DE102004061449A1

DE102004061449A1 - Nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät und Verfahren zu dessen Inbetriebnahme

Info

Publication number: DE102004061449A1
Application number: DE102004061449A
Authority: DE
Inventors: Manfred Eckert; Dietmar Dr. Spanke; Manfred Hammer; Reinhard Schaefer; Klaus Pankrarz; Marc Felden; Christian Reinau
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-22
Also published as: WO2006063933A3; WO2006063933A2

Abstract

Es ist ein nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät (5, 9, 11) und ein Verfahren zu dessen Inbetriebnahme beschrieben, bei dem die Inbetriebnahme auf einfache Weise vornehmbar ist, indem ein Anwender einen Mindestsatz an Parametern vorgibt, das Füllstandsmessgerät (5, 9, 11) eine Referenzmessung durchführt, bei der ein Sendesignal (S) in Richtung eines Füllgutes (1) gesendet und dessen Referenzechosignal (R) aufgenommen wird, und das Führungsmessgerät (5, 9, 11) anhand der vorgegebenen Parameter und der Referenzmessung Zusatzparameter ableitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät und ein Verfahren zu dessen Inbetriebnahme.
Füllstandsmessgeräte werden in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der verarbeitenden Industrie, in der Chemie oder in der Lebensmittelindustrie.

Eine häufig eingesetzte Art der Füllstandsmessung basiert auf dem Laufzeitprinzip. Dabei werden Sendesignale, z. B. Mikrowellen, Ultraschallwellen mittels einer Antenne oder kurze elektromagnetische Impulse entlang eines Wellenleiters zur Oberfläche eines Füllguts gesendet und an der Füllgutoberfläche reflektierte Echosignale nach einer abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen. Es wird eine die Echoamplituden als Funktion der Laufzeit darstellende Echofunktion gebildet. Jeder Wert dieser Echofunktion entspricht der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand vom Füllstandsmessgerät reflektierten Echos.

Aus der Echofunktion wird ein Nutzecho bestimmt, das wahrscheinlich der Reflexion eines Sendesignals an der Füllgutoberfläche entspricht. Dabei wird in der Regel angenommen, dass das Nutzecho, eine größere Amplitude aufweist, als die übrigen Echos. Aus der Laufzeit des Nutzechos ergibt sich bei einer festen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Sendesignale unmittelbar der Abstand zwischen der Füllgutobertläche und dem Füllstandsmessgerät.

Damit das Nutzecho erkannt und daraus der zugehörige Füllstand abgeleitet werden kann, benötigt das Füllstandsmessgerät einige Informationen. Bei der Bestimmung des Füllstandes ist z. B. eine Einbauhöhe des Füllstandsmessgeräts im Behälter zu berücksichtigen.

Daneben können auch Angaben über Materialeigenschaften des Füllguts von Bedeutung sein. Bei der Füllstandsmessung mittels Mikrowellen oder mittels kurzer elektromagnetischer Impulse ist eine solche Materialeigenschaft z. B. eine Dielektrizitätskonstante des Füllguts. Wie gut das Füllgut Mikrowellen reflektiert, bzw. wie groß ein Anteil der reflektierten Signale ist, hängt von der Dielektrizitätskonstanten des Füllguts ab. Entsprechend kann anhand der Dielektrizitätskonstanten eine Abschätzung einer zu erwartenden Amplitude des Nutzechos vorgenommen werden, die die Findung des richtigen Nutzechos erleichtert.

Bei herkömmlichen Füllstandsmessgeräten wird daher nach einer Installation des Füllstandsmessgeräts eine Inbetriebnahme vorgenommen, bei der dem Füllstandsmessgerät unter anderem alle für die jeweilige Anwendung relevanten Parameter zugänglich gemacht werden. Die Parameter werden als Parametersatz abgelegt und stehen nach der Inbetriebnahme zur Verfügung.

Nach der Inbetriebnahme arbeitet das Füllstandsmessgerät dann unter zu Hilfenahme des Parametersatzes eigenständig.

Je nach Messgerät und Anwendung kann dabei eine Fülle von verschiedenen Parametern erforderlich sein, wie z. B. ein aktueller Füllstand bei der Inbetriebnahme. Zu den Parametern zählen auch Angaben über die Geometrie des verwendeten Behälters, eine Leerdistanz, bei der das Füllstandsmessgerät erkennen soll, dass ein mit dem Füllgut gefüllter Behälter leer ist, und eine Füllstandsobergrenze, bei der das Füllstandsmessgerät erkennen soll, dass der Behälter voll ist. Hinzu kommt eine in der Regel anwendungs-abhängige messgerät-spezifische Blockdistanz, innerhalb derer keine Füllstandsmessung möglich ist, ein Untergrundsignal, das bei der Messung auszublenden ist, sowie Materialeigenschaften des Füllguts, wie z. B. dessen Dielektrizitätskonstante. Auch Auswahlvorschriften zur Bestimmung des Nutzechos spielen eine wichtige Rolle. Diese Auswahlvorschriften werden in der Industrie häufig als Erstechofaktor bezeichnet. Solche Auswahlvorschriften können je nach Anwendung vorgeben, dass dasjenige Echo mit der kürzesten Laufzeit als Nutzecho auszuwählen ist, dass dasjenige Echo mit der größten Amplitude als Nutzecho auszuwählen ist, oder dass das Nutzecho anhand einer Gewichtungsfunktion ausgewählt wird, die die Laufzeiten und die Amplituden der Echos berücksichtigt.

