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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter nach einem Laufzeitmessverfahren, bei dem Sendesignale in Richtung des Mediums ausgesendet werden und an Grenzschichten des Mediums reflektierte Reflexionssignale als Nutzechosignale empfangen werden.
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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 Messgeräte 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.
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In der Laufzeit-Messmethode zur Ermittlung des Füllstandes wird heutzutage im wesentlichen nach drei Arten von Echomessprinzipien mit den entsprechenden Messgeräten unterschieden.
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In einer ersten Art werden beispielsweise Ultraschallwellen als Messsignal über einen Schallwandler in Richtung des Mediums frei abstrahlend ausgesendet und nach einer abstandsabhängigen Laufzeit des Messsignals werden die an der Mediumsoberfläche reflektierten Reflexionssignale wieder empfangen.
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In einer zweiten Art werden beispielsweise Mikrowellen als Messsignal über eine Antenne in Richtung des Mediums frei ausgesendet und nach einer abstandsabhängigen Laufzeit des Messsignals werden die an der Mediumsoberfläche reflektierten Reflexionssignale wieder empfangen.
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In der dritten Art wird nach der Methode der geführten Mikrowelle bzw. der Zeitbereichsreflektormetrie oder der TDR-Messmethode (Time Domain Reflection) ein Hochfrequenzimpuls entlang eines Sommerfeldschen oder Goubauschen Wellenleiters oder entlang eines Koaxialwellenleiters ausgesendet, welcher bei einem Sprung in der Dielektrizitätskonstanten des den Wellenleiter umgebenden Mediums, so genannter DK-Wert, teilweise zurückreflektiert wird.
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Alle Arten von Echomessprinzipien haben gemein, dass die ausgesendeten Messsignale an der Mediumsoberfläche reflektiert und nach der abstandsabhängigen Laufzeit des Signals als Nutzechosignale wieder empfangen werden. Aus der Laufzeit lässt sich mit Hilfe der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der jeweiligen ausgesendeten Wellen der Füllstand des Mediums in einem Behälter berechnen. Anhand der Zeitdauer zwischen dem Aussenden der Messsignale und dem Empfangen der reflektierten Echosignale lässt sich der Abstand des Messgerätes zu der Mediumsoberfläche ermitteln. Unter Berücksichtigung der Geometrie des Behälterinnern wird dann der Füllstand des Mediums als relative oder absolute Größe ermittelt.
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Bei der mit Mikrowellen arbeitenden Laufzeit-Messmethode werden im wesentlichen zwei Ermittlungsverfahren eingesetzt: 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 und des empfangenen, reflektierten Hochfrequenzsignals (FMCW - Frequency-Modulated Continuous Wave). Im Allgemeinen wird in den folgenden Ausführungen keine Beschränkung auf ein bestimmtes Ermittlungsverfahren vorgenommen.
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Nach heutigem Stand der Technik gibt es verschiedene Ansätze, die exakte Position des Füllstand-Nutzechosignal in der ermittelten Echofunktion oder der digitalen Hüllkurve zu bestimmen. Von der exakten Bestimmung der Messposition des Füllstands in der Echofunktion hängt ab, welche Messgenauigkeit mit diesem Echomessprinzip unter den gegebenen Messbedingungen erreicht werden kann. Ein Ansatz, den Füllstand zu bestimmen, ist hierbei, das Nutzechosignal in der Echofunktion mit der größten Amplitude zu ermitteln. Unter realen Messbedingungen ist es jedoch oft nicht möglich, den exakten Füllstand im Behälter zu bestimmen, da beispielsweise besonders bei Schüttgütern sich keine ebene Oberfläche des Mediums im Behälter ausbildet Die Unebenheiten in der Oberfläche bei beispielsweise Schüttgütern bzw. Feststoffen kommen oft dadurch zustande, dass das Schüttgut in dem Behälter nur durch Rohre räumlich begrenzt zugeführt oder entnommen wird, wodurch eine Kegelbildung des Schüttguts im Behälter entsteht. Durch eine abwechselnde, ungleichmäßige Zuführung und Abführung von Schüttgut entsteht eine unebene Oberfläche. In diesen Fällen kann nur ein Bereich des Füllstands ermittelt werden, da es durch die Zerklüftung der Oberfläche des Mediums zu einer Vielzahl von Nutzechosignalen mit unterschiedlichen Laufzeiten und verschiedenen Amplituden kommt. Eine exakte Bestimmung des Füllstandes ist in diesen Fällen nicht möglich.
