DE102011082367A1

DE102011082367A1 - Verfahren zur Füllstandsmessung nach dem Laufzeitprinzip

Info

Publication number: DE102011082367A1
Application number: DE102011082367A
Authority: DE
Inventors: Stefan Gorenflo; Alexey Malinovskiy; Klaus Pankratz
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-03-14
Also published as: CN102997975A; US9170146B2; CN102997975B; US20130063298A1

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Messung eines Füllstands (L) eines Füllguts in einem Behälter (1) mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät (3) in Messanordnungen, in denen bei leerem Behälter (1) zumindest ein Teil vom in den Behälter (1) gesendeten Mikrowellensignalen (S) über ein Reflektion an einen Boden des Behälters (1) zum Füllstandsmessgerät (3) zurück reflektiert wird, beschrieben, mit dem das Vorliegen eines leeren Behälters (1) sicher und zuverlässig erkannt wird, indem Mikrowellensignale (S) in den Behälter (1) gesendet und anhand deren im Behälter (1) zum Füllstandsmessgerät (3) zurück reflektierten Anteilen als Empfangssignale (R) empfangen werden, anhand der Empfangssignale (R) Echofunktionen (E(P)) abgleitet werden, die die Amplituden der Empfangssignale (R) als Funktion einer deren Laufzeit oder deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position (P) wiedergeben, und nur dann das Vorliegen eines leeren Behälters (1) angezeigt wird, wenn in der jeweiligen Echofunktion (E(P)) kein Füllstandsecho (EL) detektiert wurde, und in der jeweiligen Echofunktion (E(P)) ein Behälterbodenecho (EB) an einer Position (P) detektiert wurde, die in einem vorab bestimmten beidseitig begrenzten Leerechopositionsbereich (ΔPleer) liegt, in dem das Behälterbodenecho (EB) bei leerem Behälter (1) an einer von einer Form des Behälters (1) und einer Einbauposition des Füllstandsmessgeräts (3) abhängigen Leerechoposition (Pleer) auftritt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Füllstands eines Füllguts in einem Behälter mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät in Messanordnungen, in denen bei leerem Behälter zumindest ein Teil von in den Behälter gesendeten Mikrowellensignalen über eine Reflektion an einem Boden des Behälters zum Füllstandsmessgerät zurück reflektiert wird, bei dem das Füllstandsmessgerät Mikrowellensignale in den Behälter sendet und deren im Behälter zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile nach einer vom deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale wieder empfängt, anhand der Empfangssignale Echofunktionen abgleitet werden, die die Amplituden der Empfangssignale als Funktion einer deren Laufzeit oder deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position wiedergeben, und anhand der Echofunktionen festgestellt wird, ob diese ein auf eine Reflektion an der Füllgutoberfläche zurückzuführendes Füllstandsecho enthalten, und ob diese ein auf eine Reflektion am Behälterboden zurückzuführendes Behälterbodenecho enthalten.
Derartige Füllstandsmessverfahren werden in einer Vielzahl von Industriezweigen, z. B. in der verarbeitenden Industrie, in der Chemie oder in der Lebensmittelindustrie, eingesetzt.
Typischer Weise wird das Füllstandsmessgerät oberhalb des Behälters montiert. Im Messbetrieb werden vom Füllstandsmessgerät Mikrowellensignale in Richtung des Füllguts in den Behälter gesendet und deren im Behälter zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile nach einer von deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale wieder empfangen. Anhand der Empfangssignale werden Echofunktionen abgleitet, die die Amplituden der Empfangssignale als Funktion einer deren Laufzeit oder deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position wiedergeben. Dabei sind Laufzeit und Wegstrecke anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale entlang der Wegstrecke in einander umrechenbar. Reflektionen an im Behälter befindlichen Reflektoren, wie z. B. der Füllgutoberfläche und dem Behälterboden, bewirken in den Echofunktionen nachfolgend als Echos bezeichnete lokale Maxima an einer deren Entfernung vom Füllstandsmessgerät entsprechenden Position in der Echofunktion.
Zur Bestimmung der Laufzeiten können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Mikrowellen zu messen. Die bekanntesten Beispiele sind das Pulsradar und das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar).
Beim Pulsradar werden periodisch kurze Mikrowellen-Sendeimpulse gesendet, die im Behälter reflektiert und nach einer von der von ihnen zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit wieder empfangen werden.
Beim FMCW-Verfahren wird kontinuierlich ein Mikrowellensignal gesendet, das periodisch linear frequenzmoduliert ist, beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion. Die Frequenz des Empfangssignals weist daher gegenüber der Augenblicksfrequenz, die das Sendesignal zum Zeitpunkt des Empfangs hat, eine Frequenzdifferenz auf, die von der Laufzeit des zugehörigen Mikrowellensignals abhängt. Die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal, die durch Mischung beider Signale und Auswertung des Fourierspektrums des Mischsignals gewonnen werden kann, entspricht somit der Laufzeit und damit dem Abstand der reflektierenden Fläche vom Füllstandsmessgerät. Ferner entsprechen die Amplituden der Spektrallinien des durch Fouriertransformation gewonnenen Frequenzspektrums den Echoamplituden. Dieses Fourierspektrum stellt daher in diesem Fall die Echofunktion dar.
Anhand der Echofunktion wird ein Füllstandsecho bestimmt, das der Reflexion des Sendesignals an der Füllgutoberfläche entspricht. Aus der Laufzeit des Füllstandsechos ergibt sich bei einer bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen unmittelbar die Wegstrecke die die Mikrowellen auf ihrem Weg vom Messgerät zur Füllgutoberfläche und zurück durchlaufen. Anhand der Einbauhöhe des Füllstandsmessgeräts über dem Behälter lässt sich hieraus unmittelbar der gesuchte Füllstand berechnen.
Dabei gilt es auch das Vorliegen eines leeren Behälters korrekt und zuverlässig zu erkennen. Bei leerem Behälter findet keine Reflexion der Mikrowellensignale an der Füllgutoberfläche statt. Stattdessen treffen die Mikrowellensignale in einer nachfolgend als Leerdistanz bezeichneten Entfernung vom Füllstandsmessgerät auf einen Teilbereich des Behälterbodens auf, und werden dort reflektiert. In Messanwendungen, in denen bei leerem Behälter zumindest ein Teil der in den Behälter gesendeten Mikrowellensignalen über einen Behälterboden zum Füllstandsmessgerät zurück reflektiert weisen die Echofunktionen bei leerem Behälter regelmäßig ein nachfolgend als Behälterbodenecho bezeichnetes Echo auf, dass auf die Reflexion am Behälterboden zurückzuführen ist.
Problematisch ist hierbei, dass die Position des Behälterbodenechos in der Echofunktion bei leerem Behälter vom Einbauort des Füllstandsmessgeräts und von der Geometrie des Behälters abhängig ist. Nur bei einem leeren Behälter mit planarem Boden werden die gesendeten Mikrowellensignale unmittelbar zum Füllstandsmessgerät zurück reflektiert. In dem Fall tritt das Behälterbodenecho bei leerem Behälter an der der Leerdistanz entsprechenden Position innerhalb der Echofunktion auf.
Treffen die gesendeten Mikrowellensignale dagegen bei leerem Behälter beispielsweise auf einen geneigten oder gewölbten Teilbereich des Behälterbodens auf, so werden sie entsprechend ihrem Einfallswinkel unter dem sie auf den Teilbereich auftreffen reflektiert, und können somit nur indirekt über weitere Reflektionen im Behälter zum Füllstandsmessgerät zurück reflektiert werden. Dabei legen die bei leerem Behälter zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile der Sendesignale im Behälter eine vom Einbauort und der Behältergeometrie abhängige Wegstrecke zurück, die unter Umständen sehr viel größer als die Leerdistanz ist.
Um einen leeren Behälter zu erkennen werden heute bereits Verfahren eingesetzt, bei denen anhand der Echofunktionen zunächst geprüft wird, ob innerhalb der Leerdistanz ein Füllstandsecho identifiziert werden kann. Ist das nicht der Fall, wird geprüft, ob in einem die Leerdistanz übersteigenden Bereich der Echofunktionen ein Behälterbodenecho auftritt. Da das Behälterbodenecho je nach Behälterform auch an Positionen auftreten kann, die deutlich größer als die Leerdistanz sind, wird hierzu regelmäßig ein verhältnismäßig großer Entfernungsbereich berücksichtigt, der bei der der Leerdistanz entsprechenden Position beginnt, und diejenigen Positionen enthält, die Entfernungen zum Füllstandsmessgerät entsprechen, die größer als die Leerdistanz sind. Tritt in diesem Entfernungsbereich ein entsprechendes Echo auf, wird es als Behälterbodenecho erkannt, und das Füllstandsmessgerät meldet einen leeren Behälter.
Dieses Verfahren birgt jedoch die Gefahr fehlerhafter Leermeldungen, wenn ein Füllstandsecho eines vorhandenen Füllstands vorübergehend nicht detektierbar ist. In dem Fall wird aufgrund eines zusätzlich zu dem nicht detektierbaren Füllstandecho in der Echofunktion vorhandenen Behälterbodenechos ein leerer Behälter angezeigt.
Dieser Fall tritt beispielsweise auf, wenn das Füllgut vorübergehend eine geringere Dielektrizitätskonstante aufweist, und somit nur schwache, in der Echofunktion aufgrund ihrer geringen Amplitude nicht eindeutig identifizierbare, Reflektionen an der Füllgutoberfläche auftreten. Ebenso können auch Turbulenzen auf der Füllgutoberfläche oder Schaumbildung auf der Oberfläche dazu führen, dass das Füllstandsecho in der Echofunktion nicht mehr identifiziert werden kann.
Darüber hinaus kann das Füllstandsecho auch dann nicht mehr ohne weiteres identifiziert werden, wenn der Füllstand im Behälter eine Höhe überstreicht, in dem sich ein Mikrowellen reflektierender Störer, wie z. B. Behältereinbauten oder ein Rührwerk, befindet. Befindet sich der Füllstand auf der Höhe des Störers, so überlagern sich Störerecho und Füllstandsecho im gleichen Bereich der Echofunktion und können dementsprechend nicht ohne weiteres voneinander unterschieden werden. Dieses Problem ist heute jedoch durch zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. geeignete Echoverfolgungsalgorithmen, überwindbar.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Füllstandsmessung mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Mikrowellen-Füllstandsmessgerät anzugeben, mit dem das Vorliegen eines leeren Behälters sicher und zuverlässig erkannt wird.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Messung eines Füllstands eines Füllguts in einem Behälter mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät in Messanordnungen, in denen bei leerem Behälter zumindest ein Teil von in den Behälter gesendeten Mikrowellensignalen über eine Reflektion an einem Boden des Behälters zum Füllstandsmessgerät zurück reflektiert wird, bei dem

