WO2009030582A1 - Verfahren zur ermittlung und überwachung des füllstands eines mediums in einem behälter nach einem laufzeitmessverfahren - Google Patents

Verfahren zur ermittlung und überwachung des füllstands eines mediums in einem behälter nach einem laufzeitmessverfahren Download PDF

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WO2009030582A1
WO2009030582A1 PCT/EP2008/060498 EP2008060498W WO2009030582A1 WO 2009030582 A1 WO2009030582 A1 WO 2009030582A1 EP 2008060498 W EP2008060498 W EP 2008060498W WO 2009030582 A1 WO2009030582 A1 WO 2009030582A1
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WO
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echo
ausblendkurve
curve
support points
envelope
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/060498
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Hammer
Alexey Malinovskiy
Edgar Schmitt
Herbert Schroth
Dietmar Spanke
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+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.)
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Publication date
Application filed by Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg filed Critical Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg
Priority to US12/735,970 priority Critical patent/US8639457B2/en
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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

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining and
  • Level in a container are often used in the measuring instruments of automation and process control technology.
  • the Applicant produces and distributes such level gauges under the names Prosonic, Levelflex and Micropilot, which operate according to the transit time measurement method and serve to determine and / or monitor a level of a medium in a container.
  • These level gauges send a periodic transmission signal in the microwave or ultrasonic range by means of a transmitting / receiving element in the direction of the surface of a medium and receive the reflected echo signals after a distance-dependent transit time.
  • microwave level gauges can be basically divided into two classes; a first class in which the microwaves are sent by means of an antenna in the direction of the medium, reflected on the Medgutober Structure and then received again after a distance-dependent run time and a second class, in which the microwaves are guided along a waveguide in the direction of the medium at the Medgutober decoration be reflected due to the impedance jump existing there and the reflected waves along the waveguide are led back again.
  • the transit time measurement method can be essentially in two
  • the first discovery method is based on a transit time measurement that requires a pulse train modulated signal for the distance covered; a second widely used method of determination is based on the determination of the frequency difference of the currently transmitted, continuously frequency-modulated High frequency signal to the received, reflected high frequency signal (FMCW - Frequency-Modulated Continuous Wave).
  • FMCW continuously frequency-modulated High frequency signal
  • reflected high frequency signal FMCW - Frequency-Modulated Continuous Wave
  • Echo amplitudes formed as a function of the duration echo function representing each value of this echo function of the amplitude of a reflected at a certain distance from the transmitting element echo.
  • a useful echo is determined, which corresponds to the reflection of the transmission signal at the Gregutober Design. From the transit time of the useful echo, the distance between the product surface and the transmitter element results directly at a known propagation speed of the transmission signals.
  • the received raw signal of the pulse sequences are not used, but it is the envelope, the so-called envelope, determined.
  • the envelope is obtained, for example, by rectifying the raw signal of the pulse trains and then filtering them via a low-pass filter.
  • Echosuchalgorithmus the useful echo, which has a greater amplitude than the other echoes selected.
  • the echo in the envelope with the largest amplitude is determined as the true echo.
  • Echosuchalgorithmus assumed that the useful echo after the transmission pulse is the first incoming echo in the envelope. Thus, the first echo in the envelope is selected as the true echo.
  • the firstchofactor is a given factor by which an echo must exceed a certain amplitude in order to be recognized as useful echo.
  • the level gauge is notified once the current level.
  • the level gauge can identify the associated echo as a true echo based on the predetermined level and, for. followed by a suitable dynamic echo search algorithm.
  • Such methods are called echo tracking. In doing so, e.g. maxima of the echo signal or the echo function are determined in each measurement cycle and the useful echo is determined on the basis of the knowledge of the fill level determined in the preceding measurement cycle and an application-specific maximum expected rate of change of the fill level. From a running time of the current useful echo thus determined, the new fill level results.
  • a fourth method is described in DE 102 60 962 A1.
  • the useful echo is determined based on previously stored in a memory data.
  • echo functions are derived from received echo signals which reproduce the amplitudes of the echo signals as a function of their transit time.
  • the echo functions are stored in a table, each column serving to record one echo function each.
  • the echo functions are stored in the columns in an order which correspond to the fill levels associated with the respective echo functions.
  • the wanted echo and the associated fill level are determined by means of the echo function of the current transmit signal with the aid of the table.
  • a fifth method is described in which periodically sending signals are sent in the direction of the contents whose echo signals are recorded and converted into an echo function, at least one echo property of the echo function is determined, and based on the echo properties at least a prediction is derived from a prediction of the echo properties expected in the current measurement.
  • the echo properties of the current measurement are determined using the prediction, and the echo properties are used to determine the current echo properties Level determined. This method comes close to echo tracking in the broadest sense.
  • measurement problems occur if fittings are present in the container, which reflect the transmission signals better than the product surface.
  • the invention has for its object to provide an improved and adaptive method for determining useful echo signals in echo curves.
  • the object is achieved by a method for
  • the interpolation points of the envelope curve, the blanking curve and / or the evaluation curve are reduced by a section-wise linear approximation as a reduction algorithm by adding the amplitude distances of the interpolation points for all interpolation points of at least one section of the envelope curve, the blanking curve and / or the evaluation curve a line between a left and right adjacent support point are determined and the bases are deleted at least in the section of the envelope, Ausblendkurve and / or the evaluation curve with the least determined amplitude intervals.
  • the method is that the piecewise linear approximation is performed cyclically until a predetermined deviation of the Amplitude intervals and / or a predetermined number of vertices is achieved.
  • An advantageous embodiment of the solution according to the invention proposes to reduce the bases of Ausblendkurve and / or the evaluation curve by a linear regression as a reduction algorithm, are deleted in the superfluous bases that are not on the regression line.
  • a very advantageous variant of the method according to the invention can be seen in the fact that the interpolation points of the blanking curve and / or the evaluation curve are reduced by the reduction algorithm to the extreme points, vertices and / or inflection points of the blanking curve and / or the evaluation curve.
  • a particularly advantageous development of the method according to the invention proposes that the interpolation points in the Ausblendkurve and / or the evaluation curve is deleted by the reduction algorithm in a predetermined interval periodically.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention provides that at each interpolation point in the Ausblendkurve and / or the evaluation curve, the slope of the mutually adjacent connection functions by the reduction algorithm is compared with each other and is deleted when falling below a predetermined difference value of the two slopes of this base ,
  • Method is that the histories of the support values and / or support points of the individual points in the Ausblendkurve and / or the evaluation curve as at least a maximum state and / or a minimum state stored in at least one slave pointer and / or displayed.
  • a very advantageous variant of the method according to the invention can be seen in that in a processing mode, the number and / or the distance of the bases for performing the reduction algorithm, the connection functions of the individual bases and / or additional bases via an input / output unit be specified on the field device and / or via an external operating unit.
  • a useful, alternative embodiment of the method according to the invention is that in a processing mode, the positions of individual bases and / or groups of bases via an input / output unit on the field device and / or an external control unit to be changed.
  • the positions of individual interpolation points and / or groups of interpolation points be changed by means of a compensation function with adjustable influence profiles that match the positions of the adjacent interpolation points corresponding to the adjusted influence profiles.
  • An advantageous embodiment of the inventive solution is that in the edit mode, the additional vertices as vertices with both sides adjacent, sloping connection functions that have a predefined length and / or a predefined slope, are specified.
  • the procedure is to place the extra vertices in the skip curve and / or the score curves and these additional ones Support points are integrated by re-forming connection functions in the existing Ausblendkurve and / or the evaluation curve.
  • a very advantageous variant of the method according to the invention can be seen in that at least one piecewise linear interpolation, one spline interpolation and / or at least one polynomial interpolation are used as connection functions.
  • the envelope, the Ausblendkurve and / or the evaluation curve is generated in sections either in a replacement mode or in a superposition mode from the maximum values of the old stored and the newly added Hüllkminister, Ausblendkurve and / or evaluation curve is formed.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a measuring device for determining the level with a corresponding echo function
  • FIG. 2 shows a first illustration of the curve diagrams of the measuring device from FIG. 1 with an evaluation curve and a blanking curve
  • FIG. 3 is an enlarged view of section A of the graphs of Fig. 2,
  • FIG. 5 shows a second illustration of the curve diagrams from FIG. 1 at the beginning of the processing mode of the evaluation curve and / or the blanking curve, FIG.
  • Fig. 6 is an illustration of the graphs of Fig. 5 at the end of Edit mode of the evaluation curve and / or the blanking curve
  • FIG. 8 shows a third illustration of the curve diagrams of the measuring device from FIG. 1 with an envelope curve
  • FIG. 9 is an enlarged view of the detail D of the envelope of Fig. 8.
  • FIG. 10 shows a first representation of a reduction of the interpolation points of the curve diagrams from FIG. 8 by means of a piecewise linear approximation of the envelope with a small deviation.
  • FIG. 11 shows a second illustration of a reduction of the interpolation points of FIG.
  • FIG. 1 shows a measuring device 1 operating according to the transit time measuring method for determining the filling level h of a medium 7, which is mounted on a container 5, for example, via a process connecting piece.
  • the measuring device 1 shown is mainly a transmitting / receiving element 6 with a transmitter 9 which radiates freely into the process space.
  • This transmitter 9 comprises, at least one transmitting / receiving unit 3, the generation and reception of the measuring signals, such as ultrasound - And microwave signals accomplished, a control / evaluation unit 2, which allows signal processing of the measurement signals and control of the meter 1, and also a communication unit 4, which controls the communication via a bus system, and the power supply of the measuring device 1 and controls.
  • the measuring device 1 communicates, for example, with an external operating unit 29, which, for example, as a mobile computer, a notebook and / or personal digital assistant (PDA), enables a simpler and more extensive operation of the measuring device 1.
  • This external operating unit 29 is via a Radio network, such as WLAN, or a connection line with the meter 1 at least temporarily connected and communicates via this radio network or the connection line with the meter 1.
  • a Radio network such as WLAN
  • the meter 1 and the graphs with represent an echo function 10 accordingly.
  • the transmitting / receiving element 6 is in this embodiment, for example, designed as a horn antenna, via which a microwave signal is emitted as a transmission signal S in the direction of the medium with a predetermined radiation characteristic.
  • the transmitting / receiving element 6 in any known free radiating antenna form, such as rod, parabolic or planar antenna, be designed or used according to the method of time domain reflectometry, as the high-frequency microwave signals leading measuring probe, such as rod or rope, be configured.
  • an ultrasonic sensor or for determining the transit time of a light signal according to the optical measuring method an optical sensor can be used as the transmitting / receiving element 6 for determining the transit time of an ultrasonic signal according to the sound measuring method.
  • a high-frequency microwave signal is generated as transmission signal S in the transmitting / receiving unit 3 and transmitted or emitted via the antenna as a corresponding transmitting / receiving element 6 in a predetermined emission characteristic in the direction of medium 7.
