EP4662464A1 - Verfahren zur festlegung eines füllstands-messbereichs - Google Patents

Verfahren zur festlegung eines füllstands-messbereichs

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EP4662464A1
EP4662464A1 EP24702326.0A EP24702326A EP4662464A1 EP 4662464 A1 EP4662464 A1 EP 4662464A1 EP 24702326 A EP24702326 A EP 24702326A EP 4662464 A1 EP4662464 A1 EP 4662464A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
container
level
distance value
level measuring
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24702326.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Höre
Manuel Sautermeister
Junaid Ali SHAH
Marco SUEVO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4662464A1 publication Critical patent/EP4662464A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/80—Arrangements for signal processing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications

Definitions

  • the invention relates to a method by means of which a relative or absolute level measuring range is defined in order to determine corresponding level values of filling materials in containers by means of runtime-based measurement.
  • appropriate field device types are used to record relevant process parameters.
  • suitable measuring principles are implemented in the respective field device types with which the corresponding process parameters, such as level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity, can be recorded.
  • a wide variety of such field device types are manufactured and sold by the “Endress + Hauser” group of companies.
  • Time-based measuring principles have been established for measuring the level of filling materials in containers because they are robust and contactless measurement is possible.
  • the measuring principle of time-of-flight measurement is based either on freely emitting high-frequency signals, in particular radar or ultrasound, or on guided emission of high-frequency signals, such as TDR ("Time Domain Reflectometry").
  • TDR Time Domain Reflectometry
  • FMCW Frequency Modulated Continuous l/l/ave
  • the pulse time-of-flight method which is implemented less frequently, is mainly used in ultrasound-based level measuring devices.
  • Time-of-flight based level measurement is well known from the state of the art, in the case of FMCW radar based level measurement for example from the published patent application DE 10 2013 108490 A1.
  • runtime-based level measuring devices have in common that the vertical distance from an upper end area in the container to the surface of the corresponding filling material is measured via the signal runtime of the high-frequency signal reflected there. Using the recorded signal runtime, the level of the filling material in the container can then be determined indirectly via the The container geometry must be taken into account.
  • the container geometry must be configured in the respective level measuring device in a customer- or application-specific manner. This can be done, for example, by manually entering key geometric data, such as the distance value from the level measuring device to the inner bottom of the container. Manual input is technically possible, for example, using suitable software tools such as smartphone apps, via the interface to the process control center, or via a display menu on the level measuring device. However, this only reduces the effort involved in commissioning the level measuring device on the container to a certain extent.
  • the invention solves this problem by a method for determining a level measurement range for the transit time-based measurement of a relative or absolute level value of a filling material in a container.
  • the method comprises the following method steps:
  • the distance value measured when the container is empty can either be defined directly as a fill level value of 0 (percent). Or this distance value is corrected by a defined offset, whereby this corrected distance value is defined as a fill level value of 0 (percent).
  • the correction by a defined offset makes sense, for example, if the container geometry causes a dead volume to form above the container bottom from which the corresponding amount of filling material cannot be emptied.
  • the zero value of the fill level defined according to the invention represents the lower limit of the fill level measuring range, whereby the measuring range can be defined either as an absolute measuring range or as a relative measuring range between 0% and 100%.
  • the upper limit can be defined by subtracting a defined absolute distance value from the possibly corrected distance value on which the fill level value of zero meters or zero percent is based. Accordingly, the extent of the measuring range in this case is determined by the absolute distance value.
  • the 100% fill level value can be determined by multiplying the distance value measured when the container is empty or the distance value corrected by the offset by a specified factor of a maximum of 1. It is advantageous if the factor is selected to be at least 0.75, in particular 0.95, so that the relative measuring range includes as wide a vertical portion of the container as possible.
  • the overall advantage of the method according to the invention is that no knowledge of the container geometry is required in order to be able to configure the fill level measuring device for the respective container or the respective application.
  • the method according to the invention can, for example, be implemented directly in the relevant level measuring device or in an integrated evaluation unit.
  • the evaluation unit of the level measuring device calculates the relative level value in regular measuring operation on the basis of the distance value measured there.
  • the advantage of a direct implementation of the method in the level measuring device is that the method can be started by a corresponding switching unit on the level measuring device, such as a switch or an equivalent, display-based input mask on the level measuring device.
  • a higher-level unit connected to the level measuring device such as a process control center or a cloud-based controller.