Dies führt dazu, dass die Inbetriebnahme in der Regel sehr umfangreich und kompliziert ist. Fehler bei der Inbetriebnahme können zu gravierenden Messfehlern führen. Hinzu kommt, dass jeder Messgeräthersteller vom Anwender andere Parametervorgaben erwartet. Die Inbetriebnahme ist daher sehr zeitaufwendig und kann nur von besonders geschultem Fachpersonal vorgenommen werden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Füllstandsmessgerät und ein Verfahren zu dessen Inbetriebnahme anzugeben, bei dem die Inbetriebnahme auf einfache Weise vornehmbar ist.

Dies erreicht die Erfindung durch ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräts, bei dem

– ein Anwender einen Mindestsatz an Parametern vorgibt,
– das Füllstandsmessgerät eine Referenzmessung durchführt, – bei der ein Sendesignal in Richtung eines Füllgutes gesendet und dessen Referenzechosignal aufgenommen wird, und
– das Füllstandsmessgerät anhand der vorgegebenen Parameter und der Referenzmessung Zusatzparameter ableitet.

Gemäß einer Ausgestaltung umfasst der Mindestsatz an Parametern einen aktuellen Füllstand.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird anhand einer Amplitude des Referenzechosignals in einem Bereich zwischen dem Füllstandsmessgerät und dem aktuellen Füllstand ein Untergrundsignal abgeleitet.

Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung wird die Ableitung des Untergrundsignals zu einem Zeitpunkt durchgeführt oder wiederholt, bei dem der Füllstand einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird anhand einer Amplitude des Referenzechosignals in einem Nahbereich des Füllstandsmessgeräts eine Blockdistanz bestimmt, innerhalb derer die Amplitude einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Der Bereich der Blockdistanz wird bei nachfolgenden Füllstandsmessungen ausgenommen.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung leitet das Füllstandsmessgerät bei der Inbetriebnahme Auswahlvorschriften zur Bestimmung eines Nutzechos ab.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird bei der Referenzmessung ein Sendesignal in Richtung eines Füllgutes gesendet und dessen Referenzechosignal aufgenommen. Anhand des Referenzechosignals wird ein von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche stammendes Echo bestimmt und anhand einer Amplitude dieses Echos und dessen Laufzeit oder dessen Entfernung vom Füllstandsmessgerät eine Dielektrzitätskonstante des Füllgutes abgeschätzt.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird anhand des Referenzechosignals ein von einem in einem einer Leerdistanz entsprechenden Entfernung vom Füllstandsmessgerät befindlichen Reflektor stammendes Leerecho bestimmt, und anhand des Leerechos, des aktuellen Füllstands und der Dielektrizitätskonstanten des Füllguts eine Leerdistanz abgeleitet.

Gemäß einer anderen Weiterbildung ist das Füllstandsmessgerät ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmessgerät, das mit einer Antenne aus einer vorgegebenen Auswahl verschiedener Antennentypen ausgestattet ist. Bei der Referenzmessung wird ein Sendesignal in Richtung eines Füllgutes gesendet, dessen Referenzechosignal aufgenommen, und anhand des Referenzechosignals ein Maß für eine empfangene Mikrowellenleistung abgeleitet. Anhand des Maßes für die empfangene Mikrowellenleistung wird der Antennentyp abgeleitet.

Gemäß einer Weiterbildung zeigt das Füllstandsmessgerät dem Anwender mindestens einen der Zusatzparameter an. Der Anwender bestätigt die angezeigten Zusatzparameter oder ersetzt sie durch eigene Angaben.