  • the transmission signals S reflected at the interface 8 of the medium 7 are received as a reflection signal R from the transmitting / receiving element 6 and the transmitting / receiving unit 3.
  • the downstream control / evaluation unit 2 determines from the reflection signals R an echo function 10, which represents the amplitude values Amp of the echo signals 14 of these reflection signals R as a function of the distance traveled x or the corresponding transit time t.
  • the transmitting / receiving unit 3 comprises at least one RF module which generates, for example, high-frequency, pulse-shaped transmission signals S in the gigahertz range, eg 6 GHz or 26 GHz, and a homodyne and / or heterodyne Receiver, in which the received reflection signals R signal-technically preprocessed and time-stretched in an envelope 11 are implemented.
  • echo function 10 is used in the description, whereby this term likewise implies the terms of the echo curve 10, the envelope function or the digital envelope 11.
  • An echo function 10 depicting the measurement situation in the container 5 is shown in a curve diagram proportional to the running distance x of the transmission signal S.
  • the curve diagram is shown rotated and the interference elements 19 are shown by reference lines associated with the corresponding clutter echo signals 16 in the echo function 10, so that the cause-effect principle can be detected at a glance.
  • a zero line 21 determines from which position the measuring range of the measuring device 1 begins.
  • the decay behavior or the so-called ringing can be seen, which can arise due to multiple reflections or further by buildup in the transmitter / receiver element 6 or the nozzle.
  • These spurious echo signals are also called clutter in English.
  • the running distance x or the transit time t is plotted on the abscissa and the amplitude value Amp on the ordinate of the Cartesian coordinate system of the curve diagrams.
  • FIG. 2 An approach to determine the exact position X 1 of the useful echo signal 15 for determining the level h in the determined echo function 10 is shown in FIG. 2.
  • the echo function 10 of FIG. 1 is enlarged and shown rotated in the horizontal.
  • the required transit time t or the travel path x of the transmission signal S and of the reflection signal S in the container 5 is plotted on the abscissa axis, and the ordinate axis shows the amplitude values Amp of the echo function 10 of the measurement signal.
  • a weighting curve 23 is shown, for example, by means of a static echo search algorithm, e.g. is determined by means of a moving averaging function as a mathematical filter function from a specially determined echo function 10 and / or by means of an echo function 10 determined during commissioning in the empty container 5.
  • This evaluation curve 23 is used to determine the useful echo signals 15 in the echo function 10. Accordingly, this evaluation curve 23 is used as a reference or abort criterion for the static echo search algorithm for determining useful echo signals 15 in the echo function 10.
  • the signal components that lie above the determined evaluation curve 23 are identified by the static echo search algorithm as useful echo signals 15.
  • a Ausblendkurve 22 is shown, based on the permanent spurious echo signals 16 and / or noise signals, for example, by Störreflexionen to internals 19 in the container 5, by multipath propagation and multimode propagation, by foam and accumulation of the medium 7 and by turbulent media surfaces 8 may arise, be hidden.
  • Both curves, the evaluation curve 23 and the Ausblendkurve 22 begin from a zero line 21, which sets the measuring range limit of the measuring device 1 and indicating the end position to the structural reasons of the measuring device 1, a measurement of the level h is possible.
  • This measuring range limit or the measuring range becomes for example, defined by the surfaces of a filled with a filler horn antenna as a transmitting / receiving element 6.
  • the parameters also include information about the geometry of the container 5 used, an empty distance of the container 5, and a zero line 21 characterizing the measuring range upper limit.
  • Selection rules for determining the useful echo signal 15 also play an important role. These static selection rules are often referred to in industry as the first echo factor. Depending on the application, such selection rules may stipulate that the echo signal 14 with the shortest transit time is to be selected as the useful echo signal 15, that the echo signal 14 with the greatest amplitude values Amp be selected as the useful echo signal 15, or that the useful echo signal 15 be selected on the basis of a weighting function Running times t and the amplitude values Amp of the echo signals 14 taken into account.
  • the evaluation curve 23 and the Ausblendkurve 22 the position X 1 of the useful echo signal 15 in the echo function 10 is determined.
  • the evaluation curve 23 and the blanking curve 22 can have no relation to the current measuring situation and thus provide a false measured value.
  • a further interference signal 16 in the echo function 10 are generated, which is not hidden by the Ausblendkurve 22 and thus can be detected by the echo search algorithm as a useful echo signal 15.
  • the interference signals 16 change due to the formation of deposits or condensation of the medium 7 and internals 19 and are no longer suppressed by the Ausblendkurve 22 or hidden.
  • the envelope 11, the Ausblendkurve 22 and / or the evaluation curve 23 in sections newly generated either in a replacement mode or in a superposition mode from the maximum values of the old stored and the newly recorded envelope 11, Ausblendkurve 22 and / or evaluation curve 23 is formed
  • the replacement mode the stored envelope 11, the stored Ausblendkurve 22 and / or the stored evaluation curve 23 is at least partially overwritten by the newly recorded curves in this section.
  • the overlay mode the envelope 11, the skip curve 22 and / or the evaluation curve 23 are at least partially re-recorded and the new curves compared with the stored curves by only the maximum values of the amplitudes of the new and stored curves are stored again.
  • This overlay mode has the advantage that only sporadically occurring false echo signals 16, e.g. a rotating impeller in the container 5, can be hidden by Ausblendkurve detected in this overlay mode 23.
  • Blanking curve 22 due to a difficult measurement situation in the container 5 can not be determined exactly or only partially. In these cases, it is necessary, for example, to make the curve diagrams of at least the echo function 10, evaluation curve 23 and blanking curve 22 editable on the input / output unit 28 or on the external operating unit 29.
  • the echo function 10, the evaluation curve 23 and / or the Ausblendkurve 22 is composed of support points, which are connected to each other via connection functions 13 and thereby generate intermediate values between the support points 12.
  • the bases 12 the Ausblendkurve 22 and / or the evaluation curve 23 reduced by a reduction algorithm.
  • the reduction of the fulcrums 12 in the fade-out curve 22 and / or the evaluation curve 23 are necessary to further reduce the waveforms of the fade-out curve 22 and / or the evaluation curve 23 to the most basic characteristics of the curves, thus allowing for easy fitting.
  • There are a multitude of possibilities and methods for reducing the number of interpolation points 12 in the blanking curve 22 and / or the evaluation curve 23 - are some examples:
  • a first possibility for a reduction algorithm is that the support points 12 of the Ausblendkurve 22 and / or the evaluation curve
  • a regression line 24 is laid through a predetermined number of vertices 12, so that the sum of squares of the deviations of all vertices 12 from this regression line 24 is minimal.
  • a second possibility for a reduction algorithm is that the interpolation points 12 of the blanking curve 22 and / or the evaluation curve 23 are reduced by the reduction algorithm to the extreme points, vertices 26 and / or inflection points 27 of the blanking curve 22 and / or the evaluation curve 23.
  • a third possibility for a reduction algorithm is that the interpolation points 12 in the blanking curve 22 and / or the evaluation curve 23 by which the reduction algorithm is periodically deleted at a predetermined interval.
  • This reduction of the interpolation points 12 takes place, for example, in such a way that the number and / or the distance of the interpolation points 12 for performing the reduction algorithm, the connection functions 13 of the individual interpolation points 12 and / or additional interpolation points 12a via an input / output unit 28 on the field device 1 and / or via an external operating unit 29 can be specified.
  • a fourth possibility for a reduction algorithm is that at each base 12 in the Ausblendkurve 22 and / or the evaluation curve 23, the slope 17 of the mutually adjacent connection functions 13 by the reduction algorithm is compared with each other and at falling below a predetermined difference value of the two gradients 17 of these Base 12 is deleted.
  • the difference value is specified, for example, as a corresponding parameter via the input / output unit 28 by the operator. If the current slopes of the connection functions 13 at the considered interpolation point 12 are below this predetermined difference value, ie the current change of the connection functions 13 at this interpolation point 12 is very small, then this current interpolation point 12 is deleted.
  • a fifth possibility for a reduction algorithm is that the
  • Support points 12 of the echo function 10, the envelope 11, the Ausblendkurve 22 and / or the evaluation curve 23 are reduced by a section-wise linear approximation as a reduction algorithm.
  • the amplitude spacings dy of the interpolation points 12 are determined to be a straight line 30 between a left adjacent interpolation point 121 and a right adjacent interpolation point 12r stored in a list to the coordinates of the base.
  • the reduction algorithm searches the interpolation points 12 in at least one section of the echo function 10, the envelope 11, the blanking curve 22 and / or the evaluation curve 23 with the lowest determined amplitude distances dy and deletes them from the list and the curves.
  • the amplitude distances dy of the left neighbor base 121 and the right neighbor base 12r of a deleted base 12 must be recalculated by the reduction algorithm after deleting and written to the list. This sectionally linear approximation is carried out cyclically, for example, until a predetermined deviation of the amplitude distances dy and / or a predetermined minimum number of bases 12 is reached.
  • FIG. 3 shows an enlarged view of the section A of the envelope 11 of an echo function 10, the evaluation curve 23, the Ausblendkurve 22 and the reduced Ausblendkurve 25 of FIG. 2.
  • the reduced Ausblendkurve 25 is constructed, for example, from nodes 12 at vertices 26, inflection points 27, which are interconnected via, for example, linear functions as connection functions 13.
  • a triangular waveform with so-called regression lines 24 results as connecting functions 13.
  • FIGS. 1 to 7 only the reduction of the blanking curve 22 is generally shown a reduced blanking curve 25 is shown, however, the reduction algorithm according to the invention is also applicable to the evaluation curve 23 and / or the echo function 10.
  • FIG. 4 shows an enlarged section B of the curve diagrams from FIG. 3.
  • a false echo signal 16 is shown which is masked out by a blanking curve 22 and thus no longer recognized by the echo search algorithm of the measuring device 1.
  • the Ausblendkurve 22 is composed of support points 12, 12a and connection functions 13, which connect these support points 12, 12a together and thereby generate intermediate values.
  • a slave pointer 20 is shown in Fig. 4, the
  • History of the support values and / or support points of the individual bases 12 in the Ausblendkurve 22 as at least a maximum state and / or a minimum state represents.
  • the amplitude value Amp is understood as meaning the reference value and the interpolation point is the position x of the corresponding interpolation point 12.
  • FIG. 4 for example, for the support point 12 of the vertex 26, the history of the support values is displayed by the maximum support value and the minimum support value being indicated by a corresponding bar.
  • FIG. 5 shows the curve diagrams, in particular the echo function 10, in a changing measuring situation in the container 5.
  • a further false echo signal 16 in the modified echo function 10 a is determined by additional interference elements 19 in the container 5, which is not detected by the reduced Ausblendkurve 25 and the apex 26 is above the evaluation curve 23. Due to this measurement situation, it is possible for this false echo signal 16 to be recognized by the echo search algorithm as useful echo signal 15.