  • unit 1 in the context of the invention is understood to mean in principle any separate arrangement or encapsulation of those electronic circuits that are intended for the specific purpose, e.g. for measuring signal processing or as an interface.
  • the respective unit can therefore comprise corresponding analog circuits for generating or processing analog signals.
  • the unit can also comprise digital circuits such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with corresponding programs.
  • the program is designed to carry out the necessary process steps or to apply the necessary computing operations.
  • different electronic circuits of the respective unit within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit. It is not relevant whether different electronic circuits within the unit are arranged on a common circuit board or on several interconnected circuit boards.
  • runtime-based level measuring devices that are suitable for the method according to the invention generally include
  • a high-frequency unit which is designed to generate the high-frequency signals according to a defined time-of-flight principle and to determine the distance to the filling material surface or to the bottom of the container based on the corresponding received signals.
  • the transmit-receive arrangement can be designed either as an antenna, for example a hom or planar antenna, or as a measuring probe.
  • the transmit-receive arrangement can be designed as an antenna, for example, if the high-frequency unit transmits the high-frequency signals in particular according to the pulse time-of-flight or the FMCW method as radar signals.
  • the transmitting/receiving arrangement is also to be designed as an antenna if the high-frequency unit generates or processes the high-frequency signals as ultrasonic signals, in particular according to the pulse transit time method.
  • the transmitting/receiving arrangement is to be designed as a rod- or rope-shaped measuring probe if the high-frequency unit generates and processes the high-frequency signals with the appropriate design according to the TDR method.
  • Fig. 1 A radar-based level gauge on a container
  • Fig. 2 a schematic representation of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a container 3 with a filling material 2, the filling level L of which is to be determined.
  • the container 3 can be up to more than 100 m high.
  • a radar-based filling level measuring device 1 is attached to the container 3 above the filling material 2 in relation to the inner floor at an installation height do that varies depending on the container type.
  • the level measuring device 1 is connected to a higher-level unit 4, such as a local process control center or a decentralized server system, via a suitable interface, such as “4-20 mA”, “PROFIBUS”, “HART 1 ” , or “Ethernet”.
  • the measured level values L(%) can be transmitted via this, for example in order to control any inflows or outflows of the container 3.
  • other information about the general operating status of the level measuring device 1 can also be communicated via this.
  • the level measuring device 1 is attached to an opening in an upper end area of the container 3 in such a way that radar signals SHF, RHF can be transmitted into the container 3 via an antenna 11 or received after they are reflected on the surface of the filling material.
  • the radar signals SHF, RHF are generated within a high-frequency unit of the level measuring device 1, for example using the FMCW or pulse transit time method, or processed after receipt.
  • a measuring probe instead of the antenna 11, it is also conceivable to use a measuring probe as a transmitting/receiving arrangement that extends vertically downwards into the container 3, provided that the high-frequency unit operates according to the TDR method.
  • the level measuring device 1 After reflection of the emitted radar signals SHF on the surface of the filling material, the level measuring device 1 receives the reflected radar signals RHF, as shown in Fig. 1.
  • the resulting signal runtime t between emission and reception of the respective radar signal SHF, RHF behaves according to proportional to the distance d between the level measuring device 1 and the surface of the filling material 2.
  • the variable "c" in this context is the media-dependent radar propagation speed.
  • the FMCW or pulse propagation time method can be implemented in the level measuring device 1. Accordingly, in the case of the FMCW method, the high-frequency unit can include a corresponding phase-locked loop (“phase locked loop”). In the case of the pulse propagation time method, the high-frequency unit can be based on the principle of pulse subsampling.
  • the level measuring device 1 can thus determine the level L at least at certain points according to d - C/Q LJ, provided that the installation height do of the level measuring device 1 on the respective container 3 is known.
  • the installation height do can only be determined using a corresponding calibration measurement or corresponding knowledge of the container geometry.
  • appropriate design documents for the respective container type must be used.
  • Such geometric knowledge is also required in order to be able to define the limits of the level measurement range corresponding to the container type.
  • An absolute determination of the level value L may not be of interest, so that the limits of the measuring range define a level L% of 100% or 0%, within which the currently measured level is given as a relative value L%. Therefore, according to Fig. 2, a method can be carried out according to the invention to define the level measurement range 0% - 100% or its upper and lower limits, regardless of the container type and the container geometry.
  • the level measuring device 1 can output the relative or absolute level value L(%) in relation to the previously determined level measuring range 0% - 100% or 0 - Lmax.
  • the level measuring device 1 measures the distance do to the bottom of the container 3 when the container 3 is empty, analogous to the regular level measurement.
