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WO2019096466A1 - Verfahren zur erstellung einer ausblendkurve für ein füllstandsmessgerät - Google Patents

Verfahren zur erstellung einer ausblendkurve für ein füllstandsmessgerät Download PDF

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Publication number
WO2019096466A1
WO2019096466A1 PCT/EP2018/075115 EP2018075115W WO2019096466A1 WO 2019096466 A1 WO2019096466 A1 WO 2019096466A1 EP 2018075115 W EP2018075115 W EP 2018075115W WO 2019096466 A1 WO2019096466 A1 WO 2019096466A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
level
maxima
maximum
measurement
measuring
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/EP2018/075115
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carmen Roser
Daniel Müller
Florian Palatini
Tanja Haag
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 US16/764,147 priority Critical patent/US11747187B2/en
Publication of WO2019096466A1 publication Critical patent/WO2019096466A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G01F23/2962—Measuring transit time of reflected waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
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    • 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
    • G01F23/296—Acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a Ausblendkurve over a measuring range of an ultrasonic or radar-based level gauge.
  • field devices are often used to detect or influence process variables.
  • sensors are used which, for example, in
  • Measuring instruments are used. They record the corresponding process variables, such as level, flow, pressure, temperature, pH, redox potential or conductivity. Various types of such field device types is manufactured and distributed by the company Endress + Hauser.
  • ultrasonic or radar-based measuring methods are used (in the context of this patent application, the term ultrasound refers to sound waves in a frequency range between 14 KHz and 1 GHz, the term “radar” to signals or electromagnetic Waves with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz).
  • the pulse transit time measurement principle forms an established measurement principle.
  • ultrasonic or microwave pulses as
  • level gauges can be realized with comparatively little circuit complexity.
  • a radar-based level measuring device which operates according to the pulse transit time method is described, for example, in the published patent application DE 10 2012 104 858 A1.
  • the ultrasound-based counterpart is shown inter alia in the patent EP 1480021 B1.
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • radar-based level measurement can be used as a measuring principle for radar-based level measurement.
  • FMCW-based Fill level gauges is exemplary reference to the published patent application DE 10 2013 108 490 A1.
  • the measuring principle of FMCW radar based distance measuring method is based on transmitting a radar-based measuring signal continuously with modulated frequency.
  • the frequency of the measurement signal lies in a fixed frequency band in the range of a standardized center frequency.
  • Characteristic of FMCW here is that the transmission frequency is not constant, but changes periodically within a defined frequency band.
  • the temporal change is linear by default and has a sawtooth or triangular shape.
  • a sine-shaped change can, however, also be used in principle.
  • Pulse transit time method the distance or the level in implementing the FMCW method based on the instantaneous frequency difference between the currently received, reflected measurement signal and the currently transmitted measurement signal is determined.
  • a corresponding measuring curve is recorded for the determination of the filling level on the basis of the received, reflected measuring signal.
  • the measurement curve basically corresponds directly to the temporal amplitude behavior of the reflected one
  • Measurement signal In the case of the pulse radar-based method, however, the measurement curve is created due to the high pulse frequency by subsampling the reflected measurement signal. As a result, the measurement curve displays the actual, reflected measurement signal in a time-expanded manner.
  • the trace is created by mixing the currently transmitted measurement signal with the reflected measurement signal. In all cases, however, the measurement curve reflects the amplitude of the reflected measurement signal as a function of the measurement distance.
  • the level is determined from the trace by detection and local assignment of the corresponding local maximum.
  • a suitable filtering method such as mean value, maximum value or low pass filtering
  • maxima can be better resolved locally. This allows the level to be determined more accurately. This is limited by a stronger smoothing.
  • a greater smoothing reduces the error or susceptibility of the level measurement.
  • Level measuring device recorded a trace with tank empty as possible and stored as a so-called blanking curve. It contains all those false echoes (such as the level echo in the form of corresponding maxima), which are caused by static interference, such as internals inside the container.
  • the respective measuring curve is compared in the simplest case by difference value formation with the current Ausblendkurve so that (in addition to any previous smoothing), the measurement curve is thereby adjusted by those static interference that individually from the specific container interior result ,
  • the risk is reduced that the level gauge interprets a wrong maximum of the waveform as a level echo and thus a wrong level value is output.
  • the maximum of the underlying measuring curve caused by the surface of the filling material must be determined or assigned accordingly in order to be able to create the blanking curve for the subarea of the measuring curve above the filling level (if the container is actually completely empty at the time the blanking curve is taken, the corresponding maximum of the container bottom must be assigned, since in this case the container bottom echo replaces the level echo).
  • the assignment can either be done automatically if this level value is already known to the level gauge (for example, based on a reference meter in the container). Otherwise, this assignment must be made manually by the installer of the level gauge. In particular, however, it may lead to a wrong assignment of the corresponding maximum (or its corresponding distance value) to the correct level value. Even with automatic assignment, confusion can occur, especially if the reference measuring system can only determine or reproduce the fill level value with a limited resolution.
  • the invention is therefore based on the object to provide a safe method for creating a Ausblendkurve for ultrasonic or radar-based level measuring devices. The invention achieves this object by a reliable method for producing a blanking curve over a measuring range of an ultrasound or radar-based
  • the level measuring device for measuring the level of a filling material located in a container is arranged above the maximum level, wherein the measuring range from the level gauge to the
  • Container bottom extends.
  • the following method steps include the method:
  • the maximums determined can be normalized, for example, in percent relative to the largest maximum.
  • the determined maxima, starting from the largest maximum are normalized in the form of consecutive numbers.
  • the determined maxima are normalized by division into predefined size classes (for example "large” and "small") in relation to the largest maximum. Accordingly, due to the inventive abstraction of the maximum values by a suitable normalization, the assignability of the correct maximum of the measurement curve to the
  • the normalized maxima are displayed graphically on a display unit. It is conceivable that the normalized maxima, for example, in a table in the order of the associated
  • Distance values are displayed in a list, or that the normalized maxima are displayed in the order of the associated distance values in the form of a schematic measurement curve.
  • the display can either be done directly on a display of the field device, or even on a peripheral device, such as a tablet PC or the screen of a process control system.
  • a gradual development of the blanking curve over the entire measuring range up to the container bottom can be achieved by using the blanking curve, if that
  • Blanking curve measures on the basis of the inventive method at least in a section between the sub-area and the current level is recreated.
  • the level gauge automatically detects a favorable low-level or completely empty tank time, where it is worthwhile to record a new, extended blanking curve.
  • Another variant is to extend the blanking curve by the range that has been added due to the lower level since the last recording of the blanking curve.
  • maxima or echoes can be implemented such that a maximum whose corresponding distance value is greater than the measuring range, the distance value is equated to the distance of the level gauge to the container bottom.
  • the graphical representation of the measured values can be simplified. Gain clarity.
  • maxima can be caused by the container bottom itself, for example, in a curved or funnel-shaped design of the container bottom.
  • a modified variant of the method according to the invention can be used for measuring the fill level or a dielectric value by means of a radar-based
  • TDR Time Domain Reflection
  • time domain reflectometry time domain reflectometry
  • Dielectric value e G of the corresponding filling material type or depends on the actual level. Due to this effect, the distance value of the
  • Dielectric value although the length of the waveguide per se does not change, of course. So if either the level value (eg. Based on the actual Level measurement) or the specific dielectric value e G of the respective filling material is already known, based on the modified variant of
  • the other value is calculated.
  • the standardization according to the invention of the determined maxima with respect to the largest maximum in turn reduces the risk of incorrect assignment.
