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WO2014019948A1 - Verfahren zur bestimmung und/oder überwachung des füllstands eines mediums in einem behälter - Google Patents

Verfahren zur bestimmung und/oder überwachung des füllstands eines mediums in einem behälter Download PDF

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Publication number
WO2014019948A1
WO2014019948A1 PCT/EP2013/065776 EP2013065776W WO2014019948A1 WO 2014019948 A1 WO2014019948 A1 WO 2014019948A1 EP 2013065776 W EP2013065776 W EP 2013065776W WO 2014019948 A1 WO2014019948 A1 WO 2014019948A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
echo
ideal
curve
echo curve
adaptive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/065776
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexey Malinovskiy
Stefan Gorenflo
Dietmar Spanke
Edgar Schmitt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Priority to US14/417,878 priority Critical patent/US9534944B2/en
Priority to CN201380041281.9A priority patent/CN104520682B/zh
Publication of WO2014019948A1 publication Critical patent/WO2014019948A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
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    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/285—Receivers
    • G01S7/292—Extracting wanted echo-signals

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining and / or monitoring the level of a medium in a container with a measuring device that operates according to the transit time measurement method.
  • Gauges are often used in automation and process control technology to provide a process variable, such as a process variable. Determine flow, level, pressure and temperature or a different physical and / or chemical process variable in a process flow.
  • the runtime method used in the level gauges exploits the physical law, according to which the running distance is equal to the product of transit time and propagation speed.
  • the running distance is equal to the product of transit time and propagation speed.
  • level measurement corresponds to the case of level measurement
  • the useful echo signal that is to say the signal reflected on the surface of the medium, and its transit time are preferably determined on the basis of the so-called echo curve, which reproduces the amplitudes of the echo signals as a function of the distance from the transmitter in an analogue or digitized form.
  • the fill level itself then results from the difference between the known distance of the reference point of the transmitter to the bottom of the container and the distance determined by the measurement
  • the measuring signals are microwaves, then both the pulse radar and the frequency modulation continuous wave radar (FMCW radar) can be used.
  • FMCW radar frequency modulation continuous wave radar
  • FMCW FMCW
  • Microwave measuring devices in which pulsed measuring signals are radiated freely, the applicant, for example, under the
  • Microwave measuring instruments the measuring signals along a conductive element in the container in and out of the container, are sold by the applicant under the name 'LEVELFLEX' and sold.
  • a device type which works with ultrasound signals is offered and distributed by the applicant, for example, under the name 'PROSONIC'.
  • the emitted measurement signals form with the received useful echo signals a total measurement signal, which optionally includes additional interference echo signals under real measurement conditions.
  • These interference echo signals have various causes, such as: - Reflections on internals in the container and the container itself
  • WO 03/016835 A1 describes a method for evaluating measuring signals of a measuring device operating according to the transit time principle, in which a currently recorded measuring curve is compared with reference signal data. In comparison of the reference signal data to the currently recorded measurement curve, a correction factor can be determined from the time shift of the corresponding interference and useful signals, with which the sought level can be determined in the absence or evaluable useful signal of the level.
  • the method and devices for eliminating interfering signals from the measuring signal which are shown in the above application, all have the problem that they can not respond to the changes in the process conditions in the container which influence the measuring signal or to the changes in the measuring method and measuring performance of the measuring device.
  • DE 10 2007 042 042 A1 describes a method for determining and monitoring the fill level of a medium in a container by means of a field device, wherein the fill level in the envelope curve is determined from transmit signals and reflection signals based on the transit times or running distances.
  • the false echo signals are stored in a blanking curve, which are determined in a first measuring cycle from the envelope of the measuring signals in the empty container, and for evaluation of the envelope, a weighting curve, which is determined in a first measuring cycle from the envelope, stored.
  • the Ausblendkurve and / or evaluation curve are made editable by the curve functions are configured from a reduced number of vertices with corresponding connection functions.
  • a method for checking the proper function of a level measuring device is described, which operates on the transit time principle. This is done in predetermined or selectable temporal
  • the useful echo signal is determined on the basis of the current measured value curve.
  • the expected value for the quality of the useful echo signal at at least one predetermined fill level is determined on the basis of the signal amplitude of the current wanted echo signal and on the basis of an ideal echo curve determined under predetermined process and / or system-dependent conditions. The determined expectation value for the quality of the
  • the useful echo signal is compared with a predetermined critical value for the quality at the predetermined fill level, and an error state is diagnosed if the determined expected value falls below the critical value for the quality.
  • the invention has for its object to provide an improved and more accurate method for the evaluation of the measurement signals of level gauges.
  • the object is achieved by a method for determining and / or monitoring the level of a medium in a container with a measuring device that operates according to the transit time measurement method, wherein measurement signals are emitted in the direction of the medium and on a surface of the medium as useful echo signals or be reflected and received at a surface of a noise element as interference echo signals, wherein from the high-frequency total measurement signal consisting of the superimposition of the transmitted measurement signals, the reflected useful echo signals and the interference echo signals, a low-frequency intermediate frequency signal is generated by a sequential sampling, wherein from the high-frequency total measurement signal consisting of the superimposition of the transmitted measurement signals, the reflected useful echo signals and the interference echo signals, a low-frequency intermediate frequency signal is generated by a sequential sampling, wherein from the
  • Intermediate frequency signal is determined at least one dependent on the duration or the running distance raw echo curve or digitized envelope, wherein the useful echo signals and / or the Stör echo signals in the raw echo curve or the digitized envelope using an ideal echo curve, the amplitude of the echo signals of a ideal reflector as a function of the distance to the ideal reflector, are determined, and wherein the fill level is determined based on the determined useful echo signals.
  • a measuring signal is transmitted by a measuring device via a transmitting and receiving unit and transmitted to the
  • the overall measurement signal is produced by a superimposition of the transmitted measurement signal, the useful echo signal and possibly the interference echo signals.
  • the low-frequency intermediate frequency signal is from the total measurement signal means a signal sampling circuit. Basic becomes in this sequential
  • Intermediate frequency signal is generated by the fact that the total measurement signal and the sampling frequency signal are fed to a frequency mixer.
  • the lower frequency intermediate frequency signal has the same course as the overall measurement signal, but is stretched compared to the overall measurement signal by a time expansion factor equal to the quotient of the pulse repetition frequency of the measurement signal and the
  • Frequency difference of the two frequencies of the sampling signal and the measurement signal is.
  • a frequency difference of a few hertz and a microwave frequency of a few gigahertz a frequency of the intermediate frequency signal of less than 100 kHz is generated.
  • the transformation of the total measuring signal to the intermediate frequency has the advantage that relatively slower and therefore less expensive electronic components can be used for signal evaluation.