  • the measured distance value do or the corresponding signal runtime to/2 is then defined as the lower measuring range limit and thus either as an absolute level value L of zero meters, or as a relative level value L% of zero%.
  • the signal propagation time t or the distance d which is measured by the level measuring device 1 during regular measuring operation, is therefore exactly inversely proportional to the relative level value L% or vice versa.
  • the level value L% is specified in relation to the initially determined measuring range limits.
  • the absolute distance value z to be selected corresponds to the desired absolute extent of the measuring range 0 m - Lmax and has a metric or comparable unit. In this context, the absolute distance value z is to be selected so that the absolute measuring range 0 m - Lmax extends vertically over the entire interior of the respective type of container 3.
  • the method for determining the level measuring range 0 (%) - 100%/Lmax explained in Fig. 2 is implemented.
  • the method is implemented in the level measuring device 1 itself or in an integrated evaluation unit.
  • the level measuring device 1 can output the relative level value L% in the subsequent measuring operation based on the measured distance value d.
  • the level measuring device 1 can output the level value L(%) visually via a display, for example, or as a digital value via the interface to the higher-level unit 4.
  • this can be equipped with a corresponding switch, button or similar, so that this initiates the implementation of the method according to the invention.
  • the method according to the invention is carried out in the higher-level unit 4 after the higher-level unit 4 has initiated the measurement of the distance do to the container bottom on the level measuring device 1 and has requested the distance value do from the level measuring device.
  • the level measuring device 1 only has to send the measured distance value d to the higher-level unit 4 in the subsequent, regular measuring operation. in which the fill level value L(%) based thereon is determined.
  • the advantage according to the invention is that the fill level measuring device 1 can be used directly on the respective container 3 after carrying out the method without separate calibration and without having to know its geometry.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Festlegung eines Füllstands- Messbereichs (0 (%) - 100 %/Lmax) für die Laufzeit-basierte Messung von Füllständen (L(%)) in Behältern (3). Das Verfahren basiert darauf, bei entleertem Behälter (3) das entsprechende, Laufzeit-basierte Füllstandsmessgerät (1) am oberen Endbereich des Behälters (3) anzubringen und den Abstand (d0) zum Behälter-Boden zu messen. Hierdurch kann der Füllstands-Messbereich (0 (%) - 100 %/Lmax) sowohl relativ, also auch absolut definiert werden, indem die Grenzen des Messbereichs (0 (%) - 100 %/Lmax) auf Basis des gemessenen Abstandswertes (d0) bestimmt werden: Als unterer Grenze (0 (%)) wird der gemessene Abstandswert (d0) definiert. IM Falle eines relativen Messbereichs (0 % - 100 %) kann die obere Messbereichs-Grenze (100 %) definiert werden, indem der gemessene Abstandswert (d0) mit einem zuvor festgelegten Faktor (x) von maximal 1 multipliziert wird. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass das Füllstandsmessgerät (1) ohne Kalibration bzw. ohne Kenntnis über die Geometrie im Inneren des jeweiligen Behälters (3) einsetzbar ist.

Description

Verfahren zur Festlegung eines Füllstands-Messbereichs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mittels welchem ein relativer oder absoluter Füllstands-Messbereich festgelegt wird, um mittels Laufzeit-basierter Messung entsprechende Füllstandswerte von Füllgütern in Behältern zu bestimmen.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte-Typen eingesetzt. Zwecks Erfassung der Prozessparameter sind in den jeweiligen Feldgeräte-Typen daher geeignete Messprinzipien implementiert, mit denen die entsprechenden Prozessparameter, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit erfassbar sind. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen werden von der Firmengruppe „Endress + Hauser“ hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich lauzeitbasierte Messprinzipien etabliert, da sie robust sind und eine berührungslose Messung möglich ist. Dabei basiert das Messprinzip der Laufzeitmessung entweder auf frei abstrahlenden Hochfrequenz-Signalen, insbesondere Radar oder Ultraschall, oder auf geführter Abstrahlung von Hochfrequenz-Signalen, wie TDR („Time Domain Reflectometry“). Im Falle von frei abstrahlendem Radar ist hauptsächlich das FMCW-Verfahren („Frequency Modulated Continuous l/l/ave“) implementiert. Das dort weniger häufig implementierte Pulslaufzeit- Verfahren wird schwerpunktmäßig in Ultraschall-basierten Füllstandsmessgeräten eingesetzt.