Weiter besteht die Erfindung in einem Füllstandsmessgerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das eine Parametriereinheit aufweist, über die der Mindestsatz der Parameter vorgebbar ist.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist die Parametriereinheit im Füllstandsmessgerät integriert.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung umfasst die Parametriereinheit ein auf einem externen Computer installiertes Softwaremodul und der externe Computer ist über eine Kommunikationsschnittstelle mit dem Füllstandsmessgerät verbunden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Parametriereinheit eine Eingabevorrichtung und eine Anzeige auf.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen fünf Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Anordnung zur Füllstandsmessung mit einem mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgerät;
2 zeigt eine Anordnung zur Füllstandsmessung mit einem mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmessgerät;
3 zeigt eine Anordnung zur Füllstandsmessung mit einem mit elektromagnetischen Impulsen arbeitenden Füllstandsmessgerät;
4 zeigt einen Amplitudenverlauf eines Referenzechosignals eines mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgeräts als Funktion der Laufzeit;
5 zeigt einen Amplitudenverlauf eines Referenzechosignals eines mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgeräts als Funktion der Laufzeit, bei dem das Nutzecho dasjenige Echo mit der größten Amplitude ist;
6 zeigt einen Amplitudenverlauf eines Referenzechosignals eines mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgeräts als Funktion der Laufzeit, bei der das Nutzecho dasjenige Echo mit der kürzesten Laufzeit ist;
7 zeigt einen Amplitudenverlauf eines Referenzechosignals eines mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmessgeräts als Funktion der Laufzeit;
8 zeigt einen Amplitudenverlauf eines Referenzechosignals eines mit kurzen elektromagnetischen Impulsen arbeitenden Füllstandsmessgeräts als Funktion der Laufzeit;
9 zeigt ein Füllstandsmessgerät mit einer integrierten Parametriereinheit; und
10 zeigt ist ein Füllstandsmessgerät mit einer externen Parametriereinheit.
1 zeigt eine Anordnung zur Füllstandsmessung mit einem mit einem Füllgut 1 gefüllten Behälter 3 auf dem ein nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät 5 angeordnet ist. Bei dem Füllstandsmessgerät 5 handelt es sich in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel um ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmessgerät, das eine Antenne 7 zum Senden- und/oder Empfangen von Mikrowellen aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgeräts 5 erläutert. Sie ist jedoch nicht auf mit Mikrowellen arbeitende Füllstandsmessgeräte beschränkt, sondern vielmehr auch bei anderen nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräten einsetzbar. 2 zeigt hierzu als Beispiel eine Anordnung mit einem mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmessgerät 9 und 3 eine mit einem mit kurzen elektromagnetischen Impulsen arbeitenden Füllstandsmessgerät 11.
Nach dem Laufzeitprinzip arbeitende Füllstandsmessgeräte 5, 9, 11 senden im Betrieb Sendesignale in Richtung des Füllguts 1 und es werden deren Echosignale nach einer abstands-abhängigen Laufzeit wieder empfangen. Es wird wie bereits eingangs beschrieben anhand des Echosignals ein aktueller Füllstand 13 bestimmt.
Zur Bestimmung des Füllstandes 13 benötigt das Füllstandsmessgerät 5 einige Parameter. Diese Parameter müssen zur Messung im Füllstandsmessgerät 5, 9, 11 vorliegen. Hierzu wird eine Inbetriebnahme vorgenommen.
Inbetriebnahmen von herkömmlichen Füllstandsmessgeräte sind in der Regel sehr aufwendig, zeitintensiv und können nur von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden, da eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter übertragen und zum Teil sehr komplizierte Sachverhalte, wie z. B. Untergrundsignale oder Störgrößen, erfasst und berücksichtigt werden müssen.
Demgegenüber ist hier ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Inbetriebnahme eines nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräts 5, 9, 11 beschrieben, das auf sehr einfache und schnelle Weise durchführbar ist. Dies ist nachfolgend anhand des Füllstandsmessgeräts 5 erläutert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gibt ein Anwender lediglich einen Mindestsatz an Parametern vor. Diese Parameter werden vorzugsweise vom Füllstandsmessgerät 5 abgefragt und vom Anwender eingegeben.
Darüber hinaus sind im Füllstandsmessgerät 5 Standardparameter in einem Speicher 14 abgelegt. Standardparameter sind universell gültige Parameter, die unabhängig von der jeweiligen Anwendung sind, in der das Füllstandsmessgerät 5 eingesetzt werden soll. Zu diesen Standardparametern zählt insb. eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Sendesignale S im freien Raum.
Anschließend führt das Füllstandsmessgerät 5 selbstständig eine Referenzmessung durch. Dabei wird ein Sendesignal S in Richtung des Füllgutes 1 gesendet und dessen Referenzechosignal R aufgenommen. Das Füllstandsmessgerät 5 leitet anhand der vorgegebenen Parameter, der Standardparameter und der Referenzmessung Zusatzparameter ab.
Der Mindestsatz an Parametern umfasst vorzugsweise den aktuellen Füllstand L. Anhand der Referenzmessung lässt sich, wie bei herkömmlichen Füllstandsmessungen auch, ein Abstand D zwischen dem Füllstandsmessgerät 5 und der Füllgutoberfläche bestimmen. Hierzu wird z. B. eine Echofunktion des Referenzechosignals R abgeleitet, die eine Amplitude des Referenzechosignals R als Funktion von dessen Laufzeit t wiedergibt.
4 zeigt exemplarisch ein Beispiel für einen Amplitudenverlauf A(t) eines Referenzechosignals R des mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgeräts 5 als Funktion von dessen Laufzeit t. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v von Mikrowellen im freien Raum ist bekannt und liegt im Füllstandsmessgerät 5 vorzugsweise als Standardparameter vor. Mittels der Ausbreitungsgeschwindigkeit v lässt sich jede Laufzeit t eine entsprechende Entfernung d(t) vom Füllstandsmessgerät 5 umrechnen.
Die Amplitude A weist in einem Nahbereich I, d.h. in einem Bereich kurzer Laufzeiten t, einen steil abfallenden Verlauf auf. In diesem Bereich liegen Komponenten des Referenzechosignals R, die z. B. auf Reflektionen im Bereich einer Mikrowellenerzeugungseinheit, im Bereich einer Einkopplung der Sendesignale in die Antenne 7 und durch Reflektionen innerhalb der Antenne 7 selbst zurückzuführen sind. Daran schließt sich ein Bereich II an, indem die Amplitude einen nahezu konstanten niedrigen Wert aufweist, der auf ein Untergrundsignal, z. B. ein Rauschen oder Streureflektionen, zurückzuführen ist. Auf diesen Bereich folgt ein Bereich III, in dem ein auf eine Reflektion an der Füllgutoberfläche 13 zurückzuführendes ausgeprägtes Echo E liegt. Aus der Laufzeit t_E eines Maximums des Echos E wird anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen im freien Raum ein Abstand D zwischen dem Füllstandsmessgerät 5 und der Füllgutobertläche 13 berechnet.
Dieser Abstand D entspricht dem aktuellen Füllstand L, der bei der Inbetriebnahme vorliegt. Aus diesem Abstand D und dem aktuellen Füllstand L ergibt sich unmittelbar eine Einbauhöhe N des Füllstandsmessgeräts 5 auf dem Behälter 3. Sie ist gleich der Summe des aktuellen Füllstands L und des Abstandes D. H = L + D
Die Einbauhöhe N stellt einen wichtigen Zusatzparameter dar, den das Füllstandsmessgerät 5, wie beschrieben, eigenständig ableitet. Die Einbauhöhe H muss vom Anwender weder bestimmt und noch eingegeben werden. Eventuell hiermit verbundenen Fehlerquellen, z. B. Messfehler bei der Bestimmung der Einbauhöhe H, Eingabefehler oder Fehler, die darauf zurückzuführen sind, dass das Füllstandsmessgerät 5 und der Anwender unterschiedliche Anfangs- und Endpunkte bei der Bestimmung der Einbauhöhe H zugrunde legen sind dadurch ausgeschlossen.
Bereits im Anschluss an diesen Verfahrensschritt kann mit der Füllstandsmessung begonnen werden. Das Füllstandsmessgerät 5 ist bereits jetzt in der Lage anhand der Einbauhöhe H aus der Laufzeit t eines an der Füllgutoberfläche 13 reflektierten Echos E den Füllstand L zu bestimmen. Dabei wird anhand der Laufzeit t des Echos E und der Ausbreitungsgeschwindigkeit die Entfernung d der Füllgutoberfläche 13 vom Füllstandsmessgerät 5 bestimmt. Der Füllstand L ist dann gleich einer Differenz von Einbauhöhe H und Entfernung d: L = N – dworin