  • analog processing an analog raw echo curve is generated, which is averaged over some
  • Averaging width must often be set very wide, so no artifacts are obtained.
  • the evaluation curve is particularly good at suppressing false echo signals that are of a statistical nature and, for example, due to the filling of the tank
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention suggests that the ideal echo curve is calculated and determined by means of a predetermined algorithm.
  • a very advantageous variant of the method according to the invention can be seen in that the ideal echo curve is determined and stored by means of a comparison measurement with an ideal reflector.
  • a further supplementary variant of the method according to the invention provides that the ideal echo curve is adapted by means of an algorithm and an adaptive
  • a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention proposes that the adaptive ideal echo curve is shifted by the algorithm on the basis of an offset shift along a logarithmic amplitude axis.
  • a preferred embodiment of the inventive method provides that the displacement of the adaptive ideal echo curve is performed on the basis of the algorithm on the basis of the amplitude of the largest echo.
  • An expedient embodiment of the inventive method is that the displacement of the adaptive ideal echo curve is performed on the basis of a noise level based on the algorithm.
  • Algorithm is executed on the basis of setting parameters of the measuring device.
  • the shape adaptation of the adaptive ideal echo curve is carried out by means of a monitoring of the amplitude of the useful echo signal at different distances or transit times by the algorithm.
  • a further supplementary variant of the method according to the invention provides that the shape adaptation of the adaptive ideal echo curve is carried out on the basis of the algorithm on the basis of setting parameters of the measuring device.
  • An expedient embodiment of the method according to the invention is that for the diagnosis of the measuring device or the measuring point and for obtaining further additional information about the application, the ideal echo curve or the adaptive
  • FIG. 1 shows an embodiment of a measurement setup of the measuring device on a
  • Fig. 2 is a diagram with a smoothed evaluation curve by a
  • Fig. 3 is a diagram with a smoothed evaluation curve, by a
  • a measuring device 1 is mounted on a container 3 in a nozzle 12, which determines the level 6 of a medium 4 in the container 3 after the transit time measuring method.
  • an agitator, a cooling system and a further built-in the vessel wall measuring device are shown as interfering elements 7, but there are also other, not explicitly shown in the drawing interference elements 7, which can affect the measurement.
  • One of the measurement situation in the container 3 corresponding envelope HC is shown in proportion to the height of the container 3.
  • the illustrated envelope HC represents the amplitude AMP of the sampled, transmitted and reflected measurement signal MS as a function of the travel distance x or the transit time t Disturbances of interfering elements 7 in the container 3 and the surface 5 of the medium 4 are assigned via reference lines directly to the corresponding payload echo signal NES and the corresponding spurious echo signals SES in the envelope HC, so that you capture the cause-effect principle at a glance can.
  • Receiving unit 2 is designed as a horn antenna, however, any known transmitting and receiving unit 2, the measuring device 1 operates according to the transit time measuring method, such. Planar antennas, rod antennas, parabolic antenna,
  • a field bus 8 is provided, which according to the usual communication standards, such as e.g. Foundation Fieldbus, Profibus PA, works and is designed, for example, in a two-wire technology.
  • the supply of the measuring device 1 with energy can, in addition to the power supply of the measuring device 1 via the field bus 8, take place by means of a separate supply line 9.
  • Fig. 2 is a diagram of the prior art with a smoothed
  • Evaluation curve BC for example, by means of a filter method, which was a sliding minimum value FMC generated from the envelope HC and the raw echo curve RC shown.
  • the evaluation curve BC indicates the reference point for determining the amplitudes AMP of the wanted echo signals NES of the false echo signals SES, whereby a correct measure is predefined, so that the echoes can be compared with one another at different distances x or transit times t.
  • the relative amplitudes AMP of the echoes NES, SES, E relative to the evaluation curve are calculated and compared with each other.
  • the maximum echo Emax is determined with the greatest relative amplitude REA and equated to the reflection of the measurement signals MS on the surface 5 of the filling material 4 or the filling level 6.
  • the shape of the evaluation curve BC plays a crucial role.
  • FIG. 3 shows a prior art diagram with a smoothed evaluation curve BC, which was generated, for example, by means of a filter method which produced a moving averaging FAC from the envelope HC or the raw echo curve RC.
  • the smoothing is generated by the use of a mathematical filter function with a window function, eg a moving average with a certain window width.
  • a mathematical filter function with a window function, eg a moving average with a certain window width.
  • all measured values will be determined at a position in the envelope HC within a predetermined window width and an average value determined.
  • This determined mean value of the measured values within the window is stored in relation to the measuring point or transit time t and this averaging is carried out at the further measuring points or discrete transit times t in the digitized envelope HC. From the stored averages with respect to the Measuring points or transit times is then determined a moving average value curve FAC.
  • Evaluation curve FAC of FIG. 3 which was generated by a moving averaging, are abstract mathematical curves which are not physical
  • the echo NES, SES with the greatest relative amplitude REA with respect to these smoothed evaluation curves FMC, FAC need not necessarily correspond to the strongest reflection of the measurement signal MS. In some situations, errors may also occur when determining the wanted echo signal NES. Particularly critical is the comparison with the first echo E1 in the decay range of the transmitted pulse and with false echo signals SES. For example, in FIG. 2 and FIG. 3, the second echo E2 would be selected as the useful echo signal NES of the filling level 6 of the filling material 4, although the first echo E1 has a stronger reflection.
  • Fig. 4 is a diagram with an ideal echo curve IEC as the evaluation curve, and in Fig. 5, the amplitude shift of the ideal echo curve IEC is shown as a rating curve.
  • the ideal echo curve IEC is defined as the amplitude AMP of the useful echo NES from the ideal reflector IR, e.g. of a large-area metal reflector, defined as a function of the distance or travel x to the ideal reflector IR.
  • the ideal echo curve IEC is to be regarded as a physical curve which takes into account the dependence of the amplitude AMP of the useful echo signals NES and clutter echo SES on the transit time t and the travel x of the measurement signals MS, and a comparison basis of the echo signals NES, SES at different distances x forms.
  • This ideal echo curve IEC forms the basis for the invention
  • the evaluation curve BC1 fulfills yet another important function in that the evaluation curve BC1 separates the echoes NES, SES from the noise level N.
  • the noise peaks of the noise level N below the evaluation curve BC are not evaluated as useful echo signal NES.
  • the moving average weighting curve FAC of Fig. 3 and the sliding minimum weighting curve FMC of Fig. 2 conform to them, thanks to their construction and production
  • the ideal echo curve IEC can be adapted to the noise level according to the invention by means of a special algorithm as an adaptive ideal echo curve AIEC.
  • This adaptation according to the invention is to take place by shifting the ideal echo curve IEC along the amplitude axis AMP in the logarithmic representation.
