-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Radarlevelmesssystem/Radarfüllstandsmesssystem
zum Bestimmen des Fülllevels
eines Füllmaterials
in einem Behälter,
umfassend einen Sender zum Emittieren von Messsignalen in Richtung
der Oberfläche des
Füllmaterials;
einen Empfänger
zum Empfangen von Echosignalen von dem Behälter; und einen Verarbeitungsschaltkreis
zum Bestimmen des Fülllevels des
Behälters
basierend auf dem Echosignal. Genauer betrifft die Erfindung ein
Radarlevelmesssystem, das in Behältern
mit zumindest einer störenden Struktur
zu verwenden ist, welche die emittierten Messsignale reflektiert.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum
Bestimmen des Fülllevels
eines Füllmaterials
in einem Behälter.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Radarlevelmessen
(radar level gauging, RLG), zum Messen des Levels eines Füllmaterials, wie
beispielsweise einer Flüssigkeit
oder eines Feststoffes, wie beispielsweise einem Granulat, ist ein
zunehmend wichtiges Verfahren zum Fülllevelmessen in Tanks, Behältern, etc.
Das Verfahren der Radarlevelmessung kann sehr allgemein in drei
Schritte unterteilt werden:
- • Suchen:
Finden des korrekten Oberflächenechos
unter möglichen
Störechos.
- • Verfolgen:
Folgen des gefundenen Oberflächenechos
während
verschiedener sich ändernden Bedingungen.
- • Genauigkeit:
Anforderungen an die Genauigkeit während üblicher Behälterzustände, die üblicherweise sehr viel diversifizierter
sind als die allgemein genannte "Instrumentengenauigkeit".
-
Zur
Radarlevelmessung sind die Bedingungen für verschiedene Anwendungen
sehr verschieden. Beispielsweise benötigt die mm-Genauigkeit bei CTS-Anwendungen (custody
transfer system) eine sehr genaue Kontrolle der Installationsbedingungen. Eine
solche Genauigkeit ist heutzutage in Marine- und Raffinerie-Einrichtungen praktisch
erreichbar, sie ist jedoch allgemein bei üblichen Prozessanwendungen
nicht einfach erreichbar aufgrund der Menge an Störechos.
Mehr oder weniger sind jedoch alle vorhandenen RLGs auf dem Markt
unter der Annahme einer einfachen Echosituation optimiert, wo das Oberflächenecho
allgemein durch seine Stärke
unterschieden werden kann. Dies ist eine natürliche Entwicklung ausgehend
von den ältesten
RLG-Anwendungen, wie den Marineverwendungen, wo Installationsbedingungen
in gewisser Weise kontrollierbar sind, und der CTS-Anwendung in
großen
Raffineriebehältern,
wo der Abstand zu störenden
Objekten üblicherweise
so groß wie
gewünscht
ist. Bei üblichen
Prozessbehältern
ist der Abstand zu den Wänden
viel kleiner und eine turbulente Oberfläche ist eine normale Situation.
Dementsprechend ist die Aufgabe des Findens und Verfolgens der richtigen Oberfläche sehr
viel schwieriger in einem Prozessbehälter als beispielsweise in
einem Raffineriebehälter. Vor
diesem Hintergrund kann in Frage gestellt werden, ob eine Echoauffindelogik
basierend auf einer Echologik für
relativ einfache Bedingungen, verbessert durch eine Anzahl von mehr
oder weniger üblichen
Verbesserungen, wirklich ausreichend sein kann im Vergleich zu einer
Lo gik, die direkt für
die tatsächliche
Situation entwickelt ist.
-
Heutige
RLGs verwenden üblicherweise
die Informationen eines FFT-Spektrums, um zu unterscheiden, welches
Echo der zu messenden Oberfläche
entspricht. Das FFT-Spektrum gibt die reflektierte Energie bei verschiedenen
Abständen
wieder. Dementsprechend ist das FFT-Spektrum normalerweise ein eher
ungenaues Mittel zum Unterscheiden zwischen beispielsweise einem
stationären
Objekt, einer turbulenten Füllmaterialoberfläche und
einer bewegten Rührapparat-Struktur,
die in dem Behälter
angeordnet ist. Weiterhin ist es normalerweise schwierig, die Füllmaterialoberfläche zu unterscheiden,
wenn der Behälter
im Wesentlichen leer ist und damit begonnen wird, ihn zu füllen. Zu
diesem Zeitpunkt ist die Füllmaterialoberfläche auch
eher turbulent. Weiterhin würden
starke Echos von stationären
Objekten und Strukturen in dem Behälter die Messung stören und die
Verfolgungsfunktionalität
könnte
einfach fehlgeleitet werden, um einem fehlerhaften Echo verhaftet zu
bleiben oder könnte
das Füllmaterialoberflächenecho
verlieren, wenn es nahe bei einem störenden Echo ist.
-
Bei
bestehenden RLG-Systemen sind verschiedene Hardwarebezogene Mittel
vorgeschlagen worden, um die Auswahl des richtigen Oberflächenechos
durchzuführen
und aufrecht zu erhalten. Beispielsweise wurden schmale Antennenkeulen
verwendet, welche die Amplitude von störenden Echos, wie beispielsweise
von Konstruktionsstahlträgern,
reduzieren. Unglücklicherweise
benötigt
eine schmalere Antennenkeule einen größeren Antennendurchmesser,
was inkompatibel mit existierenden Montageöffnungen sein kann. Dementsprechend
ist bei üblichen
Prozessbehältern
die Anzahl von störenden Echos,
die in dem Rohsignal auftreten, üblicherweise größer als
gewünscht.
Weiterhin wird oft normalerweise eine Bereichseinschränkungs funktion
in der Software implementiert. Unabhängig davon, ob das System vom
FMWC-Typ oder vom gepulsten Typ ist, kann ein "Behälterspektrum" als ein Werkzeug
zum Auswählen
des wahrscheinlichsten Echos verwendet werden. Das Behälterspektrum
ist ein erfasstes Behältersignal,
wobei die Amplitude nur in Kombination mit geeigneten logischen
Entscheidungen verwendet wird. Außerdem wird üblicherweise
eine Funktion zum Messen der Amplitude und eines bezogenen Schwellenwerts
benötigt,
um Rauschen oder irrelevante Echos von dem wahrscheinlichsten Oberflächenecho
zu unterscheiden. Dies ist auch hauptsächlich eine Softwarefunktion,
sie benötigt
jedoch eine bestimmte Kalibrierung von Verstärkungen etc., um dem System
mitzuteilen, was ein "normales" Echo sein sollte.