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Ein Radar-basiertes Verfahren, mit dem eine Grobunterscheidung des Füllgut-Typs möglich ist, wird in der Offenlegungsschrift
DE 101 05 652 A1 beschrieben. Die Ermittlung erfolgt hier anhand der Breite der einzelnen Echos der Hüllkurve oder anhand der Anzahl der äquidistanten Echos in einer Echofunktion.
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Des Weiteren wird in der Patentschrift
US 6,298,008 B1 ein Radar- oder Ultraschall-basiertes Verfahren zur Füllstandsbestimmung bei sehr inhomogenen Füllgütern. Dabei wird der Füllstand durch Identifizierung spezifischer Charakteristika der Echofunktion bestimmt.
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Ein weiteres Ultraschall- oder Radarbasiertes Verfahren zur Füllstandsbestimmung wird in der Patentschrift
US 6,169,706 B1 beschrieben. Hier erfolgt eine segmentweise Erstellung einer Schwellwertes, wobei die Segmente anhand von Scheitelpunkten in der Echofunktion definiert werden. Die Lage des Nutzechopeaks wird dann vorzugsweise mittels Bildung des Flächenschwerpunktes derjenigen Bereiche, die oberhalb der einzelnen Schwellwerte liegen, bestimmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und angepasstes Verfahren zur Auswertung von Nutzechosignalen in Echokurven der Laufzeitmessung von Messsignalen aufzuzeigen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter nach einem Laufzeitmessverfahren, wobei Sendesignale in Richtung des Mediums ausgesendet werden und an Grenzschichten des Mediums reflektierte Reflexionssignale als Nutzechosignale empfangen werden, wobei aus den empfangenen Reflexionssignalen eine von der Laufzeit oder der Laufstrecke abhängige Echofunktion ermittelt wird, wobei eine Bewertungsfunktion vorgegeben oder durch ein Ermittlungsverfahren aus der Echofunktion gebildet wird, wobei mittels eines Bewertungsalgorithmus' in der Echofunktion unter Zuhilfenahme der Bewertungsfunktion die Nutzechosignale ermittelt werden und zu einer Echogruppierung in einem ermittelten Gruppenbereich mit einer Obergrenze und einer Untergrenze formiert werden, wobei anhand eines Ermittlungsverfahrens eine den Füllstand repräsentierende Messposition im Gruppenbereich der Echogruppierung bestimmt wird. Die Nutzechosignale werden dadurch ermittelt, dass deren Scheitelpunkte und/oder Wendepunkte bestimmt werden. Eine weitere oder ergänzende Methode zur Ermittlung der Nutzechosignale ist, durch eine entsprechende Parabel-Anpassungsfunktion eine parabelförmige Kurvengleichung zu ermitteln, die der Form und Position des aktuellen Nutzechosignals oder mehrerer Nutzechosignale zumindest näherungsweise entspricht. Aus den ermittelten Kurvenwerten, wie z. B. aus der Form, der Position und/oder des Scheitelpunkts, wird eine Echogruppierung gebildet, die den Bereich des Füllstands anzeigt. Ein exakter Wert für den Füllstand wird durch ein Ermittlungsverfahren in der Art und Weise gefunden, dass eine bestimmte Messposition im Gruppenbereich der Echogruppierung ermittelt oder vorgegeben wird.