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Die Erfindung betrifft einen mit geführter Mikrowelle arbeitenden Füllstandssensor für zwei unterschiedliche Sondentypen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Sondenerkennung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
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Stand der Technik
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Nach dem Prinzip der geführten Mikrowelle (Kabelradar) arbeitende Füllstandssensoren sind seit langem bekannt. In der englischsprachigen Fachliteratur wird das in Rede stehende Mess- und Auswerteverfahren auch als Time Domain Reflectometry (TDR) bezeichnet.
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Auf Grund der stark variierenden Eigenschaften der verschiedenen Medien werden unterschiedliche Sondenformen genutzt. Im Wesentlichen kann man zwischen Stabsonden und Koaxialsonden unterscheiden. Bei den Stabsonden kann es sich um fest oder beweglich gelagerte Stäbe, aber auch um gespannte oder lose Drahtseile handeln. Das gemeinsame Merkmal besteht darin, dass nur ein einziger Leiter vorhanden ist. Eine Koaxialsonde besteht aus einem vorzugsweise stabförmigen Innenleiter, der von einem rohrförmigen Außenleiter umschlossen ist. Die Impedanz der Leitung wird durch die Geometrie der beiden Leitungen festgelegt, wobei dem Abstand und den Durchmessern der beiden Leiter entscheidende Bedeutung zukommt. Darüber hinaus existieren auch noch Zweidrahtsonden mit nebeneinander verlaufenden Leitern, die wegen ihrer elektrischen Eigenschaften eher den Koaxialsonden zuzurechnen sind.
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Die Amplitude des von einer Grenzfläche reflektierten Signals hängt wesentlich von der Dielektrizitätskonstante des zu überwachenden Mediums ab. Je größer der Sprung der Dielektrizitätskonstanten beim Übergang zwischen Luft und dem Medium ist, desto stärker fällt das Echosignal aus.
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Für Medien mit Dielektrizitätskonstanten in der Nähe von 2 werden bevorzugt Koaxialsonden verwendet, da das auswertbare Signal auf Grund der besseren Impedanzanpassung der Sonde an die Auswerteeinheit deutlich größer ausfällt. Weiterhin werden Störungen, zum Beispiel durch Einbauten im Behälter, durch die geerdeten Außenleiter wirksam abgeschirmt.
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Für pastöse oder zur Anhaftung neigende Medien ist die Koaxialsonde ungeeignet, da sie leicht verstopfen kann. Außerdem ist sie natürlich teurer und schwieriger zu montieren bzw. auf die gewünschte Länge zu bringen.
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Üblicherweise werden für die verschiedenen Sondentypen auch speziell an den jeweiligen Sondentyp angepasste Auswertealgorithmen verwendet
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Deshalb muss bei den bekannten Geräten der jeweilige Sondentyp manuell mit Hilfe einer Bedieneinheit eingegeben werden. Das ist für den Anwender aufwändig. Fehleingaben, die zu schlechteren oder sogar falschen Messergebnissen führen können, sind dabei nicht auszuschließen. Von anderen Sensoren, Insbesondere bei Ultraschallsonden, ist bekannt, eine Information über den Sondentyp im Stecker abzulegen, um so eine automatische Sondenerkennung zu erreichen. Dies erfordert aber zusätzliche elektronische oder evtl. auch mechanische Komponenten in der Sonde oder im Stecker.
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Der nächstliegende Stand der Technik wird in der
DE 10 2006 019 191 A1 gesehen. Hier werden charakteristische Signalverläufe, insbesondere solche von Störstellen als Referenz abgespeichert und für Kalibrierungszwecke genutzt. Weiterhin findet man Hinweise auf Diagnosemöglichkeiten anhand von verschobenen Echokurven.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Füllstandssensor derart weiterzubilden, dass die manuelle Eingabe des angeschlossenen Sondentyps zugunsten einer automatischen Auswahl entfallen kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch Analyse des gemessenen Echosignals, wobei der Sondentyp anhand charakteristischer Merkmale in der Signalform erkannt, und der für diese Sonde am besten geeignete Auswertealgorithmus ausgewählt wird.
