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Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Füllstand- oder Druckmessung. Insbesondere können mittels des Messsystems Füllstände von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in Behältern gemessen werden. Oder das vorhanden sein von Füllständen detektiert werden (Grenzstände). Alternativ kann ein in einem Behälter herrschender Druck mittels des Messsystems ermittelt werden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Installation und/oder Wartung eines solchen Messsystems.
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Messsysteme zur Füllstand- oder Druckmessung umfassen in der Regel eine Vielzahl von Komponenten, wobei die einzelnen Komponenten zumindest teilweise relativ zueinander verstellbar sind. Diese Vielzahl an Freiheitsgraden ermöglicht es dem Anwender das Messsystem entsprechend der lokalen Begebenheiten anzuordnen und auszurichten.
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Die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messsystem sowie ein Verfahren zur Installation und/oder Wartung des Messsystems zur Verfügung zu stellen, mittels welchen eine besonders genaue Diagnose des Messsystems ermöglicht werden kann.
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Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Füllstand- oder Druckmessung umfasst dabei die folgenden Komponenten:
- - eine Auswerteelektronik,
- - ein Gehäuse,
- - ein Display (optional),
- - einen Prozessanschluss,
- - eine Antenne oder Druckmesszelle, ein Sensorelement wie beispielsweise eine Schwinggabel oder einen Schwingstab mit einem Piezoelement
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Bei der Auswerteelektronik handelt es sich insbesondere um elektronische Bauteile, mittels welcher die von der Antenne bzw. einem Radarsensor oder dem Sensorelement, insbesondere der Druckmesszelle oder dem Piezoelement gemessenen Signale ausgewertet werden. Die Auswerteelektronik ist insbesondere zur Energieversorgung mit einer Stromquelle verbunden. Die Auswerteelektronik ist in einem Gehäuse angeordnet, welches zur Isolierung und Abschirmung der Auswerteelektronik dient.
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Zudem kann als weitere Komponente eine Anzeige und/oder Bedieneinheit mit einem Display zum Ablesen der Messwerte und zur Bedienung des Messsystems vorgesehen bzw. optional nachrüstbar sein.
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Ferner umfasst das Messsystem einen Prozessanschluss, mittels welchem das Messsystem beispielsweise an einem Behälter befestigt werden kann. Bei dem Prozessanschluss kann es sich um ein Außengewinde handeln, welches direkt mit einem Behälter oder eine Adapterplatte verschraubt werden kann. Alternativ kann ein Schraub- oder Klemmflansch vorgesehen sein.
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Zur Messung des Füllstandes oder Drucks in einem Behälter weist das Messsystem je nach Anwendung eine Antenne zur Aussendung von elektromagnetischer Strahlung oder eine Druckmesszelle auf. In Zusammenhang mit der Antenne zur Messung des Füllstandes weist das Messsystem insbesondere noch einen Radarsensor auf. Bei der Antenne kann es sich beispielsweise um eine Hornantenne, Linsenantenne oder auch um eine Planarantenne handeln.
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Erfindungsgemäß ist die Lage mindestens zweier der Komponenten mittels Lageerfassungsmitteln mittelbar oder unmittelbar bestimmbar. Vorzugsweise ist die Lage eines Großteils der Komponenten und besonders bevorzugt sämtlicher Komponenten mittels Lageerfassungsmitteln mittelbar oder unmittelbar bestimmbar.
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Unter mittelbar bestimmbar wird vorliegend verstanden, dass die Lage der jeweiligen Komponente lediglich in Bezug auf eine andere Komponente bestimmt werden kann, also nur die Relativposition der jeweiligen Komponente zu einer anderen. Wenn mindestens eine Komponente ein Lagererfassungsmittel aufweist, mittels welchem die absolute Lage dieser Komponente bestimmbar ist, so kann über die Relativlagen auch die absolute Lage der weiteren Komponenten erfasst werden.
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Durch die Möglichkeit die Relativlage mehrerer Komponenten zu bestimmen, kann unter anderem sichergestellt werden, dass diese Komponenten richtig eingebaut sind. Insbesondere kann bei einem Ausfall des Messsystems oder einer verschlechterten Signalqualität überprüft werden, ob dies durch eine von einer Soll-Lage abweichenden Ist-Lage einer der Komponenten verursacht ist. Mit anderen Worten wird im Falle einer verminderten Signalqualität ein Rückschluss auf mögliche Positionsabweichungen der Komponenten des Messsystems ermöglicht.