Eine mehr oder weniger aufwändige Echologik
kann auch beim Verarbeiten der Echos verwendet werden, welche den
Test mit einer ausreichenden Amplitude und einer ausreichenden Ähnlichkeit
zu bereits reflektierten Echos bestanden haben. Es besteht jedoch
immer noch ein Bedürfnis
für eine
verbesserte Radarlevelmessung, insbesondere bei Behältern mit
störenden
Strukturen, welche reflektierende Signale erzeugen.
-
Um
die Situation zu verbessern, wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen.
Empfang des Echos in zwei Polarisationen (mit einem etwas komplizierteren
Antennen/Mikrowellen-Modul) und Vergleichen des empfangenen Signals
ist ein Verfahren, um die Möglichkeiten
zu steigern, ein Oberflächenecho
von weniger symmetrischen störenden
Echos zu unterscheiden. Diesbezüglich
siehe beispielsweise die
US 6
759 976 . Die Zeitvariation der Echoamplitude ist eine andere
Möglichkeit,
welche mit der Polarisation kombiniert werden kann und welche für eine turbulente
Oberfläche
hilfreich ist. Ein drittes Verfahren ist es, eine noch kompliziertere
Antenne zum Erzeugen einiger unterschiedlicher Antennenkeulen zu
verwenden (oder einer leicht nicht-vertikalen Keule, welche um die
Senkrechte rotiert), all dies für
den idealen Fall, dass dasselbe Oberflächenecho erzeugt wird, jedoch
stark unterschiedliche Echos von störenden Strukturen, welche üblicherweise nicht
symmetrisch angeordnet sind. Diesbezüglich siehe beispielsweise
die
US 6 759 977 . Diese
Verfahren können
effizient sein, sie benötigen
jedoch unglücklicherweise
zusätzliche
Hardware und sie sind daher normalerweise teurer und schwieriger
zu produzieren und zu installieren. Weiterhin werden solche Systeme
normalerweise mehr Zeit- und Entwicklungs-Ressourcen benötigen.
-
Weiterhin
ist bekannt, beispielsweise aus der
EP
1 128 169 , verschiedene Signale zu verwenden, um die Auflösung oder
Genauigkeit von RLG-Systemen zu verbessern. Diese bekannten Verfahren
werden jedoch aus anderen Gründen
und nicht als Abhilfe für
die oben beschriebenen Systemen vorgeschlagen.
-
Dementsprechend
besteht immer noch ein Bedürfnis
für ein
verbessertes RLG-System, das die obengenannten Probleme beheben
kann.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Radarlevelmesssystem
und ein Verfahren zum Bestimmen des Fülllevels eines Füllmaterials
anzugeben, die zumindest teilweise die obengenannten Probleme des
Standes der Technik beheben.
-
Diese
Aufgabe wird mit einem Radarlevelmesssystem und einem Verfahren
nach den beigefügten
Ansprüchen
gelöst.
-
In Übereinstimmung
mit einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereit
gestellt zum Mikrowellensignal-basierten Messen einer Distanz zu
einer Oberfläche
mit reflektierenden Eigenschaften bei einem Fülllevel eines Füllmaterials
in ei nem Behälter
mit zumindest einer störenden
Struktur mit einer Oberfläche
mit reflektierenden Eigenschaften, umfassend:
Senden zu einer
ersten Zeit von ersten Sendesignalen in Richtung der Oberflächen;
Empfangen
im Wesentlichen zu der ersten Zeit von ersten Empfangssignalen einschließlich eines
ersten Oberflächenechos;
Aufnehmen
von ersten Ausbreitungseigenschaften der mit dem ersten Oberflächenecho
verknüpften ersten
Sende- und Empfangs-Signale;
Senden zu einer zweiten Zeit von
zweiten Sendesignalen in Richtung der Oberflächen;
Empfangen zu im
Wesentlichen der zweiten Zeit von zweiten Empfangssignalen einschließlich eines
zweiten Oberflächenechos;
Aufnehmen
von zweiten Ausbreitungsbedingungen der mit dem zweiten Oberflächenecho
verknüpften zweiten
Sende- und Empfangs-Signale;
wobei die erste Zeit und die zweite
Zeit zeitlich durch eine erste Trennzeit getrennt sind;
Berechnen
einer ersten Differenz zwischen den ersten und den zweiten Ausbreitungsbedingungen;
Senden
zu einer dritten Zeit von dritten Sendesignalen in Richtung der
Oberflächen;
Empfangen
zu im Wesentlichen der dritten Zeit von dritten Empfangssignalen
einschließlich
einem dritten Oberflächenecho;
Aufnehmen
von dritten Ausbreitungseigenschaften der mit dem dritten Oberflächenecho
verknüpften dritten
Sende- und Empfangs-Signale;
Senden zu einer vierten Zeit von
vierten Sendesignalen in Richtung der Oberflächen;
Empfangen zu im
Wesentlichen der vierten Zeit von vierten Empfangssignalen einschließlich eines
vierten Oberflächenechos;
Aufnehmen
von vierten Ausbreitungsbedingungen der mit dem vierten Oberflächenecho
verknüpften vierten
Sende- und Empfangs-Signale;
wobei die dritte Zeit und die
vierte Zeit zeitlich durch eine zweite Trennzeit getrennt sind;
Berechnen
einer zweiten Differenz zwischen den dritten und den vierten Ausbreitungsbedingungen;
Vergleichen
der ersten und der zweiten Differenz;
Auswählen der größten der ersten und der zweiten Differenz
als die mit der Oberfläche
des Füllmaterials verknüpfte Differenz;
und
Bestimmen des Abstandes zu der ausgewählten Oberfläche des
Füllmaterials
basierend auf Ausbreitungseigenschaften von gesendeten und empfangenen
Signalen.
-
Das
Bestimmen der Distanz zu der ausgewählten Oberfläche des
Füllmaterials
wird vorzugsweise basierend auf zumindest einer der aufgenommenen
Ausbreitungseigenschaften vorgenommen. Zusätzlich oder alternativ ist
es jedoch auch möglich, andere
Ausbreitungseigenschaften, beispielsweise von einem verschiedenen
Satz von gesendeten und empfangenen Signalen, zu verwenden.