  • the position of the adaptive ideal echo curve AIEC corresponds to the minimum reflection factor of the filling material 4, in which the filling level 6 can still be detected in the entire measuring range.
  • a corresponding multiplication by the reflection factor in the linear representation of the amplitude AMP corresponds mathematically to an addition or displacement of the adaptive ideal echo curve AIEC in the logarithmic representation.
  • the noise level N can be determined from the envelope HC or a part of the envelope HC, for example the envelope HC without the
  • Decay behavior of the transmitted pulse determined by means of a linear regression or another method.
  • the third echo E3 which corresponds to the strongest reflection from the surface 5 of the medium 4, have the highest relative amplitude REA3 of the third echo E3. Accordingly, this third echo E3 would be determined as a useful echo signal NES or level echo signal.
  • the amplitude AMP of the maximum useful echo signals NES relative to the ideal echo curve can also be used for the adaptation.
  • the ideal echo curve IEC is shifted along the logarithmically divided amplitude axis until the adaptive ideal echo curve AIEC intersects with the maximum echo Emax. Starting from this position, the adaptive ideal echo curve AIEC is shifted by a further predetermined amplitude amount and a third evaluation curve BC3 is generated.
  • This adaptation method corresponds to the adaptation of the ideal echo curve IEC to the current reflection factor of the filling material 4.
  • This adaptation of the adaptive ideal echo curve AIEC to the current reflection factor of the filling material 4 can take place, for example, in each measuring cycle of the measuring device 1 or during the commissioning of the measuring device 1.
  • the maximum measuring range as the distance x of the point of contact of the adaptive ideal echo curve AIEC and the noise level N can be determined or checked. If this maximum measuring range falls below a given value, for example
  • the measuring device 1 issues a warning message or an alarm.
  • This maximum measuring range indicates up to which maximum distance xm an evaluable reflection signal of the measuring signals MS at the surface 5 of the filling material 4 is still to be expected.
  • semilogarithmic representation of the envelope HC is plotted in which the amplitude AMP is logarithmic and the transit time t linear.
  • the representation and the adaptation according to the invention of the ideal echo curve IEC could also be transferred to a purely linear representation of the envelope HC. Where the Displacement of the envelope HC as an addition in the logarithmic representation corresponds in the linear representation to a scaling of the envelope HC in the amplitude as a multiplication corresponds.
  • the adaptation of the adaptive ideal echo curve AIEC is also dependent on the application-specific parameters, e.g. the dielectric constant of the medium or medium 4, which co-determines the reflection factor, the state of the surface 5 of the medium 4, which reflects the reflection properties of the measuring signals MS at the
  • FIG. 4 shows an example of the shape adaptation of the adaptive ideal echo curve AIEC.
  • This form adaptation of the adaptive ideal echo curve AIEC can be implemented by setting the application parameters on the measuring device 1 by the user or automatically by the measuring device itself, by monitoring the amplitude AMP of the filling level echo at different distances.
  • an algorithm is integrated in the measuring device 1 which performs a comparison of the offset of the amplitude AMP and the shaping of the adapted ideal echo curve AIEC with the original ideal echo curve IEC and obtains useful information for this purpose for the diagnostics of the measuring point and / or additional information about the application.
  • the approach to the antenna or the measuring probe could be detected or the condition of the surface 5 of the filling material 5 could be assessed.
  • the fill level echo is superimposed by the decay behavior of the excitation pulse of the measurement signal MS, a separate echo evaluation can be carried out.
  • the amplitude of the amplitude AMP of the wanted echo signal NES of the filling level 6 is in the decay area or bell area due to the Superposition with the Abklingsignal much larger than the pure echo signal caused by the reflection on the surface 5 of the medium 4 useful echo signal.
  • the ideal echo curve IEC can be adapted to the ringing or decay behavior in the near range. In this representation, without consideration of the interference effects, an additive superimposition of the device- and installation-specific echoes, which form the ringing, and of the level echo can be assumed.
  • the useful echo signal NES of the fill level 6 can be separated from the decay behavior of the transmit pulse or the additive superimposition of the device-specific and installation-specific echoes by a local increase of the ideal IEC IEC6006006 curve by the amount of the amplitudes AMP of the device- and installation-specific echoes. Due to the difference in the

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Description

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter mit einem Messgerät, das nach dem Laufzeitmessverfahren arbeitet.
Messgeräte werden häufig in der Automations- und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt, um eine Prozessvariable wie z.B. Durchfluss, Füllstand, Druck und Temperatur oder eine andersartige physikalische und/oder chemische Prozessgröße in einem Prozessablauf zu ermitteln.
Das in den Füllstandsmessgeräten verwendete Laufzeitverfahren nutzt die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Im Falle der Füllstandmessung entspricht die
Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen einem Referenzpunkt des Senders und der Oberfläche des Füllguts. Das Nutzechosignal, also das an der Oberfläche des Füllguts reflektierte Signal, und dessen Laufzeit werden bevorzugt anhand der sog. Echokurve bestimmt, die in analoger oder digitalisierter Form die Amplituden der Echosignale als Funktion des Abstandes vom Sender wiedergibt. Der Füllstand selbst ergibt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand des Referenzpunktes des Senders zum Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der
Oberfläche des Füllguts zu dem Referenzpunkt des Senders.
Es können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Messsignale zu bestimmen. Handelt es sich bei den Messsignalen um Mikrowellen, so kann sowohl das Pulsradar als auch das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar) zum Einsatz kommen. Im Weiteren wird nur noch auf das Impulslaufzeitverfahren Bezug genommen, jedoch ist das erfindungsgemäße Verfahren auf die anderen Laufzeitmessmethoden, wie z.B.
FMCW, gleichfalls anwendbar. Mikrowellen-Messgeräte, bei denen gepulste Messsignale frei abgestrahlt werden, werden von der Anmelderin beispielsweise unter der
Bezeichnung 'MICROPILOT' vertrieben. Mikrowellenmessgeräte, die Messsignale entlang eines leitfähigen Elements in den Behälter hinein- und aus dem Behälter herausführen, werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung 'LEVELFLEX' angeboten und vertrieben. Ein Gerätetyp, der mit Ultraschallsignalen arbeitet, wird von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung 'PROSONIC' angeboten und vertrieben.
Die ausgesendeten Messsignale bilden mit den empfangenen Nutz-Echosignalen ein Gesamtmesssignal, das gegebenenfalls unter realen Messbedingungen zusätzliche Stör- Echosignale beinhaltet. Diese Stör-Echosignale haben verschiedene Ursachen, wie z.B.: - Reflexionen an Einbauten im Behälter und dem Behälter selbst
- Mehrwegeausbreitung (Retroreflexionen) und Mehrmodenausbreitung
- Dispersion der ausgesendeten Wellen
- Schaum- und Ansatzbildung des Mediums
- Befüll- und Entleervorgänge
- Reflektionseigenschaften des Mediums
- Rauschen
- niedrige Dielektrizitätskonstante des Mediums
- Luftfeuchte im Behälter
- turbulente Mediumsoberflächen.