  • a corresponding fill level measuring device has to comprise at least the following components:
  • a transceiver unit for transmitting the measurement signal and the
  • a display unit for the graphical representation of the normalized maxima and their corresponding distance values.
  • a display unit can be designed either as a display directly on the level gauge.
  • wireless interface such as "WLAN” or “Bluetooth”
  • a display of a handset such as a smartphone or tablet PC
  • the fill level measuring device works on the basis of the TDR-based measuring principle, instead of an antenna it comprises a waveguide which can be attached to the transceiver such that the measuring signal can be emitted along the waveguide in the direction of the filling material and the reflected measuring signal via the waveguide
  • Waveguide is receivable.
  • Level gauge designed so that one of the determined maxima and the filling material-side end of the waveguide is assignable. Because if the evaluation Unit is designed to determine a shift in the assigned maximum (in relation to the calibration measurement) in a measurement that is performed after the calibration measurement (ie after the measurement in which the assignment of the maximum to the waveguide end) , Based on the determined displacement, a dielectric value and / or the filling level of the filling material can be calculated.
  • Fig. 3 a tabular list of the largest maxima of a waveform.
  • a typical arrangement of a free-radiating ultrasonic or radar-based level measuring device 1 on a container 2 is shown in FIG.
  • the container 2 is a filling material 3, the level of which L is to be determined by the level gauge 1.
  • the level gauge 1 is mounted in a known installation height h above the container bottom 21 on the container 2.
  • the container 2 or the measuring range h can be up to more than 100 m high.
  • the level gauge 1 includes as basic function blocks: - A transmitter unit that is designed for ultrasound or radar-based
  • Emit signal SHF for ultrasound, for example, a correspondingly controlled piezo element; for radar above 70 GHz, for example, a semiconductor-based primary emitter
  • a receiving unit for receiving the reflected measurement signal EHF, and an evaluation unit which is designed to be based on the reflected
  • Measurement signal EHF to create a trace C m and to determine the level of L based on this.
  • the level gauge 1 is connected via a bus system, such as "Ethernet”, “PROFIBUS”, “HART” or “Wireless HART” with a higher-level unit 4, such as a process control system.
  • a bus system such as "Ethernet”, “PROFIBUS”, “HART” or “Wireless HART”
  • information about the operating state of the level measuring device 1 can be communicated on the one hand.
  • information about the fill level L can also be transmitted via this in order to control any inflows existing on the container 2.
  • the freely radiating level measuring device 1 is arranged on the container 2 above the maximum possible filling level L such that it transmits the radar or ultrasound-based measuring signals SHF via a (horn) antenna in the direction of the surface of the filling material 3 sends out.
  • the antenna When using the TDR measuring principle, the antenna would be replaced by a waveguide (either a metallic rod, a metallic rope or a metallic waveguide) extending from the level gauge 1 to just before the container bottom 21 and thus immersed accordingly deep into the medium 3.
  • a waveguide either a metallic rod, a metallic rope or a metallic waveguide
  • the level measuring device 1 After reflection at the filling material surface (or in the case of TDR at the corresponding point of the waveguide), the level measuring device 1 receives the reflected measuring signals EHF after a corresponding transit time.
  • the running time depends on the distance h - L of the level gauge 1 to the product surface.
  • the reflected measurement signal EHF is recorded in the form of a measurement curve C m . If the level gauge 1 based on
  • the measurement curve C m corresponds directly to the temporal (and thus the distance-dependent) amplitude Veriauf the reflected measurement signal EHF.
  • the measurement curve C m is due to the high pulse rate through the level gauge 1 usually by subsampling the reflected measurement signal EHF.
  • Measurement signal EHF created. If the FMCW method is implemented in the level measuring device 1, the measured curve C m is produced by mixing the currently transmitted measuring signal SHF with the currently received, reflected measuring signal EHF. Regardless of the implemented measuring principle, however, the measuring curve C m always reflects the amplitude or the power of the reflected measuring signal EHF as a function of the distance to the filling level measuring device 1.
  • a schematic measurement curve C m which reflects the reflected measurement signal EHF of the container 2 shown in FIG. 1, is shown in FIG. 1 on the right hand side next to the container 2. From the measured curve C m of the level L is determined by the resultant by the filling material surface echo maximum M 2 is determined, and is output corresponding to the maximum distance value M 2 d 2 as a level value L.
  • Blanking curve C r recorded.
  • the blanking curve C r is in principle taken up like a normal measuring curve C m , the recording being advantageous in the case of a container 2 which is as empty as possible. Because in this case, no reflection on the medium 3 and thus no corresponding maximum M 2 that is not to be regarded as a false echo, generated in the Ausblendkurve C r .
  • the respective measured curve C m is compared with the present Ausblendkurve C r .
  • This is done in the simplest case by means of difference formation between the two curves Cm, C r .
  • the maximum ML of the fill level echo in the current measurement curve C m remains, since the maximums Mi M3, M 4 of the static false echoes are masked out by the subtraction (see FIG. 2). Since during the initial commissioning of the level gauge 1 usually no completely empty container 2 is to be found, the Ausblendkurve C r is initially only for
  • Blanking curve C r over the entire measuring range h to the container bottom 21 can be achieved.
  • a further advantage of a new recording is that the blanking curve C r is adapted to an optionally changed situation inside the container.
  • interference echoes which have newly emerged, for example, as a result of formation of deposits in the course of ongoing operation, can also be faded out.
  • FIG. 2 A current measurement curve C m and a stored blanking curve C r , which is recorded in the situation of the container 2 shown in FIG. 1, are shown in FIG. 2: since the container 2 is not completely emptied in the situation of FIG. is the generated Ausblendkurve C m only for that portion d, which was located at the time of recording above the contents 3 recorded.
  • the level L has r compared to the time of creation of the Ausblendkurve C r has increased.
  • the current measurement curve C m has a corresponding maximum ML, which is located in the subarea d of the already created blanking curve C r .
  • Level gauge 1 the trace C m in subarea d between the
  • Level meter 1 and the distance value d 2 which corresponds to the assigned maximum M 2 , as Absperrend curve C r abspeichem (or the remaining part outside of the subrange d equal to zero). So that the level gauge 1 receives a (new) blanking curve C r , it can be designed, for example, with a corresponding operating mode, in which it automatically assigns the correct maximum M 2 to the fill level value L after recording a measurement curve Cm, or a manual Assignment requires from the installer or a service technician.
  • the level gauge 1, the correct level value L is present. If a reference level measuring device is installed in the container 2, it is therefore conceivable, for the purpose of automatic assignment, that the fill level measuring device 1 polls the "correct" fill level value L via the higher-level unit 4 from the reference fill level measuring device in the mode of the blanking curve creation.
  • As interface come to a display / input units 1 1 on the device itself, such. As touch displays, in question. But it can also external display / input units are used (for example, mobile devices or other handheld devices) that communicate with the level gauge 1 via a wireless interface.
  • the assignment of the correct maximum M 2 to the fill level value L on the basis of the displayed trace C m entails a likelihood of confusion: on the one hand, the distance values d- of the relevant maxima MI -4 are often very close to each other. On the other hand, disproportionate differences in amplitude between some of the relevant maxima MM can lead to a distorted perception about the origin of the respective maximum Mi - M 4 . But even with automatic assignment, there is a risk of incorrect assignment, for example if any reference
  • Level gauge can determine the level L only with a very low accuracy. A wrong assignment can in turn lead to that
  • Level gauge 1 due to a corresponding erroneous Ausblendkurve C m either a false level value L outputs, or even no measured value can determine.