-
Es
ist erwähnenswert,
dass die erste und die dritte Zeit im Wesentlichen simultan auftreten
können.
In diesem Fall können
die ersten Sendesignale identisch mit den dritten Sendesignalen
sein, obwohl es auch möglich
ist, getrennte Sendesignale, beispielsweise mit unterschiedlicher
Polarisation, zu verwenden. Weiterhin können die zweite und die vierte
Zeit im Wesentlichen simultan auftreten, wobei die zweiten Sendesignale
identisch zu den vierten Sendesignalen sein können. Die Zeiten können jedoch auch
zeitlich getrennt sein. Optionale Messungen können zu einer oder mehreren
weiteren Zeitpunkten hinzugefügt
werden, wobei ein Satz von Messungen erzeugt wird, der verlässlichere
Schlüsse
zulässt, wenn
beispielsweise der Level und Amplitudenwerte aufgrund von Turbulenzen
fluktuieren, etc.
-
Die
zeitliche Trennung zwischen der ersten und der zweiten Zeit und/oder
der dritten und der vierten Zeit ist kleiner als eine maximale Trennzeit. Vorzugsweise
ist die zeitliche Trennung kleiner als eine Stunde und vorzugsweise
kleiner als eine Minute und am meisten bevorzugt kleiner als 10
Sekunden.
-
Das
neue Verfahren der Mikrowellensignal- oder Radarlevel-Messung ist besonders
geeignet für Prozessanwendungen
mit komplizierten Behältersituationen.
Im Vergleich zu herkömmlichen
Radarlevelmessgeräten
umfasst die Erfindung Mittel zum Ermöglichen, dass sogar kleine
Bewegungen der Flüssigkeitsoberfläche verwendet
werden, um das Oberflächenecho
von nicht gewollten Echos, welche durch störende Objekte erzeugt werden,
zu unterscheiden.
-
Es
ist erwähnenswert,
dass die vorliegende Erfindung eine Differenz verwendet basierend
auf derselben Messung, jedoch zu unterschiedlichen Zeiten, um Ereignisse
und Änderungen,
die aufgetreten sind, zu unterscheiden. Zuvor bekannte Differenzsignale,
wie beispielsweise das in der
EP
1 128 169 beschriebene sind normalerweise auf die Differenz
zwischen verschiedenen Messsituationen ausgerichtet, wie beispielsweise
die Differenz zwischen Messungen, die in verschiedenen Medien durchgeführt werden,
etc.
-
Die
Differenzanalyse der vorliegenden Erfindung bietet eine Anzahl von
Vorteilen, da die Echos korrespondierend zu der Füllmaterialoberfläche einfacher
und genauer erfasst werden können.
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung als ein Zusatz zu
herkömmlichen
RLG-Logik-Systemen verwendbar, um die Oberfläche während eines Start-Ups, während der
Situation, bei der der Behälter-Leer-Zustand
verlassen wird und damit begonnen wird, den Behälter zu füllen, wenn der Fülllevel
reflektierende Strukturen in den Behälter passiert, etc. zu identifizieren.
Die Differenzanalyse ist auch hilfreich beim Unterscheiden von Echos
von bewegenden Objekten, wie beispielsweise Rührapparaten, gegenüber stationären Objekten,
wie beispielsweise Trennwänden
und Streben.
-
Das
Verfahren kann weiterhin folgende Schritte umfassen: Berechnen,
basierend auf den aufgenommenen Ausbreitungsbedingungen, von Abständen zu
reflektierenden Oberflächen
in dem Behälter,
wobei die Differenz zwischen den Ausbreitungsbedingungen vorzugsweise
als die Differenz zwischen berechneten Distanzen berechnet wird.
-
Es
wird weiterhin bevorzugt, dass die aufgenommenen Ausbreitungseigenschaften
zumindest eine aus einer Phaseninformation und einer Amplitudeninformation
von den gesendeten und empfangenen Signalen umfasst. Alternativ
oder zusätzlich
wird auch bevorzugt, dass die Berechnung einer Differenz zwischen
den aufgenommenen Ausbreitungseigenschaften eine Identifikation
von zumindest einer Phasendifferenz oder einer Amplitudendifferenz
zwischen den aufgenommenen Ausbreitungseigenschaften umfasst.
-
Die
Verwendung der Phaseninformation in den Signalen hat sich als sehr
effizient und genau herausgestellt. Die Verwendung der Amplitudeninformation
ist jedoch, obwohl nicht so ausgiebig wie die Phaseninformation,
für die
meisten Situationen und Anwendungen völlig adäquat. Amplitude kann in dem Kontext
dieser Anmeldung allgemein als Signalstärke verstanden werden.
-
Das
Verfahren zum Suchen der Echos, welche die größte Veränderung über die Zeit zeigen, kann alternativ
auf die folgende Weise beschrieben werden, insbesondere geeignet
für den
Fall, bei dem Messungen von mehr als zwei Zeitpunkten verwendet
werden. Es ist möglich,
von der graduellen zeitlichen Veränderung des Levels oder der
Phase von zwei Echos darauf zu schließen, ob die zwei Echos in der
Zukunft zusammenfallen oder ob sie auf demselben Level zuvor gewesen
sind, wobei beide Schlussfolgerungen aus einer linearen Extrapolation
der Veränderung
basierend auf zwei oder mehr Zeitpunkten vorgenommen wurden. Das
Ereignis einer vorhergesagten oder vergangnen Koinzidenz wird Schnittpunkt
genannt und in dem Fall eines Schnittpunktes unter dem momentanen
Durchschnittslevel von zwei Oberflächen, ist das obere Level die
Flüssigkeitsoberfläche, während ein
Schnittpunkt über
dem durchschnittlichen momentanen Level anzeigt, dass das untere
Level die Flüssigkeitsoberfläche ist.
-
Vorzugsweise
umfasst das Verfahren ein Wiederholen zu zumindest drei zeitlich
getrennten Zeiten des Sendens, des Erfassens und des Berechnens;
wobei die Distanz zu der Oberfläche
des Füllmaterials
als die berechnete Distanz bestimmt wird, welche die größte Veränderung
zwischen den verschiedenen Zeitpunkten aufweist. Eine solche Differenzanalyse
mit mehreren vorhergehenden Zeitpunkten ermöglicht es, sowohl langsame
als auch schnellere Bewegungen und Änderungen zu unterscheiden.