L: der aktuelle gemessene Füllstand,
H: die zuvor abgeleitete Einbauhöhe, und
d: die anhand der Laufzeit t des Nutzechos abgeleitete Entfernung zwischen Füllstandsmessgerät 5 und Füllgutoberfläche 13 bedeuten.

Zusätzlich werden bei der Inbetriebnahme vorzugsweise automatisch Maßnahmen zur Verbesserung der Messgenauigkeit und der Messsicherheit vorgenommen.
Vorzugsweise wird hierzu anhand einer Amplitude des Referenzechosignals R in einem Bereich zwischen dem Füllstandsmessgerät 5 und dem aktuellen Füllstand L ein Untergrund abgeleitet. Dies geschieht vorzugsweise indem die Amplitude A der Echofunktion des Referenzechosignals R in den Bereichen I und II aufgezeichnet und abgespeichert wird. Bei nachfolgenden Füllstandsmessungen wird dieser Untergrund berücksichtigt, indem nur solche Echos als Echos erkannt und zur Füllstandsmessungen herangezogen werden, deren Amplitude größer als die entsprechende Amplitude des Untergrunds in diesen Bereichen I, II ist.
Der Bereich, indem der Untergrund abgeleitet wird, ist natürlich umso größer, je niedriger der Füllstand L ist, bei dem das Untergrundsignal abgeleitet wird. Es wird die Ableitung des Untergrundsignals daher vorzugsweise zu einem Zeitpunkt durchgeführt, bei dem der Füllstand einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet. Liegt der aktuelle Füllstand L bei der Inbetriebnahme oberhalb des vorgegebenen Mindestwerts, so kann die Ableitung auf einen späteren Zeitpunkt verschoben werden, an dem der Füllstand L den Mindestwert unterschreitet. Alternativ kann die Ableitung auch zu diesem späteren Zeitpunkt wiederholt werden.
Vorzugsweise bestimmt das Füllstandsmessgerät 5 bei der Inbetriebnahme selbsttätig eine Blockdistanz B. Die Blockdistanz B ist eine Entfernung im Nahbereich des Füllstandsmessgeräts 5, innerhalb derer eine Füllstandsmessung nicht möglich ist. Die Blockdistanz B ist eine Folge von Störsignalen, z. B. von Reflektionen im Bereich der Einkopplung der Sendesignale in die Antenne 7, innerhalb der Antenne 7 und beim Übergang in den Behälter 3 im Bereich der Antenne 7. Zusätzlich kann die Blockdistanz B auch von der Einbausituation des Füllstandsmessgeräts 5 abhängen und ist deshalb nicht im Voraus bestimmbar.
Die Blockdistanz B wird vorzugsweise anhand einer Amplitude des Referenzechosignals R, bzw. dessen Echofunktion, in einem Nahbereich des Füllstandsmessgeräts 5 bestimmt. Hierzu wird ein Bereich bestimmt, in dem die Amplitude einen vorgegebenen Schwellwert S überschreitet. Dieser Bereich entspricht dem Bereich I in 4. Das Füllstandsmessgerät 5 bestimmt die Blockdistanz B eigenständig und legt sie in dem Speicher 14 ab. Der Bereich der Blockdistanz B wird bei nachfolgenden Füllstandsmessungen ausgenommen. Alternativ kann im Bereich der Blockdistanz B eine Schwellenamplitude als Funktion der Laufzeit abgeleitet werden. Echos im Bereich der Blockdistanz B werden bei nachfolgenden Füllstandsmessungen entsprechend nur dann als solche erkannt, wenn deren Amplitude die Schwellenamplitude überschreitet. Die Schwellenamplitude kann beispielsweise gleich der Amplitude des Untergrundsignals im Bereich der Blockdistanz B gesetzt werden. Alternativ kann anhand des Untergrundsignals im Bereich der Blockdistanz eine Funktion abgeleitet werden, die den prinzipiellen Verlauf der Amplitude in diesem Bereich wiedergibt. Hierzu eignet sich z. B. eine in 4 dargestellte Gerade G, die an eine Steigung des Untergrundsignals angepasst ist, und deren Amplitude am Ende der Blockdistanz B gleich dem Schwellwert S ist.
Weiter leitet das Füllstandsmessgerät 5 bei der Inbetriebnahme soweit möglich Auswahlvorschriften zur Bestimmung eines Nutzechos ab. Das Nutzecho bezeichnet dasjenige Echo, das auf eine Reflektion an der Füllgutoberfläche 13 zurückzuführen ist. Solche Auswahlvorschriften können je nach Anwendung vorgeben, dass dasjenige Echo mit der kürzesten Laufzeit als Nutzecho auszuwählen ist, dass dasjenige Echo mit der größten Amplitude als Nutzecho auszuwählen ist, oder dass das Nutzecho anhand einer Gewichtungsfunktion ausgewählt wird, die die Laufzeiten und die Amplituden der Echos berücksichtigt. Die Ableitung der Auswahlvorschriften erfolgt vorzugsweise anhand des Amplitudenverlaufs des Referenzechosignals R. Es lassen sich anhand der Referenzmessung markante Fälle unterscheiden. Der einfachste Fall ist in 4 dargestellt. Dort liegt eine Anwendung vor, bei der keine Besonderheiten, wie z. B. markante Störechos, auftreten. Gibt der Anwender den aktuellen Füllstand L zum Zeitpunkt der Referenzmessung vor, so ergibt sich aus dem Amplitudenverlauf unmittelbar, dass das Nutzecho, hier das Echo E, das erste Echo mit der größten Amplitude ist. Entsprechend wird hieraus die Auswahlvorschrift abgeleitet als Nutzecho das erste Echo und/oder das Echo mit der größten Amplitude auszuwählen.