– das Füllstandsmessgerät Mikrowellensignale in den Behälter sendet und deren im Behälter zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile nach einer vom deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale empfängt,
– anhand der Empfangssignale Echofunktionen abgleitet werden, die die Amplituden der Empfangssignale als Funktion einer deren Laufzeit oder deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position wiedergeben,
– anhand der Echofunktionen festgestellt wird, ob diese ein auf eine Reflektion an einer Füllgutoberfläche zurückzuführendes Füllstandsecho enthalten und ob diese ein auf eine Reflektion an einem Behälterboden zurückzuführendes Behälterbodenecho enthalten, und
– nur dann das Vorliegen eines leeren Behälters angezeigt wird, wenn in der jeweiligen Echofunktion kein Füllstandsecho detektiert wurde, und in der jeweiligen Echofunktion ein Behälterbodenecho an einer Behälterbodenechoposition detektiert wurde, die in einem vorab bestimmten beidseitig begrenzten Leerechopositionsbereich der Echofunktion liegt, in dem das Behälterbodenecho bei leerem Behälter an einer von einer Form des Behälters und einer Einbauposition des Füllstandsmessgeräts abhängigen Leerechoposition auftritt.

Eine erste Weiterbildung der Erfindung umfasst ein Verfahren, bei dem die Leerechoposition bestimmt wird, indem

– das Füllstandsmessgerät über einen Zeitraum, in dem der Behälter mindestens einmal entleert wird, Mikrowellensignale in den Behälter sendet und deren im Behälter zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile nach einer vom deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale wieder empfängt,
– anhand der Empfangssignale Echofunktionen abgleitet werden, die die Amplituden der Empfangssignale als Funktion einer deren Laufzeit oder deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position wiedergeben,
– anhand der Echofunktionen Behälterbodenechopositionen der in den Echofunktionen detektierbaren Behälterbodenechos bestimmt werden, und
– die Leerechoposition gleich der kleinsten in diesem Zeitraum bestimmten Behälterbodenechoposition gesetzt wird, wenn innerhalb des Zeitraums mindestens ein Behälterbodenecho detektiert wurde.

Eine Weiterbildung der ersten Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem

– ein eine Leerdistanzposition umgebender Leerdistanzpositionsbereich vorgegeben ist, in dem darin auftretende Echos weder als Füllstandsechos noch als Behälterbodenechos identifizierbar sind,
– wobei die Leerdistanzposition diejenige Position ist, die einer Entfernung vom Füllstandsmessgerät entspricht, in der die vom Füllstandsmessgerät gesendeten Mikrowellensignale bei leerem Behälter erstmalig auf einen Teilbereich des Behälterbodens auftreffen,
– der Leerechopositionsbereich gleich dem Leerdistanzpositionsbereich gesetzt wird, wenn während des Zeitraums kein Behälterbodenecho detektiert wurde oder die kleinste während des Zeitraums aufgetretene Behälterbodenechoposition unmittelbar an den Leerdistanzpositionsbereich angrenzt,
– der Leerechopositionsbereich gleich einem die Leerechoposition umgebenden Bereich gesetzt wird, dessen Breite größer als eine Positionsbestimmungsgenauigkeit des Füllstandsmessgeräts und geringer als ein einzahliges Vielfaches der Positionsbestimmungsgenauigkeit ist, wenn die ermittelte Leeerechoposition den Leerdistanzpositionsbereich um mehr als die Positionsbestimmungsgenauigkeit übersteigt, und
– im nachfolgenden regulären Messbetrieb innerhalb des Leerechopositionsbereichs auftretende Echos als Behälterbodenechos identifiziert werden.

Eine weitere Weiterbildung der ersten Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem das Füllgut darauf auftreffende Mikrowellensignale teilweise reflektiert und teilweise hindurch treten lässt, und die Behälterbodenechopositionen in den Echofunktionen bestimmt werden, indem

– in einer der während des Zeitraums abgeleiteten Echofunktionen ein Behälterbodenecho detektiert und dessen Behälterbodenechoposition bestimmt wird, und
– die Behälterbodenechos der zeitlich nach dieser Echofunktion abgeleiteten Echofunktionen jeweils anhand der jeweiligen Echofunktion und der zuvor zuletzt bestimmten Behälterbodenechoposition detektiert werden.

Eine zweite Weiterbildung der Erfindung umfasst ein Verfahren, bei dem das Füllgut darauf auftreffende Mikrowellensignale teilweise reflektiert und teilweise hindurch treten lässt, und die Leerechoposition bestimmt wird, indem

– das Füllstandsmessgerät über einen Zeitraum, in dem der Füllstand mindestens um einen vorgegebenen Mindestbetrag variiert und der Behälter mindestens einmal entleert wird, Mikrowellensignale in den Behälter sendet und deren im Behälter zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile nach einer vom deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale wieder empfängt,
– anhand der Empfangssignale Echofunktionen abgleitet werden, die die Amplituden der Empfangssignale als Funktion einer deren Laufzeit oder deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position wiedergeben,
– anhand der Echofunktionen Füllstandsechopositionen der in den Echofunktionen detektierbaren Füllstandsechos und Behälterbodenechopositionen der in den Echofunktionen detektierbaren Behälterbodenechos bestimmt und zusammen mit den jeweils zugehörigen Füllständen abgespeichert werden,
– die größte während des Zeitraums detektierte Füllstandsechoposition bestimmt, und der zugehörige Füllstand als niedrigster während des Zeitraums aufgetretener Füllstand festgehalten wird, und
– anhand der aufgezeichneten Behälterbodenechopositionen und der zugehörigen Füllstände eine erste Regressionsgerade bestimmt wird, die die Positionen der Behälterbodenechos als Funktion des Füllstands wiedergibt, und
– die Leerechoposition als diejenige Behälterbodenechoposition bestimmt wird, die gemäß der Regressionsgeraden bei dem niedrigsten aufgetretenen Füllstand vorliegt.