Weiterhin wird dies die Möglichkeit
ausschließen,
dass sich die Oberfläche
um exakt ein Vielfaches von λ/2
zwischen zwei Ereignissen bewegt hat, wobei dies sogar ein sich
bewegendes Echo verschwinden lässt.
Hier ist λ die
Wellenlänge der
Radarwellen und für
eine 5,8 GHz Frequenz wird λ 52
mm sein, etc.
-
Das
Verfahren ist insbesondere hilfreich für Hoch-Level- oder Überfüllungs-Alarmsysteme,
da das neue Verfahren insbesondere hilfreich ist zum Identifizieren
sich bewegender Oberflächen
und da lediglich sich bewegende Oberflächen für Überfüllungs-Betrachtungen interessant sind. Solche
Systeme können
für diese
einzelne Verwendung bestimmt sein oder können eine Funktion sein, die
in einem allgemeinen RLG-System eingebaut ist. Die Hoch-Level- oder Überfüllungs-Alarmfunktionalität kann ein Vergleichen
der bestimmten Distanz zu dem Füllmaterial
mit zumindest einem vorbestimmten Schwellen-Level-Wert einschließen. In
der Verwendung als ein Hoch-Level- oder Überfüllungs-Alarm basiert die Berechnung
einer Differenz zwischen den Ausbreitungseigenschaften vorzugsweise
auf einem Vergleich zwischen Distanzen, welche aus diesen Ausbreitungseigenschaften
berechnet wurden. Hierbei werden die Distanzen zu den Oberflächenlevels
kontinuierlich überwacht
und das sich am schnellsten über
die Zeit verändernde
Oberflächenlevel
wird automatisch als das Oberflächenlevel
des Füllmaterials betrachtet.
Alternativ oder zusätzlich
ist es möglich, den
Alarm zu setzen, wenn eine Oberflächenbewegung innerhalb einer
vorbestimmten Nahzone eintritt. Diese Situation kann bemerkt werden,
wenn eine Differenz zwischen den ersten und den zweiten Ausbreitungseigenschaften
oder den dritten und den vierten Ausbreitungseigenschaften als innerhalb
einer vorbestimmten Hoch-Level-Zone auftretend identifiziert wird.
Ein Schwellenwert für
die zu betrachtenden Differenzen kann auch gesetzt werden, um rauschbedingte
Fehlalarme zu vermeiden. Hierbei ist es möglich, Signale zu priorisieren,
die innerhalb der Nahzone auftreten, wenn die für die Signale bestimmte Differenz
hoch ist.
-
Das
Verfahren ist verwendbar, sowohl wenn kontinuierliche Signale emittiert
werden, wobei die Distanzen basierend auf einer Phasendifferenz
zwischen dem empfangenen Echosignal und einem Referenzsignal, wie
in FMCW-Systemen, berechnet werden, als auch wenn gepulste Signale
emittiert werden, wobei die Distanzen basierend auf der Zeit zwischen
der Aussendung eines gepulsten Signals und dem Empfang des Echos
des Signals berechnet werden.
-
Es
wird bevorzugt, dass die empfangenen Signale gefiltert werden, um
Veränderungen
bedingt durch Rauschen zu reduzieren, bevor die Ausbreitungsbedingungen
aufgenommen werden oder bevor die aufgenommen Ausbreitungsbedingungen
zum Berechnen einer Differenz verwendet werden.
-
Vorzugsweise
werden lediglich primäre Echosignale
zum Aufzeichnen der Ausbreitungsbedingungen berücksichtigt, während sekundäre zweifach
reflektierte Echos verworfen werden.
-
Das
Verfahren kann weiterhin den Schritt umfassen, dass anfänglich angenommen
wird, dass bestimmte der empfangenen Oberflächenechos von der Oberfläche des
Füllmaterials
herrühren,
d.h. dass das erste und das zweite Oberflächenecho oder das dritte und
das vierte Oberflächenecho
von der Oberfläche
des Füllmaterials
reflektiert werden. In diesem Fall, falls der Schritt des Auswählens der größten der
ersten und der zweiten Differenz ein anderes Oberflächenecho
mit der Oberfläche
des Füllmaterials
verknüpft,
wird die Annahme daraufhin vorzugsweise auf die jetzt ausgewählten Oberflächenechos
geändert.
Die anfängliche
Annahme wird außerdem
vorzugsweise regelmäßig getestet
und falls nötig
innerhalb einer begrenzten Zeitspanne korrigiert, wobei die Zeitspanne
kleiner ist als eine Stunde und vorzugsweise kleiner als eine halbe
Stunde. Noch mehr bevorzugt ist die Zeitspanne kleiner als eine
Minute und am meisten bevorzugt kleiner als 10 Sekunden.
-
Das
Verknüpfen
von Echosignalen von zeitlich getrennt empfangenen Signalen mit
der Annahme, dass sie von derselben reflektierenden Oberfläche herrühren, kann
auf verschiedene Arten durchgeführt
werden, die per se aus dem Stand der Technik bekannt sind. Diese
Verknüpfung
zwischen Echosignalen kann direkt beim Empfang der Signale oder nachfolgend
basierend auf den aufgenommenen Ausbreitungseigenschaften vorgenommen
werden.
-
In Übereinstimmung
mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt
zum Mikrowellensignal-basierten Messen einer Distanz zu einer Oberfläche mit
reflektierenden Eigenschaften auf einem Fülllevel eines Füllmaterials
in einem Behälter
mit zumindest einer störenden
Struktur, umfassend:
Senden zu zumindest zwei zeitlich getrennten
Zeiten von Sendesignalen in den Behälter und nachfolgend Empfangen
von Empfangssignalen einschließlich Oberflächenechos;
Aufnehmen
von Ausbreitungseigenschaften der Sende- und Empfangs-Signale in
Verknüpfung
mit zumindest zwei unterscheidbaren reflektierenden Oberflächen;
Berechnen
für jede
unterscheidbare reflektierende Oberfläche einer Differenz der aufgenommenen
Ausbreitungseigenschaften zwischen den zumindest zwei zeitlich getrennten
Zeiten;
Vergleichen der berechneten Differenzen für die zumindest
zwei unterscheidbaren reflektierenden Oberflächen;
Auswählen der
größten der
Differenzen als die Differenz, welche mit der Oberfläche des
Füllmaterials verknüpft ist;
und
Bestimmen des Abstandes zu der ausgewählten Oberfläche des
Füllmaterials
basierend auf Ausbreitungsbedingungen von gesendeten und empfangenen
Signalen.