Laufzeit-basierte Füllstandsmessung ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, im Falle von FMCW-Radarbasierter Füllstandsmessung beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 108490 A1.
Insgesamt ist Laufzeit-basierten Füllstandsmessgeräten gemeinsam, dass der vertikale Abstand von einem oberen Endbereich im Behälter zur Oberfläche des entsprechenden Füllgutes über die Signallaufzeit des dort reflektierten Hochfrequenz-Signals gemessen wird. Mittels der erfassten Signallaufzeit kann der Füllstand des Füllgutes im Behälter im Anschluss indirekt über die Berücksichtigung der Behälter-Geometrie erfasst werden. Dabei muss die Behälter-Geometrie Kunden- bzw. Applikations-spezifisch im jeweiligen Füllstandsmessgerät konfiguriert werden. Dies kann beispielsweise In Form von manueller Eingabe Geometrischer Eckdaten erfolgen, beispielsweise des Abstandswertes vom Füllstandsmessgerät zum Innenboden des Behälters. Technisch möglich ist die manuelle Eingabe beispielsweise über geeignete Software-Tools, wie Smartphone Apps, über die Schnittstelle zur Prozessleitstelle, oder über ein Displaymenü des Füllstandsmessgerätes. Hierdurch verringert sich der Aufwand bei der Inbetriebnahme des Füllstandsmessgerätes am Behälter jedoch nur zu einem gewissen Grad.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Füllstandsmessgerät bereitzustellen, das am Behälter einfach in Betrieb genommen werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Festlegung eines Füllstands-Messbereichs für die Laufzeit-basierte Messung eines relativen oder absoluten Füllstandswertes eines Füllgutes in einem Behälter. Hierzu umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
- Anbringen des entsprechenden, Laufzeit-basierten Füllstandsmessgerätes an einem oberen Endbereich des Behälters, wobei sichergestellt, ist, dass der Behälter komplett leer ist,
- Laufzeit-basierte Messung eines Abstandes zum Innenboden des Behälters, und
- Festlegung des Füllstands-Messbereichs, indem der Füllstandswert von null (Prozent) auf Basis des gemessenen Abstandswertes definiert wird.
Dabei kann der bei leerem Behälter gemessene Abstandswert entweder direkt als Füllstandswert von 0 (Prozent) definiert werden. Oder dieser Abstandswert wird um einen definierten Offset korrigiert, wobei dieser korrigierte Abstandswert als Füllstandswert von 0 (Prozent) definiert wird. Die Korrektur um einen definierten Offset macht beispielsweise Sinn, wenn durch die Behälter-Geometrie bedingt über dem Behälterboden ein Totvolumen ausgebildet wird, aus welchem die entsprechende Menge an Füllgut nicht entleert werden kann. Der erfindungsgemäß definierte null-Wert des Füllstandes stellt die untere Grenze des Füllstands-Messbereichs dar, wobei der Messbereich entweder als absoluter Messbereich, oder als relativer Messbereich zwischen 0 % und 100 % definiert werden kann. Im Falle eines absoluten Messbereichs kann die obere Grenze definiert werden, indem ein definierter Absolut-Distanzwert von demjenigen ggf. korrigierten Abstandswert subtrahiert wird, welcher dem Füllstandswert von null Meter bzw. null Prozent zugrunde liegt. Dementsprechend wird der Umfang des Messbereichs in diesem Fall durch den Absolut-Distanzwert festgelegt.
Sofern der Füllstands-Messbereich als relativer Messbereich definiert wird, kann der 100 % - Füllstandswert festgelegt werden, indem der bei leerem Behälter gemessene Abstandswert bzw. der entsprechend um den Offset korrigierte Abstandswert mit einem festgelegten Faktor von maximal 1 multipliziert wird. Vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Faktor mit zumindest 0,75, insbesondere mit 0,95, gewählt wird, so dass der relative Messbereich einen vertikal möglichst weiten Anteil des Behälters einschließt. Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insgesamt, dass keinerlei Kenntnisse über die Behälter-Geometrie bekannt sein müssen, um das Füllstandsmessgerät für den jeweiligen Behälter bzw. die jeweilige Applikation konfigurieren zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise direkt im betreffenden Füllstandsmessgerät bzw. in einer integrierten Auswerte-Einheit implementiert werden. Bei dieser Auslegung berechnet die Auswerte-Einheit des Füllstandsmessgerätes im regulären Messbetrieb auf Basis des dort gemessenen Abstandswertes den relativen Füllstandswert. Vorteilhaft an einer direkten Implementierung des Verfahrens im Füllstandsmessgerät ist, dass das Verfahren durch eine entsprechende Schalt-Einheit am Füllstandsmessgerät, wie bspw. durch einen Schalter oder eine gleichwertige, Display-basierte Eingabemaske am Füllstandsmessgerät gestartet werden kann. Denkbar ist jedoch auch, dass das erfindungsgemäße Verfahren durch eine mit dem Füllstandsmessgerät verbundene, übergeordnete Einheit wie einer Prozessleitstelle oder einer Cloud-basierten Steuerung, veranlasst wird. Unter dem Begriff „Einheit1 wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jegliche separate Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen verstanden, die für den konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Messsignal- Verarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Die jeweilige Einheit kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung analoger Signale umfassen. Die Einheit kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGAs, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Schaltungen der jeweiligen Einheit im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Dabei ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb der Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, miteinander verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.