Eine Weiterbildung der zweiten Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem

– zu Beginn des Zeitraums ein eine Leerdistanzposition umgebender Leerdistanzpositionsbereich vorgegeben ist, in dem darin auftretende Echos weder als Füllstandsechos noch als Behälterbodenechos identifizierbar sind,
– wobei eine Leerdistanz eine von der Einbauhöhe des Füllstandsmessgeräts und der Behälterform abhängige Entfernung vom Füllstandsmessgerät ist, in der vom Füllstandsmessgerät gesendete Mikrowellensignale bei leerem Behälter erstmalig auf einen Teilbereich des Behälterbodens auftreffen, und die Leerdistanzposition die der Leerdistanz entsprechende Position innerhalb der Echofunktionen ist,
– anhand der aufgezeichneten Füllstandsechopositionen und der zugehörigen Füllstände eine zweite Regressionsgerade bestimmt wird, die die Positionen der Füllstandsechos als Funktion des Füllstands wiedergibt,
– eine fiktive Leerdistanzposition bestimmt wird, die gleich der Position eines Schnittpunkts der beiden Regressionsgeraden ist,
– innerhalb des Zeitraums in den Echofunktionen auch innerhalb des Leerdistanzbereichs aufgetretene Echos als Füllstandsechos identifiziert werden, wenn sie an einer Position auftreten, die kleiner als die fiktive Leerdistanzposition ist, und als Behälterbodenechos identifiziert werden, wenn sie an einer Position auftreten, die größer als die fiktive Leerdistanzposition ist.

Eine Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem anhand der größten detektierten Füllstandsechoposition eine tatsächlich vorliegende Leerdistanz und/oder deren tatsächlich vorliegende Leerdistanzposition bestimmt werden, indem die tatsächlich vorliegende Leerdistanzposition gleich der größten in dem Zeitraum detektierten Füllstandsechoposition gesetzt wird.
Eine dritte Weiterbildung der Erfindung umfasst ein Verfahren, bei dem das Füllgut darauf auftreffende Mikrowellensignale teilweise reflektiert und teilweise hindurch treten lässt, und der Füllstand anhand einer vorab ermittelten Abhängigkeit der Behälterbodenechopositionen vom Füllstand und der Position des Bodenechos bestimmt wird, wenn

– in der Echofunktion kein Füllstandsecho detektiert wurde, und
– die Bodenechoposition des detektierten Bodenechos außerhalb des Leerechopositionsbereichs liegt.

Eine Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem die Abhängigkeit der Behälterbodenechoposition vom Füllstand vorab bestimmt wird, indem

– das Füllstandsmessgerät über einen Zeitraum, in dem der Füllstand mindestens um einen vorgegebenen Mindestbetrag variiert, Mikrowellensignale in den Behälter sendet und deren im Behälter zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile nach einer vom deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale wieder empfängt,
– anhand der Empfangssignale Echofunktionen abgleitet werden, die die Amplituden der Empfangssignale als Funktion einer deren Laufzeit oder deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position wiedergeben,
– anhand der Echofunktionen Behälterbodenechopositionen der in den Echofunktionen detektierbaren Behälterbodenechos bestimmt und zusammen mit den jeweils zugehörigen Füllständen abgespeichert werden, und
– anhand der aufgezeichneten Behälterbodenechopositionen und der zugehörigen Füllstände eine Regressionsgerade bestimmt wird, die Abhängigkeit der Behälterbodenechoposition vom Füllstand wiedergibt.