-
In Übereinstimmung
mit diesem Aspekt sind ähnliche
Vorteile und bevorzugte Merkmale erhaltbar, wie sie bereits in Bezug
auf den ersten Aspekt beschrieben wurden.
-
In Übereinstimmung
mit einem weiteren anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
ein Radarlevelmesssystem bereit gestellt zum Bestimmen einer Distanz
zu einer Oberfläche
mit reflektierenden Eigenschaften an einem Fülllevel eines Füllmaterials
in einem Behälter
mit zumindest einer störenden
Struktur, umfassend:
einen Sender zum Senden von Messsignalen
in Richtung der Oberfläche
des Füllmaterials;
einen
Empfänger
zum Empfangen von Echosignalen von dem Behälter;
einen Speicher zum
Aufnehmen von Ausbreitungseigenschaften der Sende- und Empfangs-Signale
in Verknüpfung
mit zumindest zwei unterscheidbaren reflektierenden Oberflächen;
einen
Verarbeitungsschaltkreis zum Berechnen für jede unterscheidbare reflektierende
Oberfläche
einer Differenz in den aufgenommenen Ausbreitungseigenschaften zwischen
zumindest zwei zeitlich getrennten Zeiten, und Auswählen der
größten der
berechneten Differenzen für
die zumindest zwei unterscheidbaren reflektierenden Oberflächen als
die mit der Oberfläche
des Füllmaterials
verknüpfte
Differenz, und Bestimmen der Distanz zu der ausgewählten Oberfläche des
Füllmaterials
basierend auf Ausbreitungseigenschaften von gesendeten und empfangenen
Signalen.
-
In Übereinstimmung
mit diesem Aspekt können ähnliche
Vorteile und bevorzugte Merkmale erhalten werden, wie sie bereits
in Bezug auf den ersten Aspekt beschrieben wurden.
-
Die
vorliegende Erfindung ist verwendbar zum Levelmessen in Behältern mit
einem Füllmaterial
mit einer Oberfläche
mit re flektierenden Eigenschaften, wie auch mit zumindest einer
störenden Struktur
mit einer Oberfläche
mit reflektierenden Eigenschaften. Insbesondere ist die Erfindung
verwendbar, wenn die reflektierenden Oberflächen getrennt sind, d.h. nicht
auf dem im Wesentlichen gleichen Level, und dementsprechend unabhängig unterscheidbar
in den reflektierten Echosignalen sind. Die Möglichkeit, die Oberflächen zu
unterscheiden, kann von verschiedenen Parametern abhängen, wie beispielsweise
einem oder mehreren der Trenndistanz, der Level-Auflösung,
der Messausrüstung,
der Signalstärke
etc.
-
In Übereinstimmung
mit einem weiteren anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren für
eine Mikrowellensignal-basierte Bestimmung einer Hoch-Level- oder Überfüllungs-Situation
für den
Fülllevel
eines Füllmaterials
in einem Behälter
mit einer Oberfläche
mit reflektierenden Eigenschaften bereitgestellt, umfassend:
Senden
zu einer ersten Zeit von Sendesignalen in Richtung der Oberflächen;
Empfangen
zu im Wesentlichen der ersten Zeit von ersten Empfangssignalen mit
einem ersten Oberflächenecho;
Aufnehmen
von ersten Ausbreitungseigenschaften für die mit dem ersten Oberflächenecho
verknüpften Sende-
und Empfangs-Signale;
Senden
zu einer zweiten Zeit von zweiten Sendesignalen in Richtung der
Oberflächen;
Empfangen
zu im Wesentlichen der zweiten Zeit von zweiten Empfangssignalen
mit einem zweiten Oberflächenecho;
Aufnehmen
von zweiten Ausbreitungsbedingungen der mit dem zweiten Oberflächenecho
verknüpften zweiten
Sende- und Empfangs-Signale;
wobei die erste Zeit und die zweite
Zeit zeitlich durch eine erste Trennzeit getrennt sind;
Berechnen
einer ersten Differenz zwischen den ersten und den zweiten Ausbreitungsbedingungen;
Bestimmen
einer Distanz zu der Oberfläche
des Füllmaterials;
Identifizieren,
ob die Differenz ein vorbestimmtes Differenzlevel überschreitet
und ob die bestimmte Distanz innerhalb einer vorbestimmten Hoch-Level-Zone
ist und falls ja, Setzen des Alarms.
-
Es
sollte bemerkt werden, dass die Erfindung gemäß diesem Aspekt auch in Behältern ohne
irgendwelche störenden
Strukturen verwendbar und hilfreich ist. Wie durch den Fachmann
erkannt werden wird, verwendet dieser Aspekt der Erfindung jedoch
dieselben grundlegenden Prinzipien, wie sie in Verbindung mit den
anderen Aspekten der Erfindung beschrieben wurden, und es sollte
auch bemerkt werden, dass alle Merkmale der anderen Aspekte auch zusammen
mit diesem letzten beschriebenen Aspekt der Erfindung verwendet
werden können.
-
Diese
und andere Aspekte der Erfindung werden aus den hierin nachfolgend
beschriebenen Ausführungsformen
klar und mit Bezugnahme auf diese Ausführungsformen deutlich.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Zu
exemplarischen Zwecken wird die Erfindung im Folgenden genauer unter
Bezugnahme auf ihre Ausführungsformen
beschrieben, die in den beigelegten Zeichnungen gezeigt sind, wobei:
-
1 ist
eine schematische seitliche Schnittansicht eines Behälters, in
den eine Antennenvorrichtung in Übereinstimmung
mit der Ausführungsform
angeordnet ist;
-
2 ist
ein schematisches Blockdiagramm, welches das Radarlevelmesssystem
der 1 zeigt;
-
3 sind einige schematische Diagramme, welche
verschiedene Signalspektren für
eine beispielhafte Behältersituation
wiedergeben; und
-
4 zeigt eine mögliche Signalverarbeitung zur
Verwendung in dieser Erfindung.