  • maxima MI -4 are normalized with respect to the largest maximum M 2 before the assignment of the correct maximum M 2 to the level value L occurs.
  • FIG. 3 A concrete exemplary embodiment of a possible normalization is shown in FIG. 3 for this purpose:
  • the maxima MI -4 are normalized starting from the largest maximum M 2 in the form of consecutive numbers # 1-4 and listed in a table.
  • the table also shows the amplitudes (column 3) and the distances di (column 2) of the individual maxima MI -4 .
  • the maximums MI -4 in the table are listed in increasing order of the corresponding distance values di -4 .
  • Such a table could be displayed, for example, on the touch display 1 1 of the field device or a handheld device, so that the operator can, for example, make the assignment in the form of a further column, as indicated by column 5 in FIG. 3 .
  • normalization by means of consecutive numbering, it would also be conceivable according to the invention to normalize the determined maximums MI -4 in percent relative to the maximum maximum M 2 and to list them accordingly in the table.
  • Another possible form of normalization consists in a classification of the maxima MM in relation to the largest maximum, in the simplest case in "large” and "small".
  • the "big" classification may either refer to a predefined minimum amplitude value, or it may refer to a predefined number of the largest maxima that should be in that class.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve (Cr) über einen Messbereich (h) eines Ultraschall- oder Radar-basierten Füllstandsmessgerätes (1), wobei sich der Messbereich (h) vom Füllstandsmessgerät (1) aus bis zum Behälterboden (21) erstreckt. Zur Erstellung der Ausblendkurve (Cr) wird ein Messsignal (SHF) entlang des Messbereichs (h) ausgesendet, eine Messkurve (Cm) auf Basis des reflektierten Messsignals (EHF) aufgenommen, und die zumindest zwei größten Maxima (M1, M2, M3, M4) aus der Messkurve (Cm) ermittelt. Erfindungsgemäß werden die mindestens zwei ermittelten Maxima (M1, M2, M3, M4) in Bezug zum größten Maximum (M2) normiert und eines der normierten Maxima (M2) zum Füllstand (L) zugeordnet, so dass die Ausblendkurve (CR) auf Basis der Messkurve (Cm) in zumindest einem Teilbereich (d) zwischen dem Füllstandsmessgerät (1) und dem Maximum (M2, M3) des Füllstands- Wertes (L) zugewiesen ist, erstellt werden kann. Durch die erfindungsgemäße Normierung kann also die Verwechslungsgefahr bei der Zuweisung verringert werden, so dass die Zuweisung sowie die anschließenden Füllstandsmessungen sicherer werden.

Description

Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve für ein Füllstandsmessgerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve über einen Messbereich eines Ultraschall- oder Radar-basierten Füllstandsmessgerätes.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in
Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, oder vergleichbaren
Messgeräten zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose
Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Dabei werden unter dem Begriff„Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi
kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Ultraschall- oder Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung beziehen sich der Begriff Ultraschall auf Schall-Wellen in einem Frequenzbereich zwischen 14 KHz und 1 GHz; Der Begriff„Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz).
Im Fall von Radar-basierter Füllstandsmessung bildet das Pulslaufzeit-Messprinzip ein etabliertes Messprinzip. Hierbei werden Ultraschall- oder Mikrowellenpulse als
Messsignale zyklisch in Richtung des Füllguts ausgesandt und die Laufzeit bis zum Empfang des entsprechenden Echo-Pulses gemessen. Auf Basis dieses Messprinzips können Füllstandsmessgeräte mit vergleichsweise geringem schaltungstechnischem Aufwand realisiert werden. Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät, welches nach dem Puls-Laufzeit-Verfahren arbeitet, ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2012 104 858 A1 beschrieben. Das Ultraschall-basierte Pendant ist unter anderem in der Patentschrift EP 1480021 B1 gezeigt.
Sofern eine komplexere Schaltungstechnik in Kauf genommen werden kann, bietet sich zur Radar-basierten Füllstandsmessung auch FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) als Messprinzip an. Bezüglich eines typischen Aufbaus von FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten sei exemplarisch auf die Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 490 A1 verwiesen.
Das Messprinzip von FMCW- Radar basierten Entfernungsmessverfahren beruht darauf, ein Radar-basiertes Messsignal kontinuierlich mit modulierter Frequenz auszusenden. Dabei liegt die Frequenz des Messsignals in einem festgelegten Frequenzband im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz. Kennzeichnend für FMCW ist hierbei, dass die Sende-Frequenz nicht konstant ist, sondern sich periodisch innerhalb eines definierten Frequenzbandes ändert. Die zeitliche Änderung ist hierbei standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise Dreiecks-Form auf. Eine Sinus-förmige Änderung kann prinzipiell jedoch auch verwendet werden. Im Gegensatz zum
Pulslaufzeit-verfahren wird die Entfernung bzw. der Füllstand bei Implementierung des FMCW-Verfahrens auf Basis der instantanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen, reflektierten Messsignal und dem momentan ausgesendeten Messsignal bestimmt.
Bei jedem der oben genannten Messprinzipien (Ultraschall, Pulsradar, und FMCW) wird zur Ermittlung des Füllstandes anhand des empfangenen, reflektierten Messsignals eine entsprechende Messkurve aufgenommen. Bei Verwendung von Ultraschall entspricht die Messkurve grundsätzlich direkt dem zeitlichen Amplitudenveriauf des reflektierten
Messsignals. Im Falle des Pulsradar-basierten Verfahrens wird die Messkurve aufgrund der hohen Pulsfrequenz hingegen durch Unterabtastung des reflektierten Messsignals erstellt. Dadurch bildet die Messkurve das eigentliche, reflektierte Messsignal zeitgedehnt ab. Bei Implementierung des FMCW-Verfahrens wird die Messkurve durch Mischen des momentan gesendeten Messsignals mit dem reflektierten Messsignal erstellt. In allen Fällen spiegelt die Messkurve jedoch die Amplitude des reflektierten Messsignals in Abhängigkeit der Messdistanz wieder.
Der Füllstand wird aus der Messkurve durch Detektion und örtlicher Zuweisung des entsprechenden lokalen Maximums bestimmt. Um dieses Maximum zweifelsfrei erkennen zu können, ist es bereits bekannt, die Messkurve gegebenenfalls mittels eines geeigneten Filterverfahrens wie Mittelwert-, Maximalwert- oder Tiefpassfilterung zu glätten, um im Anschluss den Füllstand anhand der geglätteten Messkurve bestimmen zu können. Dabei bietet eine geringe Glättung den Vorteil, dass Maxima örtlich besser aufgelöst werden können. Hierdurch lässt sich der Füllstand genauer bestimmen. Dies wird durch eine stärkere Glättung eingeschränkt. Allerdings sinkt durch eine stärkere Glättung die Fehler- bzw. Störanfälligkeit der Füllstandsmessung.
Eine Filterung ermöglicht jedoch nicht die Erkennung bzw. die Ausblendung von statischen Störechos, die bspw. durch Einbauten im Behälter-Inneren hervorgerufen werden. Daher wird bei der Installation oder erneuten Kalibration des
Füllstandsmessgerätes eine Messkurve bei möglichst leeren Tank aufgenommen und als sogenannte Ausblendkurve abgespeichert. Sie enthält all diejenigen Störechos (wie das Füllstands-Echo in Form von entsprechenden Maxima), die durch statische Störeinflüsse, wie Einbauten im Inneren des Behälters hervorgerufen werden. Bei den anschließenden Messungen des Füllstandes wird die jeweilige Messkurve im einfachsten Fall durch Differenzwertbildung mit der aktuellen Ausblendkurve verglichen, so dass (neben einer etwaigen, vorherigen Glättung) die Messkurve hierdurch von denjenigen statischen Störeinflüssen bereinigt wird, die individuell aus dem spezifischen Behälter-Inneren resultieren. Somit wird bei den nachfolgenden Füllstandsmessungen die Gefahr verringert, dass das Füllstandsmessgerät ein falsches Maximum der Messkurve als Füllstands-Echo interpretiert und dadurch ein falscher Füllstands-Wert ausgegeben wird.