Neben der Auswerte-Einheit umfassen Laufzeit-basierte Füllstandsmessgeräte, die für das erfindungsgemäße Verfahren infrage kommen, allgemein
- eine Sende-ZEmpfangs-Anordnung, mittels welcher Hochfrequenz- Signale gen Füllgut bzw. Behälterboden aussendbar und nach dortiger Reflektion als Empfangs-Signale einkoppelbar sind, und
- eine Hochfrequenz-Einheit, die ausgelegt ist, o gemäß eines definierten Laufzeit-Prinzips die Hochfrequenz- Signale zu erzeugen und anhand der korrespondierenden Empfangs-Signale den Abstand zur Füllgut-Oberfläche bzw. zum Boden des Behälters zu bestimmen.
Die Auslegung dieser Komponenten richtet sich nach dem jeweils implementierten Laufzeit-Verfahren. Konkret kann die Sende-ZEmpfangs- Anordnung entweder als Antenne, beispielsweise Hom- oder Planar-Antenne, oder als Mess-Sonde ausgelegt werden. Die Sende-ZEmpfangs-Anordnung ist beispielsweise als Antenne auszulegen, sofern die Hochfrequenz-Einheit die Hochfrequenz-Signale insbesondere gemäß des Pulslaufzeit- oder des FMCW-Verfahrens als Radar-Signale erzeugt bzw. verarbeitet. Korrespondierend hierzu ist die Sende-/Empfangs-Anordnung außerdem als Antenne auszulegen, sofern die Hochfrequenz-Einheit die Hochfrequenz- Signale insbesondere gemäß des Pulslaufzeit-Verfahrens als Ultraschallsignale erzeugt bzw. verarbeitet. Im Gegensatz dazu ist die Sende- /Empfangs-Anordnung als stab- oder seilförmige Mess-Sonde auszulegen, sofern die Hochfrequenz-Einheit die Hochfrequenz-Signale bei entsprechender Auslegung gemäß des TDR-Verfahrens erzeugt und verarbeitet.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Ein radarbasiertes Füllstandsmessgerät an einem Behälter, und
Fig. 2: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zum Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 ein Behälter 3 mit einem Füllgut 2 gezeigt, dessen Füllstand L zu bestimmen ist. Dabei kann der Behälter 3 je nach Art des Füllgutes 2 und je nach Einsatzgebiet bis zu mehr als 100 m hoch sein. Um den Füllstand L bestimmen zu können, ist ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in Bezug zum Innenboden in einer je nach Behälter-Typ unterschiedlichen Einbauhöhe do am Behälter 3 angebracht.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine geeignete Schnittstelle, wie beispielsweise beispielweise „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART1, oder „Ethernet, mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einer lokalen Prozess-Leitstelle oder einem dezentralen Server-System verbunden. Hierüber können die gemessenen Füllstandswerte L(%) übermittelt werden, beispielsweise um etwaige Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Hierüber können jedoch auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Gemäß des Laufzeitmessprinzips ist das Füllstandsmessgerät 1 derart an einer Öffnung im einem oberen Endbereich des Behälter 3 befestigt, so dass Radar-Signale SHF, RHF über eine Antenne 11 in den Behälter 3 hinein ausgesendet bzw. nach deren Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfangen werden können. Dabei werden die Radar-Signale SHF, RHF innerhalb einer Hochfrequenz-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 beispielsweise mittels des FMCW- oder des Pulslaufzeit-Verfahrens erzeugt bzw. nach Empfang verarbeitet. Anstelle der Antenne 11 ist es im Gegensatz zu der gezeigten Ausführungsvariante auch denkbar, als Sende-/Empfangs- Anordnung auch eine Mess-Sonde einzusetzen, die sich vertikal nach unten in den Behälter 3 erstreckt, sofern die Hochfrequenz-Einheit gemäß des TDR- Verfahrens arbeitet.