Befindet sich in dem Behälter 3 ein Füllgut 1 mit geringer Reflektivität, so kann ein von einem Reflektor mit höherer Reflektivität stammendes Echo eine Amplitude aufweisen, die größer als die des Nutzechos ist. Entsprechend würde in diesem Fall die Auswahlvorschrift abgeleitet als Nutzecho das erste Echo auszuwählen.
5 zeigt einen möglichen Amplitudenverlauf des Referenzechosignals der auftritt, wenn im Behälter 3 ein Mikrowellen reflektierender Störer angeordnet ist. Die Reflektion am Störer erzeugt ein Störecho ST. Hier ergibt sich aus dem vorgegebenen Füllstand L und dem Amplitudenverlauf des Referenzechosignals R, dass das Nutzecho eine größere Amplitude aufweist, als das Störecho ST. Entsprechend lässt sich in diesem Fall die Auswahlvorschrift ableiten als Nutzecho das Echo mit der größten Amplitude auszuwählen. Zusätzlich kann die Amplitude des Störechos ST bestimmt werden und als weitere Auswahlvorschrift vorgegeben werden, dass als Nutzecho nur solche Echos in Frage kommen, deren Amplitude die Amplitude des Störers um ein vorgegebenes Maß übersteigen. Als Maß kann hier wahlweise eine konstante Größe oder eine laufzeit-abhängige Gewichtungsfunktion vorgegeben werden.
6 zeigt einen weiteren möglichen Amplitudenverlauf des Referenzechosignals der auftritt, wenn im Behälter 3 ein Mikrowellen reflektierender Störer angeordnet ist, der Mikrowellen besser reflektiert als das Füllgut 1. Hier ergibt sich aus dem vorgegebenen Füllstand L und dem Amplitudenverlauf des Referenzechosignals R, dass das Nutzecho eine kleinere Amplitude aufweist als das Störecho ST. Entsprechend lässt sich in diesem Fall die Auswahlvorschrift ableiten als Nutzecho nicht das Echo mit der größten Amplitude auszuwählen. Als weitere Auswahlvorschrift kann hier vorgegeben werden, dass als Nutzecho nur solche Echos in Frage kommen, deren Amplitude die Amplitude des Störers um ein vorgegebenes Maß unterschreitet. Als Maß kann hier wahlweise eine konstante Größe oder eine laufzeit-abhängige Gewichtungsfunktion vorgegeben werden.
Zusätzlich kann das Füllstandsmessgerät 5 bei der Inbetriebnahme selbsttätig Materialeigenschaften des Füllgutes 1 bestimmen. Dies geschieht vorzugsweise ebenfalls anhand der Referenzmessung, bei der ein Sendesignal S in Richtung eines Füllgutes 1 gesendet und dessen Referenzechosignal R aufgenommen wird. Anhand des Referenzechosignals R wird, wie bereits oben erläutert, das von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche 13 stammendes Echo E bestimmt. Die Amplitude A(t_E) des Maximums des Echos E ist unter anderem eine Funktion der Sendeleistung, der Entfernung D der Füllgutoberfläche 13 vom Füllstandsmessgerät 5 und der Dielektrizitätskonstanten ε des Füllguts 1. Anstelle der Entfernung D kann selbstverständlich auch die Laufzeit t_E des Maximums herangezogen werden. Beide Größen lassen sich mittels der Ausbreitungsgeschwindigkeit v ineinander umrechnen. Die Mikrowellen erfahren eine entfernungs-abhängige Dämpfung. Der Anteil der Sendesignale S, der an der Füllgutoberfläche 13 reflektiert wird, ist abhängig von einer Reflektivität des Füllguts 1. Die Reflektivität ist abhängig von der Dielektrizitätskonstanten ε. Da diese Abhängigkeiten universell gelten, kann diese Information im Füllstandsmessgerät 5 in Form von Standardparametern abgelegt werden. Hierzu kann beispielsweise eine Tabelle oder eine Umrechnungsvorschrift vorgesehen sein, anhand derer der Amplitude A(t_E) des Echos E und dessen Laufzeit t_E oder dessen Entfernung D vom Füllstandsmessgerät 5 eine Dielektrzitätskonstante ε des Füllgutes 1 zugeordnet ist. Mittels dieser Standardparameter schätzt das Füllstandsmessgerät 5 anhand der Referenzmessung die Dielektrizitätskonstante ε des Füllgutes 1 ab.
Bei Füllgütern 1 mit geringen Dielektrizitätskonstanten ε ist im Referenzechosignal R nicht nur das Füllstandsecho erkennbar. Es werden auch Echos aufgenommen und erkannt, die auf Reflektionen an vom Füllgut 1 bedeckten Reflektoren zurückzuführen sind.
Diese Tatsache kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Inbetriebnahme zur Bestimmung einer Leerdistanz LD verwendet werden. Mit Leerdistanz LD ist hier eine Entfernung vom Füllstandsmessgerät 5 bezeichnet, bei der das Füllstandsmessgerät 5 im Betrieb erkennen soll, dass der Behälter 3 leer ist.
Hierzu wird anhand des Referenzechosignals R ein von einem Reflektor 15 stammendes Leerecho E_L bestimmt. Der Reflektor 15 befindet sich in einem einer Leerdistanz LD entsprechenden Entfernung vom Füllstandsmessgerät 5. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Reflektor 15 ein Boden des Behälters 3. Das zugehörige Leerecho E_L ist dasjenige Echo der Echofunktion des Referenzechosignals R mit der Laufzeit t_L.
Anhand des Leerechos E_L, des Abstands D zwischen dem Füllstandsmessgerät 5 und der Füllgutobertläche 13 und der Dielektrizitätskonstanten ε des Füllguts 1 ist das Füllstandsmessgerät 5 selbsttätig in der Lage die Leerdistanz LD abzuleiten.
Dabei gilt für die Laufzeit t_E des Leerechos E_L: tL = 2D/v + 2(LD – D)/ve und somit für die Leerdistanz LD: LD = ½ v vε tL + (v – vε) Dwobei