Nach heutigem Stand der Technik gibt es verschiedene Ansätze, diese Stör-Echosignale aus dem Gesamtmesssignal zu entfernen, da diese Stör-Echosignale die Auswertung und Bestimmung des Füllstandes erschweren können, indem sie beispielsweise das
Nutzechosignal überdecken.
In der WO 03/016835 A1 ist ein Verfahren zur Auswertung von Messsignalen eines nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Messgerätes beschrieben, bei dem eine aktuell aufgenommene Messkurve mit Referenz-Signaldaten verglichen wird. Im Vergleich der Referenz-Signaldaten zu der aktuell aufgenommenen Messkurve kann aus der zeitlichen Verschiebung der entsprechenden Stör- und Nutzsignale ein Korrekturfaktor ermittelt werden, mit dem der gesuchte Füllstand bei nicht vorhandenem oder auswertbarem Nutzsignal des Füllstandes ermittelt werden kann.
Die in der obigen Anmeldung aufgezeigtes Verfahren und Vorrichtungen zur Beseitigung von Störsignalen aus dem Messsignal haben alle die Problematik, dass sie nicht auf die Veränderungen der Prozessbedingungen im Behälter, die das Messsignal beeinflussen, oder auf die Veränderungen der Messmethode und Messperformanz des Messgerätes reagieren können.
In der DE 10 2007 042 042 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter durch ein Feldgerät beschrieben, wobei der Füllstand in der Hüllkurve aus Sendesignalen und Reflexionssignalen anhand der Laufzeiten bzw. der Laufstrecken ermittelt wird. Die Störechosignale werden in einer Ausblendkurve, die in einem ersten Messzyklus aus der Hüllkurve der Messsignale im leeren Behälters ermittelt werden, gespeichert und zur Auswertung der Hüllkurve wird einen Bewertungskurve, die in einem ersten Messzyklus aus der Hüllkurve ermittelt wird, gespeichert. Um die Speicherplatz zu reduzieren und die Kurven an die Messsituation angepasst werden können, sind die Ausblendkurve und/oder Bewertungskurve editierbar ausgestaltet, indem die Kurvenfunktionen aus einer reduzierte Anzahl von Stützpunkten mit entsprechenden Verbindungsfunktionen ausgestaltet sind. In der Patentanmeldung DE 10 2005 003 152 A1 ist ein Verfahren zur Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktion eines Füllstandmessgeräts beschrieben, das nach dem Laufzeitprinzip arbeitet. Hierzu wird in vorgegebenen oder wählbaren zeitlichen
Abständen eine Messwertkurve bei einem aktuellen Füllstand ermittelt; anhand der aktuellen Messwertkurve wird das Nutzechosignal bestimmt. Anschließend wird der Erwartungswert für die Qualität des Nutzechosignals bei zumindest einem vorgegebenen Füllstand anhand der Signalamplitude des aktuellen Nutzechosignals und anhand einer unter vorgegebenen prozess- und/oder systemabhängigen Bedingungen ermittelten Idealechokurve bestimmt. Der ermittelte Erwartungswert für die Qualität des
Nutzechosignals wird bei dem vorgegebenen Füllstand mit einem vorgegebenen kritischen Wert für die Qualität verglichen, und es wird ein Fehlerzustand diagnostiziert, wenn der ermittelte Erwartungswert den kritischen Wert für die Qualität unterschreitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und genaueres Verfahren zur Auswertung von den Messsignalen von Füllstandsmessgeräten aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter mit einem Messgerät, das nach dem Laufzeitmessverfahren arbeitet, wobei Messsignale in Richtung des Mediums ausgesendet werden und an einer Oberfläche des Mediums als Nutz- Echosignale oder an einer Oberfläche eines Störelementes als Stör-Echosignale reflektiert und empfangen werden, wobei aus dem hochfrequenten Gesamtmesssignal, bestehend aus der Überlagerung der ausgesendeten Messsignale, der reflektierten Nutz- Echosignale und der Stör-Echosignale, durch eine sequentielle Abtastung ein niederfrequentes Zwischenfrequenzsignal erzeugt wird, wobei aus dem
Zwischenfrequenzsignal zumindest eine von der Laufzeit oder der Laufstrecke abhängige Roh-Echokurve oder digitalisierte Hüllkurve ermittelt wird, wobei die Nutz- Echosignale und/oder die Stör-Echosignale in der Roh-Echokurve oder der digitalisierten Hüllkurve anhand einer Idealechokurve, die die Amplitude der Echosignale eines idealen Reflektors in Abhängigkeit der Distanz zum idealen Reflektor darstellt, ermittelt werden, und wobei anhand des ermittelten Nutz-Echosignale der Füllstand bestimmt wird.
Durch dieses Verfahren ist es möglich, auf die Modifikationen von Prozessbedingungen und die Modifikationen der messtechnischen Bedingung des Messgerätes zu reagieren und dadurch die Ermittlung und Messung des Füllstands eines Mediums im Behälter zu optimieren. Hierzu wird folgende Vorgehensweise angewandt: Von einem Messgerät wird über eine Sende- und Empfangseinheit ein Messsignal ausgesendet und an der
Oberfläche des Mediums als Nutz-Echosignal und beispielsweise an den Störelementen als Stör-Echosignal reflektiert. Das Gesamtmesssignal entsteht durch eine Überlagerung des ausgesendeten Messsignals, des Nutz-Echosignals und ggf. der Stör-Echosignale. Das niederfrequente Zwischenfrequenzsignal wird aus dem Gesamtmesssignal mittels einer Signalabtastschaltung erzeugt. Grundlegend wird bei diesem sequentiellen
Abtastverfahren ein Messsignal erzeugt und ausgesandt, und ein Abtastsignal mit einer etwas geringeren Pulsrepetierfrequenz erzeugt oder das Abtastsignal gegenüber dem ausgesandten Messsignal phasenmoduliert erzeugt. Das niederfrequentere
Zwischenfrequenzsignal wird dadurch erzeugt, dass das Gesamtmesssignal und das Abtastfrequenzsignal auf einen Frequenzmischer geführt werden. Das niederfrequentere Zwischenfrequenzsignal hat den gleichen Verlauf wie das Gesamtmesssignal, ist gegenüber dem Gesamtmesssignal jedoch um einen Zeitdehnungsfaktor gestreckt, der gleich dem Quotienten aus der Pulsrepetierfrequenz des Messsignals und der
Frequenzdifferenz der beiden Frequenzen von Abtastsignal und des Messsignal ist. Bei einer Pulsrepetierfrequenz von einigen Megahertz, einer Frequenzdifferenz von wenigen Hertz und einer Mikrowellenfrequenz von einigen Gigahertz wird eine Frequenz des Zwischenfrequenzsignals von kleiner als 100 kHz erzeugt.