Nach Reflektion der ausgesandten Radar-Signale SHF an der Füllgut- Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Radar- Signale RHF, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Dabei verhält sich die resultierende Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar- Signals SHF, RHF gemäß entsprechend proportional zum Abstand d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und der Oberfläche des Füllgutes 2. Bei der Variable „c“ handelt es sich in diesem Zusammenhang um die jeweils medienabhängige Radar- Ausbreitungsgeschwindigkeit. Zur Bestimmung der Signallaufzeit t kann im Füllstandsmessgerät 1 das FMCW- oder das Pulslaufzeit-Verfahren implementiert sein. Dementsprechend kann die Hochfrequenz-Einheit im Falle des FMCW-Verfahrens beispielsweise eine entsprechende Phasenregelschleife („ Phase Locked Loop“) umfassen. Im Falle des Pulslaufzeit-Verfahrens kann die Hochfrequenz-Einheit auf dem Prinzip der Puls-Unterabtastung basieren.
Beispielsweise nach einer entsprechenden Kalibration kann die
Hochfrequenz-Einheit bzw. das Füllstandsmessgerät 1 die gemessene Signallaufzeit t wiederum dem jeweiligen Abstand d zuordnen. Hierüber kann das Füllstandsmessgerät 1 gemäß d — C/Q LJ den Füllstand L zumindest punktuell bestimmen, sofern die Einbauhöhe do des Füllstandsmessgerätes 1 am jeweiligen Behälter 3 bekannt ist.
Die Einbauhöhe do lässt sich in der Praxis jedoch nur über eine entsprechende Kalibrationsmessung bzw. entsprechende Kenntnisse über die Behälter- Geometrie bestimmen. Hierzu ist beispielsweise auf entsprechende Konstruktionsunterlagen des jeweiligen Behälter-Typs zurückzugreifen. Solch geometrische Kenntnisse sind zudem erforderlich, um die Grenzen des zum Behälter-Typ korrespondierenden Füllstands-Messbereichs definieren zu können. Dabei ist eine Absolut-Bestimmung des Füllstandswertes L gegebenenfalls nicht von Interesse, so dass die Grenzen des Messbereichs eine Füllstand L% von 100 % bzw. 0 % definieren, innerhalb welcher der aktuell gemessene Füllstand als relativer Wert L% angegeben wird. Daher kann gemäß Fig. 2 erfindungsgemäß ein Verfahren durchgeführt werden, um unabhängig vom Behälter-Typ und von der Behälter-Geometrie den Füllstands-Messbereich 0 % - 100 % bzw. dessen obere und untere Grenze zu definieren. Dadurch kann das Füllstandsmessgerät 1 nach Durchführung des Verfahrens den relativen oder absoluten Füllstandswert L(%) in Bezug zum zuvor ermittelten Füllstands-Messbereich 0 % - 100 % bzw. 0 - Lmax ausgegeben.
Zur Festlegung des Füllstands-Messbereichs 0 (%) - 100 % bzw. Lmax misst das Füllstandsmessgerät 1 bei leerem Behälter 3 analog zur regulären Füllstandsmessung den Abstand do zum Boden des Behälters 3. Der gemessene Abstandswert do bzw. die entsprechende Signallaufzeit to/2 wird im Anschluss als untere Messbereichs-Grenze und somit entweder als absoluter Füllstandswert L von null Meter, oder als relativer Füllstandswert L% von null % definiert. Um etwaigen Bodensatz oder ein unteres Totvolumen unterhalb des Auslasses im Behälter 3 als Bestandteil der nutzbaren Menge an Füllgut 2 auszuschließen, ist es gemäß des Verfahrens alternativ auch möglich, gemäß
0 (%) = do korr = (d0 — y) individuell einen absoluten Offset y zu definieren, durch welchen der Null-Wert des ggf. relativen Füllstandswertes L(%) leicht oberhalb des Behälterbodens definiert ist, wie in Fig. 1 veranschaulicht ist. Im Falle eins relativen Messbereichs wird dessen 100 %-Wert festgelegt, indem entweder der Abstand do zum Boden oder der korrigierte Abstand zum Boden do.kon- gemäß bzw. mit einem definierten Faktor x multipliziert wird. Dabei gilt zwangsweise x < 1
Nach dieser erfindungsgemäßen Definition der oberen und unteren Grenze des relativen Messbereichs 0 % - 100 % ist die Signallaufzeit t bzw. der Abstand d, welcher während des regulären Messbetriebs vom Füllstandsmessgerät 1 gemessen wird, also genau antiproportional zum relativen Füllstandswert L% bzw. umgekehrt. Dabei ist der Füllstandswert L% in Relation zu den anfänglich ermittelten Messbereichs-Grenzen angegeben.