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Die Gewinnung des Echosignals in einem gattungsgemäßen Füllstandssensor ist nicht auf eine konkrete Anordnung beschränkt. Beispielsweise sei auf die von der Anmelderin stammende
DE 10 2005 058 114 A1 „Verfahren und Schaltung zur Abstandsmessung nach dem Radarprinzip” verwiesen. Hier liegt der an der im Folgenden als Prozessanschluss (PZA) bezeichneten Koppelstelle zwischen Sonde und Auswerteeinheit gemessene Kurvenverlauf sowohl als zeitlich transformiertes Analogsignal am Ausgang eines Tiefpassfilters
21 als auch digital am Ausgang eines A/D-Wandlers
22 an. (vgl. dazu die
2 aus
DE 10 2005 058 114 A1 ).
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Ausführungsbeispiel
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Das Ausführungsbeispiel wird anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 einen typischen Kurvenverlauf für eine Stabsonde,
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2 einen typischen Kurvenverlauf für eine Koaxialsonde,
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3 einen typischen Kurvenverlauf bei am PZA anstehendem Medium
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4 einen Füllstandssensor mit einer Einrichtung 24 zur Sondenerkennung,
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5 einen Programmablaufplan für die zur Erkennung des Sondentyps.
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Das bei allen drei Figuren auftretende Signal P mit großer Amplitude zu Beginn des Kurvenverlaufs markiert den Sendeimpuls. Der Sendeimpuls definiert die Startzeit t0, die für die weitere Auswertung in bekannter Weise sowohl als zeitlicher und damit auch als geometrischer Bezugspunkt verwendet wird. Der Signalverlauf in dem darauf folgenden Bereich B enthält die Information über den Sondentyp.
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Die 1 zeigt den typischen Verlauf des Signals am Übergang vom PZA auf eine Stabsonde. Es handelt sich im Wesentlichen um die charakteristische Abfolge aus einem ersten Impuls F1 mit negativem Vorzeichen, einem zweiten Impuls F2 mit positivem Vorzeichen und einem dritten Impuls F3 mit negativem Vorzeichen.
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Im Vergleich dazu zeigt die 2 den typischen Verlauf des Signals beim Übergang vom PZA auf eine Koaxialsonde. Es handelt sich dabei um einen einzelnen Impuls F1 mit negativem Vorzeichen. Dieser entspricht in Amplitude und Verlauf exakt dem ersten Impuls mit negativem Vorzeichen im Fall der Stabsonde.
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Die 3 zeigt den typischen Verlauf des Signals am Übergang vom PZA auf die Sonde für den Fall eines hoch dielektrischen Mediums. Der Behälter ist hierbei so weit gefüllt, dass das Medium den PZA berührt. Die Signale durch die Reflexion am PZA F1 und die Reflexion am Medium L1 sind deshalb teilweise überlagert. Es ist aber zu erkennen, dass der erste Impuls mit negativem Vorzeichen F1 nur teilweise von der Reflexion am Medium
L1, L2 überdeckt wird. Eine größere Überlagerung ist nicht möglich, da das Medium den PZA ja bereits berührt.
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Durch Vergleich eines gemessenen Kurvenverlaufs mit diesen beiden charakteristischen Referenzsignalen kann sicher erkannt werden, ob es sich um eine Stabsonde oder eine Koaxialsonde handelt. Anhand dieser Information wird der passende Auswertealgorithmus ausgewählt. Für den Fall eines Füllstands an oder kurz unterhalb des PZA, wie in der 3 gezeigt, ist die Auswahl des Auswertealgorithmus unerheblich, da auf den ersten negativen Impuls F1 direkt das Nutzsignal L1, L2 folgt. Dieses kann ohne weiteres vom Reflexionssignal ab Übergang vom PZA zur Sonde F1, F2, F3 unterschieden werden. Die Referenzkurven können entweder dauerhaft in einem digitalen Speicher hinterlegt, oder zu einem beliebigen Zeitpunkt durch Kalibrierung neu ermittelt oder aktualisiert werden. Die Kalibrierung ist dann besonders vorteilhaft, wenn Serienstreuungen ausgeglichen oder bestimmte Umgebungsbedingungen kompensiert werden sollen.