Das gezielte Entleeren des Behälters ausschließlich zum Zweck der Aufnahme einer Ausblendkurve ist in der Regel unverhältnismäßig aufwendig oder schlicht unmöglich
(bspw. bei Öl-Tanks mit mehreren Millionen Litern Fassungsvolumen oder Kläranlagen- Becken, deren Betrieb nicht unterbrochen werden kann). Üblich ist es daher, die
Ausblendkurve zunächst bei nicht komplett leerem Behälter aufzunehmen. Die so ermittelte Ausblendkurve kann für die darauffolgenden regulären Füllstandsmessungen dementsprechend erstmal nur für den Teilbereich oberhalb des Füllstandes angewandt werden. Die Aufnahme einer neuen Ausblendkurve kann entsprechend wiederholt werden, sobald der Behälter im regulären Betrieb zumindest weniger gefüllt als zum Zeitpunkt der vorigen Aufnahme ist. Im Falle eines nicht komplett leeren Behälters muss zur Erstellung der Ausblendkurve dasjenige Maximum der zugrundeliegenden Messkurve, das von der Oberfläche des Füllgutes hervorgerufen wird, entsprechend bestimmt bzw. zugeordnet werden, um die Ausblendkurve für den Teilbereich der Messkurve oberhalb des Füllstandes erstellen zu können (sofern der Behälter zum Zeitpunkt der Aufnahme der Ausblendkurve tatsächlich komplett leer ist, ist das entsprechende Maximum des Behälterbodens zuzuweisen, da das Behälterboden-Echo in diesem Fall das Füllstands-Echo ersetzt).
Die Zuweisung kann dabei entweder automatisch erfolgen, wenn dieser Füllstands-Wert dem Füllstandsmessgerät bereits bekannt ist (beispielsweise auf Grundlage eines Referenzmessgerätes im Behälter). Andernfalls muss diese Zuweisung manuell durch den Installateur des Füllstandsmessgerätes erfolgen. Insbesondere hierbei kann es jedoch zu einer falschen Zuweisung des entsprechenden Maximums (bzw. dessen korrespondierenden Distanzwertes) zum korrekten Füllstands-Wert kommen. Auch bei automatischer Zuweisung kann eine Verwechslung e intreten, vor allem, wenn das Referenzmesssystem den Füllstands-Wert lediglich mit einer eingeschränkten Auflösung ermitteln bzw. wiedergeben kann. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein sicheres Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve für Ultraschall- oder Radar-basierte Füllstandsmessgeräte bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein sicheres Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve über einen Messbereich eines Ultraschall- oder Radar-basierten
Füllstandsmessgerätes. Hierzu ist das Füllstandsmessgerät zur Messung des Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes oberhalb des maximalen Füllstandes angeordnet, wobei sich der Messbereich vom Füllstandsmessgerät aus bis zum
Behälterboden erstreckt. Folgende Verfahrensschritte umfasst das Verfahren:
Aussenden eines Messsignals entlang des Messbereichs,
Aufnehmen einer Messkurve auf Basis des reflektierten Messsignals,
Ermittlung von zumindest den zwei größten Maxima und den korrespondierenden Distanzwerten aus der gegebenenfalls gefilterten Messkurve,
Normierung der zumindest zwei ermittelten Maxima in Bezug zum größten Maximum,
Zuweisung eines der normierten Maxima zum Behälterboden, oder für den Fall, dass sich im Behälter ein Füllgut befindet, Zuweisung eines der normierten Maxima zum Füllstand,
Erstellung der Ausblendkurve auf Basis der Messkurve in zumindest einem Teilbereich zwischen dem Füllstandsmessgerät und demjenigen Distanzwert, dessen korrespondierendes Maximum dem Füllstand oder dem Behälterboden zugewiesen ist.
Zur Normierung der ermittelten Maxima gibt es erfindungsgemäß verschiedene
Möglichkeiten: Die ermittelten Maxima können, bezogen auf das größte Maximum, beispielsweise in Prozent normiert werden. Daneben ist es auch denkbar, dass die ermittelten Maxima, beginnend ab dem größten Maximum, in Form von fortlaufenden Nummern normiert werden. Alternativ kann außerdem implementiert werden, dass die ermittelten Maxima durch Einteilung in vordefinierte Größenklassen (bspw.„Groß“ und „Klein“) in Bezug zum größten Maximum normiert werden. Dementsprechend kann aufgrund der erfindungsgemäßen Abstrahierung der Maximalwerte durch eine geeignete Normierung die Zuweisbarkeit des korrekten Maximums der Messkurve zum
entsprechenden Füllstands-Wert vereinfacht bzw. sicherer gemacht werden.
Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nicht fest vorgeschrieben, ob die Zuweisung eines normierten Maximums zum Füllstand oder zum Behälterboden automatisiert auf Basis eines Referenz-Wertes, der insbesondere durch ein Referenz- Füllstandsmessgerät gemessen wird, erfolgt, oder ob die Zuweisung eines normierten Maximums zum Füllstand oder zum Behälterboden durch eine manuelle Auswahl erfolgt. Insbesondere im Falle manueller Zuweisung ist es von Vorteil, wenn die normierten Maxima graphisch auf einer Anzeige-Einheit dargestellt werden. Denkbar ist, dass die normierten Maxima bspw. in einer Tabelle in der Reihenfolge der zugehörigen
Distanzwerte aufgelistet dargestellt werden, oder dass die normierten Maxima in der Reihenfolge der zugehörigen Distanzwerte in Form einer schematischen Messkurve dargestellt werden. Dabei kann die Anzeige entweder direkt auf einem Display des Feldgerätes erfolgen, oder aber auch an einem peripheren Gerät, wie beispielsweise einem Tablet-PC oder dem Bildschirm eines Prozessleitsystems.
Eine schrittweise Erschließung der Ausblendkurve über den gesamten Messbereich bis zum Behälterboden kann erreicht werden, indem die Ausblendkurve, sofern das
Füllstandsmessgerät den Füllstand unterhalb des Teilbereichs der aktuellen
Ausblendkurve misst, auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest in einem Ausschnitt zwischen dem Teilbereich und dem aktuellen Füllstand neu erstellt wird. In diesem Fall erkennt das Füllstandsmessgerät quasi automatisch einen günstigen Zeitpunkt mit niedrigem Füllstand oder komplett leerem Tank, an dem sich die Aufnahme einer neuen, erweiterten Ausblendkurve lohnt. Hierzu gibt es einerseits die Variante, die Ausblendkurve zum entsprechenden Zeitpunkt über den gesamten Messbereich bzw. den vergrößerten Teilbereich neu aufzunehmen. Eine weitere Variante besteht darin, die Ausblendkurve um denjenigen Bereich zu erweitern, der aufgrund des gesunkenen Füllstandes seit der letzten Aufzeichnung der Ausblendkurve hinzugekommen ist.
In einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zudem
implementiert werden, dass einem Maximum, dessen korrespondierender Distanzwert größer als der Messbereich ist, der Distanzwert dem Abstand des Füllstandsmessgerätes zum Behälterboden gleichgesetzt wird. Solche Maxima bzw. Echos können
beispielsweise durch Mehrfachreflexionen des gesendeten Messsignals im Behälter verursacht werden. Durch eine„Verschiebung“ solcher Maxima auf die Höhe des Behälterbodens kann zum einen die graphische Darstellung der Messwerte vereinfacht werden. Übersichtlichkeit gewinnen. Außerdem können solche Maxima durch den Behälterboden selbst hervorgerufen werden, beispielsweise bei gewölbter oder trichterförmiger Auslegung des Behälterbodens. Eine abgewandelte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zur Messung des Füllstandes oder eines Dielektrizitätswertes mittels eines Radar-basierten
Füllstandsmessgerätes, das nach dem TDR-Prinzip arbeitet, angewendet werden (bei „TDR“ handelt es sich um die Kurzform des Begriffs„Time Domain Reflection“; Im Deutschen ist diese spezifische Radar-basierte Entfernungsmessmethode unter dem Begriff„Zeitbereichs-Reflektometrie“ bekannt). Wie bei frei abstrahlenden Radar- Füllstandsmessgeräten ist auch das TDR-basierte Füllstandsmessgerät zur Messung des Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes oberhalb des maximalen Füllstandes angeordnet. Allerdings ist anstelle der Antenne ein Wellenleiter vorgesehen, der sich vom Füllstandsmessgerät derart in Richtung des Behälterbodens erstreckt, dass der Wellenleiter auch bei minimalem Füllstand in Kontakt mit dem Füllgut ist. In der abgewandelten Form umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende
Verfahrensschritte:
Aussenden eines Messsignals entlang des Wellenleiters,
- Aufnehmen einer Messkurve auf Basis des reflektierten Messsignals,
Ermittlung von zumindest den zwei größten Maxima und den korrespondierenden Distanzwerten aus der Messkurve,
Normierung der zumindest zwei ermittelten Maxima in Bezug zum größten Maximum,
- Zuweisung eines der normierten Maxima zum Behälter- bzw. Füllgut-seitigen
Ende des Wellenleiters.
Durch die Zuweisung des entsprechenden Maximums zum Wellenleiter-Ende ist es möglich, in einer regulären Füllstands-Messung, die nach der Messung der Zuweisung (also nach der initialen Installations- oder Kalibrationsmessung) durchgeführt wird, eine Verschiebung des zugewiesenen Maximums in Bezug zur Kalibrationsmessung zu ermitteln. Anhand der ermittelten Verschiebung kann wiederum ein Dielektrizitätswert und/oder der Füllstand des Füllgutes berechnet werden. Dabei verläuft eine Messung während des normalen Messbetriebs vom Verfahrensablauf her analog zu der
Installations- oder Kalibrationsmessung ab:
- Aussenden eines Messsignals entlang des Wellenleiters,
Aufnehmen einer Messkurve auf Basis des reflektierten Messsignals,
Ermittlung von zumindest den zwei größten Maxima und den korrespondierenden Distanzwerten aus der Messkurve, und
Ermittlung des Füllstandes anhand einem der ermittelten Maxima.
Diese Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt also den physikalischen Effekt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radar-Signale vom jeweiligen
Dielektrizitätswert eG des entsprechenden Füllgut-Typs, bzw. vom konkreten Füllstand abhängt. Aufgrund dieses Effektes verschiebt sich der Distanz-Wert des
korrespondierenden Maximums vom Wellenleiter-Ende in der Messkurve, wenn sich der Füllstand ändert (oder im Falle eines anderen Füllgut-Typs mit einem anderen
Dielektrizitätswert), obwohl sich die Länge des Wellenleiters an sich natürlich nicht ändert. Sofern also entweder der Füllstandswert (bspw. auf Basis der eigentlichen Füllstandsmessung) oder der konkrete Dielektrizitätswert eG des jeweiligen Füllgutes bereits bekannt ist, kann basierend auf der abgewandelten Variante des
erfindungsgemäßen Verfahrens der jeweils andere Wert berechnet werden. Auch hier verringert die erfindungsgemäße Normierung der ermittelten Maxima in Bezug zum größten Maximum wiederum die Gefahr einer falschen Zuweisung.
Zur Durchführung des Verfahrens nach einer der zuvor genannten Ausführungsvarianten hat ein entsprechendes Füllstandmessgerät zumindest folgende Komponenten zu umfassen:
Eine Sende-Empfangseinheit zum Aussenden des Messsignals und zum
Aufnehmen einer Messkurve nach Empfang des reflektierten Messsignals, eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, um
o zumindest die zwei größten Maxima und deren korrespondierenden
Distanzwerte aus der Messkurve zu ermitteln,
o die ermittelten Maxima in Bezug zum größten Maximum zu normieren, und um
o auf Basis der Messkurve die Ausblendkurve zu erstellen, und eine Schnittstelle, über die eines der ermittelten Maxima dem Füllstand oder dem Behälterboden zuweisbar ist.
Vor allem bei manueller Zuweisung des entsprechenden Maximums zum Füllstands-Wert bietet es sich an, wenn eine Anzeige-Einheit zur graphischen Darstellung der normierten Maxima und deren korrespondierenden Distanzwerten vorgesehen ist. Eine solche Anzeige-Einheit kann dabei entweder als Display direkt am Füllstandsmessgerät ausgelegt sein. Im Falle einer am Füllstandsmessgerät vorhandenen Drahtlos- Schnittstelle wie„WLAN“ oder„Bluetooth“ kann aber auch ein Display eines Handgerätes, wie einem Smartphone oder Tablet-PC als Anzeige-Einheit eingesetzt werden. Denkbar ist aber auch die Darstellung der normierten Maxima an einer entsprechenden Anzeige- Einheit einer übergeordneten Einheit, wie einem Prozessleitsystem.
Sofern das Füllstandsmessgerät auf Basis des TDR-basierten Messprinzips arbeitet, umfasst es anstelle einer Antenne einen Wellenleiter, der so an der Sende- Empfangseinheit anbringbar ist, dass das Messsignal entlang des Wellenleiters in Richtung des Füllgutes aussendbar ist, und das reflektierte Messsignal über den
Wellenleiter empfangbar ist.