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht insbesondere vor, dass in dem Bewertungsalgorithmus ein beliebiges Nutzechosignal, ein zuerst auftretendes Nutzechosignal oder ein maximales Nutzechosignal mit einem maximalen Amplitudenwert in der Echofunktion als Anfangsecho ermittelt wird. Von diesem Anfangsecho ausgehend werden nach einem bestimmten Suchalgorithmus solange weitere Nutzechosignale ermittelt bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist. Ausgehend von dem Anfangsecho wird beispielsweise zuerst in eine erste Richtung und nach dem Erfüllen eines Abbruchkriteriums in eine gegensätzliche Richtung nach weiteren Nutzechosignalen gesucht. Desgleichen ist jedoch auch die Durchführung einer gleichzeitigen oder abwechselnden Suche von Nutzechosignalen in beiden Richtungen möglich.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist, dass eine iterative Schrittbreite vorgegeben oder ermittelt wird und dass ausgehend von dem Anfangsecho in einem iterativen Suchalgorithmus mit jeweils der iterativen Schrittbreite weitere Nutzechosignalen in der Echofunktion gesucht werden und zu einer Echogruppierung in dem Gruppenbereich gruppiert werden. Durch einen iterativen Suchalgorithmus werden in bestimmten Zeitabstandsbereichen, der so genannten iterativen Schrittbreite, weitere Nutzechosignale ermittelt. Diese Nutzechosignale werden zu einer Echogruppierung bzw. zu einem Echocluster zusammengefügt. Anschließend wird nur noch die ermittelte Echogruppierung zur Ermittlung des Füllstands signaltechnisch ausgewertet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die iterative Schrittbreite mindestens so groß wie die minimale Signalbreite eines Nutzechosignals gewählt wird. Die iterative Schrittbreite ist so groß gewählt, dass ein Nutzechosignal, das zur Echogruppierung gehört, von dem Suchalgorithmus erkannt werden kann. Dieser Wert ist ein Erfahrungswert, der in der Hauptsache von einigen Größen der Prozessanlage, wie z.B. der Behältergröße abhängt.
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Eine sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass eine maximale Breite des Gruppenbereichs vorgegeben wird. Ein Abbruchkriterium des Suchalgorithmus' ist, ein maximales Suchfenster vorzugeben, in dem ausgehend vom Anfangsecho nach weiteren Nutzechosignalen gesucht werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der iterative Suchalgorithmus abgebrochen wird, wenn kein neues Nutzechosignal innerhalb der iterativen Schrittbreite gefunden wird oder wenn die maximale Breite für den Gruppenbereich erreicht wird. Wird diese maximale Breite des Gruppenbereichs bzw. das maximale Suchfenster zumindest in einer ersten Richtung der Suche überschritten, bricht der Suchalgorithmus die Suche nach weiteren Nutzechosignale selbstständig ab.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass im Ermittlungsverfahren die Messposition eines Flächenschwerpunkts des Gruppenbereichs der Echogruppierung ermittelt wird. Ist durch den Suchalgorithmus die Echogruppierung bestimmt, wird in Bezug auf die Bewertungskurve das Flächenintegral der Nutzechosignale, die im Gruppenbereich oberhalb der Bewertungskurve liegen, ermittelt. Aus diesem Flächenintegral wird auf der Echofunktion im Gruppenbereich die Messposition bestimmt, bei der die Flächenanteile des Flächenintegrals links und rechts der Messposition gleich sind.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Obergrenze und die Untergrenze des Gruppenbereichs durch die am weitesten auseinander liegenden Nutzechosignale der Echogruppierung bestimmt werden. Die Obergrenze und die Untergrenze des Gruppenbereichs werden durch die Scheitelpunkte der am weitesten auseinander liegenden Nutzechosignale der Echogruppierung bestimmt.