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Zur Unterscheidung der Sonden wird vom Sendeimpuls P ausgehend zunächst der erste Impuls mit negativem Vorzeichen F1 gesucht. Der Signalverlauf im unmittelbar darauf folgende Bereich B enthält die Information über den Sondentyp.
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Tritt der typische Verlauf für eine Stabsonde, F1 mit negativem Vorzeichen, gefolgt von F2 mit positivem Vorzeichen und schließlich F3 mit negativem Vorzeichen auf, wird der Auswertealgorithmus für die Stabsonde verwendet.
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Ist der Verlauf im Bereich B hingegen weitestgehend flach ist eine Koaxialsonde vorhanden und der entsprechende Auswertealgorithmus kann aktiviert werden.
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Ist in dem auf F1 folgenden Bereich B ein Impuls L1 mit negativer Amplitude, die betragsmäßig größer ist als die Amplitude von F1 gefolgt von einem positiven Impuls L1 mit ausreichend großer Amplitude vorhanden, so handelt es sich um eine Reflexion am Medium und somit um das Nutzsignal. Es kann direkt der Abstand bestimmt und der entsprechende Füllstand ermittelt werden. Als Default-Einstellung wird die Stabsonde verwendet.
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Der Vergleich der Messkurve mit den Referenzsignalen kann entweder analog durch Fensterdiskriminatoren oder digital durch Fehlersummen oder Korrelationsuntersuchungen erfolgen. Selbstverständlich sind hierbei die Toleranzen zu berücksichtigen.
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Ist der Verlauf des Signals im Bereich B nicht mit ausreichender Sicherheit einem der oben beschriebenen drei Fälle zuzuordnen, wird der Auswertealgorithmus für die Stabsonde als Default-Einstellung verwendet. Bei Bedarf kann eine Fehlermeldung über die Bedieneinheit und/oder eine übergeordnete Steuereinheit, beispielsweise an einen Feldbusmaster ausgegeben werden. Selbstverständlich können diese Informationen für eine Fehlerdiagnose verwendet werden.
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Die 4 zeigt den in Rede stehenden Füllstandssensor mit einer Stabsonde S, die durch Aufschrauben eines zusätzlichen Außenleiters K zu einer Koaxialsonde ergänzt werden kann. Der in der Mitte transparent dargestellte Außenleiter K wird auf das mit G3/4 bezeichnete ¾ Zoll Gewinde geschraubt. Die elektronische Auswerteeinheit 23 und die erfindungsgemäße Einrichtung 24 zur Erkennung des Sondentyps sind nur symbolisch dargestellt.
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Die 5 zeigt einen Programmablaufplan für die Erkennung des Sondentyps. Da der für die Stabsonde charakteristische dritte Impuls F3 für die Auswahl nicht mehr von Bedeutung ist, wurde er nicht berücksichtigt. Die Amplitude des auf den Sendepuls folgenden ersten Impulses F1 wird mit A1 bezeichnet und als Vergleichswert zur Erkennung des vollen Behälters verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Anzeige- und Bedieneinheit
- B
- für den Sondentyp charakteristischer Bereich
- E
- Elektrischer Anschluss
- F1
- erster (negativer) Impuls nach dem Sendeimpuls mit der Amplitude A1
- F2
- zweiter (positiver) Impuls nach dem Sendeimpuls mit der Amplitude A2
- F3
- dritter (negativer) Impuls nach dem Sendeimpuls
- G3/4
- Gewinde 3/4 Zoll
- H
- Gehäuse
- K
- Koaxialsonde (Außenleiter)
- L1, L2
- Nutzsignal
- P
- Sendeimpuls, definiert den Startzeitpunkt t0
- PZA
- Prozessanschluss
- S
- Stabsonde bzw. Innenleiter der Koaxialsonde
- 21
- Tiefpassfilter (vgl. DE 10 2005 058 114 A1 der Anmelderin)
- 22
- AD/Wandler (vgl. DE 10 2005 058 114 A1 der Anmelderin)
- 23
- Auswerteeinheit
- 24
- Einrichtung zur Erkennung des Sondentyps
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006019191 A1 [0009]
- DE 102005058114 A1 [0012, 0012, 0031, 0031]