  • the determined echo function 10 changes.
  • the changed echo function 10a is indicated by a large dotted line and the echo function 10 is shown as a small dotted line in FIG. 5 to FIG 7 shown.
  • the operator of the measuring device 1 is given the opportunity to adapt the reduced Ausblendkurve 25 to the new measurement situation.
  • the operator can display on the input / output unit 28 of the measuring device 1 or the external operating unit 29 the curve diagrams of the echo function 10, the modified echo function 10a, the Ausblendkurve 22, the reduced Ausblendkurve 25 and / or the evaluation curve 23 and an input option, eg buttons or touch pad, modify the selected curve.
  • an additional support points 12a as vertices 26 with adjoining, sloping connection functions 13 on both sides, which have a predefined length 18 and / or a predefined slope 17, are predefined by the operator via the input / output unit 28.
  • the operator can specify the position of the additional support point 12a via a mouse pointer M and in further steps determine the length and the slopes of the mutually adjacent, decreasing connection functions 13 via the end points.
  • an automatic routine is provided, as it were, which forms a new connection function 13a, which covers these two interpolation points in areas between two interpolation points 12, 12a, where two connection functions 13 overlap 12, 12a connects directly to one another and thus forms an adapted, reduced Ausblendkurve 25.
  • connection functions 13, 13a a piecewise linear interpolation, a spline interpolation and / or at least a polynomial interpolation can be used. This integration of the additional support point 12a in the reduced Ausblendkurve 25 is shown in Fig. 6.
  • FIG. 7 shows an enlarged detail C from FIG. 6.
  • the operator is able to to select a specific interpolation point 12 in the reduced Ausblendkurve 25 by means of the mouse pointer M and to change its position or its supporting value and / or interpolation point.
  • the selection and / or the change in the position of the support points 12 can be done for example via a plus + and a minus key - and the confirmation command via an Enter key.
  • the input / output unit 28 can also be designed by a touchscreen, in which the modification of the curve diagrams is carried out directly by touching the representation on the screen. These touchscreens can be used to create durable, reliable and user-friendly user interfaces.
  • touch screens or touch-sensitive screens are made compact and ensure that the available space is optimally used because the input device is already integrated in the display unit.
  • Another advantage of touch screens is their durability and ease of care.
  • the sensor screens shorten the effective training times of the operators due to the visual linkage of the action of the operator and the subsequent reaction of the device or the display, as well as a high degree of cleanliness, user comfort and ease of application.
  • the positions of the individual fulcrums 12 in the fade-out curve 22 and / or the evaluation curve 23 can be changed in a processing mode by moving, for example, a mouse pointer M on the display unit 28 or the external operating unit 29 by the operator.
  • the operator may determine whether the change in the position of a single vertex also affects the left and / or right neighboring vertexes 121, 12r or a group of vertexes 12. For this purpose, the operator can select different influence profiles 31 on the influence profile display 32. In accordance with this selection of the influencing profile, when the position of a single interpolation point 12 of the blanking curve 22 and / or the evaluation curve 23 changes, the positions of the left and / or the right become adjacent bases 12r, 121 changed. These changes in the positions of individual support points 12 and / or groups of support points 12 are changed by means of a compensation function with adjustable influence profiles 31, which match the positions of the adjacent support points (12) corresponding to the adjusted influence profiles.
  • the support points 12 of the envelope 11, the Ausblendkurve 22 and / or the evaluation curve 23 are stored and stored in a list or a table.
  • This compensation function with the predetermined influence profiles can for example be designed so that the compensation function are stored by means of a profile list of the influence profile corresponding multipliers. If the position of a fulcrum 12 in the evaluation curve 23 and / or the fade-out curve 22 is changed by the operator, the multipliers in the selected profile list are multiplied by the value of the change of the position of the fulcrum 12 and the results are added to the corresponding entries in the list added to the left and right adjacent vertices 121, 12r.
  • FIGS. 8 to 11 show an echo function 10 or its envelope.
  • the amplitude value Amp in millivolts of the curve diagrams is plotted.
  • FIG. 9 shows an enlarged illustration of the detail D of the echo function 10 and / or the envelope 11 with the support points 12 from FIG. 8, FIG. 10 and FIG. 11.
  • the reduction algorithm calculates for each support point 12 of the envelope 11, the Ausblendkurve 22 and / or the evaluation curve 23 by a sectionally linear approximation, the amplitude distances dy of the bases 12 to a straight line 30 through the left and right adjacent base 121, 12r.
  • the support points 12 with the lowest determined amplitude intervals (dy), which are evaluated by the reduction algorithm, become in a subsequent step deleted at least in the section of the envelope (11), the Ausblendkurve (22) and / or the evaluation curve (23).
  • new amplitude distances dy are calculated and stored in the list only for the left and right neighboring bases 121, 12r of the deleted bases 12.
  • the sectionally linear approximation is carried out cyclically until, for example, a predetermined deviation of the amplitude distances dy and / or a predetermined minimum number of interpolation points 12 has been reached.
  • the reduction algorithm according to the invention by means of the sectional linear approximation has the advantage that this algorithm requires little computing power and the support points 12 are reduced in such a way that the deviation or the approximation error is minimal and the Ausblendkurve 22 and / or the evaluation curve 23 the most basic characteristics of these curves are reduced.
  • FIG. 10 shows a reduction of the interpolation points 12 to 6 per cent of the interpolation points 12 of the original curve by means of a piecewise linear approximation of the envelope 11 with a small deviation of the amplitude spacings dy of less than 50 millivolts.
  • FIG. 11 shows a further illustration of the reduction of the interpolation points to only 1 per cent of the interpolation points 12 of the original curve by means of a piecemeal linear approximation of the envelope with a greater deviation of the amplitude spacings dy of less than 400 millivolts.
  • the reduction and modification of the support points 12 is not limited to the Ausblendkurve 22 as shown in Figs. 1-11, but can also be applied to the evaluation curve 23.
  • a possibility of changing the echo function 10 and the envelope 11 is not desired, but is technically feasible without further ado.
  • Influence profiles 32 Influence profile display Amp Amplitude value S Transmitting signal R Reflection signal K Interference signal x Travel distance, position, distance X 1 Position of the useful echo signal t Runtime + plus key - minus key E Enter key M Mouse pointer h Level dy Amplitude distance

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter durch ein Feldgerät, wobei Sendesignale in Richtung des Mediums ausgesendet werden und als Reflexionssignale empfangen werden, wobei die Sendesignale und die Reflexionssignalen mittels Stützpunkten in einer von der Laufzeit oder der Laufstrecke abhängigen Hüllkurve erfasst werden, wobei Störechosignale in einer Ausblendkurve mittels Stützpunkten erfasst werden, wobei die Stützpunkte über Verbindungsfunktionen miteinander verbunden werden, wobei eine Bewertungskurve aus der Hüllkurve ermittelt wird, wobei mittels einem Reduktionsalgorithmus die Anzahl der Stützpunkte in der Ausblendkurve und/oder in der Bewertungskurve verringert werden, wobei durch einen Echosuchalgorithmus mittels der Ausblendkurve und/oder Bewertungskurve zumindest ein Nutzechosignal in der aktuellen Hüllkurve ermittelt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter nach einem Laufzeitmessverfahren
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und
Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter nach einem Laufzeitmessverfahren gemäß dem Anspruch 1.
[0002] Entsprechende Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des
Füllstandes in einem Behälter werden häufig in den Messgeräten der Automations- und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt. Von der Anmelderin werden beispielsweise solche Füllstandsmessgeräte unter dem Namen Prosonic, Levelflex und Micropilot produziert und vertrieben, welche nach dem Laufzeit-Messverfahren arbeiten und dazu dienen, einen Füllstand eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen. Diese Füllstandsmessgeräte senden ein periodisches Sendesignal im Mikrowellen- oder Ultraschalbereich mittels eines Sende-/Empfangselementes in Richtung Oberfläche eines Füllguts und empfangen die reflektierten Echosignale nach einer abstandsabhängigen Laufzeit. Handelsübliche mit Mikrowellen arbeitende Füllstandsmessgeräte lassen sich grundlegend in zwei Klassen einteilen; eine erste Klasse, bei der die Mikrowellen mittels einer Antenne in Richtung des Füllguts gesendet, an der Füllgutoberfläche reflektiert und anschließend nach einer abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen werden und eine zweite Klasse, bei der die Mikrowellen entlang eines Wellenleiters in Richtung des Füllguts geführt werden, an der Füllgutoberfläche aufgrund des dort bestehenden Impedanzsprunges reflektiert werden und die reflektierten Wellen entlang des Wellenleiter wieder zurück geleitet werden.
[0003] Die Laufzeit-Messmethode lässt sich im wesentlichen in zwei
Ermittlungsverfahren einteilen: Das erste Ermittlungsverfahren beruht auf einer Laufzeitmessung, die ein Impulsfolgen moduliertes Signal für die zurückgelegte Wegstrecke erfordert; ein zweites weit verbreitetes Ermittlungsverfahren beruht auf der Bestimmung der Frequenzdifferenz des aktuell ausgesendeten, kontinuierlich frequenzmodulierten Hochfrequenzsignals zum empfangenen, reflektierten Hochfrequenzsignal (FMCW - Frequency-Modulated Continuous Wave). Im Allgemeinen wird in den folgenden Ausführungen keine Beschränkung auf ein bestimmtes Ermittlungsverfahren vorgenommen.
[0004] Aus den empfangenen Echosignalen wird in der Regel eine die
Echoamplituden als Funktion der Laufzeit darstellende Echofunktion gebildet, wobei jeder Wert dieser Echofunktion der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand vom Sendeelement reflektierten Echos entspricht.
[0005] In dieser ermittelten Echofunktion wird ein Nutzecho bestimmt, das der Reflexion des Sendesignals an der Füllgutoberfläche entspricht. Aus der Laufzeit des Nutzechos ergibt sich bei einer bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Sendesignale unmittelbar der Abstand zwischen der Füllgutoberfläche und dem Sendeelement.
[0006] Um die Echokurvenauswertung zu vereinfachen werden nicht die empfangen Rohsignal der Impulsfolgen verwendet, sondern es wird die Einhüllende, die so genannte Hüllkurve, ermittelt. Die Hüllkurve wird beispielsweise dadurch gewonnen, dass das Rohsignal der Impulsfolgen gleichgerichtet und anschließend über einen Tiefpass gefiltert wird.
[0007] Es gibt eine Vielzahl verschiedener Verfahren zur Bestimmung des Nutzechos in einer Hüllkurve.
[0008] Gemäß einem ersten Verfahren wird durch einen statischen
Echosuchalgorithmus das Nutzecho, das eine größere Amplitude als die übrigen Echos aufweist, ausgewählt. Es wird somit das Echo in der Hüllkurve mit der größten Amplitude als Nutzecho ermittelt.