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Eine ergänzende vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass für die Obergrenze ein maximaler Relativwert von 100 Prozent und für die Untergrenze ein maximaler Relativwert von 0 Prozent vorgeben wird. Durch die Normierung des Gruppenbereichs auf einen relativen Wertebereich von 0 % (Prozent) bis 100 % (Prozent) wird die Größe des Gruppenbereichs, die sich in jedem Messzyklus des Messgeräts ändern kann, normiert.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass im Ermittlungsverfahren die Messposition als ein Wert, der zwischen der Obergrenze und der Untergrenze des Gruppenbereichs liegt, vom Bediener vorgegeben wird. Durch die Normierung des ermittelten Gruppenbereichs auf Relativwerte von 0 % bis 100 % ist es für den Bediener des Messgeräts möglich, durch den Vorgabewert ein bestimmtes Teilungsverhältnis des Gruppenbereichs als Messposition fest vorzugeben, obwohl sich die Größe des Gruppenbereichs ständig ändert. Dieser Vorgabewert ist ein Erfahrungswert des Bedieners bzw. Anlagenbetreibers je nach dem, worin er den Schwerpunkt bei der Ermittlung des Füllstandes hinlegen möchte. Soll mit dem Messgerät ein Leerlaufen des Behälters verhindert werden, wird er einen Vorgabewert im Bereich von 0 % bis 50 % angeben. Ist jedoch die Aufgabe des Messgeräts, als Überfüllsicherheitssystem zu dienen, so wird ein Vorgabewert im Bereich von über 50 % angenommen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden. Es zeigt:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines Messgeräts zur Ermittlung des Füllstands mit einer entsprechenden Echofunktion,
- 2 eine Echofunktion mit einer Bewertungsfunktion des Messgeräts,
- 3 ein vergrößerter Teilausschnitt A der Echofunktion aus 2 mit Skizzierung des iterativen Suchalgorithmus' zur Bildung der Gruppierung von Nutzechosignalen,
- 4 ein vergrößerter Teilausschnitt A der Echofunktion aus 2 mit Skizzierung des Flächenschwerpunkts als Messposition, und
- 5 ein vergrößerter Teilausschnitt A der Echofunktion aus 2 mit Skizzierung des Vorgabewertes als Messposition.
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In 1 ist ein nach dem Laufzeit-Messverfahren arbeitendes Messgerät 1 zur Ermittlung des Füllstand 9 eines Mediums 7 gezeigt, das auf einem Behälter 5 in einem Stutzen 4 montiert ist. Bei dem gezeigten Messgerät 1 handelt es sich um eine frei in den Prozessraum 6 abstrahlende Radarantenne bestehend aus einem Regel-/Auswerteeinheit 2 und einer Sende-/Empfangseinheit 3. Die Sende-/Empfangseinheit 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise als Hornantenne ausgeführt, jedoch kann das Sende-/Empfangselement als jede bekannte Antennenform, wie z.B. Stab- oder Planarantenne ausgestaltet sein. Die Regel-/Auswerteeinheit 3 besteht zumindest aus einem Messumformer, der beispielsweise die Erzeugung, den Empfang und die signaltechnische Verarbeitung der Messsignale durchführt, und gegebenenfalls einer Steuer-/Regelschaltung, die die Kommunikation über ein Bussystem sowie die Energieversorgung des Messgeräts steuert und regelt. In der Regel-/Auswerteeinheit 2 wird ein Messsignal beispielsweise in Form eines hochfrequenten Sendesignals S erzeugt und über die Sende-/Empfangseinheit 3 in einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik in Richtung Medium 7 abgestrahlt. Nach einer von der zurückgelegten Strecke x abhängigen Laufzeit t werden die an der Oberfläche 8 des Mediums 7 reflektierten Messsignale als Reflexionssignal R wieder von der Sende-/Empfangseinheit 3 und dem Regel-/Auswerteeinheit 2 empfangen. Der Regel-/Auswerteeinheit 2 ermittelt aus den Reflexionssignalen R eine Echofunktion 10, die Amplituden der Reflexionssignale R in Abhängigkeit der zurückgelegten Strecke x oder der entsprechenden Laufzeit t darstellt. Durch eine Analog/Digitalwandlung der analogen Echofunktion bzw. der Echokurve 10 wird eine digitalisierte Hüllkurve 11 erzeugt. Im Weiteren wird nur noch der Begriff der Echofunktion 10 verwendet, wobei dieser Begriff ebenfalls die Begriffe der Echokurve 10, der Hüllfunktion bzw. der Hüllkurve 11 impliziert.