-
Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen
-
Die 1 zeigt
schematisch ein Radarlevelmesssystem 1, bei dem die Erfindung
vorteilhafterweise implementiert werden kann. Kurz gesagt umfasst
das System in der 1 eine elektronische Einheit 3 zum
Senden und Empfangen von Radarsignalen und zum Verarbeiten der empfangenen
Signale, um den Level in dem Behälter
zu bestimmen, eine Antenne 4, die innerhalb des Behälters angeordnet ist
zum Senden und Empfangen von Radarwellen in dem Behälter, und
eine Radarwellenleiteranordnung 5 zum Leiten von Signalen
zwischen der elektronischen Einheit 3 und der Antenne 4.
Dieselbe Antenne kann vorzugsweise als ein Sender zum Emittieren der
gesendeten Strahlung und als ein Empfänger zum Empfangen des reflektierten
Echosignals verwendet werden, obwohl es auch möglich ist, getrennte Antennen
für diese
Funktionen zu verwenden. Die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
verwenden Radarantennen, welche einen freien Radarstrahl bereitstellen,
wobei in diesem Fall störende Echos
besonders häufig
sind, es ist jedoch auch möglich,
die Erfindung in geführten
Radarsystemen zu verwenden, wobei eine wellenleitende Struktur zum
Weiterleiten des ausgesendeten Radarstrahls zu und/oder von dem
Behälter
verwendet wird.
-
Im
Betrieb sendet das Radarlevelmessgerät 2 Radarenergie entlang
des Wellenleiters 5 durch den Behälterdeckenanschluss und empfängt von
der Flüssigkeitsoberfläche 8 reflektierte
Energie von der Flüssigkeitsoberfläche 8,
um eine Anzeige des Levels der Flüssigkeit innerhalb des Behälters bereitzustellen.
Das Radarlevelmessgerät 2 kann
mit einem entfernten Ort (beispielsweise einem Kontrollraum) über eine
Signalleitung oder Ähnliches
verbunden sein.
-
Das
System kann gepulste oder kontinuierlich emittierte Strahlung verwenden.
Falls gepulste Signale verwendet werden, können die Signale DC-Impulse
mit einer Länge
von etwa 2 ns oder weniger sein, mit einer Frequenz in der Größenordnung von
MHz mit durchschnittlichen Leistungsniveaus in dem nW- oder dem μW-Bereich.
Alternativ sind die Impulse auf einer Trägerwelle mit einer GHz-Frequenz
moduliert. Falls benötigt,
ist der Behälter
mit einer Dichtung ausgerüstet,
die angeordnet ist, um es den elektromagnetischen Signalen zu erlauben, durch
die Wand des Behälters
zu passieren, während eine
luftdichte Dichtung aufrechterhalten wird, um so die Behälterinhalte
daran zu hindern, aus dem Behälter
zu entweichen.
-
In
der allgemeinen Ausführungsform,
die in der 2 gezeigt ist, umfasst der Schaltkreis 20 einen
Signalprozessor 21, einen Sender 23, einen Empfänger 28 und
Signalverarbeitungsschaltkreise 29, welche die empfangenen
Signale für
den Prozessor 21 aufbereiten. Der Schaltkreis umfasst weiterhin einen
Sende/Empfangs-(transmit/receive, TR)-Koppler 25, welcher
den Sender 23 und den Empfänger 28 mit der Antenne 4 verbindet,
die Signale in Richtung der Oberfläche 28 des Materials
richtet, dessen Level zu messen ist. Der TR-Koppler 25 kann
ein Richtungskoppler, ein Ferrit-Zirkulator (ferrite circulator), ein
Schalter oder irgendeine andere herkömmliche Komponente sein. Der
Schaltkreis umfasst zumindest Leistungsschaltkreise 22 und
Kommunikationsschaltkreise 24, welche beide von vielen
Typen sein können.
-
Der
Signalprozessor 21 ist vorzugsweise ein Mikroprozessorbasierter
Schaltkreis, der angepasst ist, um das eingehende Signal zu empfangen,
wie oben beschrieben, und als einen Ausgang ein Signal oder eine
Information bereitstellt, welche den Level des Materials 8 wiedergibt.
Die durch den Signalprozessor 110 implementierten Funktionen
und Algorithmen, von denen einige in der Hardware implementiert
sein können
und von denen einige als Software ausgeführt sein können, sind aus dem Stand der Technik
an sich bekannt und werden in dieser Anmeldung nicht weiter beschrieben.
-
Nach
Reflektion an der Oberfläche 2 werden die
elektromagnetischen Signale durch die Antenne 12 empfangen
und zurück
zu dem Transceiver 10 weitergegeben, wo sie in einem Prozess
gesampelt und digitalisiert werden, der durch einen Verarbeitungsschaltkreis
kontrolliert wird, wie beispielsweise einem Prozessor 11.
Der Prozessor ist mit Software zum Analysieren des Signals ausgestattet,
um einen Füllstand
in dem Behälter,
d.h. den Level der Oberfläche 2 zu
bestimmen. Der Prozessor 11 ist vorzugsweise ein Mikroprozessor-basierter
Schaltkreis, der angepasst ist, um das eingehende Signal zu empfangen,
wie oben beschrieben, und der als eine Ausgabe ein Signal oder eine
Information bereitstellt, welche den Level des Materials 3 wiedergibt.
Die durch den Signalprozessor 11 implementierten Funktionen und
Algorithmen, von denen einige als Hardware ausgeführt sein
können
und von denen einige als Software ausgeführt sein können, sind aus dem Stand der
Technik an sich bekannt und werden in dieser Anmeldung nicht weiter
beschrieben. Insbesondere umfasst das Verfahren vorzugsweise die
an sich gut bekannte Funktionalität des Suchens, um Oberflächenechos
unter möglichen
störenden
Echos zu identifizieren und des Verfolgens, um dem gefundenen Oberflächenecho
während
verschiedener sich verändernder
Bedingungen zu folgen. Ver schiedene reflektierende Signale erzeugende
Oberflächen
können
simultan überwacht
werden und üblicherweise ist
der Verarbeitungsschaltkreis angeordnet, um ein Überwachen von 5–10 solcher
Oberflächenechos
simultan zu verwalten.