In diesem Fall ist es erfindungsgemäß denkbar, die Schnittstelle des
Füllstandsmessgerätes so auszulegen, dass eines der ermittelten Maxima auch dem Füllgut-seitigen Ende des Wellenleiters zuweisbar ist. Denn sofern zudem die Auswerte- Einheit ausgelegt ist, um in einer Messung, die nach der Kalibrations-Messung (also nach der Messung, in der die Zuweisung des Maximums zum Wellenleiter-Ende) durchgeführt wird, eine Verschiebung des zugewiesenen Maximum (in Bezug zur Kalibrations- Messung) zu ermitteln, kann anhand der ermittelten Verschiebung ein Dielektrizitätswert und/oder der Füllstand des Füllgutes berechnet werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt;
Fig. 1 : Eine typische Anordnung eines Füllstandsmessgerätes,
Fig. 2: eine Messkurve mit einer hinterlegten Ausblendkurve, und
Fig. 3: eine tabellarische Auflistung der größten Maxima einer Messkurve. Zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 eine typische Anordnung eines frei abstrahlenden Ultraschall- oder Radar-basierten Füllstandsmessgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. Im Behälter 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Dazu ist das Füllstandsmessgerät 1 in einer vorbekannten Einbauhöhe h oberhalb des Behälterbodens 21 am Behälter 2 angebracht. Hierbei kann der Behälter 2 bzw. der Messbereich h je nach Anwendung bis zu mehr als 100 m hoch sein. Unabhängig vom implementierten Messprinzip (Ultraschall, Pulsradar, FMCW und auch TDR) umfasst das Füllstandsmessgerät 1 als grundlegende Funktionsblöcke: - Eine Sendeeinheit, die ausgelegt ist, ein Ultraschall- oder Radar-basiertes
Messsignal SHF auszusenden (für Ultraschall beispielsweise ein entsprechend angesteuertes Piezo-Element; Bei Radar ab 70 GHz beispielsweise ein Halbleiter- basierter Primärstrahler),
eine Empfangseinheit zum Empfang des reflektierten Messsignals EHF, und - eine Auswerteeinheit, die konzipiert ist, um auf Basis des reflektierten
Messsignals EHF eine Messkurve Cm zu erstellen und anhand dessen den Füllstand L zu bestimmen.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über ein Bussystem, etwa„Ethernet“, „PROFIBUS“,„HART“ oder„Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Hierüber können aber auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter 2 vorhandene Zuflüsse zu steuern. Wie aus Fig. 1 ersichtlich wird, ist das frei abstrahlende Füllstandsmessgerät 1 so am Behälter 2 oberhalb des maximal möglichen Füllstandes L angeordnet, dass es die Radar- oder Ultraschall-basierten Messsignale SHF über eine (Horn-) Antenne in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 3 aussendet. Bei Verwendung des TDR-Messprinzips wäre die Antenne durch einen Wellenleiter (entweder einen metallischen Stab, ein metallisches Seil oder einen metallischen Hohlleiter) ersetzt, der sich vom Füllstandsmessgerät 1 bis kurz vor den Behälterboden 21 erstreckt und somit entsprechend tief in das Füllgut 3 eintaucht. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche (bzw. im Fall von TDR an der korrespondierenden Stelle des Wellenleiters) empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Messsignale EHF nach einer entsprechenden Laufzeit. Hierbei hängt die Laufzeit von der Entfernung h - L des Füllstandsmessgerätes 1 zur Füllgut-Oberfläche ab.
Zur Ermittlung des Füllstandes L wird das reflektierte Messsignal EHF in Form einer Messkurve Cm aufgezeichnet. Sofern das Füllstandsmessgerät 1 auf Basis von
Ultraschall arbeitet, entspricht die Messkurve Cm unmittelbar dem zeitlichen (und somit dem Distanz-abhängigen) Amplituden-Veriauf des reflektierten Messsignals EHF. Im Falle des Pulsradar-Prinzips wird die Messkurve Cm aufgrund der hohen Pulsfrequenz durch das Füllstandsmessgerät 1 in der Regel durch Unterabtastung des reflektierten
Messsignals EHF erstellt. Sofern im Füllstandsmessgerät 1 das FMCW-Verfahren implementiert ist, wird die Messkurve Cm durch Mischen des momentan ausgesendeten Messsignals SHF mit dem aktuell empfangenen, reflektierten Messsignal EHF erstellt. Unabhängig vom implementierten Messprinzip spiegelt die Messkurve Cm jedoch stets die Amplitude bzw. die Leistung des reflektierten Messsignals EHF in Abhängigkeit der Distanz zum Fül Istandsmessgerät 1 wieder.
Eine schematische Messkurve Cm, die das reflektierte Messsignal EHF des in Fig. 1 dargestellten Behälters 2 widerspiegelt, ist in Fig. 1 rechterhand neben dem Behälter 2 dargestellt. Aus der Messkurve Cm wird der Füllstand L bestimmt, indem das durch die Füllgut-Oberfläche resultierende Echo-Maximum M2 ermittelt wird, und der zum Maximum M2 korrespondierende Distanzwert d2 als Füllstands-Wert L ausgegeben wird.
In der dargestellten Messkurve Cm zeigt sich jedoch, dass nicht nur die Füllgut-Oberfläche ein entsprechendes Maximum M2 in der Messkurve Cm erzeugt. Bei tiefem Füllstand L wird beispielsweise auch durch den Behälterboden 21 eine Reflektion des ausgesendeten Messsignals SHF und somit ein zusätzliches Maximum M3 in der Messkurve Cm erzeugt. Auch durch Einbauten im Inneren des Behälters 2, wie bspw. Zuleitungen, kann eine Reflektion und ein entsprechendes Maximum Mi in der Messkurve Cm hervorgerufen werden. Darüber hinaus können auch Mehrfachreflektionen innerhalb des Behälters 2 zu Maxima M4 in der Messkurve Cm führen, deren korrespondierende Distanzwerte d4 aufgrund der langen Laufzeit bzw. der langen Weglänge außerhalb des Messbereichs h, also unterhalb des Behälterbodens 21 erscheinen.
Um trotz dieser statischen Störechos M-i, M3, M4 dasjenige Maximum M2, das der Füllgut- Oberfläche zugeordnet ist, korrekt bestimmen zu können, wird bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Füllstandsmessgerätes 1 am Behälter 2 eine sogenannte
Ausblendkurve Cr aufgenommen. Dabei wird die Ausblendkurve Cr prinzipiell wie eine normale Messkurve Cm aufgenommen, wobei die Aufnahme bei einem möglichst leerem Behälter 2 vorteilhaft ist. Denn in diesem Fall wird keine Reflektion am Füllgut 3 und somit kein korrespondierendes Maximum M2, dass nicht als Störecho zu betrachten ist, in der Ausblendkurve Cr generiert.
In den anschließenden Füllstandsmessungen wird die jeweilige Messkurve Cm mit der vorliegenden Ausblendkurve Cr verglichen. Dies geschieht im simpelsten Fall mittels Differenzbildung zwischen den zwei Kurven Cm, Cr. Hierdurch verbleibt nach Subtraktion der Ausblendkurve Cr lediglich das Maximum ML des Füllstands-Echos in der aktuellen Messkurve Cm, da die Maxima Mi M3, M4 der statischen Störechos durch die Subtraktion ausgeblendet werden (siehe Fig. 2). Da bei der Erstinbetriebnahme des Füllstandsmessgerätes 1 in der Regel kein komplett leerer Behälter 2 vorzufinden ist, wird die Ausblendkurve Cr zunächst nur für den
Teilbereich d oberhalb des Füllgutes 3 aufgenommen. Somit können zumindest die statischen Störechos bzw. deren Maxima Mi, die aus diesem Teilbereich d entstammen, bei den nachfolgenden Füllstandsmessungen bereits ausgeblendet werden. Eine weitere, neue Ausblendkurve Cr kann aufgenommen werden, wenn der Behälter 2 im
nachfolgenden Betrieb zufällig komplett entleert oder zumindest weniger befüllt ist, als zum Zeitpunkt der Aufnahme der aktuellen Ausblendkurve Cr. Hierdurch kann im Laufe des Betriebs des Füllstandsmessgerätes 1 eine schrittweise„Erschließung“ der
Ausblendkurve Cr über den gesamten Messbereich h bis zum Behälterboden 21 erreicht werden. Neben der Erschließung des gesamten Messbereichs besteht ein weiterer Vorteil einer Neu-Aufnahme darin, dass die Ausblendkurve Cr auf eine gegebenenfalls geänderte Situation im Behälter-Inneren angepasst wird. So können Stör-Echos, die beispielsweise durch Ansatzbildung im fortschreitenden Betrieb neu entstanden sind, mitausgeblendet werden.