[0009] Gemäß einem zweiten Verfahren wird durch einen statischen
Echosuchalgorithmus angenommen, dass das Nutzecho das nach dem Sendeimpuls das erste eintreffende Echo in der Hüllkurve ist. Es wird somit das erste Echo in der Hüllkurve als Nutzecho ausgewählt.
[0010] Es ist möglich, diese beiden Verfahren miteinander zu kombinieren, indem z.B. ein so genannter Erstechofaktor definiert wird. Der Erstechofaktor ist ein vorgegebener Faktor, um den ein Echo eine bestimmte Amplitude übersteigen muss, um als Nutzecho erkannt zu werden. Alternativ kann eine laufzeit-abhängige Echoschwelle definiert werden, die ein Echo übersteigen muss, um als Nutzecho erkannt zu werden.
[0011] Gemäß einem dritten Verfahren wird dem Füllstandsmessgerät einmalig der aktuelle Füllstand mitgeteilt. Das Füllstandsmessgerät kann anhand des vorgegebenen Füllstandes das zugehörige Echo als Nutzecho identifizieren und z.B. durch einen geeigneten dynamischer Echosuchalgorithmus verfolgen. Derartige Verfahren werden als Echoverfolgung bezeichnet. 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 anwendungsspezifischen maximal zu erwartenden Änderungsgeschwindigkeit des Füllstandes das Nutzecho ermittelt. Aus einer Laufzeit des so ermittelten aktuellen Nutzechos ergibt sich dann der neue Füllstand.
[0012] Ein viertes Verfahren ist in der DE 102 60 962 A1 beschrieben. Dort wird das Nutzecho anhand von zuvor in einem Speicher abgelegten Daten ermittelt. Dabei werden aus empfangenen Echosignalen Echofunktionen abgeleitet, die die Amplituden der Echosignale in Abhängigkeit von deren Laufzeit wiedergeben. Die Echofunktionen sind in einer Tabelle abgelegt, wobei jede Spalten zur Aufnahme jeweils einer Echofunktion dient. Die Echofunktionen sind in den Spalten in einer Reihenfolge abgelegt, welche den jeweiligen Echofunktionen zugehörigen Füllständen entsprechen. Im Betrieb werden das Nutzecho und der zugehörige Füllstand anhand der Echofunktion des aktuellen Sendesignals mit Hilfe der Tabelle bestimmt.
[0013] In der DE 103 60 710 A1 ist ein fünftes Verfahren beschrieben, bei dem periodisch Sendesignale in Richtung des Füllgutes gesendet werden, deren Echosignale aufgenommen und in eine Echofunktion umgewandelt werden, mindestens eine Echoeigenschaft der Echofunktion bestimmt wird, und anhand der Echoeigenschaften mindestens einer vorherigen Messung eine Vorhersage für die bei der aktuellen Messung zu erwartenden Echoeigenschaften abgeleitet wird. Es werden die Echoeigenschaften der aktuellen Messung unter Einbeziehung der Vorhersage bestimmt, und anhand der Echoeigenschaften der aktuelle Füllstand ermittelt. Dieses Verfahren kommt im weitesten Sinne einer Echoverfolgung nahe.
[0014] In der DE 10 2004 052 110 A1 ist ein sechstes Verfahren beschrieben, das Verbesserung der Nutzechoerkennung durch eine Echobewertung und Klassifizierung der Echos in der Hüllkurve erreicht.
[0015] Entsprechend dem oben aufgeführten Stand der Technik gibt es verschiedene Ansätze, die exakte Position des Füllstand-Nutzechosignals in der ermittelten Echokurve bzw. der digitalisierten Hüllkurve zu bestimmen. Von der genauen Bestimmung der Messposition des Füllstands in der Echokurve hängt jedoch ab, welche Messgenauigkeit mit diesem Echomessprinzip unter den gegebenen Messbedingungen erreicht werden kann. Diese oben beschriebenen Verfahren arbeiten für sich genommen jeweils bei einer Vielzahl von Anwendungen einwandfrei. Probleme treten jedoch immer dann auf, wenn das vom Füllstand stammende Echo anhand des Verfahrens nicht zweifelsfrei identifiziert werden kann.
[0016] Beim ersten Verfahren treten beispielsweise Messprobleme auf, falls Einbauten im Behälter vorhanden sind, die die Sendesignale besser reflektieren, als die Füllgutoberfläche.
[0017] Bei der Echoverfolgung gemäß dem dritten Verfahren treten
Messprobleme auf, falls im Betrieb das Nutzecho über ein Störecho läuft und nachfolgend das Störecho als ein falsches Nutzecho weiter verfolgt wird. Desweitern taucht ein Problem auf, falls beim Einschalten, das vorhergehende Nutzechosignal mit dem tatsächlichen nicht mehr übereinstimmt oder das vorhergehende Nutzechosignal nicht bekannt ist.
[0018] Wird versehentlich ein anderes Echo als das Füllstandsecho als Nutzecho klassifiziert, besteht die Gefahr, dass ein falscher Füllstand ausgegeben wird, ohne dass dies bemerkt wird. Dies kann je nach Anwendung zu einer Überfüllung von Behältern, zum Leerbetrieb von Pumpen oder anderen zum Teil mit erheblichen Gefahren verbundenen Ereignissen führen.
[0019] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und anpassungsfähiges Verfahren zur Bestimmung von Nutzechosignalen in Echokurven aufzuzeigen. [0020] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur
Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter durch ein Feldgerät, wobei Sendesignale in Richtung des Mediums ausgesendet werden und als Reflexionssignale empfangen werden, wobei die Sendesignale und die Reflexionssignalen mittels Stützpunkten in einer von der Laufzeit oder der Laufstrecke abhängigen Hüllkurve erfasst werden, wobei Störechosignale in einer Ausblendkurve, die in einem ersten Messzyklus aus der Hüllkurve des leeren Behälters ermittelt wird, mittels Stützpunkten erfasst werden, wobei eine Bewertungskurve durch ein Glättungsverfahren in einem ersten Messzyklus aus der Hüllkurve ermittelt wird, wobei die Stützpunkte über Verbindungsfunktionen miteinander verbunden werden und somit Zwischenwerte erzeugt werden, wobei zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve mittels einem Reduktionsalgorithmus die Anzahl der Stützpunkte in der Ausblendkurve und/oder in der Bewertungskurve reduziert werden, wobei durch einen Echosuchalgorithmus mittels der reduzierten Ausblendkurve und/oder reduzierten Bewertungskurve zumindest ein Nutzechosignal in der aktuellen Hüllkurve ermittelt wird.
[0021] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird vorgeschlagen, dass wobei die Stützpunkte der Hüllkurve, der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve durch eine abschnittsweise lineare Approximation als Reduktionsalgorithmus reduziert werden, indem für alle Stützpunkte zumindest eines Abschnitts der Hüllkurve, der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve die Amplitudenabstände der Stützpunkte zu einer Geraden zwischen einem linken und rechten benachbarten Stützpunkt ermittelt werden und die Stützpunkte zumindest im Abschnitt der Hüllkurve, Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve mit den geringsten ermittelten Amplitudenabständen gelöscht werden.
[0022] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist es, dass die stückweise lineare Approximation zyklisch ausgeführt wird, bis eine vorgegebene Abweichung der Amplitudenabstände und/oder eine vorgegebene Anzahl von Stützpunkten erreicht wird.
[0023] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, die Stützpunkte der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve durch eine lineare Regression als Reduktionsalgorithmus zu reduzieren, in dem überflüssige Stützpunkte, die nicht auf den Regressionsgeraden liegen, gelöscht werden.
[0024] Eine sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Stützpunkte der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve durch den Reduktionsalgorithmus auf die Extrempunkte, Scheitelpunkte und/oder Wendepunkte der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve reduziert werden.
[0025] Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass die Stützpunkte in der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve durch den der Reduktionsalgorithmus in einem vorgegebenen Intervall periodisch gelöscht wird.
[0026] Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass an jedem Stützpunkt in der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve die Steigung der beidseitig angrenzenden Verbindungsfunktionen durch den Reduktionsalgorithmus miteinander verglichen wird und bei einer Unterschreitung eines vorgegebenen Differenzwertes der beiden Steigungen dieser Stützpunkt gelöscht wird.
[0027] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird vorgeschlagen, dass im Betriebsmodus des Feldgeräts Stützwerte und/oder Stützstellen der einzelnen Stützpunkte in der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve anhand eines dynamischen Echosuchalgorithmus mittels einer Echoverfolgung des Nutzechosignals und/oder der Störechosignale in einem definierten Suchfenster automatisch bearbeitet und/oder angepasst werden.
[0028] Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, dass die Historien der Stützwerte und/oder Stützstellen der einzelnen Stützpunkte in der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve als zumindest ein maximaler Zustand und/oder ein minimaler Zustand in zumindest einem Schleppzeiger abgespeichert und/oder dargestellt werden.
[0029] Eine sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass wobei in einem Bearbeitungsmodus die Anzahl und/oder die Distanz der Stützpunkte zur Durchführung des Reduktionsalgorithmus, die Verbindungsfunktionen der einzelnen Stützpunkte und/oder zusätzlicher Stützpunkte über eine Eingabe-/Ausgabeeinheit am Feldgerät und/oder über eine externe Bedieneinheit vorgegeben werden.
[0030] Ein zweckmäßiges, alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass in einem Bearbeitungsmodus die Positionen einzelner Stützpunkte und/oder Gruppen von Stützpunkte über eine Eingabe-/Ausgabeeinheit am Feldgerät und/oder über eine externe Bedieneinheit verändert werden.
[0031] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Positionen einzelner Stützpunkte und/oder von Gruppen von Stützpunkten mittels einer Ausgleichsfunktion mit einstellbaren Einflussprofilen, die die Positionen der benachbarten Stützpunkte entsprechenden der eingestellten Einflussprofilen angleichen, verändert werden.
[0032] Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass in dem Bearbeitungsmodus die zusätzlichen Stützpunkte als Scheitelpunkte mit beidseitig angrenzenden, abfallenden Verbindungsfunktionen, die eine vordefinierte Länge und/oder die eine vordefinierte Steigung aufweisen, vorgegeben werden.
[0033] Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass wobei in Bereichen zwischen zwei Stützpunkten, an denen sich zwei Verbindungsfunktionen überlappen, eine neue Verbindungsfunktion gebildet wird, die diese beiden Stützpunkte miteinander verbindet.
[0034] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist es, dass die zusätzlichen Stützpunkte in der Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurven platziert werden und diese zusätzlichen Stützpunkte durch erneut gebildete Verbindungsfunktionen in die bestehende Ausblendkurve und/oder der Bewertungskurve integriert werden.