Die Transformation des Gesamtmesssignals auf die Zwischenfrequenz hat den Vorteil, dass verhältnismäßig langsamere und folglich kostengünstigere elektronische Bauteile zur Signalauswertung benutzt werden können. Für eine analoge Weiterverarbeitung wird eine analoge Roh-Echokurve erzeugt, die dem durch eine Mittelung über einige
Gesamtmesssignale entstandenen, analogen Zwischenfrequenzsignal entspricht. Wird in den folgenden Verfahrensschritten mit digitalen Werten weiter gerechnet, wird aus dem analogen Zwischenfrequenzsignal durch eine Gleichrichtung, optional eine
Logarithmierung und eine Digitalisierung der analogen Zwischenfrequenz eine digitalisierte Hüllkurve bzw. Einhüllende ermittelt. Eine Bewertungskurve wird durch ein Glättungsverfahren aus der Roh-Echokurve oder digitalisierten Hüllkurve ermittelt. Die Bewertungskurve wird durch ein Glättungsverfahren erzeugt, das immer eine
mathematische Filterfunktion der digitalisierten Hüllkurve bzw. der Roh-Echokurve darstellt. Beispielsweise wird die Glättung durch den Einsatz einer Filterfunktion mit einer Fensterfunktion, z.B. ein gleitendes Mittel mit einer bestimmten Fensterbreite, bewirkt. Diese Glättungsverfahren haben jedoch meist den Nachteil, dass die Kurvenform stark verändert wird und die Signalbreite der Echosignale verbreitert wird, da die
Mittelungsbreite oft sehr breit eingestellt werden muss, damit keine Artefakte erhalten werden. Die Bewertungskurve blendet besonders gut Störechosignale aus, die statistischer Natur sind und beispielsweise durch die Befüllung des Tanks, durch
Umrühren des Mediums und durch turbulente Mediumsoberflächen entstehen können. Ändert sich die Messsituation im Behälter bzw. Prozessbereich oder werden
beispielsweise die Filterparameter des Messgerätes modifiziert, so muss die
Bewertungskurve an die geänderten Bedingungen angepasst werden. Da diese
Änderungen bzw. Modifikationen der prozesstechnischen und messtechnischen
Bedingungen einen Einfluss auf das Gesamtmesssignal und entsprechend auf die Hüllkurve haben, indem sich beispielsweise die Lage oder die Form der Hüllkurve und der Nutz- Echosignale bzw. Stör-Echosignale verändert, müssen diese Einflüsse auch in der statischen Referenzkurve berücksichtigt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass die Idealechokurve mittels eines vorgegebenen Algorithmus berechnet und ermittelt wird.
Eine sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Idealechokurve mittels einer Vergleichsmessung mit einem idealen Reflektor ermittelt und abgespeichert wird.
Eine weitere ergänzende Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Idealechokurve mittels eines Algorithmus angepasst wird und eine adaptive
Idealechokurve erzeugt wird.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass die adaptive Idealechokurve anhand einer Offset-Verschiebung entlang einer logarithmischen Amplitudenachse durch den Algorithmus verschoben wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Verschiebung der adaptiven Idealechokurve anhand des Algorithmus auf der Grundlage der Amplitude des größten Echos ausgeführt wird.
Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Verschiebung der adaptiven Idealechokurve anhand des Algorithmus auf der Grundlage eines Rauschpegels ausgeführt wird.
Ein zweckmäßiges alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Verschiebung der adaptiven Idealechokurve anhand des
Algorithmus auf der Grundlage von Einstellungsparametern des Messgeräts ausgeführt wird.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, dass an veränderte Messbedingungen, z.B. in Form von
Signaldämpfungsänderungen mittels einer Formadaptierung die adaptive Idealechokurve anhand des Algorithmus angepasst wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Formadaptierung der adaptiven Idealechokurve mittels einer Überwachung der Amplitude des Nutz-Echosignals bei unterschiedlichen Distanzen bzw. Laufzeiten durch den Algorithmus ausgeführt wird. Eine weitere ergänzende Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Formadaptierung der adaptiven Idealechokurve anhand des Algorithmus auf der Grundlage von Einstellungsparametern des Messgeräts ausgeführt wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zur Diagnose des Messgeräts oder der Messstelle und für den Erhalt weiterer
Zusatzinformationen über die Anwendung die Idealechokurve mit der adaptive
Idealechokurve anhand des Algorithmus verglichen wird.
Ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass zur Diagnose des Messgeräts oder der Messstelle und für den Erhalt weiterer Zusatzinformationen über die Anwendung die Idealechokurve oder die adaptive
Idealechokurve mit dem Rauschpegel anhand des Algorithmus verglichen wird
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:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Messaufbaus des Messgerätes auf einem
Behälter mit einigen der möglichen Störeinflüsse sowie der entsprechenden digitalisierten Hüllkurve bzw. Roh-Echokurve,
Fig. 2 ein Diagramm mit einer geglätteten Bewertungskurve, die durch eine
gleitende Minimalwertbildung erzeugt wurde,
Fig. 3 ein Diagramm mit einer geglätteten Bewertungskurve, die durch eine
gleitende Mittelwertbildung erzeugt wurde,
Fig. 4 ein Diagramm mit einer Idealechokurve als Bewertungskurve, und
Fig. 5 ein Diagramm mit der Amplitudenverschiebung der Idealechokurve als
Bewertungskurve.