t_L: die Laufzeit des Leerechos,
D: der Abstand zwischen dem Füllstandsmessgerät und der Füllgutoberfläche,
v: die Ausbreitungsgeschwindigkeit im freien Raum,
LD: die Leerdistanz, und
v_ε: die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Füllgut 1 bedeuten.

Vorzugsweise bestimmt das Füllstandsmessgerät 5 die Ausbreitungsgeschwindigkeit v_ε im Füllgut 1 selbsttätig. Hierzu wird z. B. wie zuvor beschrieben anhand der Referenzmessung die Dielektrizitätskonstante ε des Füllguts 1 bestimmt und die Ausbreitungsgeschwindigkeit v_ε gemäß vε = (ε0εμ) ½ abgeleitet,
wobei

ε₀: die Influenzkonstante
ε: die Dielektrizitätskonstante des Füllguts 1, und
μ: die Induktionskonstante sind.

Die Influenzkonstante ε₀ und die Induktionskonstante μ sind Standardparameter, die im Füllstandsmessgerät 5 abgelegt sind.
Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel stimmen die Leerdistanz LD und die Einbauhöhe H überein. In diesem Fall können beide Verfahren parallel eingesetzt werden. Das Füllstandsmessgerät 5 führt in diesem Fall anhand der beiden Verfahren durch Vergleich der Ergebnisse selbsttätig eine Plausibilitätsprüfung durch.
Es gibt aber auch Anwendungen, bei denen sich die Einbauhöhe H und die Leerdistanz LD voneinander unterscheiden. Als Reflektoren kommen dann z. B. eigens hierfür vorgesehene Bauelemente oder aber Behältereinbauten, wie z. B. Rührwerke in Betracht. In so einem Fall ist es z. B. möglich die Leerdistanz LD auf die Einbauhöhe des Rührwerks zu beziehen. Das Füllstandsmessgerät 5 meldet dann leer, wenn der Füllstand L auf die Leerdistanz LD fällt. Eine Berechnung der tatsächlich im Behälter 3 enthaltenen Füllgutmenge wird dann anhand der Einbauhöhe H des Füllstandsmessgeräts 5 bestimmt.
Bei mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgeräten 5 ist es häufig möglich ein Stammgerät mit einer beliebigen Antenne 7 aus einer vorgegebenen Auswahl verschiedener Antennentypen auszustatten. Die einzelnen Antennentypen unterscheiden sich durch deren Größe. Wird ein vorgegebenes Sendesignal S gesendet und dessen Echosignal empfangen, so hängt die empfangene Mikrowellenleistung von der Größe der Antenne 7 und damit der Auswahl des Antennentyps ab. Anhand dieses Zusammenhangs ist das Füllstandsmessgerät 5 bei der Inbetriebnahme anhand der Referenzmessung selbsttätig in der Lage den angeschlossenen Antennentyp zu erkennen.
Bei der Referenzmessung wird, wie bereits beschrieben, das Sendesignal S in Richtung des Füllgutes 1 gesendet und dessen Referenzechosignal R aufgenommen. Anhand des Referenzechosignals R wird ein Maß für eine empfangene Mikrowellenleistung abgeleitet. Als Maß für die empfangene Mikrowellenleistung eignet sich z. B. ein Intergral über die Amplitude A(t) der Echofunktion des Referenzechosignals R. Anhand des Maßes für die empfangene Mikrowellenleistung lässt sich der ausgewählte Antennentyp zuordnen. Dies geschieht vorzugsweise anhand einer als Standardparameter im Füllstandsmessgerät 5 abgelegten Zuordnungstabelle.
Bei dem in 2 dargestellten mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmessgerät 9 kann das erfindungsgemäße Verfahren analog angewendet werden. An die Stelle der Antenne 7 tritt hier ein Ultraschalltransmitter 17, z. B. ein elektromechanischer Wandler, insb. ein piezoelektrisches Element.
Auch hier gibt der Anwender bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Inbetriebnahme lediglich einen Mindestsatz an Parametern, vorzugsweise insb. den aktuellen Füllstand L vor. Das Füllstandsmessgerät 9 führt eine Referenzmessung durch, bei der ein Sendesignal S in Richtung eines Füllgutes 1 gesendet und dessen Referenzechosignal R aufgenommen wird. Auch hier wird vorzugsweise eine Echofunktion des Referenzechosignals R gebildet, die die Amplitude A(t) des Referenzechosignals R als Funktion von dessen Laufzeit t wiedergibt. 5 zeigt ein Beispiel für einen Amplitudenverlauf A(t) des Referenzechosignals R als Funktion der Laufzeit t. Die Echofunktion weist auch hier die charakteristischen Bereiche I, II und III auf, deren prinzipieller Verlauf dem der in 4 dargestellten Echofunktion entspricht.
Das Füllstandsmessgerät 7 leitet auch hier eigenständig anhand der vorgegebenen Parameter und der Referenzmessung Zusatzparameter ab.
Genau wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel bestimmt das Füllstandsmessgerät 9 selbsttätig anhand der Referenzmessung den Abstand D zur Füllgutoberfläche 13 aus dem es in Verbindung mit dem aktuellen Füllstand L die Einbauhöhe H des Füllstandsmessgeräts 9 ableitet.
Ebenso sind Untergrund und Blockdistanz B auf analoge Weise anhand der Referenzmessung ableitbar.
Bei mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmessgeräten 9 ist es häufig möglich ein Stammgerät mit Ultraschalltransmittern aus einer vorgegebenen Auswahl verschiedener Ultraschalltransmittertypen auszustatten. Die einzelnen Transmittertypen unterscheiden sich durch deren Sendeleistung. Wird ein vorgegebenes Sendesignal S gesendet und dessen Echosignal empfangen, so hängt die empfangene Ultraschallleistung von der Entfernung des Reflektors und der Sendeleistung und damit der Auswahl des Transmittertyps ab. Anhand dieses Zusammenhangs ist das Füllstandsmessgerät 9 bei der Inbetriebnahme anhand der Referenzmessung selbsttätig in der Lage den angeschlossenen Ultraschalltransmittertyp zu erkennen.