Eine Weiterbildung der ersten Weiterbildung, der zweiten Weiterbildung, der Weiterbildung der zweiten Weiterbildung, der dritten Weiterbildung, oder der Weiterbildung der dritten Weiterbildung, bei dem während des Zeitraums, in dem anhand der in dem jeweiligen Zeitraum aufgezeichneten Echofunktionen die Leerdistanzposition und/oder die Abhängigkeit der Behälterbodenechoposition vom Füllstand bestimmt wird, der Füllstand gemessen wird, indem in den Echofunktionen die Füllstandsechopositionen der in den Echofunktionen detektierbaren Füllstandsechos bestimmt werden, und die zugehörigen Füllstände anhand der Füllstandsechopositionen bestimmt werden.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen drei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: eine Füllstandsmessanordnung mit einem Behälter mit planarem Behälterboden zusammen mit einer in dieser Anordnung bei leerem Behälter abgeleiteten Echofunktion;
2 zeigt: eine Füllstandsmessanordnung mit einem liegenden zylindrischen Behälter zusammen mit einer in dieser Anordnung bei leerem Behälter abgeleiteten Echofunktion;
3 zeigt: eine Füllstandsmessanordnung mit einem Behälter mit trichterförmigem Behälterboden zusammen mit einer in dieser Anordnung bei leerem Behälter abgeleiteten Echofunktion; und
4 zeigt: mit der Messanordnung von 2 ermittelte Füllstands- und Behälterbodenechopositionen in Abhängigkeit vom zugehörigen Füllstand.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Füllstandsmessung eines Füllguts in einem Behälter 1 ist nachfolgend anhand von drei in den 1 bis 3 exemplarisch dargestellten Füllstandsmessanordnungen beschrieben. In jeder Figur ist jeweils eine Messanordnung mit einem auf einem leeren Behälter 1, hier der Behälter 1a in 1, der Behälter 1b in 2 und der Behälter 1c in 3, angeordneten Füllstandsmessgerät 3 dargestellt. In allen drei Messanordnungen ist eine Leerdistanz D eingezeichnet. Die Leerdistanz D bezeichnet den durch den Einbauort des Füllstandsmessgeräts 3 und die Behälterform vorgegebenen Abstand zwischen dem Füllstandsmessgerät 3 und dem jeweiligen Bereich des Behälterbodens, auf den vom Füllstandsmessgerät 3 ausgesendeten Mikrowellensignale S bei leerem Behälter 1 erstmalig auftreffen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Verbindung mit den eingangs genannten nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgeräten 3, wie z. B. Puls-Radar-Füllstandsmessgeräten oder FMCW-Radar-Füllstandsmessgeräten, einsetzbar.
Dabei sendet das Füllstandsmessgerät 3 im Messbetrieb Mikrowellensignale S in den Behälter 1. Die Mikrowellensignale S werden im Behälter 1, insb. an der Füllgutoberfläche und/oder an einem Behälterboden, reflektiert, und deren zum Füllstandsmessgerät 3 zurück reflektierten Anteile werden nach einer vom deren im Behälter 1 zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale R wieder empfangen.
Anhand der Empfangssignale R werden Echofunktionen E(P) abgeleitet, die die Amplituden der Empfangssignale R als Funktion von deren Position P wiedergeben. Die Position P entspricht dabei entweder der der jeweiligen Amplitude zugehörigen vom Füllstandsmessgerät 3 gemessenen von den reflektierten Anteilen für die Wegstrecke vom Füllstandsmessgerät 3 zum Reflektionsort und zurück benötigten Laufzeit oder den der jeweiligen Laufzeit entsprechenden im Behälter 1 zurückgelegten Wegstrecken.
Für die Ableitung der Echofunktionen E(P) können alle bekannten in Füllstandsmessgeräten dieser Art eingesetzten Verfahren eingesetzt werden. Dabei wird in der Regel für jedes der nacheinander eingehenden Empfangssignale R jeweils eine Echofunktion E(P) abgeleitet.
Anschließend wird anhand der Echofunktionen E(P) bestimmt, ob diese ein auf eine Reflektion an der Füllgutoberfläche zurückzuführendes Füllstandsecho E_L enthalten, und ob diese ein auf eine Reflektion am Behälterboden zurückzuführendes Behälterbodenecho E_B enthalten.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt voraus, dass bei leerem Behälter 1 zumindest ein Teil der gesendeten Mikrowellensignale S über eine Reflektion am Behälterboden zum Füllstandsmessgerät 3 zurück reflektiert wird. Ist dies aufgrund der Geometrie und/oder der Einbauweise des Füllstandsmessgeräts 3 bei leerem Behälter 1 grundsätzlich ausgeschlossen, ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht anwendbar.
Zur Detektion der Füllstandsechos E_L und der Behälterbodenechos E_B wird die jeweilige Echofunktion E(P) vorzugsweise in digitaler Form im Füllstandsmessgerät 3 abgespeichert, und mittels entsprechender aus der Füllstandsmesstechnik bekannter Echoerkennungsalgorithmen untersucht. Die diesen Echoerkennungsalgorithmen zugrunde liegenden Echoerkennungsverfahren basieren regelmäßig darauf, dass sich Reflektionen an im Behälter 1 befindlichen Reflektoren, insb. an der Füllgutoberfläche und am Behälterboden, in den Echofunktionen E(P) in Form von lokalen Maxima wieder spiegeln. Jedes Maximum der Echofunktion entspricht einem auf eine Reflektion an einem Reflektor zurückzuführenden Echo. Die Position P des jeweiligen Echos entspricht der zugehörigen Signallaufzeit zum Reflektor und zurück und damit der im Behälter 1 zurückgelegten Wegstrecke.
Entsprechend werden beispielsweise zunächst Position und Amplitude der Maxima der jeweiligen Echofunktion E(P) bestimmt, und anhand von durch das verwendete Verfahren vorgegebenen Zusatzkriterien festgestellt, ob eines der ermittelten Echos ein Füllstandsecho E_L ist, und ob eines der Echos ein Behälterbodenecho E_B ist.
Dabei wird die Echofunktion E(P) regelmäßig anhand einer der Leerdistanz D entsprechenden Leerdistanzposition P_D in zwei Bereiche unterteilt; nämlich in einen ersten Bereich I, der alle Positionen P umfasst, die Entfernungen vom Füllstandsmessgerät 3 entsprechen, die geringer als die Leerdistanz D sind, und einen zweiten Bereich II, der die Positionen umfasst, die Entfernungen vom Füllstandsmessgerät entsprechen, die größer als die Leerdistanz D sind.
Die Leerdistanz D ist in der Regel zumindest näherungsweise bekannt, und wird dem Füllstandsmessgerät 3 z. B. bei dessen Inbetriebnahme am Einsatzort vorgegeben. Ist die Leerdistanz D nur mit einer Messungenauigkeit oder Toleranz bekannt, so kann auch die zugehörige Leerdistanzposition P_D nur mit einer entsprechenden Ungenauigkeit bestimmt werden. In dem Fall werden die beiden Bereiche I, II durch einen Leerdistanzpositionsbereich ΔP_D voneinander getrennt, der die tatsächlich vorliegende Leerdistanzposition P_D einschließt, und dessen Breite der Ungenauigkeit der Leerdistanzposition P_D entspricht. Dabei beträgt die Messungenauigkeit der Leerdistanz D häufig mehrere Zentimeter, und ist damit deutlich größer, als die Ortsauflösung heutiger Füllstandsmessgeräte 3.
Zur Identifizierung eines in der Echofunktion E(P) möglicherweise vorhandenen Füllstandsechos E_L werden heute beispielsweise Echoerkennungsverfahren eingesetzt, bei denen angenommen wird, dass das Füllstandsecho E_L, eine größere Amplitude aufweist, als die übrigen im ersten Bereich I aufgefundenen Echos. Entsprechend wird hier das innerhalb des ersten Bereichs I auftretende Echo mit der größten Amplitude als Füllstandsecho E_L detektiert. Daneben sind Echoerkennungsverfahren bekannt, bei denen angenommen wird, dass das Füllstandsecho E_L das erste im ersten Bereich I eintreffende Echo ist. Entsprechend wird hier das erste Echo als Füllstandsecho E_L identifiziert. Darüber hinaus ist es auch möglich, die beiden genannten Verfahren miteinander zu kombinieren, indem z. B. ein so genannter Erstechofaktor definiert wird. Der Erstechofaktor ist ein vorgegebener Faktor, um den ein Echo eine bestimmte Amplitude übersteigen muss, um als Füllstandsecho E_L erkannt zu werden. Zusätzlich wird vorzugsweise eine, gegebenenfalls auch positionsabhängig vorgegebene, Echoschwelle definiert werden, die die Amplitude eines Echo übersteigen muss, um als Füllstandsecho E_L erkannt zu werden.