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Eine die Messsituation im Behälter 5 abbildende Echofunktion ist proportional zur Laufstrecke x des Messsignals dargestellt. Zum besseren Verständnis ist der Bereich 9a, der beispielsweise durch Schüttkegelbildung einer unebenen Oberfläche 8 des Mediums 7 im Behälter 5 verursacht wird, über Bezugslinien anschaulich den entsprechenden Reflexionssignalen R in der Echofunktion 10 zugeordnet, so dass das Ursache-Wirkungs-Prinzip auf einen Blick erfasst werden kann. Im Anfangsbereich der Echofunktion 10 ist das Abklingverhalten 29 bzw. das so genannten Klingeln zu sehen, das aufgrund von Mehrfachreflexionen in der Sende-/Empfangseinheit 3 oder dem Stutzen 4 entsteht und/oder das auch durch Ansatzbildung an der Sende-/Empfangseinheit 3 entstehen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur alleine, wie explizit in 1 dargestellt, in frei abstrahlenden Mikrowellen-Messgeräten 1 umsetzbar, sondern ein Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in weiteren Laufzeitmesssystemen, wie beispielsweise TDR-Messgeräten 1 oder Ultraschall-Messgeräten 1 ist ausführbar.
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In 2 ist die analoge Echofunktion 10 aus 1 vergrößert und in die Horizontale gedreht dargestellt. Auf der Abszissenachse ist die benötigte Laufzeit t oder der zurückgelegte Weg x des Messsignals im Behälter 5 aufgetragen, und die Ordinatenachse enthält die Amplitudenwerte Amp der Echofunktion 10.
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In dem Diagramm wird des Weiteren eine Bewertungskurve 12 präsentiert, die durch ein Ermittlungsverfahren, z.B. eine mathematische Filterfunktion in Form einer gleitenden Mittelwertbildung, aus der jeweiligen Echofunktion 10 oder einer bei der Inbetriebnahme ermittelten Echofunktion 10 im leeren Behälter 5 ermittelt wird. Durch die Bewertungskurve 12 werden Störsignale und Rauschsignale, die beispielsweise durch Störreflexionen an Einbauten im Behälter, durch Mehrwegeausbreitung und durch Mehrmodenausbreitung, durch Schaum- und Ansatzbildung des Mediums und durch turbulente Mediumsoberflächen entstehen können, ausgeblendet. Des Weiteren wird das Anregungssignal 25 mit dem Abklingverhalten 29 der Echofunktion 10 von dem nach Nutzechosignalen auszuwertenden Messsignal mit Hilfe der Bewertungskurve 12 signaltechnisch getrennt. Dementsprechend wird diese Bewertungskurve 12 als Bezugslinie bzw. Abbruchkriterium für den Suchalgorithmus von Nutzechosignalen 20 in der Echofunktion 10 verwandt. Demzufolge ist es möglich, die Nutzechosignale 20 in der Echofunktion 10 mittels der Bewertungskurve 12 zu identifizieren. Die Signalanteile, die oberhalb der Bewertungskurve 12 liegen, werden von dem Bewertungsalgorithmus als Nutzechosignale 20 erkannt. Der Ausschnitt A der Echofunktion ist der Bereich 9a der Echofunktion 10, in dem die ermittelte oder vorgegebene Messposition 13 des Füllstands 9 liegt.