Bei der Referenzmessung wird, wie bereits beschrieben, das Sendesignal S in Richtung des Füllgutes 1 gesendet und dessen Referenzechosignal R aufgenommen. Anhand des Referenzechosignals R wird ein Maß für eine empfangene Ultraschallleistung abgeleitet. Als Maß für die empfangene Ultraschallleistung eignet sich z. B. ein Intergral über die Amplitude A(t) der Echofunktion des Referenzechosignals R. Anhand des Maßes für die empfangene Ultraschallleistung lässt sich der ausgewählte Ultraschalltransmittertyp zuordnen. Dies geschieht vorzugsweise anhand einer als Standardparameter im Füllstandsmessgerät 9 abgelegten Zuordnungstabelle.
Ebenso lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einem mit kurzen elektromagnetischen Impulsen arbeitenden Füllstandsmessgerät anwenden. Ein Beispiel eines solchen Füllstandsmessgeräts 11 ist in 3 dargestellt. 6 zeigt einen Amplitudenverlauf A(t) als Funktion der Laufzeit eines zugehörigen Referenzechosignals R.
Das Füllstandsmessgerät 11 weist anstelle der Antenne 7 bzw. des Ultraschalltransmitters 17 einen Wellenleiter 19 auf. Als Wellenleiter können dabei sowohl, wie hier dargestellt, ein einziger als auch zwei oder mehr parallel zueinander angeordnete Leiter dienen, die sich in den Behälter 3 hinein erstrecken. Als Wellenleiter eignen sich z. B. blanke auch als Sommerfeld-Leiter bezeichnete Metalldrähte, oder mit einer Isolation versehene Metalldrähte. Letztere sind auch unter der Bezeichnung Goubau-Sonde bekannt.
Eine elektronische Schaltung zur Erzeugung von elektromagnetischen Signalen sowie eine Empfangs- und Auswerteschaltung zur Bestimmung eines Füllstandes ist z. B. in der EP-A 780 665 beschrieben.
Das Füllstandsmessgerät 11 ist auf analoge Weise, wie die zuvor beschriebenen Füllstandsmessgeräte 5, 9 selbsttätig in der Lage anhand der Referenzmessung Zusatzparameter, wie Einbauhöhe H, Blockdistanz B, Dielektrizitätskonstante ε und einen Untergrund zu bestimmen.
Es besteht heute bei einigen dieser Füllstandsmessgeräte 11 für einen Anwender die Möglichkeit, eine Länge des Wellenleiters 19 auf eine gewünschte Länge zu kürzen. Das Füllstandsmessgerät 11 kann nur solche Füllstande erfassen, die oberhalb eines im Behälter 3 befindlichen Endes 21 des Wellenleiters 17 liegen. Am Ende 21 des Wellenleiters 19 tritt ein impedanzsprung auf, der zu einer Reflektion der kurzen elektromagnetischen Impulse führt. Das Ende 21 ist also ein Reflektor, der es dem Füllstandsmessgerät 11 erlaubt selbsttätig die Position des Endes 21 zu bestimmten. Dabei wird genauso verfahren, wie bei der zuvor beschriebenen Bestimmung der Leerdistanz LD. Die Position des Endes 21 entspricht der Leerdistanz LD. Es wird auf analoge Weise anhand der Amplitude des an der Füllgutoberfläche 13 reflektierten Echos E die Dielektrizitätskonstante ε des Füllguts 1 abgeleitet und anhand von Füllstand L, Dielektrizitätskonstante ε und der Laufzeit t_L des am Ende 21 reflektierten Echos E_L die Leerdistanz LD bestimmt. Dabei werden die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Sendesignale S entlang des Wellenleiters 19 im freien Raum, sowie als Funktion der Dielektrizitätskonstanten ε eines den Wellenleiter 19 umgebenden Füllguts 1 als abgespeicherte Standardparameter benötigt.
Die Füllstandsmessgeräte 5, 9, 11 weisen vorzugsweise eine Parametriereinheit auf, über die der Mindestsatz der Parameter vorgebbar ist. In 9 ist ein Füllstandsmessgerät 5, 9, 11 mit einer in das Füllstandsmessgerät 5, 9, 11 integrierten Parametriereinheit 23 dargestellt. Die Parametriereinheit 23 umfasst eine Anzeige 25, hier ein Vorortdisplay, und eine Eingabevorrichtung 27, z. B. eine Tastatur.
Die Parametriereinheit 23 ermöglicht eine geführte Bedienung. Bei der Inbetriebnahme fragt die Parametriereinheit 23 nacheinander alle Parameter des Mindestsatzes ab. Dabei werden auf der Anzeige 25 vorzugsweise sowohl graphische als auch alphanumerische Darstellungen angezeigt, wie sie z. B. in Verbindung mit der in der Deutschen Patentanmeldung DE-A 10213746 beschriebenen Bedienoberfläche angeführt sind.
Alternativ kann auch eine Parametriereinheit 29 vorgesehen sein, wie sie in 10 dargestellt ist. Sie umfasst ein auf einem externen Computer 31 installiertes Softwaremodul. Der externe Computer 31 ist über eine Kommunikationsschnittstelle 33 mit dem Füllstandsmessgerät 5, 9, 11 verbunden. Eine Tastatur des Computers 31 dient als Eingabevorrichtung 35 und dessen Bildschirm als Anzeige 37.
Hat der Anwender den Mindestsatz an Parametern eingegeben, so führt das Füllstandsmessgerät 5, 9, 11 selbsttätig mindestens eine Referenzmessung aus und leitet die Zusatzparameter ab.
Anschließend können dem Anwender über die Parametriereinheit 23, 29 alle oder auch nur einzelne Zusatzparameter angezeigt werden. Es besteht für den Anwender die Möglichkeit, die angezeigten Zusatzparameter zu bestätigen oder sie durch eigene Angaben zu ersetzen.