Eine aktuelle Messkurve Cm sowie eine hinterlegte Ausblendkurve Cr, die in der Situation des in Fig. 1 dargestellten Behälters 2 aufgenommen ist, werden in Fig. 2 gezeigt: Da der Behälter 2 in der Situation von Fig. 1 nicht komplett entleert ist, ist die daraus generierte Ausblendkurve Cm nur für denjenigen Teilbereich d, der sich zum Zeitpunkt der Aufnahme oberhalb des Füllgutes 3 befunden hat, aufgezeichnet. In Fig. 2 ist dargestellt, dass sich der Füllstand L im Vergleich zum Zeitpunkt der Erstellung der Ausblendkurve Cr erhöht hat. Dementsprechend weist die aktuelle Messkurve Cm ein entsprechendes Maximum ML auf, das sich im Teilbereich d der bereits erstellten Ausblendkurve Cr befindet. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist es zur Erstellung der Ausblendkurve Cr auf Basis der Messsituation von Fig. 1 notwendig, das Maximum M2 des Füllstandes L im
Füllstandsmessgerät 1 entsprechend zuzuweisen. Hierdurch kann das
Füllstandsmessgerät 1 die Messkurve Cm im Teilbereich d zwischen dem
Füllstandsmessgerät 1 und dem Distanzwert d2, der dem zugewiesenen Maximum M2 korrespondiert, als Ausblendkurve Cr abspeichem (bzw. den verbleibenden Teil außerhalb des Teilbereichs d gleich null setzen). Damit das Füllstandsmessgerät 1 eine (neue) Ausblendkurve Cr aufnimmt, kann es beispielsweise mit einem entsprechenden Betriebs-Modus konzipiert sein, in dem es nach Aufnahme einer Messkurve Cm das korrekte Maximum M2 dem Füllstands-Wert L entweder automatisch zuweist, oder eine manuelle Zuweisung vom Installateur bzw. einem Servicetechniker anfordert.
Für eine automatische Zuweisung ist es erforderlich, dass dem Füllstandsmessgerät 1 der korrekte Füllstands-Wert L vorliegt. Sofern im Behälter 2 ein Referenz- Füllstandsmessgerät installiert ist, ist es zwecks automatischer Zuweisung also denkbar, dass das Füllstandsmessgerät 1 im Modus der Ausblendkurven-Erstellung den „korrekten“ Füllstands-Wert L über die übergeordnete Einheit 4 vom Referenz- Füllstandsmessgerät abfragt.
Bei der überwiegenden Anzahl der Anwendungen ist jedoch kein Referenz- Füllstandsmessgerät im Behälter 2 installiert, so dass die Zuweisung manuell erfolgen muss. In diesen Fällen muss der Service-Techniker die Zuweisung über entsprechende Schnittstellen des Feldgerätes 1 vornehmen.
Als Schnittstelle kommen zum einen Anzeige-/Eingabe-Einheiten 1 1 am Gerät selber, wie z. B. Touch-Displays, in Frage. Es können aber auch externe Anzeige-/Eingabe-Einheiten eingesetzt werden (zum Beispiel Mobilfunkgeräte oder andere Handgeräte), die über eine kabellose Schnittstelle mit dem Füllstandsmessgerät 1 kommunizieren.
Vor allem bei manueller Zuweisung des korrekten Maximums M2 zum Füllstands-Wert L ist es notwendig, alle relevanten Maxima MI-4 der zugrundeliegenden Messkurve Cm nicht nur zu erfassen, sondern einem Service-Techniker zwecks Zuweisung an der Anzeige- /Eingabe-Einheit 1 1 anzuzeigen. In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, kleine, irrelevante Maxima, die bspw. durch Rauscheinflüsse hervorgerufen werden, mittels entsprechenden Glättungs-Filtern im Voraus aus der Messkurve Cm zu entfernen. Zwecks manueller Zuweisung kann die (gefilterte) Messkurve Cm dementsprechend an der Anzeige-/Eingabe-Einheit 1 1 angezeigt werden.
Insbesondere die Zuweisung des korrekten Maximums M2 zum Füllstands-Wert L auf Basis der angezeigten Messkurve Cm birgt jedoch eine Verwechslungsgefahr: Zum einen liegen die Distanzwerte d- der relevanten Maxima MI-4 oftmals sehr nahe bei einander. Zum anderen können überproportionale Amplitudenunterschiede zwischen einigen der relevanten Maxima M-M ZU einer verzerrten Wahrnehmung über den Ursprung des jeweiligen Maximums Mi - M4 führen. Aber auch bei automatischer Zuweisung besteht die Gefahr einer falschen Zuweisung, bspw. wenn ein etwaiges Referenz-
Füllstandsmessgerät den Füllstand L nur mit einer sehr geringen Genauigkeit bestimmen kann. Eine falsche Zuweisung kann wiederum dazu führen, dass das
Füllstandsmessgerät 1 aufgrund einer entsprechend fehlerhaften Ausblendkurve Cm entweder einen falschen Füllstands-Wert L ausgibt, oder erst gar keinen Messwert ermitteln kann.
Diese Gefahr wird erfindungsgemäß dadurch verringert, dass alle relevanten Maxima MI-4 in Bezug zum größten Maximum M2 normiert werden, bevor die Zuweisung des korrekten Maximums M2 zum Füllstands-Wert L erfolgt. Ein konkretes Ausführungsbeispiel einer möglichen Normierung ist dazu in Fig. 3 gezeigt: Dort sind die Maxima MI-4 beginnend ab dem größten Maximum M2 in Form von fortlaufenden Nummern #1-4 normiert und in einer Tabelle aufgelistet. Neben der fortlaufenden Nummerierung in Spalte 4 sind in der Tabelle zudem die Amplituden (Spalte 3) und die Distanzen di (Spalte 2) der einzelnen Maxima MI-4 abgebildet. Dabei sind die Maxima MI-4 in der Tabelle in zunehmender Reihenfolge der korrespondierenden Distanzwerte di-4 aufgelistet. Zwecks manueller Zuweisung könnte eine solche Tabelle beispielsweise auf dem Touch-Display 1 1 des Feldgerätes oder eines Handgerätes dargestellt werden, so dass der Bediener bspw. in Form einer weiteren Spalte die Zuweisung vornehmen kann, wie es in Fig. 3 durch Spalte 5 angedeutet ist. Im Gegensatz zu einer Normierung mittels fortlaufender Nummerierung wäre es erfindungsgemäß auch denkbar, die ermittelten Maxima MI-4 bezogen auf das größte Maximum M2 in Prozent zu normieren und entsprechend in der Tabelle aufzulisten. Eine weitere mögliche Form der Normierung besteht in einer Klassifizierung der Maxima M-M in Bezug zum größten Maximum, im einfachsten Fall in„groß“ und „klein“. In diesem Zusammenhang kann sich die Klassifizierung„groß“ entweder auf einen vordefinierten Minimal-Amplitudenwert beziehen, oder sie kann sich auf eine vordefinierte Anzahl der größten Maxima beziehen, die sich in dieser Klasse befinden sollen.
