfläche und Behälterdeckel auf­ treten, die zu mehreren äquidistanten Echos führen. Bei einer Befüllung oder Entleerung zeigen alle diese (vom Füllgutpegel abhängigen) Echos das Merkmal der kontinuier­ lichen Laufzeitänderung. Um auch in diesem Fall eine kor­ rekte Selektion des eigentlich gewünschten Nutzechos zu erreichen, werden erfindungsgemäß diejenigen dieser Echoimpulse als Nutzecho eingestuft, die die kürzeste Si­ gnallaufzeit zwischen Aussendung und Empfang haben. Bei mehreren Echos mit sich kontinuierlich ändernden Laufzei­ ten, die in der Regel auch noch gleiche gegenseitige zeit­ liche Abstände haben, ist somit stets das Echo mit der kürzesten Laufzeit das gesuchte Nutzecho.

Vorzugsweise wird der das Füllgut enthaltende Behälter, sofern möglich, in einer Testphase, die verhältnismäßig kurz sein kann, kontinuierlich gefüllt oder entleert und hierbei die Füllstandsmessung mehrfach wiederholt. In die­ ser Testphase ergibt sich somit zwangsweise eine Verschie­ bung der Laufzeit des Nutzechos, wobei noch zusätzlich die Richtung der kontinuierlichen Verschiebung der Laufzeit bekannt ist, da diese Richtung davon abhängig ist, ob der Behälter gefüllt oder entleert wird. Durch wiederholte Durchführung der Füllstandsmessung läßt sich somit das sich hierbei kontinuierlich in seiner zeitlichen Lage än­ dernde Nutzecho selektieren, so daß dieses bei den nachfolgenden Füllstandsmessungen mit hoher Zuverlässig­ keit herausgegriffen und ausgewertet werden kann.

Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Befül­ lung und/Entleerung des Füllgutbehälters aktiv zu erfas­ sen. Die Auswerteschaltung muß daher das Merkmal des sich kontinuierlich verändernden Nutzechos nicht selbsttätig aus dem Empfangssignalverlauf rekonstruieren und hieraus auf eine Befüllung oder Entleerung zurückschließen, son­ dern erhält vorteilhaft aktiv eine Information über die Befüllung oder Entleerung und kann auf der Basis dieser Information den Empfangssignalverlauf gezielt im Hinblick auf die Detektion eines sich in seiner Laufzeit kontinu­ ierlich verändernden Impulses, nämlich des Nutzechos, aus­ werten. In diesem Fall kann die Auswerteschaltung so aus­ gelegt sein, daß sie das Empfangssignal nur dann im Hin­ blick auf zeitlich sich kontinuierlich verschiebende Echoimpulsanteile untersucht, wenn eine Befüllung oder Entleerung des Behälters erfaßt wird. Außerhalb einer Be­ füllung oder Entleerung des Behälters evtl. auftretende, beispielsweise durch Erschütterungen hervorgerufene Si­ gnallaufzeitveränderungen bleiben damit unberücksichtigt, d. h. sie haben keine negativen Auswirkungen auf die Nutzechoselektion.

Die Befüllung oder Entleerung kann durch einen oder meh­ rere Sensoren im Befüllungs- und/Entleerungsschacht oder an den Einlaß- und/oder Auslaßverschlüssen erfaßt werden.

Vorzugsweise wird bei Erfassung einer solchen Befüllung oder Entleerung die Wiederholfrequenz der Füllstanddetek­ tion erhöht, so daß eine erhöhte Anzahl von Empfangspro­ filverläufen bereitgestellt wird, die sich im Hinblick auf die kontinuierliche Verschiebung von in diesen Emp­ fangsprofilverläufen enthaltenen Echoimpulsanteilen mit erhöhter Zuverlässigkeit auswerten lassen. Durch die Be­ reitstellung von Empfangsprofilverläufen mit kleinerem zeitlichen Abstand als üblich kann die Auswerteschaltung diese kontinuierliche Änderung der Lage des Nutzechos mit verbesserter Genauigkeit erkennen und von evtl. vorhan­ denen kurzfristigen Störeffekten klarer unterscheiden.