Claims

Verfahren zur Inbetriebnahme eines nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät (5, 9, 11) , bei dem – ein Anwender einen Mindestsatz an Parametern vorgibt, – das Füllstandsmessgerät (5, 9, 11) eine Referenzmessung durchführt, – bei der ein Sendesignal (S) in Richtung eines Füllgutes (1) gesendet und dessen Referenzechosignal (R) aufgenommen wird, und – das Füllstandsmessgerät (5, 9, 11) anhand der vorgegebenen Parameter und der Referenzmessung Zusatzparameter ableitet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Mindestsatz an Parametern einen aktuellen Füllstand (L) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem anhand einer Amplitude (A) des Referenzechosignals (R) in einem Bereich zwischen dem Füllstandsmessgerät (5, 9, 11) und dem Füllstand (L) ein Untergrundsignal abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Ableitung des Untergrundsignals zu einem Zeitpunkt durchgeführt oder wiederholt wird, bei dem der Füllstand (L) einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem anhand einer Amplitude (A) des Referenzechosignals (R) in einem Nahbereich des Füllstandsmessgeräts (5, 9, 11) eine Blockdistanz (B) bestimmt wird, innerhalb derer die Amplitude (A) einen vorgegebenen Schwellwert (S) überschreitet, und der Bereich der Blockdistanz (B) bei nachfolgenden Füllstandsmessungen ausgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Füllstandsmessgerät (5) bei der Inbetriebnahme Auswahlvorschriften zur Bestimmung des Nutzechos ableitet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – bei der Referenzmessung ein Sendesignal (S) in Richtung eines Füllgutes (1) gesendet wird, – dessen Referenzechosignal (R) aufgenommen wird, – anhand des Referenzechosignals (R) ein von einer Reflektion an der Füllgutoberfläche (13) stammendes Echo (E) bestimmt wird, und – anhand einer Amplitude (E) dieses Echos (E) und dessen Laufzeit (t) oder dessen Entfernung vom Füllstandsmessgerät (5, 11) eine Dielektrzitätskonstante (ε) des Füllgutes (1) abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 7, bei dem anhand des Referenzechosignals (R) ein von einem in einem einer Leerdistanz (LD) entsprechenden Entfernung vom Füllstandsmessgerät (5, 11) befindlichen Reflektor (15, 21) stammendes Leerecho (E_L) bestimmt wird, und anhand des Leerechos (E_L), des aktuellen Füllstands (L) und der Dielektrizitätskonstanten (ε) des Füllguts (1) eine Leerdistanz (LD) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – das Füllstandsmessgerät ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmessgerät (5) ist, – das mit einer Antenne (7) aus einer vorgegebenen Auswahl verschiedener Antennentypen ausgestattet ist, – bei der Referenzmessung ein Sendesignal (S) in Richtung eines Füllgutes gesendet wird, – dessen Referenzechosignal (R) aufgenommen wird, – anhand des Referenzechosignals (R) ein Maß für eine empfangene Mikrowellenleistung abgeleitet wird, und – anhand des Maßes für die empfangene Mikrowellenleistung der Antennentyp bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Füllstandsmessgerät (5, 9, 11) dem Anwender mindestens einen der Zusatzparameter anzeigt und der Anwender die angezeigten Zusatzparameter bestätigt oder durch eigene Angaben ersetzt.
Füllstandsmessgerät zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, das eine Parametriereinheit (23, 29) aufweist, über die der Mindestsatz der Parameter vorgebbar ist.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 11, bei dem die Parametriereinheit (23) im Füllstandsmessgerät (5, 9, 11) integriert ist.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 11, bei dem die Parametriereinheit (29) ein auf einem externen Computer (31) installiertes Softwaremodul umfasst und der externe Computer (31) über eine Kommunikationsschnittstelle (33) mit dem Füllstandsmessgerät (5, 9, 11) verbunden ist.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 11, bei dem die Parametriereinheit (23, 29) eine Eingabevorrichtung (27, 35) und eine Anzeige (25, 37) aufweist.