-
Für Radarsysteme,
bei denen zwei oder mehr Echos vorhanden sind, wird normalerweise eine
begrenzte Auflösung
vorhanden sein, wenn diese Echos nahe beieinander sind. Zwei einigermaßen nahe
beieinander liegende Echos werden allgemein als zwei Echos aufscheinen,
wohingegen, falls diese sehr nahe beieinander sind, so dass es nicht
möglich sein
wird, sie zu unterscheiden, sie als ein einzelnes Echo in einer
Durchschnittsdistanz aufscheinen werden, und zwischen diesen zwei
Fällen
liegt ein Übergangsbereich,
in dem die Genauigkeit gering sein kann. Die Grenze wird durch die
Impulszeit oder die invertierte Bandbreite festgelegt und liegt
bei etwa 150 mm für
ein System mit einer Bandbreit von 1000 MHz oder einer Impulszeit
von 1 ns, wobei dies einigermaßen
unabhängig
von dem Typ des Systems ist. Die zu beschreibenden Ausführungsformen
lösen die Echosituation
bei Distanzen außerhalb
dieser Zone, bei der eine geringere Genauigkeit vorliegt.
-
Weiterhin
wird ein Mittel bereitgestellt zum Unterstützen der Auswahl, falls verschiedene
reflektierende Oberflächen
in dem Behälter
existieren, welcher Teil des empfangenen Signals und welche berechnete
Distanz die Oberfläche
des Füllmaterials wiedergibt.
Diese Funktionalität
ist vorzugsweise hauptsächlich
softwarebezogen und kann in vielen Fällen auf existierender (oder
geringfügig
erweiterter) Hardware implementiert werden und wird bei FMWC wie
auch bei gepulsten Systemen funktionieren. Sie kann alleine, aber
auch in Kombination mit den oben genannten Verfahren oder mit vielen
anderen Verfahren verwendet werden.
-
In
einer ersten Ausführungsform
wird die Phaseninformation in den empfangenen Signalen verwendet.
In dieser Ausführungsform
wird eine Speicherfunktion bereitgestellt, von der das unbearbeitete
Behälter-Signal
mit der Phaseninformation zu geeigneten Zeitpunkten gespeichert
wird. Bei einem typischen System ist die Information bei einem "Schnappschuss" (eine Abtastung
bei einem FMWC-System oder das entsprechende Intervall bei einem
gepulsten System) wenige Kilobytes groß, so dass die Speicherung
von einigen "Schnappschüssen" sogar mit einem
bescheidenen aber modernen Prozessor mit seinem RAM kompatibel ist.
Zwischen den letzten "Schnappschüssen" und einem der älteren wird
eine Differenz gebildet und es wird eine im Wesentlichen normale
Signalverarbeitung an der Differenz durchgeführt. Unter der Annahme, dass
sich die Oberfläche
ein bisschen zwischen den zwei "Schnappschüssen" bewegt hat, wird
die unterschiedliche Phase der Oberflächenechos sehr wahrscheinlich
eine Differenz ungleich Null erzeugen, wenn alle Echos über der
Oberfläche
ausgelöscht werden.
Die optimale Veränderung
im Level ist λ/4
(7 mm bei 10 GHz), wobei dies eine entgegengesetzte Phase für das Oberflächenecho
ergibt, jedoch eine gleichbleibende Phase für störende Echos über der Oberfläche. Jedoch
ergibt bereits λ/12
(2,5 mm bei 10GHz) die originale Amplitude, wenn die Differenz gebildet
wird. Mit einer typischen Oberflächengeschwindigkeit
von wenigen cm pro Minute wird lediglich ein kurzes Zeitintervall
benötigt
(5–10
s) und bei dem sehr üblichen
Fall einer turbulenten Oberfläche wird
dies sogar stimmen, falls die Oberfläche sich nicht stetig bewegt.
Einige verschiedene "Schnappschüsse" werden vorzugsweise
gespeichert und das Intervall für
Speicherungen wird abgeschätzt
mit der Bewegung abgestimmt, so dass der beste Vergleich durchgeführt werden
kann. Das Sampling wird vorzugsweise durchgeführt, bevor irgendeine Erfassung durchgeführt wird
(die üblicherweise
bei heutigen gepulsten Systemen angewendet wird). Für die beschriebene Funktion
wird bevorzugt, dass das Signal linear behandelt wird und dass die
Phase beibehalten wird. Eine Standardmöglichkeit, um dies zu tun,
ist, zwei Signale 90° aus
der Phase gedreht abzuspeichern, allgemein als I- und Q-Kanal bezeichnet.
-
In
vielen Fällen
ist es ausreichend, einen Vergleich zwischen zwei Momenten oder
Zeiten wie oben beschrieben durchzuführen und die Schlussfolgerungen
aus der Differenz zu ziehen. In vielen praktischen Fällen sind
jedoch sowohl in dem gemessenen Level als auch der Amplitude Variationen
vorhanden, die von kleinen Bewegungen in der Oberfläche oder
einem dritten störenden
Echo abhängen,
wobei diese beiden eine ziemlich schnelle Variation des gemessenen
Levels oder der Amplitude bedingen. Solche Variationen können leicht
einen Vergleich, um die "größte Änderung" zu bestimmen, mehrdeutig
machen. Durch Einschließen
von mehr als zwei Momenten mit ihren eigenen gemessenen Werten kann
diese Mehrdeutigkeit durch Überschlagen
der Trends über
ein paar verschiedene Zeiten anstelle der Differenz zwischen zwei
Zeiten aufgelöst
werden. Dies ist durch die 4 gezeigt,
in der drei verschiedene Fälle
gezeigt sind, jeder mit einem Vergleich zwischen zwei Echos. In
der 4a ist eine Sequenz von vier Levels (oder Phasen)
in einem Diagramm über
den Zeitmomenten angetragen und abgeschätzte lineare Trends sind durch
Linien wiedergegeben. In der 4a ist
das obere Echo ein störendes
Echo (beispielsweise eine Behälterstruktur)
mit einer gepunkteten Trendlinie und das untere Echo von der sich verändernden
Flüssigkeitsoberfläche ist
mit einer durchgezogenen Trendkurve wiedergegeben. Der Schnittpunkt
zwischen den zwei Trendlinien (unter der Annahme einer konstanten
Geschwindigkeit) ergibt das Level, bei dem die zwei Echos zusammenfallen
werden (in der Zukunft) oder wo sie auf demselben Level waren (in
der Vergangenheit). Das "Schnitt-Level" ist jetzt nahe bei dem
oberen Ende des Levelintervalls zwischen den zwei Echos und die Signifikanz
davon wird weiter im Folgenden beschrieben. In der 4b liegt
das störende
Echo unter der Oberfläche
und der entsprechende Satz von zu vier verschiedenen Zeiten gemessenen
Levels wird eine geringfügig
unterschiedliche Erscheinung aufweisen. Das störende Echo wird nun durch eine
variable Dicke einer zumindest teilweise radartransparenten Flüssigkeit
gemessen und beide Levels werden eine Variation aufweisen, jedoch
in entgegengesetzten Richtungen. Das Schnitt-Level kann immer noch
definiert werden, es ist jedoch unterhalb des Durchschnitts der
zwei gemessenen Levels. Dies wird sowohl bei steigendem als auch
bei fallendem Level stimmen, der hypothetische Moment des Schneidens wird
jedoch anders sein. In dem dritten Fall, gezeigt in der 4c,
wird ein mehrfaches Echo von dem Behälterdach (d.h. das Zweifache
der Distanz) mit dem normalen Oberflächenecho auf dieselbe Weise verglichen.