Die Erfindung ermöglicht somit eine verbesserte Selektie­ rung zwischen Nutz-und Störechos bei Füllstand-Meßgeräten selbst dann, wenn sehr viele oder große Störechos vorhan­ den sind. Durch die Auswertung des Echomerkmals "Dynamik" ist es somit schon nach einer einmaligen Änderung des Füllstands möglich, das Nutzecho, das den kürzesten Ab­ stand zwischen Meßgerät und Füllgutoberfläche aufweist, aus einer Vielzahl von Reflexionen herauszugreifen. Hier­ durch erhöht sich die Meßsicherheit des Geräts zur berüh­ rungslosen Füllstandmessung in erheblichem Umfang.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbei­ spiels einer Auswerteschaltung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 mehrere während aufeinanderfolgenden Messun­ gen gewonnene Empfangssignalverläufe.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbild einer Auswer­ teschaltung zur Füllstandmessung wird an einem Eingang 1 das von einem Füllstandsensor abgegebene Empfangssignal angelegt. Der Füllstandsensor ist als Schallwandler, vor­ zugsweise Ultraschallwandler ausgebildet, der nach Absen­ dung eines Ultraschallimpulses die hierdurch hervorgerufe­ nen Echoimpulse erfaßt und ein Ausgangssignal abgibt, das alle während der Empfangsphase empfangenen Nutz- und Stö­ rechos enthält. Der Füllstandsensor kann aber durch einen Mikrowellensender und -empfänger gebildet sein.

Das am Eingang 1 auftretende analoge Echoprofil kann zuvor einer Filterung und vorzugsweise einer zusätzlichen Hüll­ kurvendemodulation unterzogen sein. Das Echoprofil liegt am Eingang 1 in analoger Form vor und wird bei jeder peri­ odisch wiederholten Füllstandmessung des Füllgutbehälters an den Eingang 1 angelegt.

Ein mit dem Eingang 1 verbundener Analog-Digital-Wandler 2 tastet das analoge Empfangssignal am Eingang 1 ab und di­ gitalisiert dieses. Die dabei entstehenden digitalen Daten werden über einen Bus 3, der als Adressen- und Daten-Sam­ melleitung dient, in einem Datenspeicher 5 zwischengespei­ chert. Ein Mikroprozessor 4 organisiert, steuert und über­ wacht alle Abläufe und besitzt Zugriff auf alle an dem Bus 3 angeschlossenen Bausteine. Der Mikroprozessor 4 wird durch eine Zusatzlogik 6 für die Adressierung unterstützt.

Der Datenspeicher 5 besitzt einen flüchtigen Direktzugriffsspeicher-Bereich, in dem die vom Analog-Di­ gital-Wandler abgegebenen Daten und evtl. weitere Daten oder Kenngrößen für die Empfangsprofile zwischengespei­ chert werden. Weiterhin ist ein Programmspeicher 7 in Form eines EPROM vorhanden, in dem ein zur Echoauswertung aus­ zuführendes Programm gespeichert ist. Die im Programm enthaltenen Befehle werden vom Mikroprozessor 4 Schritt für Schritt abgearbeitet. Hierbei werden die im Datenspei­ cher 5 gespeicherten Daten über das aktuelle Echoprofil des Füllgutbehälters im Hinblick auf im Echoprofil enthaltene, sich in ihrer Laufzeit kontinuierlich ver­ schiebende Echoimpulse ausgewertet. Bei Erfassung eines solchen Echoimpulses greift der Mikroprozessor 4 diesen Impuls als Nutzecho heraus. Auch bei nachfolgenden Messun­ gen, bei denen sich die zeitliche Lage des erkannten Nutzechos nicht länger verschiebt, da keine Befüllung oder Entleerung des Behälters stattfindet, zieht der Mikropro­ zessor 4 stets dieses erkannte Nutzecho bei der Auswertung nachfolgender Empfangssignale (Echoprofile) heran und be­ rechnet aus der zeitlichen Lage dieses Nutzechos den Füll­ stand.

Das Ergebnis der Echoprofilauswertung, d. h. Daten über den aktuellen Füllstand, werden über eine Ein-/Ausgabe- Einheit 8 nach außen abgegeben. Über die Ein-/Ausgabe-Ein­ heit 8 können auch anwendungsspezifische Parameter, die für das Auswerteverfahren von Bedeutung sind, von außen in die Auswerteschaltung eingegeben werden. Solche Daten wer­ den vorzugsweise in einem nicht-flüchtigen Datenbereich des Datenspeichers 5 gespeichert. Der nicht-flüchtige Speicherbereich kann beispielsweise durch ein EEPROM gebildet sein.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf dreier bei auf einan­ derfolgenden Messungen erhaltener Empfangssignale 10 ge­ zeigt. Die in den Fig. 2a), 2b) und 2c) gezeigten Emp­ fangssignale folgen zeitlich aufeinander, d. h. das Empfangssignal gemäß Fig. 2a) liegt zeitlich früher als dasjenige gemäß Fig. 2b) und dieses wiederum zeitlich früher als das gemäß Fig. 2c).