[0035] Eine sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass als Verbindungsfunktionen zumindest eine stückweise lineare Interpolation, eine Spline-Interpolation und/oder zumindest eine Polynom-Interpolation verwendet werden.
[0036] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Hüllkurve, die Ausblendkurve und/oder die Bewertungskurve abschnittsweise entweder in einem Ersetzungsmodus neu erzeugt wird oder in einem Überlagerungsmodus aus den Maximalwerten der alten abgespeicherten und der neu aufgenommen Hüllkuvre, Ausblendkurve und/oder Bewertungskurve gebildet wird.
[0037] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung die Elemente, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
[0038] Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Messgeräts zur Ermittlung des Füllstands mit einer entsprechenden Echofunktion,
[0039] Fig. 2 eine erste Darstellung der Kurvendiagramme des Messgeräts aus Fig. 1 mit einer Bewertungskurve und einer Ausblendkurve,
[0040] Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A der Kurvendiagramme aus Fig. 2,
[0041] Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts B der Kurvendiagramme aus Fig. 3,
[0042] Fig. 5 eine zweite Darstellung der Kurvendiagramme aus Fig. 1 zu Beginn des Bearbeitungsmodus der Bewertungskurve und/oder der Ausblendkurve,
[0043] Fig. 6 eine Darstellung der Kurvendiagramme aus Fig. 5 zum Ende des Bearbeitungsmodus der Bewertungskurve und/oder der Ausblendkurve,
[0044] Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts C der Kurvendiagramme aus Fig. 6,
[0045] Fig. 8 eine dritte Darstellung der Kurvendiagramme des Messgeräts aus Fig. 1 mit einer Hüllkurve,
[0046] Fig. 9 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts D der Hüllkurve aus Fig. 8.
[0047] Fig. 10 eine erste Darstellung einer Reduktion der Stützstellen der Kurvendiagramme aus Fig. 8 mittels einer stückweisen linearen Approximation der Hüllkurve mit einer geringen Abweichung.
[0048] Fig. 11 eine zweite Darstellung einer Reduktion der Stützstellen der
Kurvendiagramme mittels einer stückweisen linearen Approximation der Hüllkurve mit einer größeren Abweichung.
[0049] In Fig. 1 ist ein nach dem Laufzeit-Messverfahren arbeitendes Messgerät 1 zur Ermittlung des Füllstand h eines Mediums 7 gezeigt, das beispielsweise über einen Prozessanschlussstutzen an einem Behälter 5 montiert ist. Bei dem gezeigten Messgerät 1 handelt es sich hauptsächlich um ein in den Prozessraum freiabstrahlendes Sende-/Empfangselement 6 mit einem Messumformer 9. Dieser Messumformer 9 umfasst, zumindest eine Sende-/Empfangseinheit 3, die die Erzeugung und den Empfang der Messsignale, wie z.B. Ultraschall- und Mikrowellensignale bewerkstelligt, eine Regel-/Auswerteeinheit 2, die eine signaltechnische Verarbeitung der Messsignale und eine Steuerung des Messgeräts 1 ermöglicht, und außerdem eine Kommunikationseinheit 4, die die Kommunikation über ein Bussystem, sowie die Energieversorgung des Messgeräts 1 steuert und regelt. In der Regel-/Auswerteeinheit 2 ist beispielsweise ein Speicherelement integriert, in welchem die Messparameter, Bewertungsparameter und Echokurven abgespeichert werden. Über die Kommunikationseinheit 4 kommuniziert das Messgerät 1 beispielsweise mit einer externen Bedieneinheit 29, die beispielsweise als ein mobiler Computer, ein Notebook und/oder Personal Digital Assistant (PDA) ausgebildet eine einfachere und umfangreichere Bedienung des Messgeräts 1 ermöglicht. Diese externer Bedieneinheit 29 ist über ein Funknetzwerk, z.B. WLAN, oder eine Verbindungsleitung mit dem Messgerät 1 zumindest zeitweise verbunden und kommuniziert über dieses Funknetzwerk oder die Verbindungsleitung mit dem Messgerät 1. Ebenso lässt sich mittels einer im Messgerät 1 integrierten Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 das Messgerät 1 bedienen und die Kurvendiagramme mit einer Echofunktion 10 entsprechend darstellen. Das Sende-/Empfangselement 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise als Hornantenne ausgeführt, über welche ein Mikrowellensignal als Sendesignal S in Richtung des Mediums mit einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik ausgestrahlt wird. Gleichwohl kann das Sende-/Empfangselement 6 in jeglicher bekannten freiabstrahlenden Antennenform, wie z.B. Stab-, Parabol- oder Planarantenne, ausgestaltet sein oder nach der Methode der Zeitbereichsreflektometrie eingesetzt, als eine die hochfrequente Mikrowellensignale führende Messsonde, z.B. Stab oder Seil, ausgestaltet sein. Ferner kann als Sende-/Empfangselement 6 für die Bestimmung der Laufzeit eines Ultraschallsignals nach der Schall-Messmethode auch ein Ultraschallsensor oder für die Bestimmung der Laufzeit eines Lichtsignals nach der optischen Messmethode ein optischer Sensor verwendet werden. Bezüglich der Mikrowellen-Messmethode wird in der Sende-/Empfangseinheit 3 beispielsweise ein hochfrequentes Mikrowellensignal als Sendesignal S erzeugt und über die Antenne als ein entsprechendes Sende-/Empfangselement 6 in einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik in Richtung Medium 7 ausgesendet oder abgestrahlt. Nach einer von einer zurückgelegten Strecke x abhängigen Laufzeit t werden die an der Grenzfläche 8 des Mediums 7 zumindest teilweise widergespiegelten Sendesignale S als Reflexionssignal R von dem Sende-/Empfangselement 6 und der Sende-/Empfangseinheit 3 empfangen. Die nachgeschaltete Regel-/Auswerteeinheit 2 ermittelt aus den Reflexionssignalen R eine Echofunktion 10, die die Amplitudenwerte Amp der Echosignale 14 dieser Reflexionssignale R in Abhängigkeit der zurückgelegten Strecke x oder der entsprechenden Laufzeit t darstellt. Durch eine Filterung und Analog/Digitalwandlung wird aus der analogen Echofunktion bzw. der Echokurve 10 eine einhüllende, digitalisierte Hüllkurve 11 erzeugt. Im Falle der Verwendung eines Mikrowellensignals als Sendesignal S umfasst die Sende-/Empfangseinheit 3 zumindest ein HF-Modul, welches beispielsweise hochfrequente, impulsförmige Sendesignale S im Gigahertz-Bereich, z.B. 6 GHz oder 26 GHz, erzeugt und einen Homodyn- und/oder Heterodyn-Empfänger, bei dem die empfangenen Reflexionssignale R signaltechnisch vorverarbeitet und zeitgedehnt in einer Hüllkurve 11 umgesetzt werden. Nachfolgend wird in der Beschreibung der Begriff der Echofunktion 10 verwendet, wobei dieser Begriff ebenfalls die Begriffe der Echokurve 10, der Hüllfunktion bzw. der digitalen Hüllkurve 11 impliziert.
[0051] Eine die Messsituation im Behälter 5 abbildende Echofunktion 10 ist proportional zur Laufstrecke x des Sendesignals S in einem Kurvendiagramm dargestellt. Zur besseren Präsentation ist das Kurvendiagramm gedreht abgebildet und die Störelemente 19 sind über Bezugslinien den entsprechenden Störechosignalen 16 in der Echofunktion 10 zugeordnet dargestellt, so dass das Ursache-Wirkungs-Prinzip auf einen Blick erfasst werden kann. Einen Nulllinie 21 legt fest, ab welcher Position der Messbereich des Messgeräts 1 beginnt. Im Anfangsbereich der Echofunktion 10, etwa um die Nulllinie 21 herum, ist das Abklingverhalten bzw. das so genannten Klingeln, zu sehen, das aufgrund von Mehrfachreflexionen oder ferner durch Ansatzbildung in dem Sende-/Empfangselement 6 oder dem Stutzen entstehen kann. Diese Störechosignale werden im englischen Sprachgebrauch auch als Clutter bezeichnet. Die Laufstrecke x oder die Laufzeit t ist auf der Abszisse und der Amplitudenwert Amp auf der Ordinate des kartesischen Koordinatensystems der Kurvendiagramme aufgetragen.
[0052] Nach heutigem Stand der Technik gibt es verschiedene Ansätze, die exakte Position X1 des Nutzechosignal 15 in der ermittelten Echofunktion 10 oder der digitalen Hüllkurve 11 zu bestimmen. Von der exakten Bestimmung der Messposition des Füllstands F in der Echofunktion 10 hängt ab, welche Messgenauigkeit mit diesem Echomessprinzip unter den gegebenen Messbedingungen erreicht werden kann.
[0053] Ein Ansatz, die exakte Position X1 des Nutzechosignals 15 zur Ermittlung des Füllstands h in der ermittelten Echofunktion 10 zu bestimmen, ist in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 2 ist die Echofunktion 10 aus Fig. 1 vergrößert und in die Horizontale gedreht dargestellt. Auf der Abszissenachse ist die benötigte Laufzeit t oder der zurückgelegte Laufweg x des Sendesignals S und des Reflexionssignals S im Behälter 5 aufgetragen, und die Ordinatenachse zeigt die Amplitudenwerte Amp der Echofunktion 10 des Messsignals.
[0054] In dem Kurvendiagramm der Fig. 2 wird neben der Echofunktion 10 eine Bewertungskurve 23 dargestellt, die beispielsweise mittels einen statischen Echosuchalgorithmus, z.B. mit Hilfe einer gleitenden Mittelwertbildung als mathematische Filterfunktion aus einer speziell bestimmten Echofunktion 10 und/oder mittels einer bei der Inbetriebnahme ermittelten Echofunktion 10 im leeren Behälter 5 ermittelt wird. Diese Bewertungskurve 23 wird zur Ermittlung der Nutzechosignale 15 in der Echofunktion 10 verwendet. Dementsprechend wird diese Bewertungskurve 23 als Bezugslinie bzw. Abbruchkriterium für den statischen Echosuchalgorithmus zur Bestimmung von Nutzechosignalen 15 in der Echofunktion 10 verwendet. Die Signalanteile, die oberhalb der ermittelten Bewertungskurve 23 liegen, werden von dem statischen Echosuchalgorithmus als Nutzechosignale 15 identifiziert.
[0055] Desweiteren ist in dem Kurvendiagramm eine Ausblendkurve 22 gezeigt, anhand der dauerhafte Störechosignale 16 und/oder Rauschsignale, die beispielsweise durch Störreflexionen an Einbauten 19 im Behälter 5, durch Mehrwegeausbreitung und durch Mehrmodenausbreitung, durch Schaumund Ansatzbildung des Mediums 7 und durch turbulente Mediumsoberflächen 8 entstehen können, ausgeblendet werden.