Auf diese Weise werden Störsignale geringerer Amplitude von vorneherein unterdrückt, und es können beispielsweise auch Störechos, wie sie z. B. von in bekannter Höhe montierten Behältereinbauten verursacht werden, ausgeblendet werden. Befindet sich im ersten Bereich I kein diese Kriterien erfüllendes Echo, so ist kein Füllstandsecho E_L detektierbar.
Diese Echoverfahren können in analoger Weise auch zur Detektion des Behälterbodenechos E_B im zweiten Bereich II herangezogen werden, indem beispielsweise das erste im zweiten Bereich II auftretende Echo, oder das im zweiten Bereich II auftretende Echo mit der größten Amplitude als Behälterbodenecho E_B erkannt wird. Befindet sich im zweiten Bereich II kein diese Kriterien erfüllendes Echo, so ist kein Behälterbodenecho E_B detektierbar.
Sind die beiden Bereiche I, II durch einen Leerdistanzpositionsbereich ΔP_D voneinander getrennt, so können innerhalb dieses Leerdistanzpositionsbereich ΔP_D auftretende Echos weder eindeutig als Füllstandsecho E_L noch eindeutig als Behälterbodenecho E_B identifiziert werden.
Erfindungsgemäß wird nur dann ein leerer Behälter 1 angezeigt, wenn in der jeweiligen Echofunktion E(P) kein Füllstandsecho E_L detektiert werden konnte, und ein Behälterbodenecho E_B an einer Position P_B innerhalb der Echofunktion E(P) detektiert wurde, die in einem vorab bestimmten Leerechopositionsbereich ΔP_leer liegt. Der Leerechopositionsbereich ΔP_leer ist ein zu beiden Seiten begrenzter Bereich um eine Leerechoposition P_leer, an der das Behälterbodenecho E_B bei leerem Behälter 1 in der Echofunktion E(P) auftritt.
Die Leerechoposition P_leer entspricht der bei leerem Behälter 1 im Behälter 1 zurückgelegten Wegstrecke der Mikrowellensignale. Sie ist abhängig von der Behälterform und der Einbauposition des Füllstandsmessgeräts 3 auf dem jeweiligen Behälter 1, und kann deutlich größer als die Leerdistanzposition P_D sein.
Zur Veranschaulichung ist hierzu rechts neben den in den 1 bis 3 dargestellten Messanordnungen jeweils eine zugehörige mit der jeweiligen Messanordnung bei leerem Behälter 1a, 1b, 1c abgeleitete Echofunktion E(P) dargestellt.
Der in der Messanordnung von 1 dargestellte Behälter 1a ist ein stehender zylindrischer Tank mit planarem Boden. In diesem Fall werden bei leerem Behälter 1a auf den planaren Behälterboden auftreffende Mikrowellensignale S unmittelbar zum Füllstandsmessgerät 3 zurück reflektiert. Entsprechend tritt das Behälterbodenecho E_B bei leerem Behälter 1a in der zugehörigen Echofunktion E(P) an einer Leerechoposition P_leer auf, die gleich der Leerdistanzposition P_D ist.
Der in der Messanordnung von 2 dargestellte Behälter 1b ist ein liegender zylindrischer Tank. Hier werden die in der durch die Leerdistanz D gegebenen Entfernung vom Füllstandsmessgerät 3 erstmalig auf dem gekrümmten Behälterboden auftreffenden Mikrowellensignale S zu einer gegenüberliegenden ebenfalls gekrümmten Innenwand des Behälters 1b reflektiert, von wo aus sie über den gekrümmten Behälterboden zum Füllstandsmessgerät 3 zurück reflektiert werden. Entsprechend tritt das Behälterbodenecho E_B bei leerem Behälter 1b in der Echofunktion E(P) hier erst an einer Leerechoposition P_leer auf, die der Summe aus der Leerdistanz D und der zusätzlichen im Behälter 1b zwischen dem Behälterboden und der gegenüberliegenden Innenwand zurückgelegten Wegstrecke X1 entspricht.
Der in der Messanordnung von 3 dargestellte Behälter 1c ist ein Tank mit trichterförmigem Boden. In diesem Beispiel werden die in dem durch die Leerdistanz D gegebenen Abstand auf einer geneigten Trichterinnenfläche 5 auftreffende Mikrowellensignale S zu einer gegenüberliegenden ebenfalls geneigten Trichterinnenfläche 7 reflektiert. Letztere reflektiert die darauf eintreffenden Mikrowellensignale zu einer Behälterdecke 9, von wo aus sie wiederum über Reflektionen an den beiden gegenüberliegenden Trichterinnenflächen 7, 5 zum Füllstandsmessgerät 3 zurück reflektiert werden. Entsprechend tritt das Behälterbodenecho E_B bei leerem Behälter 1c in der Echofunktion E(P) hier erst an einer Leerechoposition P_leer auf, die der Summe aus der Leerdistanz D, der zwischen den Trichterinnenflächen 5, 7 zurückgelegten Wegstrecke X2 und der zwischen der zweiten Trichterinnenfläche 7 und der Behälterdecke 9 zurückgelegten Wegstrecke X3 entspricht.
Sind die Einbauposition des Füllstandsmessgeräts 3 und die Geometrie des Behälters 1 für eine Messanordnung, in der das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden soll, vorab genau bekannt, kann der Leerechopositionsbereich ΔP_leer vorab anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale S in dem sich in der jeweiligen Anwendung über dem Füllgut im Behälter 1 befindenden Medium rechnerisch ermittelt werden.
Vorzugsweise wird der Leerechopositionsbereich ΔP_leer jedoch vom Füllstandsmessgerät 3 in einem vorzugsweise automatisiert ablaufenden Verfahren selbsttätig am Einsatzort in der jeweiligen Messanordnung bestimmt. Dies bietet den Vorteil, dass der Leerechopositionsbereich ΔP_leer auch dann bestimmt werden kann, wenn vorab keine oder nur rudimentäre Informationen über die Behälterform und die Einbauposition des Füllstandsmessgeräts 3 auf dem jeweiligen Behälter 3 bekannt sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Leerechopositionsbereich ΔP_leer hierbei anhand der tatsächlichen Gegebenheiten am Einsatzort abgeleitet wird. Auf diese Weise werden bei dessen Bestimmung neben der Behälterform und der Einbauposition automatisch auch weitere anwendungs-spezifische Umstände mit erfasst und berücksichtigt, die Einfluss auf die Ausbreitung der Mikrowellensignale im Behälter 1 haben. Diese umfassen insb. den Strahlenpfad der Mikrowellensignale bei leerem Behälter 1 beeinflussende Einbauten im Behälter 1, wie z. B. weitere Messgeräte oder Rührwerke.
Hierzu wird das Füllstandsmessgerät 3 am Einsatzort installiert und über einen Zeitraum, in dem der Behälter 1 mindestens einmal entleert wird, in einen Einlernbetrieb versetzt. Dieser Einlernbetrieb entspricht im wesentlichen dem regulären Füllstandsmessbetrieb. D. h. das Füllstandsmessgerät S sendet Mikrowellensignale S in den Behälter 1 und empfängt deren im Behälter 1 zum Füllstandsmessgerät 3 zurück reflektierten Anteile nach einer vom deren im Behälter 1 zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale R. Es werden auch hier anhand der Empfangssignale R Echofunktionen E(P) gebildet, die die Amplituden der Empfangssignale R als Funktion der deren Laufzeit oder deren im Behälter 1 zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position P wiedergeben.
Die während dieses Zeitraums abgeleiteten Echofunktionen E(P) werden darauf hin untersucht, ob sie ein detektierbares Behälterbodenecho E_B aufweisen, und es werden die Behälterbodenechopositionen P_B der in den Echofunktionen E(P) detektierten Behälterbodenechos E_B bestimmt und aufgezeichnet. Dies erfolgt beispielsweise auf die oben beschriebene Weise.
Da der Behälter 1 während des Zeitraums mindestens einmal entleert wird, ist unabhängig von den Reflektionseigenschaften des Füllguts sicher gestellt, dass mindestens einmal, nämlich während der Behälter 1 leer ist, ein Behälterbodenecho E_B auftritt. Liegt das bei leerem Behälter 1 auftretende Behälterbodenecho E_B aufgrund der Gegebenheiten der Füllstandsmessanordnung innerhalb des oberhalb der Leerdistanz P_D bzw. des Leerdistanzbereichs ΔP_D liegenden Bereiches II der Echofunktion E(P), wird es vom Füllstandsmessgerät 3 als Behälterbodenecho E_B detektiert. Das bei leerem Behälter 1 aufgetretene Behälterbodenecho E_B wird nur dann nicht vom Füllstandsmessgerät 3 als Behälterbodenecho E_B detektiert, wenn es innerhalb des Leerdistanzbereichs ΔP_D liegt.