Alternativ zu einer tabellarischen Darstellung der normierten Maxima MI-4 ist es im Sinne der Erfindung auch vorstellbar, die normierten Maxima MI-4 in Form einer abstrahierten Messkurve darzustellen, wobei jedes ermittelte Maximum M-M hierzu bspw. mit einer 20% geringeren Höhe als das nächstgrößere Maximum visualisiert wird. Bezugszeichenliste
1 Füllstandsmessgerät
2 Behälter
3 Füllgut
4 Übergeordnete Einheit
11 Anzeige-/Eingabe-Einheit
21 Behälterboden
Cm Messkurve
Cr Ausblendkurve
d Teilbereich
di_4 Distanzwerte
EHF Reflektierte Messsignale
h Messbereich
L Füllstand
M-I-4 Maxima
SHF Messsignale

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erstellung einer Ausblendkurve (Cr) über einen Messbereich (h) eines Ultraschall- oder Radar-basierten Füllstandsmessgerätes (1 ), wobei das
Füllstandsmessgerät (1 ) zur Messung des Füllstandes (L) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3) oberhalb des maximalen Füllstandes (L) angeordnet ist, und wobei sich der Messbereich (h) vom Füllstandsmessgerät (1 ) aus bis zum Behälterboden (21 ) erstreckt,
folgende Verfahrensschritte umfassend:
- Aussenden eines Messsignals (SHF) entlang des Messbereichs (h),
Aufnehmen einer Messkurve (Cm) auf Basis des reflektierten Messsignals (EHF), Ermittlung von zumindest den zwei größten Maxima (Mi , M2, M3, M4) und den korrespondierenden Distanzwerten (di , d2, d3, d4) aus der Messkurve (Cm), Normierung der zumindest zwei ermittelten Maxima (M-i, M2, M3, M4) in Bezug zum größten Maximum (M2),
Zuweisung eines der normierten Maxima (M3) zum Behälterboden (h), oder für den Fall, dass sich im Behälter (2) ein Füllgut (3) befindet, Zuweisung eines der normierten Maxima (M2) zum Füllstand (L),
Erstellung der Ausblendkurve (Cr) auf Basis der Messkurve (Cm) in zumindest einem Teilbereich (d) zwischen dem Füllstandsmessgerät (1 ) und demjenigen
Distanzwert (d2, d3), dessen korrespondierendes Maximum (M2, M3) dem Füllstand (L) oder dem Behälterboden (21 ) zugewiesen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die ermittelten Maxima (Mi, M2, M3, M4), bezogen auf das größte Maximum (M2), in Prozent normiert werden, oder
wobei die ermittelten Maxima (Mi, M2, M3, M4), beginnend ab dem größten Maximum (M2), in Form von fortlaufenden Nummern normiert werden, oder
wobei die ermittelten Maxima (Mi, M2, M3, M4) durch Einteilung in vordefinierte
Größenklassen in Bezug zum größten Maximum (M2) normiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausblendkurve (Cr), sofern das
Füllstandsmessgerät (1 ) den Füllstand (L) unterhalb des Teilbereichs (d) der aktuellen Ausblendkurve (Cr) misst, zumindest in einem Ausschnitt zwischen dem Teilbereich (d) und dem aktuellen Füllstand (L) neu erstellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei einem Maximum (M4), dessen korrespondierender Distanzwert (d4) größer als der Messbereich (h) ist, der Distanzwert (d4) dem Abstand (h) des Füllstandsmessgerätes (1 ) zum Behälterboden (21 ) gleichgesetzt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zuweisung eines normierten Maximums (M2) zum Füllstand (L) oder zum Behälterboden (21 ) automatisiert auf Basis eines Referenz-Wertes, der insbesondere durch ein Referenz- Füllstandsmessgerät gemessen wird, erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zuweisung eines normierten Maximums (M2) zum Füllstand (L) oder zum Behälterboden (21 ) durch eine manuelle Auswahl erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die normierten Maxima
(Mi, M2, M3, M4) in der Reihenfolge der zugehörigen Distanzwerte (d-i , d2, d3, d4) aufgelistet dargestellt werden, oder
wobei die normierten Maxima (Mi , M2, M3, M4) in der Reihenfolge der zugehörigen Distanzwerte (di, d2, d3, d4) in Form einer schematischen Messkurve dargestellt werden.
8. Verfahren zur Messung des Füllstandes (L) oder eines Dielektrizitätswertes (eG) mittels eines Radar-basierten Füllstandsmessgerätes (1 ) nach dem TDR-Prinzip, wobei das Füllstandsmessgerät (1 ) zur Messung des Füllstandes (L) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3) oberhalb des maximalen Füllstandes (L) angeordnet ist, und wobei ein Wellenleiter vorgesehen ist, der sich vom Füllstandsmessgerät (1 ) derart in Richtung des Behälterbodens (21 ) erstreckt, dass der Wellenleiter in Kontakt mit dem Füllgut (3) ist, folgende Verfahrensschritte umfassend:
- Aussenden eines Messsignals (SHF) entlang des Wellenleiters,
Aufnehmen einer Messkurve (Cm) auf Basis des reflektierten Messsignals (EHF), - Ermittlung von zumindest den zwei größten Maxima (Mi , M2, M3, M4) und den korrespondierenden Distanzwerten (di , d2, d3, d4) aus der Messkurve (Cm), Normierung der zumindest zwei ermittelten Maxima (Mi , M2, M3, M4) in Bezug zum größten Maximum (M2),
Zuweisung eines der normierten Maxima (M3) zum Behälter-seitigen Ende des Wellenleiters,
wobei in einer Messung, die nach der Messung der Zuweisung durchgeführt wird, eine Verschiebung (Ad3) des zugewiesenen Maximum (M3) in Bezug zur Messung der Zuweisung ermittelt wird, und wobei anhand der ermittelten Verschiebung (Ad3) ein Dielektrizitätswert (eG) und/oder der Füllstand (L) des Füllgutes (3) berechnet wird.
9. Füllstandsmessgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend:
Eine Sende-Empfangseinheit zum Aussenden des Messsignals (SHF) und zum Aufnehmen einer Messkurve (Cm) nach Empfang des reflektierten Messsignals (EHF), eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, um
o zumindest die zwei größten Maxima (M-i, M2, M3, M4) und deren korrespondierenden Distanzwerte (di , d2, d3, d4) aus der Messkurve (Cm) zu ermitteln,
o die ermittelten Maxima (Mi , M2, M3, M4) in Bezug zum größten Maximum
(M2) ZU normieren, und/oder um
o auf Basis der Messkurve (Cm) die Ausblendkurve (Cr) zu erstellen, und eine Schnittstelle, über die eines der ermittelten Maxima (Mi, M2, M3, M4) dem Füllstand (L) oder dem Behälterboden (21 ) zuweisbar ist.
10. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 9, wobei eine Anzeige-Einheit (1 1 ) zur graphischen Darstellung der normierten Maxima (Mi, M2, M3, M4) und deren
korrespondierenden Distanzwerten (di, d2, d3, d4) vorgesehen ist.
11. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 8, 9 oder 10, umfassend:
Einen Wellenleiter, der so an der Sende-Empfangseinheit anbringbar ist, dass das Messsignal (SHF) entlang des Wellenleiters in Richtung des Füllgutes (3) aussendbar ist, und das reflektierte Messsignal (EHF) über den Wellenleiter empfangbar ist,
wobei die Schnittstelle so ausgelegt ist, dass eines der ermittelten Maxima (Mi , M2, M3, M4) dem Füllgut-seitigen Ende des Wellenleiters zuweisbar ist, und
wobei die Auswerte-Einheit ausgelegt ist, um in einer Messung, die nach der Messung der Zuweisung durchgeführt wird, eine Verschiebung (Ad3) des zugewiesenen Maximum (M3) in Bezug zur Messung der Zuweisung zu ermitteln, und um anhand der ermittelten Verschiebung (Ade) einen Dielektrizitätswert (eG) und/oder den Füllstand (L) des Füllgutes (3) zu berechnen.
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