[0056] Beide Kurven, die Bewertungskurve 23 und die Ausblendkurve 22 beginnen ab einer Nulllinie 21 , die die Messbereichsgrenze des Messgeräts 1 festlegt und die die Endposition angibt, bis zu der aus baulichen Gründen des Messgeräts 1 eine Messung des Füllstands h möglich ist. Diese Messbereichsgrenze bzw. der Messbereich wird beispielsweise durch die Oberflächen einer mit einem Füllmaterial ausgefüllten Hornantenne als Sende/Empfangselement 6 festgelegt.
[0057] Zur Festlegung der Messbedingungen und der Auswertungsbedingung der statischen und dynamischen Echosuchalgorithmen sind je nach Art des Messgerät 1 und Anwendung eine Fülle von verschiedenen Parametern erforderlich. Zu den Parametern zählen auch Angaben über die Geometrie des verwendeten Behälters 5, eine Leerdistanz des Behälters 5, und eine die Messbereichsobergrenze kennzeichnende Nulllinie 21. Hinzu kommt eine in der Regel anwendungsabhängige und/oder messgerätspezifische Blockdistanz, innerhalb derer aufgrund von Störsignalen 16 oder von Messschaltungseigenschaften keine Messung des Füllstands h möglich ist.
[0058] Auch Auswahlvorschriften zur Bestimmung des Nutzechosignals 15 spielen eine wichtige Rolle. Diese statischen Auswahlvorschriften werden in der Industrie häufig als Erstechofaktor bezeichnet. Solche Auswahlvorschriften können je nach Anwendung vorgeben, dass dasjenige Echosignal 14 mit der kürzesten Laufzeit als Nutzechosignal 15 auszuwählen ist, dass dasjenige Echosignal 14 mit der größten Amplitudenwerte Amp als Nutzechosignal 15 auszuwählen ist, oder dass das Nutzechosignal 15 anhand einer Gewichtungsfunktion ausgewählt wird, die die Laufzeiten t und die Amplitudenwerte Amp der Echosignale 14 berücksichtigt.
[0059] Mittels dieser Auswahlvorschriften, der Bewertungskurve 23 und der Ausblendkurve 22 wird die Position X1 des Nutzechosignals 15 in der Echofunktion 10 bestimmt. Ändern sich allerdings die Messbedingungen des Messgeräts 1 und/oder des Prozesses können die zuvor ermittelten, abgespeicherten Werte für die Auswahlvorschriften, der Bewertungskurve 23 und der Ausblendkurve 22 keinen Bezug zur aktuellen Messsituation haben und somit einen falschen Messwert liefern. Beispielsweise kann durch zumindest zeitweise eingesetzte, zusätzliche Einbauten im Behälter 5 ein weiteres Störsignal 16 in der Echofunktion 10 erzeugt werden, das durch die Ausblendkurve 22 nicht ausgeblendet wird und somit vom Echosuchalgorithmus als ein Nutzechosignal 15 erkannt werden kann. Andererseits ist es möglich, dass sich die Störsignale 16 aufgrund von Ansatzbildung oder Kondensatbildung des Mediums 7 and Einbauten 19 verändern und nicht mehr durch die Ausblendkurve 22 unterdrückt bzw. ausgeblendet werden.
[0060] Erfindungsgemäß wird die Hüllkurve 11 , die Ausblendkurve 22 und/oder die Bewertungskurve 23 abschnittsweise entweder in einem Ersetzungsmodus neu erzeugt oder in einem Überlagerungsmodus aus den Maximalwerten der alten abgespeicherten und der neu aufgenommen Hüllkurve 11 , Ausblendkurve 22 und/oder Bewertungskurve 23 gebildet. Im Ersetzungsmodus wird die abgespeicherte Hüllkurve 11 , die abgespeicherte Ausblendkurve 22 und/oder die abgespeicherte Bewertungskurve 23 zumindest abschnittsweise von den neu aufgenommenen Kurven in diesem Abschnitt überschrieben. Im Überlagerungsmodus wird die die Hüllkurve 11 , die Ausblendkurve 22 und/oder die Bewertungskurve 23 zumindest abschnittsweise neu aufgenommen und die neuen Kurven mit den abgespeicherten Kurven verglichen, indem nur die Maximalwerte der Amplizuden der neuen und abgespeicherten Kurven wieder abgespeichert werden. Dieser Überlagerungsmodus hat den Vorteil, dass nur sporadisch auftretende Störechosignale 16, wie z.B. ein sich drehender Rührflügel im Behälter 5, von in diesem Überlagerungsmodus erfassten Ausblendkurve 23 ausgeblendet werden können.
[0061] Desweiteren ist es möglich, das die Bewertungskurve 23 und/oder die
Ausblendkurve 22 aufgrund einer schwierigen Messsituation im Behälter 5 nicht exakt oder nur teilweise ermittelt werden können. In diesen Fällen ist es beispielsweise notwendig, die auf der Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 oder auf der externen Bedieneinheit 29 dargestellte Kurvendiagramme aus zumindest der Echofunktion 10, Bewertungskurve 23 und Ausblendkurve 22 editierbar auszugestalten.
[0062] Die Echofunktion 10, die Bewertungskurve 23 und/oder die Ausblendkurve 22 ist aus Stützpunkten aufgebaut, die über Verbindungsfunktionen 13 miteinander verbunden sind und dadurch Zwischenwerte zwischen den Stützstellen 12 erzeugen. Erfindungsgemäß werden die Stützpunkte 12 der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 durch einen Reduktionsalgorithmus reduziert. Die Reduktion der Stützpunkte 12 in der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 sind notwendig, um die Kurvenformen der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 weiter auf die grundlegendsten Charakteristika der Kurven zu reduzieren und somit auch eine einfache Anpassung zu ermöglichen. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten und Methoden die Anzahl der Stützpunkte 12 in der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 zu reduzieren - im Folgenden werden einige Beispiele vorgestellt:
- Eine erste Möglichkeit für einen Reduktionsalgorithmus ist, dass die Stützpunkte 12 der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve
23 durch eine lineare Regression reduziert werden, in dem die überflüssigen Stützpunkte 12b, die nicht auf der Regressionsgeraden
24 liegen, gelöscht werden. Bei der linearen Regression wird nach der Minimum-Quadrat-Methode beispielsweise eine Regressionsgerade 24 durch eine vorbestimmte Anzahl von Stützpunkten 12 gelegt, so dass die Quadratsumme der Abweichungen aller Stützpunkte 12 von dieser Regressionsgeraden 24 minimal ist.
- Eine zweite Möglichkeit für einen Reduktionsalgorithmus ist, dass die Stützpunkte 12 der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 werden durch den Reduktionsalgorithmus auf die Extrempunkte, Scheitelpunkte 26 und/oder Wendepunkte 27 der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 reduziert.
- Eine dritte Möglichkeit für einen Reduktionsalgorithmus ist, dass die Stützpunkte 12 in der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 durch den der Reduktionsalgorithmus in einem vorgegebenen Intervall periodisch gelöscht wird. Diese Reduzierung der Stützpunkte 12 erfolgt beispielsweise so, dass in einem Bearbeitungsmodus die Anzahl und/oder die Distanz der Stützpunkte 12 zur Durchführung des Reduktionsalgorithmus, die Verbindungsfunktionen 13 der einzelnen Stützpunkte 12 und/oder zusätzlicher Stützpunkte 12a über eine Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 am Feldgerät 1 und/oder über eine externe Bedieneinheit 29 vorgegeben werden. - Eine vierte Möglichkeit für einen Reduktionsalgorithmus ist, dass an jedem Stützpunkt 12 in der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 die Steigung 17 der beidseitig angrenzenden Verbindungsfunktionen 13 durch den Reduktionsalgorithmus miteinander verglichen wird und bei einer Unterschreitung eines vorgegebenen Differenzwertes der beiden Steigungen 17 dieser Stützpunkt 12 gelöscht wird. Der Differenzwert wird beispielsweise als entsprechender Parameter über die Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 vom Bediener vorgegeben. Liegen die aktuellen Steigungen der Verbindungsfunktionen 13 an dem betrachteten Stützpunkt 12 unterhalb dieses vorgegebenen Differenzwertes, d.h. die aktuelle Änderung der Verbindungsfunktionen 13 an diesem Stützpunkt 12 ist sehr gering, so wird dieser aktuelle Stützpunkt 12 gelöscht. Eine fünfte Möglichkeit für einen Reduktionsalgorithmus ist, dass die
Stützpunkte 12 der Echofunktion 10, der Hüllkurve11 , der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 durch eine abschnittsweise lineare Approximation als Reduktionsalgorithmus reduziert werden. Hierzu werden für alle Stützpunkte 12 zumindest eines Abschnitts der Echofunktion 10, der Hüllkurve 11 , der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 die Amplitudenabstände dy der Stützpunkte 12 zu einer Geraden 30 zwischen einem linken benachbarten Stützpunkt 121 und einem rechten benachbarten Stützpunkt 12r ermittelt und in einer Liste zu den Koordinaten des Stützpunktes abgespeichert. Der Reduktionsalgorithmus sucht die Stützpunkte 12 in zumindest einem Abschnitt der Echofunktion 10, der Hüllkurve 11 , der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 mit den geringsten ermittelten Amplitudenabständen dy und löscht diese aus der Liste und den Kurven. Die Amplitudenabstände dy des linken Nachbarstützpunkts 121 und des rechten Nachbarstützpunkts 12r eines gelöschten Stützpunkts 12 müssen nach dem Löschen neu von dem Reduktionsalgorithmus berechnet werden und in die Liste geschrieben werden. Diese abschnittsweise lineare Approximation wird beispielsweise solange zyklisch ausgeführt, bis eine vorgegebene Abweichung der Amplitudenabstände dy und/oder eine vorgegebene minimale Anzahl von Stützpunkten 12 erreicht ist.
[0064] Die Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A der Hüllkurve 11 einer Echofunktion 10, der Bewertungskurve 23, der Ausblendkurve 22 und der reduzierten Ausblendkurve 25 aus Fig. 2. In dieser vergrößerten Darstellung der Kurvendiagramme des Ausschnitts A ist die Nachbildung der Ausblendkurve 22 als eine reduzierte Ausblendkurve 25 durch Regressionsgeraden 24 zwischen einzelnen, bestimmten Stützpunkten 12, die beispielsweise an Scheitelpunkten 26 und Wendepunkten 27 der Ausblendkurve 22 liegen, offenbart. Die reduzierte Ausblendkurve 25 ist beispielsweise aus Stützstellen 12 an Scheitelpunkten 26, Wendepunkten 27 aufgebaut, die über beispielsweise lineare Funktionen als Verbindungsfunktionen 13 miteinander verbunden sind. Durch die Reduktion der reduzierten Ausblendkurve 25 auf nur einige wenige Stützstellen 12 mittels beispielsweise einer lineare Regression ergibt sich eine dreieckförmige Kurvenform mit so genannten Regressionsgeraden 24 als Verbindungsfunktionen 13. In den Fig. 1 bis Fig. 7 ist allgemein nur die Reduktion der Ausblendkurve 22 auf eine reduzierte Ausblendkurve 25 gezeigt, jedoch ist der erfindungsgemäße Reduktionsalgorithmus auch auf die Bewertungskurve 23 und/oder die Echofunktion 10 anwendbar.