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In 3 ist der Ausschnitt A der Echofunktion 10 und der Bewertungskurve 12 aus 2 vergrößert dargestellt. Das Verfahren zur Ermittlung der Nutzechosignale 20 in der Echofunktion erfolgt nach folgendem Schema: In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Anfangsecho 27 ermittelt. Dieses Anfangsecho 27 ist beispielsweise ausgehend von Anregungssignal 25 das erste Nutzechosignal 22 oder das maximale Nutzechosignal 21, deren Scheitelpunkte und oder Wendepunkte über der Bewertungskurve 12 liegen. Hierzu wird beispielsweise durch eine Anpassungsfunktion eine annähernde Parabelkurvengleichung bestimmt, die den Scheitelpunkt des Nutzechosignals 20 vorgibt und die Kurvenform des gemessenen Nutzechosignals 20 annähernd beschreibt. Ausgehend von dem Scheitelpunkt wird nach einem iterativen Suchalgorithmus in einer iterativen Schrittbreite 19 nach weiteren Nutzechosignalen 20 gesucht. Die iterative Schrittbreite 19 ist ein Erfahrungswert, der von Parametern der Prozessanlage, wie z.B. der Geometrie des Behälters 5, den Befüll-/Entleerungsvorgängen oder der Art des Mediums 7 abhängig ist. Diese iterative Schrittbreite 19 wird vorgegeben, so dass die iterative Schrittbreite 19 zumindest der kleinsten auftretenden Signalbreite 28 entspricht. Wird innerhalb dieser iterativen Schrittbreite 19 ein weiteres Nutzechosignal 20 gefunden, so wird wie zuvor beschrieben, dessen Scheitelpunkt und Kurvenform annähernd bestimmt. Diese Prozedur des iterativen Suchalgorithmus nach weiteren Nutzechosignalen 20 in iterativen Schrittbreiten 19 wird ausgehend vom Anfangsecho 27 in beide Richtungen solange ausgeführt, bis als Abbruchkriterium kein erneutes Nutzechosignal 20 mehr identifiziert werden kann oder eine vorgegebene maximale Breite 15 des Suchfensters erreicht wurde. In Prozessanlagen, die als Medium einen Feststoff bzw. ein Schüttgut verwenden, ist diese maximale Breite beispielsweise auf 2 Meter festgelegt.
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Die ermittelten Nutzechosignale 20 werden zu einer Echogruppierung 26 zusammengefasst, welche auch als Echocluster bezeichnet wird. Die Nutzechosignale 20 der Echogruppierung 26, die am weitesten auseinander liegen, spannen einen Gruppenbereich 16 mit einer Untergrenze 17 und einer Obergrenze 18 auf. Liegen zwei Nutzechosignale 20 sehr nahe beieinander, so kann es auf Grund von Überlagerungen der einzelnen Nutzechosignale 20 im Gruppenbereich 16 zu einer Auslöschung des Messsignals in diesen Bereichen, zu so genannte Interferenzen 23, kommen. Aufgrund dieser Interferenzen ist es möglich, dass Signalanteile der Echofunktion 10 im Gruppenbereich 16 unterhalb der Bewertungsfunktion 12 zu liegen kommen, obwohl die Signalanteile aufgrund der erhöhten Reflexion des Sendesignals S durch die Oberfläche 8 des Mediums 7 oberhalb der Bewertungskurve 12 liegen müssten. Da die Bewertungskurve 12, wie schon zuvor beschrieben, die Messsituation im leeren Behälter 5 repräsentiert und Störsignale und von dem Messverfahren bedingte Signalanteile beinhaltet, bildet diese gewissermaßen eine Nulllinie, von der ausgehend die Amplituden Amp der Nutzechosignale 20 der an der Oberfläche 8 des Mediums 7 reflektierten Reflexionssignale R bestimmt werden können.