Im Falle eines relativ zu definierenden Messbereichs 0 % - 100 % bietet es sich an, wenn der Faktor x möglichst nah an 1 gewählt wird, bspw. x = 0,95, damit sich der Füllstands-Messbereich 0 % - 100 % vertikal wiederum möglichst über die den kompletten Innenraum des Behälters 3 erstreckt. Hinsichtlich der oberen Messbereichs-Grenze des relativen Füllstands- Messbereichs 0 % - 100 %, also hinsichtlich des 100%-Wertes ist es jedoch analog zu dem etwaigen Offset y der unteren Messbereichs-Grenze denkbar, den Faktor x so zu wählen, dass sich der 100%-Wert auf gleicher Höhe zu einem Einlass des Behälters 3 befindet, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Anstatt den Messbereich bzw. die obere Grenze 100 % relativ zu definieren, ist es alternativ auch möglich, die obere Grenze Lmax gemäß
Als Absolutwert zu definieren. Dabei entspricht der zu wählende Absolut- Distanzwert z dem gewünschten, absoluten Umfang des Messbereichs 0 m - Lmax und weist entsprechend eine metrische oder vergleichbare Einheit auf. In diesem Zusammenhang ist der Absolut-Distanzwert z so zu wählen, dass sich der absolute Messbereich 0 m - Lmax wiederum vertikal möglichst über die den kompletten Innenraum des jeweiligen Typs an Behälter 3 erstreckt.
Im Rahmen der Erfindung ist es nicht relevant, in welcher Einheit das in Fig. 2 erläuterte Verfahren zur Festlegung des Füllstands-Messbereichs 0 (%) - 100 %/Lmax implementiert ist. Denkbar ist einerseits, dass das Verfahren im Füllstandsmessgerät 1 selbst bzw. in einer integrierten Auswerte-Einheit implementiert ist. In diesem Fall kann das Füllstandsmessgerät 1 nach Festlegung des Füllstands-Messbereichs 0 (%) - 100 %/Lmax im anschließenden Messbetrieb auf Basis des gemessenen Abstandswertes d den relativen Füllstandswert L% ausgeben. Dabei kann das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstandswert L(%) beispielsweise visuell über ein Display ausgeben, oder als digitalen Wert über die Schnittstelle zur übergeordneten Einheit 4. Für den Fall, dass das Verfahren durch das Füllstandsmessgerät 1 selbst ausgeführt wird, kann dieses mit einem entsprechenden Schalter, Taster oder Ähnlichem ausgestattet werden, so dass hierdurch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranlasst wird.
Andererseits ist es auch denkbar, dass das erfindungsgemäße Verfahren in der übergeordneten Einheit 4 durchgeführt wird, nachdem die übergeordnete Einheit 4 die Messung des Abstandes do zum Behälter-Boden am Füllstandsmessgerät 1 veranlasst und den Abstandswert do vom Füllstandsmessgerät abgefragt hat. In diesem Fall muss das Füllstandsmessgerät 1 im anschließenden, regulären Messbetrieb lediglich den gemessenen Abstands-Wert d an die übergeordnete Einheit 4 übermitteln, in welcher der darauf basierende, Füllstandswert L(%) bestimmt wird. Unabhängig davon, ob der absolute bzw. relative Füllstands- Messbereich 0 (%) - 100 %/Lmax im Füllstandsmessgerät 1 selbst, oder in der übergeordneten Einheit 4 bestimmt wird, resultiert erfindungsgemäß der Vorteil, dass das Füllstandsmessgerät 1 nach Durchführung des Verfahrens ohne separate Kalibration direkt am jeweiligen Behälter 3 einsetzbar ist, ohne dessen Geometrie kennen zu müssen.