[0065] Die erste Möglichkeit der Reduktion der Stützstellen 12 der Ausblendkurve 22 mittels einer linearen Regression ist in Fig. 4 dargestellt. Die Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt B der Kurvendiagramme aus der Fig. 3. In dieser Ausschnitt B ist ein Störechosignal 16 gezeigt, das durch eine Ausblendkurve 22 ausgeblendet wird und somit nicht mehr vom Echosuchalgorithmus des Messgeräts 1 erkannt wir. Die Ausblendkurve 22 ist aus Stützstellen 12, 12a und Verbindungsfunktionen 13, die diese Stützstellen 12, 12a miteinander verbinden und dadurch Zwischenwerte erzeugen, aufgebaut. Um die Ausblendkurve 22 besser handhaben zu können und den notwendigen Speicherplatz auf einem Speichereinheit für die Stützstellen 12,12a und die Verbindungsfunktionen 13 der Ausblendkurve 22 zu verringern, ist mit beispielsweise, ausgehend von dem Scheitelpunkt 26 als fester Eckpunkt, eine lineare Regression durchgeführt worden. Mittels der linearen Regression wird eine Regressionsgerade 24 ausgehend vom Eckpunkt zwischen die weiteren Stützstellen 12, 12a so gelegt, dass die Quadratsumme der Abweichungen der Stützpunkte 12b von dieser Regressionsgeraden 24 minimal ist. Diese von der Regressionsgeraden 24 abweichenden Stützpunkte 12b werden danach gelöscht und die reduziert Ausblendkurve 25 wird erzeugt und dargestellt.
[0066] Desweiteren ist ins Fig. 4 ein Schleppzeiger 20 eingezeichnet, der die
Historien der Stützwerte und/oder Stützstellen der einzelnen Stützpunkte 12 in der Ausblendkurve 22 als zumindest ein maximaler Zustand und/oder ein minimaler Zustand darstellt. Unter den Bergriffen des Stützwertes ist der Amplitudenwert Amp und der Stützstelle ist die Position x der entsprechenden Stützstelle 12 zu verstehen. In der Fig. 4 wird beispielsweise für den Stützpunkt 12 des Scheitelpunkts 26 die Historie der Stützwerte angezeigt, indem der maximale Stützwert und der minimale Stützwert durch einen entsprechenden Balken angezeigt werden.
[0067] In Fig. 5 sind die Kurvendiagramme, insbesondere der Echofunktion 10, bei einer sich ändernden Messsituation im Behälter 5 gezeigt. Beispielsweise wird durch zusätzliche Störelemente 19 im Behälter 5 ein weiteres Störechosignal 16 in der veränderten Echofunktion 10 a ermittelt, welches nicht von der reduzierten Ausblendkurve 25 erfasst wird und dessen Scheitelpunkt 26 oberhalb der Bewertungskurve 23 liegt. Durch diese Messsituation ist es möglich, dass dieses Störechosignal 16 von dem Echosuchalgorithmus als Nutzechosignal 15 erkannt wird.
[0068] Aufgrund der sich ändernden Messsituation oder durch Abweichungen des Messgerät 1 verändert sich die die ermittelte Echofunktion 10. Die veränderte Echofunktion 10a ist durch eine groß gepunktete Linie und die Echofunktion 10 ist zum Vergleich als klein gepunktet Line in den Fig. 5 bis Fig. 7 abgebildet.
[0069] Um ein Fehlverhalten der Echosuchalgorithmen des Messgeräts 1 und eine erneute Aufnahme der Leerechokurve des Behälters 5 zu vermeiden, wird dem Bediener des Messgeräts 1 die Möglichkeit gegeben die reduzierte Ausblendkurve 25 auf die neue Messsituation anzupassen. Der Bediener kann an der Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 des Messgeräts 1 oder der externen Bedieneinheit 29 sich die Kurvendiagramme der Echofunktion 10, der veränderten Echofunktion 10a, der Ausblendkurve 22, der reduzierten Ausblendkurve 25 und /oder der Bewertungskurve 23 darstellen lassen und über eine Eingabemöglichkeit, z.B. Tasten oder Touch-Pad, die ausgewählte Kurve modifizieren. Hierzu wird in einem Bearbeitungsmodus ein zusätzlicher Stützpunkte 12a als Scheitelpunkte 26 mit beidseitig angrenzenden, abfallenden Verbindungsfunktionen 13, die eine vordefinierte Länge 18 und/oder die eine vordefinierte Steigung 17 aufweisen, vom Bediener über die Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 vorgegeben werden. Der Bediener kann über einen Mauszeiger M die Lage des zusätzlichen Stützpunkts 12a festlegen und in weiteren Schritten über die Endpunkte die Länge und die Steigungen der beidseitig angrenzenden, abfallenden Verbindungsfunktionen 13 festlegen.
[0070] Um den neuen Stützpunkt 12a in die reduzierte Ausblendkurve zu integrieren ist gewissermaßen ein automatischer Routine vorgesehen, die in Bereichen zwischen zwei Stützpunkten 12, 12a, an denen sich zwei Verbindungsfunktionen 13 überlappen, eine neue Verbindungsfunktion 13a gebildet wird, die diese beiden Stützpunkte 12, 12a direkt miteinander verbindet und so eine angepasste, reduzierte Ausblendkurve 25 ausbildet. Desweitern ist möglich, dass der Bediener über die Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 auch nur einen zusätzlichen Stützpunkte 12a in der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurven 23 vorgibt und dieser zusätzlichen Stützpunkte 12a über eine erneut gebildete Verbindungsfunktionen 13a in die reduzierte Ausblendkurve 22a automatisch integriert wird. Als Verbindungsfunktionen 13, 13a kann eine stückweise lineare Interpolation, eine Spline-Interpolation und/oder zumindest eine Polynom-Interpolation verwendet werden. Diese Integration des zusätzlichen Stützpunkts 12a in die reduzierte Ausblendkurve 25 ist in Fig. 6 dargestellt.
[0071] Eine weitere Modifizierung der reduzierten Ausblendkurve 25 ist in Fig. 7 dargestellt. Die Fig. 7 zeigt hierbei einen vergrößerten Ausschnitt C aus der Fig. 6. In einem Bearbeitungsmodus ist es dem Bediener möglich, mittels dem Mauszeiger M einen bestimmten Stützpunkt 12 in der reduzierten Ausblendkurve 25 auszuwählen und dessen Lage bzw. dessen Stützwert und/oder Stützstelle zu verändern. Die Auswahl und/oder die Veränderung der Lage der Stützstellen 12 kann beispielsweise über eine Plus-Taste + und eine Minus-Taste - und der Bestätigungsbefehl über eine Enter-Taste erfolgen. Die Eingabe-/Ausgabeeinheit 28 kann auch durch einen Touchscreen ausgestaltet sein, bei der die Modifizierung der Kurvendiagramme direkt durch eine Berührung der Darstellung auf dem Bildschirm erfolgt. Mittels dieser Touch-Screens können langlebige, zuverlässige und bedienerfreundliche Bedienoberflächen geschaffen werden. Desweiteren sind Touch-Screens bzw. Berührungssensitive Bildschirme kompakt ausgestaltet und stellen sicher, dass der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt wird, weil das Eingabegerät bereits in der Anzeigeeinheit integriert ist. Ein weiterer Vorteil der Touch-Screens ist ihre Strapazierfähigkeit und die Pflegeleichtigkeit. Hervorzuheben ist außerdem, dass die Sensorbildschirme die effektiven Trainingszeiten des Bedienpersonals, aufgrund der visuellen Verknüpfung der Aktion des Bedieners und der folgenden Reaktion des Gerätes bzw. der Anzeige, verkürzen und zudem ein hohes Maß an Sauberkeit, Benutzerkomfort und Vereinfachung von Applikationen aufweisen. Die Positionen der einzelnen Stützpunkte 12 in der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 können in einem Bearbeitungsmodus durch das Bewegen beispielsweise eines Mauszeigers M auf der Anzeigeeinheit 28 oder der externen Bedieneinheit 29 durch den Bediener verändert werden. Der Bediener kann dabei festlegten, ob die Änderung der Position eines einzelnen Stützpunkts auch Auswirkungen auf die links und/oder rechts benachbarten Stützpunkte 121, 12r oder eine Gruppe von Stützpunkten 12 haben. Hierzu kann der Bediener an der Einflussprofil-Anzeige 32 verschieden Einflussprofile 31 auswählen. Gemäß dieser Auswahl des Einflussprofils werden bei einer Änderung der Position eines einzelnen Stützpunkts 12 der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 die Positionen der links und/oder rechts benachbarten Stützpunkte 12r, 121 verändert. Diese Änderungen in den Positionen einzelner Stützpunkte 12 und/oder von Gruppen von Stützpunkten 12 werden mittels einer Ausgleichsfunktion mit einstellbaren Einflussprofilen 31 , die die Positionen der benachbarten Stützpunkte (12) entsprechenden der eingestellten Einflussprofile angleichen, verändert.
[0073] Die Stützpunkte 12 der Hüllkurve 11 , der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 sind in einer Liste oder einer Tabelle abgelegt und abgespeichert. Diese Ausgleichsfunktion mit den vorgegebenen Einflussprofilen kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass die Ausgleichsfunktion mittels einer Profilliste von dem Einflussprofil entsprechenden Multiplikatoren abgespeichert sind. Wird nun die Position eines Stützpunkts 12 in der Bewertungskurve 23 und/oder der Ausblendkurve 22 durch den Bediener geändert, werden die Multiplikatoren in der ausgewählten Profilliste mit dem Wert der Änderung der Position des Stützpunkts 12 multipliziert und die Ergebnisse zu den entsprechenden Einträgen in der Liste der links und rechts benachbarten Stützpunkte 121, 12r hinzuaddiert.
[0074] Die fünfte Möglichkeit des Reduzierens der Anzahl der Stützpunkte 12 in einer Echofunktion 10, einer Hüllkurve 11 , einer Ausblendkurve 22 und/oder einer Bewertungskurve 23 ist in Fig. 8 bis Fig. 11 dargestellt. In Fig. 8 ist eine Echofunktion 10 oder deren Hüllkurve dargestellt. Auf der Abszisse ist die Laufstrecke x in Meter oder die Laufzeit t in Sekunden und auf der Ordinate ist der Amplitudenwert Amp in Millivolt der Kurvendiagramme aufgetragen.