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Bei den Lageerfassungsmitteln kann es sich bspw. um Beschleunigungssensoren, Kompasssensoren, GPS-Empfänger oder eine Kombination daraus handeln. Mit einem Beschleunigungssensor kann auf einfache Art und Weise mit einem sehr kostengünstigen Sensor ermittelt werden, in Welcher Lage der Füllstand- oder Druckmesssensor eingebaut ist. Entsprechende Beschleunigungssensoren gibt es bspw. als 3-Achs Beschleunigungssensoren, mittels welcher eine Lage des Sensors relativ zur Erdbeschleunigung mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann. Mittels eines Kompasssensors kann zusätzlich oder alternativ eine Orientierung des Sensors bestimmt werden, sodass bspw. die Möglichkeit besteht, die Orientierung verschiedener Sensoren miteinander zu vergleichen. Ferner besteht mittels eines GPS-Sensors die Möglichkeit, eine absolute Positionierung des Sensors zu bestimmen.
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Insbesondere weist mindestens eine der Komponenten ein Lageerfassungsmittel in Form eines GPS-Empfängers (oder ähnliches) auf. Mittels des GPS-Empfängers kann die absolute Lage des Messsystems ermittelt werden. Insbesondere bei einer Verwendung von mehreren Messsystemen an einem oder mehreren Behältern, kann mittels des GPS-Empfängers die Lage der einzelnen Messsysteme genau bestimmt werden.
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Vorzugsweise weist die Auswertelektronik ein Lageerfassungsmittel in Form eines GPS-Empfängers auf. Ein GPS-Empfänger kann leicht im Bereich der Auswerteelektronik untergebracht werden und dort mit Strom versorgt werden.
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In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems ist die Auswerteelektronik fest mit dem Gehäuse verbunden. Insbesondere sind die Auswerteelektronik und das Gehäuse miteinander verklebt oder verlötet oder verschraubt oder geklemmt oder mittels eines Bayonettverschlusses miteinander verbunden. Dann kann die Lage des Gehäuses über den Lagesensor der Auswerteelektronik mittelbar bestimmt werden.
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In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems ist der Prozessanschluss gegenüber der Auswerteelektronik und/oder gegenüber dem Gehäuse verdrehbar. Typischerweise kann das Gehäuse gegenüber dem Prozessanschluss um 320° oder um 360° rotiert werden. Bei einem bereits mit einem Behälter verbundenen Prozessanschluss kann so das Gehäuse noch in eine für den Anwender gut zugängliche Endposition gebracht werden um eine elektrische Spannungsversorgung mit dem Sensor zu verbinden. Die Relativlage des Prozessanschlusses und des Gehäuses kann insbesondere mittels eines Drehwinkelsensors bestimmt werden. Dieser übersetzt eine Winkelposition zwischen zwei Bauteilen in ein elektrisches Signal. In der Art erfolgt die Bestimmung der Lage des Prozessanschlusses mittelbar über die Bestimmung der Relativlage zum Gehäuse.
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Wenn es zum Beispiel während des Einsatzes des Messsystems dazu kommt, dass das Gehäuse mit einem darin angeordneten Radarsensor oder die fest mit dem Gehäuse verbundene Elektronik durch äußere Einwirkungen verdreht wird und es dadurch zu Störsignalen kommt, kann anhand der Lagesensoren die verursachte Verminderung der Messqualität gegebenenfalls auf eine ungewollte Verdrehung des Gehäuses gegenüber dem Prozessanschluss zurückgeführt werden.
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Als Drehwinkelsensoren kann insbesondere ein kapazitiver Linearencoder eingesetzt werden, wobei der nicht-aktive Teil am Prozessanschluss angeordnet ist und der aktive Teil benachbart zu dem Gehäuse bzw. der Auswerteelektronik. Alternativ kann ein Drehknopf vorgesehen sein oder ein Widerstandssensor, wobei ein Teil des Potentiometers auf der zum Gehäuse weisenden Seite des Prozessanschlusses angeordnet ist.