In Fig. 1 ist auf einem Behälter 3 in einen Stutzen 12 ein Messgerät 1 montiert, das nach dem Laufzeit-Messverfahren den Füllstand 6 eines Mediums 4 im Behälter 3 ermittelt. Als Störelemente 7 sind in der Darstellung beispielsweise ein Rührwerk, ein Kühl roh rsystem und ein weiteres in die Behälterwand eingebautes Messgerät dargestellt, jedoch gibt es auch noch weitere, in der Zeichnung nicht explizit abgebildete Störelemente 7, die die Messung beeinflussen können. Eine der Messsituation im Behälter 3 entsprechende Hüllkurve HC ist proportional zu der Höhe des Behälters 3 dargestellt. Die abgebildete Hüllkurve HC stellt die Amplitude AMP des abgetasteten, ausgesendeten und reflektierten Messsignals MS in Abhängigkeit von der Laufstrecke x bzw. der Laufzeit t dar. Die Störeinflüsse von Störelementen 7 im Behälter 3 und die Oberfläche 5 des Mediums 4 sind über Bezugslinien direkt dem entsprechenden Nutz-Echosignal NES und den entsprechenden Stör-Echosignalen SES in der Hüllkurve HC zugeordnet, so dass man das Ursache-Wirkungs-Prinzip auf einen Blick erfassen kann. Die Sende- und
Empfangseinheit 2 ist als eine Hornantenne ausgestaltet, jedoch kann jede bekannte Sende- und Empfangseinheit 2, dessen Messgerät 1 nach dem Laufzeitmessverfahren arbeitet, wie z.B. Planarantennen, Stabantennen, Parabolspiegelantennen,
Mikrowellenleiter, Schallwandler, sowie optische Sende- und Empfangselemente, eingesetzt werden. Zur Kommunikation mit entfernten Messgeräten 1 oder einer Leitstelle ist ein Feldbus 8 vorgesehen, der nach den üblichen Kommunikationsstandards, wie z.B. Foundation Fieldbus, Profibus-PA, arbeitet und beispielsweise in einer Zweileitertechnik ausgestaltet ist. Die Versorgung des Messgeräts 1 mit Energie kann, zusätzlich zur Energieversorgung des Messgeräts 1 über den Feldbus 8, mittels einer separaten Versorgungsleitung 9 erfolgen.
In Fig. 2 ist ein Diagramm nach dem Stand der Technik mit einer geglätteten
Bewertungskurve BC, die beispielsweise mittels eines Filter-Verfahrens, das eine gleitende Minimalwertbildung FMC aus der Hüllkurve HC bzw. der Roh-Echokurve RC erzeugt wurde, gezeigt. Die Bewertungskurve BC gibt den Bezugspunkt zur Ermittlung der Amplituden AMP der Nutzechosignale NES der Störechosignale SES an, wodurch ein richtiges Maß vorgeben wird, damit die Echos bei unterschiedlichen Distanzen x bzw. Laufzeiten t miteinander verglichen werden können. Es werden die relativen Amplituden AMP der Echos NES, SES, E bezogen auf die Bewertungskurve berechnet und miteinander verglichen. Im einfachsten Fall wird das maximale Echo Emax mit der größten relativen Amplitude REA ermittelt und der Reflexion der Messsignale MS an der Oberfläche 5 des Füllguts 4 bzw. dem Füllstand 6 gleichgesetzt. Bei dieser Auswertung spielt nicht nur die Ermittlung der absoluten Amplitude AMP der Echos NES, SES, E sondern auch die Form der Bewertungskurve BC eine entscheidende Rolle.
Desweiteren ist in Fig. 3 ein Diagramm nach dem Stand der Technik mit einer geglätteten Bewertungskurve BC, die beispielsweise mittels eines Filter-Verfahrens, das eine gleitende Mittelwertbildung FAC aus der Hüllkurve HC bzw. der Roh-Echokurve RC erzeugt wurde, gezeigt. Beispielsweise wird die Glättung durch den Einsatz einer mathematischen Filterfunktion mit einer Fensterfunktion, z.B. ein gleitendes Mittel mit einer bestimmten Fensterbreite, erzeugt. Hierzu wird beginnen an einer Stelle in der Hüllkurve HC innerhalb einer vorgegebenen Fensterbreite alle Messwerte ermittelt und ein Mittelwert ermittelt. Dieser ermittelte Mittelwert der Messwerte innerhalb des Fensters wird in Bezug zum Messpunkt bzw. Laufzeit t abgespeichert und an den weiteren Messpunkten bzw. diskreten Laufzeiten t in der digitalisierten Hüllkurve HC wird diese Mittelwertbildung durchgeführt. Aus den gespeicherten Mittelwerten in Bezug auf die Messpunkte bzw. Laufzeiten wird dann eine gleitende Mittelwert-Bewertungskurve FAC ermittelt.
Die geglättete Bewertungskurve FMC aus Fig. 2, die durch eine gleitende
Minimalwertbildung erzeugt wurde und das Diagramm mit einer geglätteten
Bewertungskurve FAC aus Fig. 3, die durch eine gleitende Mittelwertbildung erzeugt wurde, sind abstrakte mathematische Kurven, welche keine physikalischen
Gesetzmäßigkeiten wie Dämpfung des Messsignals MS entlang des Laufwegs x berücksichtigen. Das Echo NES, SES mit der größten relativen Amplitude REA bezogen auf diese geglätteten Bewertungskurven FMC, FAC muss nicht zwingend der stärksten Reflexion des Messsignals MS entsprechen. In manchen Situationen können bei Ermittlung des Nutzechosignals NES auch Fehler passieren. Besonders kritisch ist der Vergleich mit dem ersten Echo E1 im Abklingbereich des Sendeimpulses und mit Störechosignalen SES. Zum Beispiel würde in Fig. 2 und Fig. 3 das zweite Echo E2 als Nutzechosignal NES des Füllstand 6 des Füllguts 4 ausgewählt, obwohl das erste Echo E1 einer stärkeren Reflexion aufweist.
In Fig. 4 ist ein Diagramm mit einer Idealechokurve IEC als Bewertungskurve, und in Fig. 5 ist die Amplitudenverschiebung der Idealechokurve IEC als Bewertungskurve gezeigt. Die Idealechokurve IEC ist als die Amplitude AMP des Nutzechos NES vom idealen Reflektor IR, z.B. eines großflächigen Metallreflektors, in Abhängigkeit von der Distanz bzw. Laufweg x zum idealen Reflektor IR definiert. Somit ist die Idealechokurve IEC als eine physikalische Kurve zu betrachten, die die Abhängigkeit der Amplitude AMP der Nutzechosignale NES und Störechosignale SES von der Laufzeit t bzw. dem Laufweg x der Messsignale MS berücksichtigt, und eine Vergleichsgrundlage der Echosignale NES, SES bei unterschiedlichen Distanzen x bildet.
Diese Idealechokurve IEC bildet die Grundlage für die erfindungsgemäße
Bewertungskurve BC, BC1 .