Das Empfangsprofil 10 enthält mehrere Echoimpulse 11 bis 14, wobei die Echoimpulse 11, 13 und 14 Störechos sind. Das Nutzecho ist mit 12 bezeichnet.

Die in Fig. 1 gezeigte Auswerteschaltung führt eine ge­ genseitige Überprüfung der zeitlichen Lage der empfangenen Echoimpulse 11 bis 14 für mehrere aufeinanderfolgende Emp­ fangszyklen durch. Hierzu speichert der Datenspeicher 5 die Empfangssignale bzw. entsprechende Echoimpuls-Kennda­ ten für mindestens zwei, vorzugsweise aber drei oder meh­ rere aufeinanderfolgende Empfangszyklen.

Bei der gegenseitigen Überprüfung der zeitlichen Lage der Echoimpulse 11 bis 14 bei auf einanderfolgenden Empfangszy­ klen erfaßt der Mikroprozessor 4, daß sich die zeitliche Lage des Echoimpulses 12 kontinuierlich verschiebt, wäh­ rend die zeitliche Lage der anderen Impulse 11, 13 und 14 unverändert bleibt. Auf der Basis dieses Kriteriums der zeitlichen Verschiebung eines Echoimpulses erfaßt der Mi­ kroprozessor 4, daß der Echoimpuls 12 das gesuchte Nutzecho ist, und wertet dessen Laufzeit aus. Abhängig von der ermittelten Laufzeit gibt der Mikroprozessor 4 ein entsprechendes Füllstandsignal an die Ein-/Ausgabe-Einheit 8 ab.

Der Mikroprozessor 4 speichert nach Erkennung des Nutzechos 12 hierfür repräsentative Daten im Datenspeicher 5 ab, so daß auch bei den nachfolgenden Auswertungen, bei denen das Nutzecho 12 wegen fehlender Befüllung oder Ent­ leerung des Behälters stationär bleibt, dieser Echoimpuls als Nutzecho herausgegriffen wird.

Die erfindungsgemäße Füllstands-Meßeinrichtung kann auch mit einem oder mehreren Sensoren zur aktiven Erfassung der Befüllung oder Entleerung des Füllgutbehälters ausgestat­ tet sein. Diese Sensoren können an den Einlaß- oder Aus­ laßschächten des Füllgutbehälters oder an Einlaß- oder Auslaßverschlüssen desselben angebracht sein. Die Signale dieser Sensoren werden über eigene Eingänge oder über die Ein-/Ausgabe-Einheit 8 an den Mikroprozessor 4 angelegt. Der Mikroprozessor 4 ist in diesem Fall vorzugsweise so ausgelegt, daß er lediglich bei Erfassung einer Behälter­ füllung oder Entleerung eine Überprüfung im Hinblick auf Verschiebungen der zeitlichen Lage einzelner Echoimpulse durchführt.

Um während der Befüllung oder Entleerung des Behälters eine ausreichende Datenmenge zur zuverlässigen Erfassung der Echoimpulsverschiebung bereitzustellen, wird vorzugs­ weise die Wiederholfrequenz während dieser Phase erhöht, d. h. die Anzahl der ausgesendeten und empfangenen Impulse je Zeiteinheit gegenüber dem normalen Meßrhythmus ver­ größert.

Es kann auch eine separate Testphase mit Befüllung oder Entleerung des Behälters vorgesehen sein, um definierte Verhältnisse zu schaffen. In dieser Testphase führt die Auswerteschaltung dann gezielt die Erkennung der Im­ pulsverlagerungen durch, um das Nutzecho zu selektieren.

Wenn beispielsweise aufgrund entsprechender Sensorsignale bekannt ist, ob der Behälter gefüllt oder entleert wird, kann der Mikroprozessor 4 diese Information zusätzlich auswerten. Diese Information gibt nämlich zugleich vor, ob sich die Laufzeit des interessierenden Nutzechoimpulses erhöhen oder verlangsamen wird. Der Mikroprozessor 4 bil­ det hieraus ein zusätzliches Selektionskriterium, gemäß dem lediglich ein solcher Impuls als Nutzecho eingestuft wird, dessen Laufzeit sich in der richtigen Richtung bei aufeinanderfolgenden Messungen kontinuierlich verändert.

Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Füllstand-Meßvor­ richtung sowie eine Auswerteschaltung, die entsprechend den vorstehenden Angaben ausgestaltet sind und arbeiten.