Bei Füllgütern mit geringerer Dielektrizitätskonstante und dementsprechend geringerer Reflektivität werden neben dem bei leerem Behälter 1 auftretenden Behälterbodenecho E_B, natürlich auch dann Behälterbodenechos E_B detektiert, wenn der Füllstand L über die der Leerdistanz D entsprechenden Füllhöhe ansteigt. In dem Fall wird nur ein Teil der Mikrowellensignale S an der Füllgutüberfläche zum Füllstandsmessgerät 3 zurückreflektiert. Der verbleibende nicht reflektierte Teil durchdringt das Füllgut bis zum Behälterboden, von wo aus zumindest ein Teil des durchgedrungenen Teils über eine von der Behältergeometrie abhängige Wegstrecke zum Füllstandsmessgerät 3 zurück reflektiert wird. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Mikrowellensignalen im Füllgut geringer ist, als in dem darüber befindlichen Medium, in der Regel Luft, treten die Behälterbodenechos E_B, die bei einem oberhalb der Leerdistanz D befindlichen Füllstand L detektiert wurden, erst bei größeren Positionen P_B auf, als das bzw. die bei leerem Behälter 1 detektierten Behälterbodenechos E_B.
Wird während des Zeitraums mindestens ein Behälterbodenecho E_B detektiert, wird die Leerechoposition P_leer dementsprechend gleich der kleinsten in dem Zeitraum bestimmten Behälterbodenechoposition P_B gesetzt.
Im Anschluss an die Bestimmung der Leerechoposition P_leer wird ein vorzugsweise beidseitig eng begrenzter Leerechopositionsbereich ΔP_leer um diese Leerechoposition P_leer festgelegt, in dem das Behälterbodenecho E_B im nachfolgenden Messbetrieb bei leerem Behälter 1 zu erwarten ist. Dabei muss der Leerechopositionsbereich ΔP_leer mindestens so groß sein, wie die Messgenauigkeit der Positionsbestimmung.
Übersteigt die ermittelte Leerechoposition P_leer den Leerdistanzpositionsbereich ΔP_D um mehr als die Positionsbestimmungsgenauigkeit des Füllstandsmessgeräts 3, so wird vorzugsweise ein die ermittelte Leerechoposition P_leer umgebender Leerechopositionsbereich ΔP_leer ausgewählt, dessen Breite aufweist größer als die Positionsbestimmungsgenauigkeit und geringer als ein einzahliges Vielfaches der Positionsbestimmungsgenauigkeit des Füllstandsmessgeräts (3) ist. Grenzt die ermittelte Leerechoposition P_leer dagegen unmittelbar an den Leerdistanzpositionsbereich ΔP_D an, so wird der Leeerechopositionsbereich ΔP_leer gleich dem Leerdistanzpositionsbereich gesetzt ΔP_D. Wird während des Zeitraums kein Behälterbodenecho E_B detektiert, so folgt daraus zwangsläufig, dass sich die Leerechoposition P_leer innerhalb des Leerdistanzpositionsbereichs ΔP_D befindet. Auch in diesem Fall wird der gesuchte Leerechopositionsbereich ΔP_leer gleich dem Leerdistanzpositionsbereich ΔP_D gesetzt.
Im nachfolgenden regulären Messbetrieb werden innerhalb des Leerechopositionsbereichs ΔP_leer auftretende Echos dementsprechend auch dann als Behälterbodenechos E_B identifiziert, wenn sie innerhalb des Leerdistanzpositionsbereichs ΔP_D auftreten.
Zur Bestimmung des Leerechopositionsbereichs ΔP_leer muss zu Beginn des Zeitraums ein sehr großer Positionsbereich des zweiten Bereichs II der Echofunktionen E(P) aufgezeichnet und auf Behälterbodenechos E_B untersucht werden. Sobald während des Zeitraums erstmalig ein Behälterbodenecho E_B detektiert wird, kann der auszuwertende Positionsbereich sukzessive verkleinert werden, indem er jeweils durch die kleinste bis dahin in dem Zeitraum bestimmte Behälterbodenechoposition P_B noch oben begrenzt wird.
Zur Detektion der Behälterbodenechos E_B kann in Verbindung mit Füllgütern, die darauf auftreffende Mikrowellensignale teilweise reflektieren und teilweise hindurch treten lassen, zur Detektierung der Behälterbodenechos E_B unterstützend ein in der Füllstandsmesstechnik unter der Bezeichnung Echoverfolgung bekanntes regelmäßig zur Detektion von Füllstandsechos verwendetes Verfahren eingesetzt werden. Dieses Verfahren basiert darauf, dass ein auf einen bestimmten Reflektor, z. B. die Füllgutoberfläche, im Behälter 1 zurückzuführendes Echo seine Position nur mit einer durch die maximale Geschwindigkeit, mit der sich der Füllstand in der jeweiligen Anwendung ändern kann, nach oben begrenzten Änderungsgeschwindigkeit ändern kann. Dementsprechend kann die zeitliche Entwicklung der Position eines einmal identifizierten Echos verfolgt werden. Dabei ergibt sich aufgrund der im jeweils vorangegangenen Messzyklus ermittelten Position dieses Echos und der anwendungs-spezifischen maximalen Änderungsgeschwindigkeit der Position dieses Echos ein begrenzter Bereich innerhalb der aktuellen Echofunktion E(P), innerhalb dessen sich die neue Position P dieses Echos befinden muss. Entsprechend wird beispielsweise die Position P eines absoluten Maximums der aktuellen Echofunktion E(P) in diesem begrenzten Bereich ermittelt, und als neue Position dieses Echos bestimmt.
Entsprechend kann hier zur Bestimmung der Leerechoposition P_leer die Behälterbodenposition P_B eines in einer der während des Zeitraums abgeleiteten Echofunktionen E(P) erstmalig detektierten Behälterbodenechos E_B bestimmt werden, und deren zeitliche Entwicklung nachfolgend verfolgt werden, indem die Behälterbodenechopositionen P_B der in den nachfolgend aufgezeichneten Echofunktionen E(P) enthaltenen Behälterbodenechos E_B jeweils anhand der jeweiligen Echofunktion E(P), der anwendungs-spezifischen maximalen Änderungsgeschwindigkeit der Behälterbodenechoposition P_B und der zuvor zuletzt bestimmten Behälterbodenechoposition P_B detektiert werden.
Parallel dazu können die während des Zeitraums abgeleiteten Echofunktionen E(P) auch auf Füllstandsechos E_L untersucht werden, und der Füllstand L anhand der Füllstandsechopositionen P_L der detektierten Füllstandsechos E_L bestimmt und ausgegeben werden. Damit ist das Füllstandsmessgerät 3 bereits während des Einlernbetriebs zur Füllstandsmessung einsetzbar.
In Verbindung mit Füllgütern, die darauf auftreffende Mikrowellensignale teilweise reflektieren und teilweise hindurch treten lassen, kann alternativ zu den oben beschriebenen Leerechopositionsbestimmungsverfahren auch das nachfolgend beschriebene Verfahren eingesetzt werden. Dabei werden vom Füllstandsmessgerät 3 über einen Zeitraum, in dem der Füllstand L einen Füllstandsbereich ΔL überstreicht und der Behälter 1 mindestens einmal leer ist, auf die oben beschriebene Weise Echofunktionen E(P) abgeleitet, und die Füllstandsechopositionen P_L der darin detektierbaren Füllstandsechos E_L und die Behälterbodenechopositionen P_B der darin detektierbaren Behälterbodenechos E_B bestimmt und zusammen mit den jeweils zugehörigen Füllständen L abgespeichert. Die zugehörigen Füllstände L können auch hier bereits anhand der Füllstandsechopositionen P_L der detektierten Füllstandsechos E_L ermittelt werden.
4 zeigt ein Beispieldiagramm der über diesen Zeitraum mit der in 2 dargestellten Messanordnung in Abhängigkeit vom Füllstand L aufgezeichneten durch Kreuze dargestellte Füllstandsechopositionen P_L und der in Abhängigkeit vom Füllstand L aufgezeichneten durch Dreiecke dargestellten Behälterbodenechopositionen P_B.
Anschließend wird anhand der aufgezeichneten Behälterbodenechopositionen P_B und der zugehörigen Füllstände L eine erste Regressionsgerade G1 durch die Behälterbodenechopositionen P_B bestimmt, die die Positionen P_B Behälterbodenechos E_B als Funktion des Füllstands L wiedergibt. D. h.: G1: P_B ^G1 = mL + P_B0 wobei