Bezugszeichenliste
1 Füllstandsmessgerät
2 Füllgut 3 Behälter
4 Übergeordnete Einheit
11 Antenne d Abstand do Einbauhöhe bzw. Abstand zum Behälterboden L Absoluter Füllstandswert
Lmax Obere Grenze des absoluten Messbereichs
L% Relativer Füllstandswert
RHF, SHF (Reflektiertes) Radar-Signal t Signallaufzeit x Faktor y Offset z Absolut-Distanzwert

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Festlegung eines Füllstands-Messbereichs (0 (%) -
100 %/Lmax) für die Laufzeit-basierte Messung eines insbesondere relativen Füllstandswertes (L%) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3), folgende Verfahrensschritte umfassend:
- Bereitstellen des entleerten Behälters (3),
- Anbringen eines Laufzeit-basierten Füllstandsmessgerätes (1 ) an einem oberen Endbereich des Behälters (3),
- Laufzeit-basierte Messung eines Abstandes (do) zum Boden des Behälters (3), und
- Festlegung des Füllstands-Messbereichs (0 % - 100 %), indem der Füllstandswert von null bei leerem Behälter (3) auf Basis des gemessenen Abstandswertes (do) definiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der gemessene Abstandswert (do) dem Füllstandswert von null gleichgesetzt wird, oder wobei der gemessene Abstandswert (do) um einen definierten Offset (y) korrigiert und der korrigierte Abstandswert (do.korr) dem Füllstandswert von null gleichgesetzt wird,.
3. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllstands-Messbereich als relativer Messbereich (0 % - 100 %) definiert wird, und wobei der relative Füllstandswert von 100% auf Basis des bei leerem Behälter (3) gemessenen Abstandswertes (do) bzw. dem korrigierten Abstandswert (do.korr) definiert wird, insbesondere, indem der bei leerem Behälter (3) gemessene Abstandswert (do) bzw. der korrigierte Abstandswert (do.korr) mit einem Faktor (x) von maximal 1 multipliziert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Faktor (x) mit zumindest 0,75, insbesondere mit 0,95, gewählt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Füllstands-Messbereich als absoluter Messbereich (0 - /Lmax) definiert wird, und wobei der obere Grenzwert Lmax definiert wird, indem der bei leerem Behälter (3) gemessene Abstandswert (do) bzw. der korrigierte Abstandswert (do.korr) um einen Absolut- Distanzwert (z) subtrahiert wird.
6. Füllstandsmessgerät (1 ), umfassend:
- Eine Sende-/Empfangs-Anordnung (11 ), mittels welcher Hochfrequenz- Signale (SHF) gen Füllgut (2) bzw. Behälterboden (31 ) aussendbar und nach dortiger Reflektion als Empfangs-Signale (RHF) einkoppelbar sind,
- eine Hochfrequenz-Einheit, die ausgelegt ist, o gemäß eines definierten Laufzeit-Prinzips die Hochfrequenz- Signale (SHF) ZU erzeugen, und o anhand der korrespondierenden Empfangs-Signale (RHF) den Abstand (d, do) zur Füllgut-Oberfläche bzw. zum Boden des Behälters (3) zu bestimmen, und
- eine Auswerte-Einheit, in welcher das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche implementiert ist, um auf Basis des gemessenen Abstandswertes (d) den Füllstandswert (L%) in Bezug zum Füllstands-Messbereich (0 (%) - 100 %/Lmax) zu bestimmen bzw. auszugeben.
7. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 6, umfassend:
- Eine Schalt-Einheit, deren Betätigung die Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 veranlasst.
8. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei die Sende- /Empfangs-Anordnung als Antenne (11 ) oder als Mess-Sonde ausgelegt ist.
9. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Hochfrequenz-Einheit ausgelegt ist, die Hochfrequenz-Signale (SHF , RHF) insbesondere gemäß des Pulslaufzeit- oder des FMCW-Verfahrens als Radar- Signale zu erzeugen bzw. zu verarbeiten, sofern die Sende-/Empfangs- Anordnung als Antenne (11 ) ausgelegt ist.
10. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Hochfrequenz-Einheit ausgelegt ist, die Hochfrequenz-Signale (SHF , RHF) insbesondere gemäß des Pulslaufzeit-Verfahrens als Ultraschallsignale zu erzeugen bzw. zu verarbeiten, sofern die Sende-/Empfangs-Anordnung als Antenne (11 ) ausgelegt ist.
11. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die
Hochfrequenz-Einheit ausgelegt ist, die Hochfrequenz-Signale (SHF , RHF) gemäß des TDR-Verfahrens zu erzeugen bzw. zu verarbeiten, sofern die Sende-/Empfangs-Anordnung als Mess-Sonde ausgelegt ist.
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