[0075] In Fig. 9 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts D der Echofunktion 10 und/oder der Hüllkurve 11 mit den Stützstellen 12 aus Fig. 8, Fig. 10 und Fig. 11 gezeigt. Der Reduktionsalgorithmus berechnet für jede Stützstelle 12 der Hüllkurve 11 , der Ausblendkurve 22 und/oder der Bewertungskurve 23 durch eine abschnittsweise lineare Approximation die Amplitudenabstände dy der Stützpunkte 12 zu einer Geraden 30 durch den linken und rechten benachbarten Stützpunkt 121, 12r. Die durch den Reduktionsalgoritmus bewerten Stützpunkte 12 mit den geringsten ermittelten Amplitudenabständen (dy) werden in einem Folgeschritt zumindest im Abschnitt der Hüllkurve (11), der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) gelöscht. In einem weiteren Schritt werden nur für die linken und rechten Nachbarstützpunkte 121, 12r der gelöschten Stützpunkte 12 neue Amplitudenabstände dy berechnet und entsprechend in der Liste abgespeichert. Die abschnittsweise lineare Approximation wird zyklisch ausgeführt, bis beispielsweise eine vorgegebene Abweichung der Amplitudenabstände dy und/oder eine vorgegebene minimale Anzahl von Stützpunkten 12 erreicht ist. Der erfindungsgemäße Reduktionsalgorithmus mittels der abschnittsweisen linearen Approximation hat den Vorteil, dass dieser Algorithmus wenig Rechenleistung benötigt und die Stützpunkte 12 in der Art und Weise reduziert werden, dass die Abweichung bzw. der Approximationsfehler minimal ist und die Ausblendkurve 22 und/oder die Bewertungskurve 23 auf die grundlegendsten Charakteristika dieser Kurven reduziert sind.
[0076] In Fig. 10 ist eine Reduktion der Stützstellen 12 auf 6 Prozent der Stützstellen 12 der Originalkurve mittels einer stückweisen linearen Approximation der Hüllkurve 11 mit einer geringen Abweichung der Amplitudenabstände dy von kleiner 50 Millivolt dargestellt. Desweiteren zeigt die Fig. 11 eine weitere Darstellung der Reduktion der Stützstellen auf nur noch 1 Prozent der Stützstellen 12 der Originalkurve mittels einer stückweisen linearen Approximation der Hüllkurve mit einer größeren Abweichung der Amplitudenabstände dy von kleiner 400 Millivolt.
[0077] Die Reduzierung und Modifikation der Stützstellen 12 ist nicht nur, wie in den Fig. 1-11 gezeigt, auf die Ausblendkurve 22 beschränkt, sondern kann auch auf die Bewertungskurve 23 angewandt werden. Eine Änderungsmöglichkeit der Echofunktion 10 und der Hüllkurve 11 wird nicht angestrebt, ist jedoch ohne weiteres technisch umsetzbar.
[0078] Bezugszeichenliste
1. Feldgerät, Messgerät
2. Regel-/Auswerteeinheit
3. Sende-/Empfangseinheit
4. Kommunikationseinheit 5. Behälter
6. Sende-/Empfangselement
7. Medium
8. Grenzschicht, Oberfläche
9. Messumformer
10. Echofunktion, Echokurve 10a veränderte Echofunktion
11. Hüllfunktion, Hüllkurve
12. Stützpunkte
12a zusätzlicher Stützpunkt 12b abweichender Stützpunkt 121 linker benachbarter Stützpunkt 12r rechter benachbarter Stützpunkt
13. Verbindungsfunktionen
13a neue Verbindungsfunktion
14. Echosignal
15. Nutzechosignal
16. Störechosignal
17. Steigung
18. Länge
19. Einbauten, Störelement
20. Schleppzeiger
21. Nulllinie
22. Ausblendkurve
23. Bewertungskurve
24. Regressionsgerade
25. Reduktionskurve
26. Scheitelpunkt
27. Wendepunkt
28. Eingabe-/Ausgabeeinheit
29. externe Bedieneinheit
30. Gerade
31. Einflussprofile 32. Einflussprofil-Anzeige Amp Amplitudenwert S Sendesignal R Reflexionssignal K Störsignal x Laufweg, Position, Strecke X1 Position des Nutzechosignals t Laufzeit + Plus-Taste - Minus-Taste E Enter-Taste M Mauszeiger h Füllstand dy Amplitudenabstand

Claims

Ansprüche
1. 1. Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands (F) eines Mediums (7) in einem Behälter (5) durch ein Feldgerät (1), wobei Sendesignale (S) in Richtung des Mediums (7) ausgesendet werden und als Reflexionssignale (R) empfangen werden, wobei die Sendesignale (S) und die Reflexionssignalen (R) mittels
Stützpunkten (12) in einer von der Laufzeit (t) oder der Laufstrecke (x) abhängigen Hüllkurve (11) erfasst werden, wobei Störechosignale (18) in einer Ausblendkurve (22), die in einem ersten
Messzyklus aus der Hüllkurve (11) des leeren Behälters (5) ermittelt wird, mittels Stützpunkten (12) erfasst werden, wobei eine Bewertungskurve (23) durch ein Glättungsverfahren in einem ersten Messzyklus aus der Hüllkurve (11) ermittelt wird, wobei die Stützpunkte (12) über Verbindungsfunktionen (13) miteinander verbunden werden und somit Zwischenwerte erzeugt werden, wobei zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) mittels einem Reduktionsalgorithmus die Anzahl der
Stützpunkte (12) in der Ausblendkurve (22) und/oder in der Bewertungskurve
(23) reduziert werden, wobei durch einen Echosuchalgorithmus mittels der reduzierten
Ausblendkurve (22a) und/oder reduzierten Bewertungskurve (23a) zumindest ein Nutzechosignal (15) in der aktuellen Hüllkurve (11) ermittelt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Stützpunkte (12) der Hüllkurve(11), der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) durch eine abschnittsweise lineare Approximation als Reduktionsalgorithmus reduziert werden, indem für alle Stützpunkte (12) zumindest eines Abschnitts der Hüllkurve (11), der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) die Amplitudenabstände (dy) der Stützpunkte (12) zu einer Geraden (30) zwischen einem linken und rechten benachbarten Stützpunkt (121, 12r) ermittelt werden und die Stützpunkte (12) zumindest im Abschnitt der Hüllkurve (11), der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) mit den geringsten ermittelten Amplitudenabständen (dy) gelöscht werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die abschnittsweise lineare Approximation zyklisch ausgeführt wird, bis eine vorgegebene Abweichung der Amplitudenabstände (dy) und/oder eine vorgegebene Anzahl von Stützpunkten (12) erreicht wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Stützpunkte (12) der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) durch eine lineare Regression als Reduktionsalgorithmus reduziert werden, in dem überflüssige Stützpunkte (12b), die nicht auf den Regressionsgeraden (24) liegen, gelöscht werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stützpunkte (12) der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) durch den Reduktionsalgorithmus auf die Extrempunkte, Scheitelpunkte (26) und/oder Wendepunkte (27) der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) reduziert werden.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei Stützpunkte (12) in der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) durch den der Reduktionsalgorithmus in einem vorgegebenen Intervall periodisch gelöscht wird.
7. 7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3, wobei an jedem Stützpunkt (12) in der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) die Steigung (17) der beidseitig angrenzenden Verbindungsfunktionen (13) durch den Reduktionsalgorithmus miteinander verglichen wird und bei einer Unterschreitung eines vorgegebenen Differenzwertes der beiden Steigungen (17) dieser Stützpunkt (12) gelöscht wird.
8. 8. Verfahren nach zumindest einem vorherigen Ansprüche, wobei im Betriebsmodus des Feldgeräts (1) Stützwerte und/oder Stützstellen der einzelnen Stützpunkte (12) in der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) anhand eines dynamischen Echosuchalgorithmus mittels einer Echoverfolgung des Nutzechosignals (15) und/oder der Störechosignale (16) in einem definierten Suchfenster (19) automatisch bearbeitet und/oder angepasst werden.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Historien der Stützwerte und/oder Stützstellen der einzelnen Stützpunkte (12) in der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) als zumindest ein maximaler Zustand und/oder ein minimaler Zustand in zumindest einem Schleppzeiger (20) abgespeichert und/oder dargestellt werden.
10. 10. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei in einem Bearbeitungsmodus die Anzahl und/oder die Distanz der Stützpunkte (12) zur Durchführung des Reduktionsalgorithmus, die Verbindungsfunktionen (13) der einzelnen Stützpunkte (12) und/oder zusätzlicher Stützpunkte (12a) über eine Eingabe-/Ausgabeeinheit (28) am Feldgerät (1) und/oder über eine externe Bedieneinheit (29) vorgegeben werden.
11. 11. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei in einem Bearbeitungsmodus die Positionen einzelner Stützpunkte (12) und/oder Gruppen von Stützpunkten (12) über eine Eingabe-/Ausgabeeinheit (28) am Feldgerät (1) und/oder über eine externe Bedieneinheit (29) verändert werden.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei die Positionen einzelner Stützpunkte (12) und/oder von Gruppen von Stützpunkten (12) mittels einer Ausgleichsfunktion mit einstellbaren Einflussprofilen (31), die die Positionen der benachbarten Stützpunkte (12) entsprechenden der eingestellten Einflussprofilen angleichen, verändert werden.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem Bearbeitungsmodus die zusätzlichen Stützpunkte (12a) als Scheitelpunkte (26) mit beidseitig angrenzenden, abfallenden Verbindungsfunktionen (13), die eine vordefinierte Länge (18) und/oder die eine vordefinierte Steigung (17) aufweisen, vorgegeben werden und/oder wobei in Bereichen zwischen zwei Stützpunkten (12, 12a), an denen sich zwei Verbindungsfunktionen (13) überlappen, eine neue Verbindungsfunktion (13a) gebildet wird, die diese beiden Stützpunkte (12, 12a) miteinander verbindet.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die zusätzlichen Stützpunkte (12a) in der Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurven (23) platziert werden und diese zusätzlichen Stützpunkte (12a) durch erneut gebildete Verbindungsfunktionen (13a) in die bestehende Ausblendkurve (22) und/oder der Bewertungskurve (23) integriert werden.
15. 15. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 , 7, 10, 12, 13 oder 14, wobei als Verbindungsfunktionen (13, 13 a) zumindest eine stückweise lineare Interpolation, eine Spline-Interpolation und/oder zumindest eine Polynom-Interpolation verwendet werden.
16. 16. Verfahren nach zumindest der Ansprüche 1 , 2, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, wobei die Hüllkurve (11), die Ausblendkurve (22) und/oder die Bewertungskurve (23) abschnittsweise entweder in einem Ersetzungsmodus neu erzeugt wird oder in einem Überlagerungsmodus aus den Maximalwerten der alten abgespeicherten und der neu aufgenommen Hüllkurve (11), Ausblendkurve (22) und/oder Bewertungskurve (23) gebildet wird.
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