Durch eine Anpassung der Idealechokurve IEC an die Messbedingungen des Messgeräts 1 im Prozess könnte weitere zusätzliche Vorteile erreicht werden. Bei freiabstrahlenden Füllstandsmessgeräten 1 der Anmelderin, die unter der Produktbezeichnung Micropilot und Prosonic produziert und verkauft werden, erfüllt die Bewertungskurve BC1 jedoch noch eine weitere wichtige Funktion, indem die Bewertungskurve BC1 die Echos NES, SES vom Rauschpegel N trennt. Der Rauschpeaks des Rauschpegels N unterhalb der Bewertungskurve BC werden nicht als Nutzechosignal NES ausgewertet. Die gleitender Mittelwert-Bewertungskurve FAC aus Fig.3 und gleitendes Minimum-Bewertungskurve FMC aus Fig. 2 passen sich dank ihres Aufbaus und Ihrer Erzeugung an diesen
Rauschpegel N an. In einer ersten Ausgestaltung kann die Idealechokurve IEC an den Rauschpegel erfindungsgemäß durch einen speziellen Algorithmus als adaptive Idealechokurve AIEC angepasst werden. Diese erfindungsgemäße Anpassung soll durch eine Verschiebung der Idealechokurve IEC entlang der Amplitudenachse AMP in der logarithmischen Darstellung erfolgen. Angepasst an den Rauschpegel N entspricht die Lage der adaptiven Idealechokurve AIEC dem minimalen Reflexionsfaktor des Füllguts 4, bei welchem der Füllstand 6 noch im gesamten Messbereich detektiert werden kann. Eine entsprechende Multiplikation um den Reflexionsfaktor in der linearen Darstellung der Amplitude AMP entspricht mathematisch einer Addition bzw. Verschiebung der adaptiven Idealechokurve AIEC in der logarithmischen Darstellung. Der Rauschpegel N kann aus der Hüllkurve HC oder einem Teil der Hüllkurve HC , beispielsweise der Hüllkurve HC ohne das
Abklingverhalten des Sendeimpulses, mittels einer lineare Regression oder ein anderes Verfahren ermittelt werden. Bezogen auf die erfindungsgemäße adaptive Idealechokurve AIEC würde z.B. im Fig. 4 das dritte Echo E3, welches der stärksten Reflexion von der Oberfläche 5 des Füllguts 4 entspricht, die höchste relative Amplitude REA3 des dritten Echos E3 aufweisen. Demgemäß würde diese dritte Echo E3 als Nutzechosignal NES bzw. Füllstandsechosignal ermittelt werden.
In einer ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung kann auch die Amplitude AMP der relativ zu der Idealechokurve IEC maximalen Nutzechosignale NES zur Anpassung zugrunde gelegt werden. Hierbei wird die Idealechokurve IEC entlang der logarithmisch eingeteilten Amplitudenachse soweit verschoben bis die adaptive Idealechokurve AIEC sich mit dem maximalen Echo Emax schneidet. Ausgehend von dieser Position wird die adaptive Idealechokurve AIEC um einen weiteren vorgegebenen Amplitudenbetrag verschoben und eine dritte Bewertungskurve BC3 erzeugt. Dieses Anpassungsverfahren entspricht der Anpassung der Idealechokurve IEC an den aktuellen Reflexionsfaktor des Füllguts 4. Diese Anpassung der adaptiven Idealechokurve AIEC an den aktuellen Reflexionsfaktor des Füllguts 4 kann beispielsweise in jedem Messzyklus des Messgeräts 1 oder bei der Inbetriebnahme des Messgeräts 1 erfolgen. Nach einer solchen
Anpassung kann der maximale Messbereich als Distanz x des Berührungspunktes der adaptiven Idealechokurve AIEC und des Rauschpegels N ermittelt oder überprüft werden. Fällt dieser maximale Messbereich beispielsweise unter eine vorgegeben
Messbereichsgröße, gibt das Messgerät 1 eine Warnmitteilung oder ein Alarm aus.
Dieser maximale Messbereich gibt an, bis zu welcher maximale Distanz xm noch mit einem auswertbaren Reflexionssignal der Messsignale MS an der Oberfläche 5 des Füllguts 4 zu rechnen ist.
In den Ausführungsbeispielen werde semilogarithmische Darstellung der Hüllkurve HC bei der die Amplitude AMP logarithmisch und die Laufzeit t linear aufgetragen ist. Die Darstellung und die erfindungsgemäße Adaption der Idealechokurve IEC könnten auch auf eine rein lineare Darstellung der Hüllkurve HC übertragen werden. Wobei die Verschiebung der Hüllkurve HC als eine Addition in der logarithmischen Darstellung entspricht in der linearen Darstellung eine Skalierung der Hüllkurve HC in der Amplitude als eine Multiplikation entspricht.
Die Anpassung der adaptiven Idealechokurve AIEC ist auch in Abhängigkeit von den anwendungsspezifischen Parametern wie z.B. die Dielektrizitätskonstante des Füllguts bzw. Mediums 4, welche den Reflexionsfaktor mitbestimmt, der Zustand der Oberfläche 5 des Füllguts 4, welche die Reflexionseigenschaften der Messsignale MS an der
Oberfläche 5 des Füllguts 4 beeinflusst, und das Material bzw. die Geometrie des Behälters 3, welche Einflüsse auf den Antennengewinn und die Signaldämpfung haben. Diese Anwendungsparameter werden durch den Anwender meist direkt im Messgerät 1 eingestellt.
Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, dass bestimmte Anwendungsparameter in dem Messgerät 1 aufgrund der Bestimmung der Idealechokurve IEC entsprechend selbsttätig von dem Messgerät 1 angepasst werden. Ist beispielsweise die
Signaldämpfung in der aktuellen Anwendung anders als in den vorhergehenden
Anwendungen, bei denen die Idealechokurve IEC bestimmt wurde, könnte auch die Form der Idealechokurve IEC entsprechend adaptiert werden. In Fig. 4 ist ein Beispiel für die Formadaption der adaptiven Idealechokurve AIEC gezeigt. Beispielsweise ist bei Einbau des Messgeräts 1 in ein Schwallrohr die Dämpfung der Messsignale MS geringer als bei in ein Freifeld ausgesendeten Messsignalen, bei Anwesenheit einer Gasphase aufgrund von Wasserdampf, oder bei Ausbildung von Füllgut-Ansatzes an der Messsonde eines Zeitbereichsreflektormeters. Diese Form-Adaptierung der adaptiven Idealechokurve AIEC kann mittels einer Einstellung der Anwendungsparameter am Messgerät 1 durch den Anwender oder automatisiert durch das Messgerät selbst, indem dieses die Amplitude AMP des Füllstandsechos bei unterschiedlichen Distanzen überwacht, umgesetzt werden.
Desweitern ist in dem Messgerät 1 ein Algorithmus integriert der einen Vergleichs des Offsets der Amplitude AMP und der Formgebung der adaptierten Idealechokurve AIEC mit der originalen Idealechokurve IEC ausführt und aus diesem Vergleich nützliche Information für die Diagnostik der Messstelle und/oder Zusatzinformationen über die Anwendung gewinnt. Durch diesen Vergleich der originalen Idealechokurve IEC mit der adaptiven Idealechokurve AIEC könnte der Ansatz an der Antenne oder der Messsonde detektiert oder der Zustand der Oberfläche 5 des Füllguts 5 beurteilt werden.