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In 4 ist der Ausschnitt A der Echofunktion 10 und der Bewertungskurve 12 aus 2 mit einer Echogruppierung 26 von Nutzechosignalen 20 mit einem Gruppenbereich 16 dargestellt. Um eine verlässliche Aussage über den Füllstand 9 im Behälter 5 treffen zu können, muss eine aussagekräftige Messposition 13 im Gruppenbereich 16, die den Wert des Füllstands 9 repräsentiert, bestimmt werden. Eine Möglichkeit stellt hierzu das Ermittlungsverfahren zur Bestimmung des Flächenschwerpunktes 24 dar. In diesem Ermittlungsverfahren wird die Fläche der Nutzechosignale 20 der Echofunktion 10, die im Gruppenbereich 16 oberhalb der Bewertungsfunktion 12 liegt, ermittelt. Nach der Ermittlung der Fläche der Nutzsignale 20 im Gruppenbereich 16 wird als Flächenschwerpunkt 24 die Messposition 13 im Gruppenbereich 16 bestimmt, an der die Fläche rechts von der Messposition 13 genauso groß ist, wie die Fläche links von der Messposition 13. Durch dieses Mittelungsverfahren der Flächen der Nutzechosignale 20 wird erreicht, dass bei einigermaßen gleich verteilten Nutzechosignalen 20 im Gruppenbereich 16 ein annähernd gleicher Füllstand 9, wie bei einer vergleichsweise eingeebneten Oberfläche 8 des Mediums 7 erreicht wird. Die Genauigkeit dieser Messung und Abschätzung ist jedoch auch stark von den Materialeigenschaften, wie z.B. von dem Reflexionsverhalten des Mediums 7, der Schüttkegelbildung und der Geometrie des Behälters 5 abhängig.
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In 5 ist eine Echogruppierung 26 mit einem Gruppenbereich 16, deren Ermittlung in der Beschreibung zu 3 beschrieben ist, dargestellt. Der Gruppenbereich 16 mit der Untergrenze 17 und der Obergrenze 18 legt den Bereich 9a fest, in dem der Füllstand 9 des Mediums 7 im Behälter 5 zu finden ist. Der ermittelte Gruppenbereich 16 wird in einen Relativwertebereich eingeteilt, wobei die Untergrenze 17 beispielsweise einen Relativwert von 0 % repräsentiert und die Obergrenze einem Relativwert von 100 % entspricht. Mittels eines Vorgabewerts 14 wird von dem Anlagenbetreiber eine Messposition 13 innerhalb des Gruppenbereichs 16 vorgegeben. Dieser Vorgabewert 14 beruht auf einem Erfahrungswert des Anlagenbetreibers, der von der Geometrie des Behälters 5, der Befüllungs-/Entleerungsprozesse, dem Reflexionsverhalten des Materials und vielen weiteren Faktoren abhängt. Der Anlagenbetreiber wird durch die Möglichkeit der einfachen Eingabe eines relativen Vorgabewertes befähigt, die für Ihn interessante Messposition 13 des Füllstands 9 in dem ermittelten Gruppenbereich 16 der Echogruppierung 26 bzw. dem Echocluster festzulegen. Je nach Messgerät 1, Anlage oder Medium 7 können hier auch andere Prioritäten durch den Vorgabewert 14 festgelegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Regel-/Auswerteeinheit
- 3
- Sende-/Empfangseinheit
- 4
- Stutzen
- 5
- Behälter
- 6
- Prozessraum
- 7
- Medium
- 8
- Oberfläche
- 9
- Füllstand
- 9a
- Bereich
- 10
- Echofunktion, Echokurve
- 11
- Hüllfunktion, Hüllkurve
- 12
- Bewertungsfunktion, Bewertungskurve
- 13
- Messposition
- 14
- Vorgabewert
- 15
- maximale Breite
- 16
- Gruppenbereich
- 17
- Untergrenze
- 18
- Obergrenze
- 19
- iterative Schrittbreite
- 20
- Nutzechosignal
- 21
- maximales Nutzechosignal
- 22
- erste Nutzechosignal
- 23
- Interferenzen
- 24
- Flächenschwerpunkt
- 25
- Anregungssignal
- 26
- Echogruppierung
- 27
- Anfangsecho
- 28
- Signalbreite
- 29
- Abklingverhalten
- Amp
- Amplitude
- S
- Sendesignal
- R
- Reflexionssignal
- x
- Weg, Laufweg
- t
- Zeit, Laufzeit