m: die Steigung der Regressionsgeraden G1, und
P_B0: deren Offset bezeichnen.

Der Verwendung dieser Regressionsgeraden G1 liegt die Annahme zugrunde, dass die Behälterbodenechoposition P_B des Behälterbodenechos E_B mit steigendem Füllstand L linear ansteigt. Diese Annahme ist regelmäßig erfüllt, da dieser füllstands-abhängige Anstieg auf der vom Füllstand L abhängigen Länge der von den Mikrowellensignalen im Füllgut zurückgelegten Wegstrecke und der Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Mikrowellensignale in dem über dem Füllgut befindlichen Medium und im Füllgut abhängt.
Ist die Leerdistanzposition P_D nur ungenau bekannt wird parallel dazu vorzugsweise anhand der aufgezeichneten Füllstandsechopositionen P_L und der zugehörigen Füllstände L eine zweite Regressionsgerade G2 durch die Füllstandsechopositionen P_L bestimmt, die die Positionen P_L ^G2 der Füllstandsechos E_L als Funktion des Füllstands L wiedergibt. G2: P_L ^G2 = nL + P_L0 wobei

n: die Steigung der Regressionsgeraden G2, und
P_L0: deren Offset bezeichnen.

Es wird ein Schnittpunkt C der beiden Regressionsgeraden G1 und G2 bestimmt, und dessen Position nachfolgend für die Identifizierung der Füllstands- und der Behälterbodenechos E_L, E_B in den in dem Zeitraum aufgezeichneten Echofunktionen E(P) als fiktive die beiden Bereiche I und II voneinander trennende Leerdistanzposition P_DC verwendet. Anhand dieser fiktiven Leerdistanzposition P_DC können nun auch in dem Zeitraum innerhalb des Leerdistanzpositionsbereichs ΔP_D aufgetretene Echos E als Füllstands- bzw. als Behälterbodenecho E_L, E_B identifiziert werden.
Dabei kann der Schnittpunkt C bereits relativ frühzeitig innerhalb des Zeitraums anhand weniger gemessener Füllstandsechopositionen P_L und weniger gemessener Behälterbodenechopositionen P_B bestimmt werden. Anhand der in dem Zeitraum aufgezeichneten Füllstandsechopositionen P_L wird die größte aufgezeichnete Füllstandsechoposition P_L ^max ermittelt. Letztere entspricht dem niedrigsten während des Zeitraums aufgetretenen Füllstand L_leer. Über die Verwendung der fiktiven Leerdistanzposition P_DC ist dies auch dann sichergestellt, wenn das Füllstandsecho E_L des niedrigsten aufgetretenen Füllstands L innerhalb des Leerdistanzpositionsbereichs ΔP_D aufgetreten ist. Da der Behälter 1 während des Zeitraums mindestens einmal entleert wurde, liegt der niedrigste aufgetretene Füllstand L bei nahezu leeren Behälter 1 vor.
Dementsprechend entspricht die größte aufgezeichnete Füllstandsechoposition P_L ^max zugleich auch der tatsächlich vorliegenden Leerdistanzposition P_D. Sie wird daher vorzugsweise im Füllstandsmessgerät 3 abgespeichert, und im nachfolgenden Messbetrieb anstelle der zuvor möglicher Weise nur mit einer Messungenauigkeit vorgegebenen Leerdistanzposition P_D zur Echoidentifizierung verwendet.
Die gesuchte Leerechoposition P_leer entspricht der Behälterbodenechoposition P_B bei leerem Behälter 1, und ergibt sich somit unmittelbar aus der größten aufgezeichneten Füllstandsechoposition P_L ^max und der ersten Regressionsgeraden G1 als diejenige Behälterbodenechoposition P_B ^G1(L = L_leer), die die Regressionsgerade G1 dem der größten aufgezeichneten Füllstandsechoposition P_L ^max zugeordneten Füllstand L_leer zuweist.
Im Anschluss an die Bestimmung der Leerechoposition P_leer wird ein vorzugsweise beidseitig eng begrenzter Leerechopositionsbereich ΔP_leer um diese Leerechoposition P_leer festgelegt, in dem das Behälterbodenecho E_B im nachfolgenden Messbetrieb bei leerem Behälter 1 zu erwarten ist. Dabei muss der Leerechopositionsbereich ΔP_leer mindestens so groß sein, wie die Messgenauigkeit der Positionsbestimmung. Allerdings braucht er auch nicht viel größer zu sein. Vorzugsweise wird ein Bereich gewählt, dessen Breite ein vorzugsweise geringes einzahliges Vielfaches der Messgenauigkeit der Positionsbestimmung beträgt.
Im Anschluss an die Festlegung dieses Leerechopositionsbereich ΔP_leer kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das Vorliegen eines leeren Behälters 1 zuverlässig erkannt und angezeigt werden.
Dabei wird nur dann ein leerer Behälter 1 angezeigt, wenn in der jeweiligen aktuellen Echofunktion E(P) kein Füllstandsecho E_L detektiert werden kann und ein Behälterbodenecho E_B innerhalb des eng begrenzten Leerechopositionsbereichs ΔP_leer detektiert wird.
Liegt das Behälterbodenecho E_B außerhalb des Leerechopositionsbereichs ΔP_leer, so liegt auch dann ein oberhalb der durch die Leerdistanz D gegebenen Höhe im Behälter 1 liegender Füllstand L vor, wenn kein Füllstandsecho E_L detektiert werden konnte.
Dieser Fall kann aus einer Vielzahl verschiedener Gründe eintreten.
Hier sind zunächst die physikalischen Ursachen zu nennen, die dazu führen, dass an der Füllgutoberfläche nur ein für eine messtechnische Erfassung zu geringer Anteil oder sogar gar kein Anteil zum Füllstandsmessgerät 3 zurück reflektiert wird. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Füllgut in dem Bereich der Füllgutoberfläche in dem die gesendeten Mikrowellensignale S auftreffen zumindest kurzzeitig eine geringe Dielektrizitätskonstante und damit eine geringe Reflektivität aufweist. Darüber hinaus kann dieser Fall durch Turbulenzen auf der Füllgutoberfläche verursacht werden, die dazu führen, dass an der turbulenten Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellensignale in andere Raumrichtungen als der zum Füllstandmessgerät 3 zurück weisenden reflektiert werden. Ein weitere Ursache für ein nicht detektierbares Füllstandsecho E_L ist Schaumbildung auf der Füllgutoberfläche, die zu schwachen und/oder diffusen Reflektionen führt.
Daneben kann ein nicht detektierbares Füllstandsecho E_L aber auch messverfahrens-spezifische Ursachen haben. Ein Beispiel hierfür sind die oben erwähnten Verfahren, mit denen Echos von Mikrowellen reflektierenden Störern, wie z. B. Einbauten im Behälter 1, in den Echofunktionen E(P), z. B. über vorgegebene Echoschwellen, ausgeblendet werden. Diese Verfahren haben zur Folge, dass ein Füllstandecho E_L eines auf der Höhe des Störers befindlichen Füllstands L genauso, wie das Echo des Störers ausgeblendet wird, und somit nicht detektiert wird. Wird im Messbetrieb kein Füllstandsecho E_L, sondern nur ein außerhalb des Leerechopositionsbereichs ΔP_leer liegendes Behälterbodenecho E_B detektiert, so wird dies vorzugsweise vom Füllstandsmessgerät 3, beispielsweise in Form einer Anzeige eines Füllstandsechoverlusts, angezeigt.
Darüber hinaus kann in diesen Fällen anhand der die Leerechoposition P_leer übersteigenden Behälterbodenechoposition P_B des detektierten Bodenechos E_B und einer vorab ermittelten Abhängigkeit P_B(L) der Behälterbodenechopositionen E_B vom Füllstand L der Füllstand L bestimmt werden.
Sind die Geometrie des Behälters 1 und der Einbauort des Füllstandsmessgeräts 3 vorab bekannt, kann diese Abhängigkeit P_B(L) rechnerisch anhand der Differenz der Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Mikrowellensignale in dem über dem Füllgut befindlichen Medium und im Füllgut selbst und der vom Füllstand L abhängigen Länge der im Füllgut zurückgelegten Wegstrecke der das Behälterbodenecho E_B bildenden Signalanteile bestimmt werden.
Vorzugsweise wird die Abhängigkeit der Behälterbodenechopositionen E_B vom Füllstand L jedoch, genau wie die Leerechoposition P_leer, vom Füllstandsmessgerät 3 in einem vorzugsweise automatisiert ablaufenden Verfahren selbsttätig am Einsatzort in der jeweiligen Messanordnung bestimmt. Dies bietet für die Bestimmung der Abhängigkeit die oben bereits in Verbindung mit der Bestimmung der Leerechoposition P_leer genannten Vorteile.
Die Bestimmung dieser Abhängigkeit P_B(L) erfolgt vorzugsweise indem das Füllstandsmessgerät 3 über einen Zeitraum, in dem der Füllstand L zumindest einen Teilbereich des Füllstandsbereich, für den die Abhängigkeit P_B(L) bestimmt werden soll, mindestens einmal durchläuft. Genau wie bei der Bestimmung der Leerechoposition P_leer, werden auch hier während des Zeitraums Echofunktionen E(P) abgeleitet, und die Behälterbodenechopositionen P_B der in den Echofunktionen E(P) detektierbaren Behälterbodenechos E_B und die Füllstandsechopositionen P_L der in den Echofunktionen E(P) detektierbaren Füllstandsechos E_L als Funktion der zugehörigen, beispielsweise anhand der Füllstandsechopositionen P_L ermittelten, Füllstände L aufgezeichnet. Insoweit stimmt das Verfahren mit dem der Leerechopositionsbestimmung überein, und es ergibt sich die in 4 dargestellte Aufzeichnung.
Auch hier kann wieder die oben beschriebene Regressionsgerade G1 durch die Behälterbodenechopositionen P_B bestimmt werden, die die gesuchte Abhängigkeit P_B(L) der Behälterbodenechopositionen P_B vom Füllstand L unmittelbar wieder gibt.
Dabei genügt es, wenn die Bestimmung dieser Abhängigkeit P_B(L) über einen Zeitraum ausgeführt wird, in dem der Füllstand L nur einen Teilbereich des Füllstandsbereichs, für den die Abhängigkeit bestimmt werden soll, durchläuft. Die Abhängigkeit P_B(L) in den nicht in dem Teilbereich enthaltenen Füllstandsbereichen kann anschließend durch Extrapolation der für den Teilbereich ermittelten Abhängigkeit P_B(L) bestimmt werden. Hierzu wird die Abhängigkeit P_B(L) beispielsweise auch in den über den Teilbereich hinausgehenden Füllstandsbereichen mittels der Regressionsgeraden G1 vorgegeben.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
3: Füllstandsmessgerät
5: Trichterinnenfläche
7: Trichterinnenfläche
9: Behälterdecke