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Die Lage der Antenne im Falle eines Füllstandmessgerätes ist üblicherweise über die Lage des Prozessanschlusses festgelegt, da die Antenne und der Prozessanschluss fest und starr miteinander verbunden sind. Folglich kann die Lage der Antenne mittelbar über die Lage des Prozessanschlusses ermittelt werden. Für den Fall, dass die Antenne gegenüber dem Prozessanschluss verschwenkbar ist, kann auch hier ein Drehwinkelsensor angeordnet werden, um eine entsprechende Verdrehung bzw. Verschwenkung zu detektieren.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiels der Füllstanderfassung mittels Schwinggabel (Vibration) kann durch diese Erfindung die Lage und Ausrichtung der Gabel erfasst werden. So ist es z. B. bei einem seitlichen Einbau in den Behälter empfohlen, dass die Gabelblätter vertikal zum Behälter ausgerichtet sind. Dadurch wird die Messzuverlässigkeit erhöht. Mit dem hier beschriebenen Verfahren lässt sich dies erfassen um den Nutzer bei der Inbetriebnahme darauf hinzuweisen, oder im digitalen Zwilling als Information darzustellen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems ist das Display gegenüber der Auswerteelektronik nur in vorbestimmten Anschlusspositionen anordenbar. Insbesondere kann das Display gegenüber der Auswerteelektronik nur in vier Positionen, jeweils um 90° versetzt zueinander angeordnet werden. Anhand der verwendeten Anschlussposition - d.h. über die Auswertung, welche Anschlüsse zwischen der Auswertelektronik und dem Display kontaktiert sind - kann die Relativlage des Displays gegenüber der Auswertelektronik eindeutig bestimmt werden.
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Alternativ dazu kann zur Bestimmung der Relativlage zwischen dem Display und der Auswerteelektronik ebenfalls ein wie vorstehend beschriebener Drehwinkelsensor angeordnet sein. Das Display kann dann mit der Auswerteelektronik über Schleifkontakte verbunden sein, um beliebige Drehwinkel zu realisieren. Oder das Display besitzt einen eigenständigen Lagesensor. Über eine digitale Schnittstelle können die Auswerteelektronik und das Display kommunizieren. Hierbei sendet mindestens einer der Teilnehmer seine jeweilige Lage an die jeweils andere Komponente und es wird daraus die Positionierung der beiden Komponenten zueinander errechnet.
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Insbesondere umfasst das Messsystem eine Erfassungseinheit, mittels welcher die Lage der verschiedenen Komponenten erfasst und insbesondere auch ausgewertet werden kann. Dazu ist die Erfassungseinheit mit den verschiedenen Lageerfassungsmitteln verbunden und kann von diesen in geeigneter Weise die verschiedenen Relativlagen erfassen. Insbesondere kann die Erfassungseinheit dazu ausgebildet sein, die Relativlage der einzelnen Komponenten auszuwerten und weiterzuleiten. Vorzugsweise werden die Relativlagen an die Anzeige und/oder Bedieneinheit mit dem Display weitergeleitet und/oder an ein übergeordnetes System. Die Erfassungseinheit und/oder das übergeordnete System sind ferner insbesondere dazu ausgebildet, die ausgewerteten Ist-Lagen der einzelnen Komponenten mit einer jeweiligen Soll-Lage zu vergleichen und bei einer etwaigen Abweichung, ein Signal auszugeben.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Installation und/oder Wartung eines wie vorstehend beschriebenen Messsystems, wobei die Ist-Lage von mindestens zwei der Komponenten mit einer Soll-Lage verglichen wird und ein Signal ausgegeben wird, wenn die Ist-Lage von dieser Soll-Lage abweicht.
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Damit kann ermöglicht werden, dass bereits während der Installation des Messsystems überprüft werden kann, ob alle Komponenten richtig eingebaut sind und eine entsprechend vorgesehene Soll-Lage relativ zueinander aufweisen. Insbesondere kann die Ist-Lage nach erfolgter Installation gespeichert und als Soll-Lage festgelegt werden, so dass Veränderungen an der Relativlage der einzelnen Komponenten während der Einsatzzeit zuverlässig detektiert werden können.