In einem weiteren Anwendungsfall, wenn das Füllstandsecho von dem Abklingverhalten des Anregungsimpulses des Messsignals MS überlagert ist, kann eine gesonderte Echobewertung durchgeführt werden. Die Höhe der Amplitude AMP des Nutzechosignals NES des Füllstands 6 ist im Abklingbereich bzw. Klingelbereich aufgrund der Überlagerung mit dem Abklingsignal viel größer als der rein durch die Reflexion an der Oberfläche 5 des Füllguts 4 verursachte Nutzechosignal NES. In der linearen Darstellung kann die Idealechokurve IEC im Nahbereich an das Klingeln bzw. Abklingverhalten angepasst werden. In dieser Darstellung ohne Berücksichtigung der Interferenzeffekte kann eine additive Überlagerung der gerate- und einbauspezifischen Echos, die das Klingeln bilden, und des Füllstandsechos angenommen werden. Dann kann durch eine lokale Erhöhung der Idealechokurve IEC um den Betrag der Amplituden AMP der geräte- und einbauspezifischen Echos das Nutzechosignal NES des Füllstands 6 von dem Abklingverhalten des Sendeimpulses bzw. der additive Überlagerung der gerate- und einbauspezifischen Echos separiert werden. Durch die Differenzbildung bei der
Berechnung der relativen Echoamplituden REA1 der ersten Echos E1 werden die Klingelbeträge abgezogen.
Bezugszeichenliste
1 Messgerät
2 Sende- und Empfangseinheit bzw. Antenne
3 Behälter
4 Medium
5 Oberfläche
6 Füllstand
7 Störelement
8 Feldbus
9 Versorgungsleitung
IE Idealechokurve
AIE adaptive Idealechokurve
N Rauschpegel
IR idealer Reflektor
GS Gesamtmesssignal
MS Messsignal
NES Nutz-Echosignal
SES Stör-Echosignal
RC Roh-Echokurve
E Echo
E1 erstes Echo
E2 zweites Echo
E3 drittes Echo
RAE relative Amplitude des Echos
RAE1 relative Amplitude des ersten Echos
RAE2 relative Amplitude des zweiten Echos
RAE3 relative Amplitude des dritten Echos
Emax maximales Echo
HC digitalisierte Hüllkurve
BC Bewertungskurve bzw. aktuelle Bewertungskurve
BC1 erste Bewertungskurve
BC2 zweite Bewertungskurve
BC3 dritte Bewertungskurve
BC4 vierte Bewertungskurve
BC5 fünfte Bewertungskurve
FAC gleitender Mittelwert-Bewertungskurve
FMC gleitende Minimum-Bewertungskurve
AMP Amplitude, Amplitudenwert
x Laufweg t Laufzeit

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands (6) eines Mediums (4) in einem Behälter (3) mit einem Messgerät (1 ), das nach dem Laufzeitmessverfahren arbeitet,
- wobei Messsignale (MS) in Richtung des Mediums (4) ausgesendet werden und an einer Oberfläche (5) des Mediums (4) als Nutz-Echosignale (NES) oder an einer Oberfläche (8) eines Störelementes (7) als Stör-Echosignale (SES) reflektiert und empfangen werden,
- wobei aus dem hochfrequenten Gesamtmesssignal (GS), bestehend aus der
Überlagerung der ausgesendeten Messsignale (MS), der reflektierten Nutz- Echosignale (NES) und der Stör-Echosignale (SES), durch eine sequentielle Abtastung ein niederfrequentes Zwischenfrequenzsignal erzeugt wird,
- wobei aus dem Zwischenfrequenzsignal zumindest eine von der Laufzeit (t) oder der Laufstrecke (x) abhängige Roh-Echokurve (RC) oder digitalisierte Hüllkurve (HC) ermittelt wird,
- wobei die Nutz-Echosignale (NES) und/oder die Stör-Echosignale (SES) in der Roh- Echokurve (RC) oder der digitalisierten Hüllkurve (HC) anhand einer Idealechokurve (IEC), die die Amplitude (AMP) der Echosignale eines idealen Reflektors (IR) in Abhängigkeit der Distanz zum idealen Reflektor (IR) darstellt, ermittelt werden,
- und wobei anhand des ermittelten Nutz-Echosignale (NES) der Füllstand (6)
bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei die Idealechokurve (IEC) mittels eines vorgegebenen Algorithmus berechnet und ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei die Idealechokurve (IEC) mittels einer Vergleichsmessung mit einem idealen Reflektor (IR) ermittelt und abgespeichert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
wobei die Idealechokurve (IEC) mittels eines Algorithmus angepasst wird und eine adaptive Idealechokurve (AIEC) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
wobei die adaptive Idealechokurve (AIEC) anhand einer Offset-Verschiebung entlang einer logarithmischen Amplitudenachse (AMP) durch den Algorithmus verschoben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5 wobei die Verschiebung der adaptiven Idealechokurve (AIEC) anhand des Algorithmus auf der Grundlage der Amplitude des größten Echos (Emax) ausgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5
wobei die Verschiebung der adaptiven Idealechokurve (AIEC) anhand des Algorithmus auf der Grundlage eines Rauschpegels ausgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5
wobei die Verschiebung der adaptiven Idealechokurve (AIEC) anhand des Algorithmus auf der Grundlage von Einstellungsparametern des Messgeräts (1 ) ausgeführt wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei an veränderte Messbedingungen, z.B. in Form von Signaldämpfungsänderungen mittels einer Formadaptierung die adaptive Idealechokurve (AIEC) anhand des
Algorithmus angepasst wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei die Formadaptierung der adaptiven Idealechokurve (AIEC) mittels einer
Überwachung der Amplitude (AMP) des Nutz-Echosignals (NES) bei unterschiedlichen Distanzen (x) bzw. Laufzeiten (t) durch den Algorithmus ausgeführt wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 9,
wobei die Formadaptierung der adaptiven Idealechokurve (AIEC) anhand des
Algorithmus auf der Grundlage von Einstellungsparametern des Messgeräts (1 ) ausgeführt wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zur Diagnose des Messgeräts (19) oder der Messstelle und für den Erhalt weiterer Zusatzinformationen über die Anwendung die Idealechokurve (IEC) mit der adaptive Idealechokurve (AIEC) anhand des Algorithmus verglichen wird.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zur Diagnose des Messgeräts (19) oder der Messstelle und für den Erhalt weiterer Zusatzinformationen über die Anwendung die Idealechokurve (IEC) oder die adaptive Idealechokurve (AIEC) mit dem Rauschpegel (N) anhand des Algorithmus verglichen wird.
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