Claims

Verfahren zur Messung eines Füllstands (L) eines Füllguts in einem Behälter (1) mit einem nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Füllstandsmessgerät (3) in Messanordnungen, in denen bei leerem Behälter (1) zumindest ein Teil von in den Behälter (1) gesendeten Mikrowellensignalen (S) über eine Reflektion an einem Boden des Behälters (1) zum Füllstandsmessgerät (3) zurück reflektiert wird, bei dem – das Füllstandsmessgerät (3) Mikrowellensignale (S) in den Behälter (1) sendet und deren im Behälter (1) zum Füllstandsmessgerät (3) zurück reflektierten Anteile nach einer vom deren im Behälter (1) zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale (R) empfängt, – anhand der Empfangssignale (R) Echofunktionen (E(P)) abgleitet werden, die die Amplituden der Empfangssignale (R) als Funktion einer deren Laufzeit oder deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position (P) wiedergeben, – anhand der Echofunktionen (E(P)) festgestellt wird, ob diese ein auf eine Reflektion an einer Füllgutoberfläche zurückzuführendes Füllstandsecho (E_L) enthalten und ob diese ein auf eine Reflektion an einem Behälterboden zurückzuführendes Behälterbodenecho (E_B) enthalten, und – nur dann das Vorliegen eines leeren Behälters angezeigt wird, wenn in der jeweiligen Echofunktion (E(P)) kein Füllstandsecho (E_L) detektiert wurde, und in der jeweiligen Echofunktion (E(P)) ein Behälterbodenecho (E_B) an einer Behälterbodenechoposition (P_B) detektiert wurde, die in einem vorab bestimmten beidseitig begrenzten Leerechopositionsbereich (ΔP_leer) der Echofunktion (E(P)) liegt, in dem das Behälterbodenecho (E_B) bei leerem Behälter (1) an einer von einer Form des Behälters (1) und einer Einbauposition des Füllstandsmessgeräts (3) abhängigen Leerechoposition (P_leer) auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Leerechoposition (P_leer) bestimmt wird, indem – das Füllstandsmessgerät (3) über einen Zeitraum, in dem der Behälter (1) mindestens einmal entleert wird, Mikrowellensignale (S) in den Behälter (1) sendet und deren im Behälter (1) zum Füllstandsmessgerät (3) zurück reflektierten Anteile nach einer vom deren im Behälter (1) zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale (R) wieder empfängt, – anhand der Empfangssignale (R) Echofunktionen (E(P)) abgleitet werden, die die Amplituden der Empfangssignale (R) als Funktion einer deren Laufzeit oder deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position (P) wiedergeben, – anhand der Echofunktionen (E(P)) Behälterbodenechopositionen (P_B) der in den Echofunktionen (E(P)) detektierbaren Behälterbodenechos (E_B) bestimmt werden, und – die Leerechoposition (P_leer) gleich der kleinsten in diesem Zeitraum bestimmten Behälterbodenechoposition (P_B) gesetzt wird, wenn innerhalb des Zeitraums mindestens ein Behälterbodenecho (E_B) detektiert wurde.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem – ein eine Leerdistanzposition (P_D) umgebender Leerdistanzpositionsbereich (ΔP_D) vorgegeben ist, in dem darin auftretende Echos weder als Füllstandsechos (E_L) noch als Behälterbodenechos (E_B) identifizierbar sind, – wobei die Leerdistanzposition (D) diejenige Position ist, die einer Entfernung vom Füllstandsmessgerät (3) entspricht, in der die vom Füllstandsmessgerät (3) gesendeten Mikrowellensignale (S) bei leerem Behälter (1) erstmalig auf einen Teilbereich des Behälterbodens auftreffen, – der Leerechopositionsbereich (ΔP_leer) gleich dem Leerdistanzpositionsbereich (ΔP_D) gesetzt wird, wenn während des Zeitraums kein Behälterbodenecho (E_B) detektiert wurde oder die kleinste während des Zeitraums aufgetretene Behälterbodenechoposition (P_B) unmittelbar an den Leerdistanzpositionsbereich (ΔP_D) angrenzt, – der Leerechopositionsbereich (ΔP_leer) gleich einem die Leerechoposition (P_leer) umgebenden Bereich gesetzt wird, dessen Breite größer als eine Positionsbestimmungsgenauigkeit des Füllstandsmessgeräts (3) und geringer als ein einzahliges Vielfaches der Positionsbestimmungsgenauigkeit ist, wenn die ermittelte Leeerechoposition (P_leer) den Leerdistanzpositionsbereich (ΔP_D) um mehr als die Positionsbestimmungsgenauigkeit übersteigt, und – im nachfolgenden regulären Messbetrieb innerhalb des Leerechopositionsbereichs (ΔP_leer) auftretende Echos als Behälterbodenechos (E_B) identifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Füllgut darauf auftreffende Mikrowellensignale teilweise reflektiert und teilweise hindurch treten lässt, und die Behälterbodenechopositionen (P_B) in den Echofunktionen (E(P)) bestimmt werden, indem – in einer der während des Zeitraums abgeleiteten Echofunktionen (E(P)) ein Behälterbodenecho (E_B) detektiert und dessen Behälterbodenechoposition (P_B) bestimmt wird, und – die Behälterbodenechos (E_B) der zeitlich nach dieser Echofunktion (E(P)) abgeleiteten Echofunktionen (E(P) jeweils anhand der jeweiligen Echofunktion (E(P)) und der zuvor zuletzt bestimmten Behälterbodenechoposition (P_B) detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Füllgut darauf auftreffende Mikrowellensignale teilweise reflektiert und teilweise hindurch treten lässt, und die Leerechoposition (P_leer) bestimmt wird, indem – das Füllstandsmessgerät (3) über einen Zeitraum, in dem der Füllstand (L) mindestens um einen vorgegebenen Mindestbetrag variiert und der Behälter (1) mindestens einmal entleert wird, Mikrowellensignale (S) in den Behälter (1) sendet und deren im Behälter (1) zum Füllstandsmessgerät (3) zurück reflektierten Anteile nach einer vom deren im Behälter (1) zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale (R) wieder empfängt, – anhand der Empfangssignale (R) Echofunktionen (E(P)) abgleitet werden, die die Amplituden der Empfangssignale (R) als Funktion einer deren Laufzeit oder deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position (P) wiedergeben, - anhand der Echofunktionen (E(P)) Füllstandsechopositionen (E_L) der in den Echofunktionen (E(P)) detektierbaren Füllstandsechos (E_L) und Behälterbodenechopositionen (P_B) der in den Echofunktionen (E(P)) detektierbaren Behälterbodenechos (E_B) bestimmt und zusammen mit den jeweils zugehörigen Füllständen (L) abgespeichert werden, – die größte während des Zeitraums detektierte Füllstandsechoposition (P_L ^max) bestimmt, und der zugehörige Füllstand (L) als niedrigster während des Zeitraums aufgetretener Füllstand (L_leer) festgehalten wird, und – anhand der aufgezeichneten Behälterbodenechopositionen (P_B) und der zugehörigen Füllstände (L) eine erste Regressionsgerade (G1) bestimmt wird, die die Positionen (P_B ^G1) der Behälterbodenechos (P_B) als Funktion des Füllstands (L) wiedergibt, und – die Leerechoposition (P_leer) als diejenige Behälterbodenechoposition (P_B ^G1(L = L_leer)) bestimmt wird, die gemäß der Regressionsgeraden (G1) bei dem niedrigsten aufgetretenen Füllstand (L_leer) vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem – zu Beginn des Zeitraums ein eine Leerdistanzposition (P_D) umgebender Leerdistanzpositionsbereich (ΔP_D) vorgegeben ist, in dem darin auftretende Echos weder als Füllstandsechos (E_L) noch als Behälterbodenechos (E_B) identifizierbar sind, – wobei eine Leerdistanz (D) eine von der Einbauhöhe des Füllstandsmessgeräts (3) und der Behälterform abhängige Entfernung vom Füllstandsmessgerät (3) ist, in der vom Füllstandsmessgerät (3) gesendete Mikrowellensignale (S) bei leerem Behälter (1) erstmalig auf einen Teilbereich des Behälterbodens auftreffen, und die Leerdistanzposition (P_D) die der Leerdistanz (D) entsprechende Position innerhalb der Echofunktionen (E(P)) ist, – anhand der aufgezeichneten Füllstandsechopositionen (P_L) und der zugehörigen Füllstände (L) eine zweite Regressionsgerade (G2) bestimmt wird, die die Positionen (P_L ^G2) der Füllstandsechos (P_L) als Funktion des Füllstands (L) wiedergibt, – eine fiktive Leerdistanzposition (P_DC) bestimmt wird, die gleich der Position eines Schnittpunkts (C) der beiden Regressionsgeraden (G1, G2) ist, – innerhalb des Zeitraums in den Echofunktionen (E(P)) auch innerhalb des Leerdistanzbereichs (ΔP_D) aufgetretene Echos als Füllstandsechos (E_L) identifiziert werden, wenn sie an einer Position auftreten, die kleiner als die fiktive Leerdistanzposition (P_DC) ist, und als Behälterbodenechos (E_B) identifiziert werden, wenn sie an einer Position auftreten, die größer als die fiktive Leerdistanzposition (P_DC) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem anhand der größten detektierten Füllstandsechoposition (P_L ^max) eine tatsächlich vorliegende Leerdistanz (D) und/oder deren tatsächlich vorliegende Leerdistanzposition (P_D) bestimmt werden, indem die tatsächlich vorliegende Leerdistanzposition (P_D) gleich der größten in dem Zeitraum detektierten Füllstandsechoposition (P_L ^max) gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Füllgut darauf auftreffende Mikrowellensignale (S) teilweise reflektiert und teilweise hindurch treten lässt, und der Füllstand (L) anhand einer vorab ermittelten Abhängigkeit (P_B(L)) der Behälterbodenechopositionen (P_B) vom Füllstand (L) und der Position (P_B) des Bodenechos (E_B) bestimmt wird, wenn – in der Echofunktion (E(P)) kein Füllstandsecho (E_L) detektiert wurde, und – die Bodenechoposition (P_B) des detektierten Bodenechos (E_B) außerhalb des Leerechopositionsbereichs (ΔP_leer) liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Abhängigkeit (P_B(L)) der Behälterbodenechoposition (P_B) vom Füllstand (L) vorab bestimmt wird, indem – das Füllstandsmessgerät (3) über einen Zeitraum, in dem der Füllstand (L) mindestens um einen vorgegebenen Mindestbetrag variiert, Mikrowellensignale (S) in den Behälter (1) sendet und deren im Behälter (1) zum Füllstandsmessgerät (3) zurück reflektierten Anteile nach einer vom deren im Behälter (1) zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignale (R) wieder empfängt, – anhand der Empfangssignale (R) Echofunktionen (E(P)) abgleitet werden, die die Amplituden der Empfangssignale (R) als Funktion einer deren Laufzeit oder deren im Behälter zurückgelegten Wegstrecke entsprechenden Position (P) wiedergeben, – anhand der Echofunktionen (E(P)) Behälterbodenechopositionen (P_B) der in den Echofunktionen (E(P)) detektierbaren Behälterbodenechos (E_B) bestimmt und zusammen mit den jeweils zugehörigen Füllständen (L) abgespeichert werden, und – anhand der aufgezeichneten Behälterbodenechopositionen (P_B) und der zugehörigen Füllstände (L) eine Regressionsgerade (G1) bestimmt wird, die Abhängigkeit (P_B(L)) der Behälterbodenechoposition (P_B) vom Füllstand (L) wiedergibt.
Verfahren nach Anspruch 2, 5, 6, 8 oder 9, bei dem während des Zeitraums, in dem anhand der in dem jeweiligen Zeitraum aufgezeichneten Echofunktionen (E(P)) die Leerdistanzposition (P_leer) und/oder die Abhängigkeit (P_B(L)) der Behälterbodenechoposition (P_B) vom Füllstand (L) bestimmt wird, der Füllstand (L) gemessen wird, indem in den Echofunktionen (E(P)) die Füllstandsechopositionen (P_L) der in den Echofunktionen (E(P)) detektierbaren Füllstandsechos (E_L) bestimmt werden, und die zugehörigen Füllstände (L) anhand der Füllstandsechopositionen (E_L) bestimmt werden.