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Insbesondere die Wartung des Messsystems kann verbessert werden, wenn ein digitaler Zwilling des Messsystems erstellt wird und ein Abgleich der von dem digitalen Zwilling vorhergesagten Signalqualität mit der tatsächlichen Signalqualität erfolgt. Die Lageinformation der einzelnen Komponenten trägt dabei dazu bei, den digitalen Zwilling genauer zu machen, da dieser mehr Informationen enthält. So können auch mechanische Änderungen der Einbaubedingungen an den digitalen Zwilling weitergeleitet werden.
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Vorzugsweise werden mehrere Messsysteme zusammengeschaltet und Messergebnisse mehrere digitaler Zwillinge miteinander verglichen. Beispielsweise kann die Länge der Wartungsintervalle oder die Signalqualität der verschiedenen Messsysteme untereinander verglichen werde. Falls ein Messsystem ein kürzeres Wartungsintervall oder eine schlechtere Signalqualität aufweist, kann mit den Lageerfassungsmitteln leicht überprüft ist, ob eine Komponente, eine von der Soll-Position abweichende Ist-Position aufweist oder ob ein anderweitiges Problem vorliegt.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Messsystem in einer Explosionsdarstellung.
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In 1 ist ein Messsystem 10 in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Bei dem Messsystem 10 handelt es sich vorliegend um ein Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes in einem Behälter.
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Das Messsystem 10 umfasst vorliegend eine Antenne 12, welche fest und starr mit einem Prozessanschluss 14 verbunden ist. Der Prozessanschluss 14 ist hier als Einschraubflansch mit einem Außengewinde ausgebildet und kann in ein entsprechendes am Behälter vorgesehenes Gewinde oder einen Adapter eingeschraubt werden.
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Ferner umfasst das Messsystem 10 ein Gehäuse 16, in welchem eine Auswerteelektronik 18 angeordnet ist. Vorliegend ist die Auswertelektronik 18 fest in dem Gehäuse 16 angeordnet.
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Das Gehäuse 16 ist jedoch relativ zu dem Prozessanschluss 14 verdrehbar. Der mögliche Winkelbereich der Verdrehung zwischen dem Prozessanschluss 14 und dem Gehäuse 16 beträgt in der gezeigten Ausführungsform 360°.
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An die Auswerteelektronik 18 ist ein Display 20 angeschlossen, welches zudem an der dem Gehäuse 16 abgewandten Seite eine Abdeckung 22 aufweist. Das Display 20 kann in Bezug auf die Auswerteelektronik 18 in vier verschiedenen Anschlusspositionen angeordnet werden, wobei die Anschlusspositionen jeweils in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
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Die Auswertelektronik 18 weist ein Lageerfassungsmittel in Form eines GPS-Empfängers auf (nicht erkennbar). Damit kann die absolute Position der Auswerteelektronik 18 bestimmt werden.
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Die Ausrichtung des Displays 20, d.h. die gewählte Anschlussposition des Displays 20 an der Auswertelektronik 18 kann über die jeweils verbundenen Kontakte (nicht sichtbar) zwischen dem Display 20 und der Auswerteelektronik 18 ermittelt werden.
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Zur Messung der Verdrehung des Prozessanschlusses 14 gegenüber dem Gehäuse 16 ist als Lageerfassungsmittel ein Drehwinkelsensor zwischen dem Gehäuse 16 und dem Prozessanschluss 14 angeordnet (ebenfalls nicht erkennbar).
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Die Auswerteelektronik 18 wertet neben den von der Antenne 12 erhaltenen Signalen auch die Signale der Lageerfassungsmittel aus und kann so die Relativlage der einzelnen Komponenten 12, 14, 16, 18, 20 zueinander bestimmen. Die Auswerteelektronik 18 dient insoweit auch als Erfassungseinheit 24.
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Über Anschlüsse 26 werden sowohl die Sensorsignale als auch die Signale der Lageerfassungsmittel an eine übergeordnete Einheit weitergeleitet. Dort werden die Ist-Lagen der einzelnen Komponenten 12, 14, 16, 18, 20 mit den vorgesehenen Soll-Lagen verglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Messsystem
- 12
- Antenne
- 14
- Prozessanschluss
- 16
- Gehäuse
- 18
- Auswerteelektronik
- 20
- Display
- 22
- Abdeckung
- 24
- Erfassungseinheit
- 26
- Anschluss