In diesem Fall wird das Level des Schnittpunktes höher sein
als die beiden gemessenen Levels und das mehrfache Echo wird deutlich.
Es ist offensichtlich, dass bei sehr klaren Signalen das Ergebnis
dieser einfachen Trendanalyse in den 4a und 4b das
gleiche Ergebnis wie bei einer Untersuchung einer größeren Veränderung
ergibt, bei einer rauschähnlichen
Störung
wird jedoch die Trendanalyse ein sichereres Ergebnis liefern. Die
Position des Schnitt-Levels
kann auf die folgende Weise verwendet werden:
- – Schnitt-Level
unter dem Durchschnitt zwischen den beiden gemessenen Levels bedeutet,
dass das höchste
Level das richtige ist.
- – Schnitt-Level über dem
Durchschnittslevel, jedoch unter dem höchsten der zwei (mit einer
bestimmten Bandbreite) bedeutet, dass das unterste Level verwendet
werden soll te.
- – Schnitt-Level über dem
höchsten
Level zeigt an, dass das höchste
Level verwendet werden sollte aufgrund der auf gedeckten Existenz
eines mehrfachen (mehrfach reflektierten) Echos.
-
Vorzugsweise
wird beispielsweise in der Software eine geeignete Analyse des Streuungsgrades
bereitgestellt zum Bestimmen, wie viele Punkte benötigt werden,
um die Trendanalyse einzuschließen.
Aus der obigen Beschreibung ist für den Fachmann offensichtlich,
dass die Schlussfolgerungen unabhängig von der Richtung der Bewegungen
gültig sind.
-
Bei
vielen Anwendungen muss das System fähig sein, auch bei einer sich
nicht bewegenden Oberfläche
zu messen und dann kann das Behältersignal
auf eine herkömmliche
Weise verwendet werden. Dies trifft jedoch nur dann zu, wenn die
Oberfläche
sich weder bewegt noch turbulent ist und wenn dann die Amplitude
des Echos zumindest 10–20
dB stärker
ist als bei turbulenten Bedingungen. Dementsprechend wird das Standardverfahren
nur während der
günstigsten
Bedingungen verwendet. Alternativ ist auch eine Kombination dieser
Verfahren möglich. Beispielsweise
können
die Verfahren für
eine genauere Bestimmung der Oberfläche kontinuierlich und parallel
betrieben werden, wobei die Information von beiden extrahiert und
verglichen werden kann. Wenn keine Turbulenz oder Bewegung vorhanden
ist, wird das Ergebnis des Standardverfahrens wie es ist verwendet
und wenn Bewegungen auftreten, kann das Standardverfahren als eine Überprüfung verwendet werden.
Weiterhin ermöglicht
das Verfahren, dass die störenden
Echos mit ihrer Phase gespeichert werden, so dass die besonders
starken Echos von dem Behältersignal
sogar für
ein stetiges Oberflächenecho
abgezogen werden können.
Das Differenz-Bilden aus den zwei Echosignalen, die an zwei ziemlich
nahe beieinander liegenden Zeitpunkten aufgenommen wurden, ist jedoch
effizienter, da die Störechos "frisch" sind und da diese
denselben Einfluss von Sedimenten, Temperatur und Variationen etc.
aufweisen.
-
Das
oben beschriebene Verfahren kann bei verschiedenen Arten von RLG-Systemen
angewendet werden, auch bei den herkömmlich verwendeten gepulsten
Systemen und FMWC-Systemen. Mit einem gepulsten System werden kurze
Impulse gesendet, welche jeweils ein 1 ns langer Impuls einiger
6 GHz-Perioden sein können.
Nach Reflektion an der Oberfläche
werden die Impulse empfangen und mit einer ähnlichen Impulsfolge mit einer
leicht unterschiedlichen PRF (beispielsweise 1,00000 MHz im Gegensatz
zu 1,00001 MHz) gemischt und dann, nach einem Tiefpassfiltern werden
die empfangenen Impulse (Wiederholen über eine ziemlich lange Zeit) in
der Zeit "gestreckt", um einfacher verarbeitet
werden zu können.
Das Mischen ist linear, so dass Phase, Amplitude und gemischte Signale
erhalten bleiben, wobei die Impulse mit einer wesentlich langsameren
Rate (10–5 in
dem Beispiel) ausgegeben werden. Eine Periode dieses gestreckten
Signals (100 ms in diesem Beispiel) wird hierin als ein "Schnappschuss" des Behältersignals
bezeichnet. Für
ein FMCW-Signal ist das IF-Signal idealerweise eine Summe von Sinussignalen,
eines für
jedes Echo mit beibehaltener Phase und Amplitude und mit einer Länge, die
gleich der Länge
eines Durchlaufs (sweep) ist (beispielsweise 100 ms). Die Signalverarbeitung
in einem modernen System kann angenommen werden als umfassend eine
oder mehrere FFTs und bei dieser Stufe kann angenommen werden, dass
die Differenz bei der Signalverarbeitung zwischen einem gepulsten
und einem FMCW-System darauf reduziert ist, ob eine gerade oder
eine ungerade Anzahl von FFTs angewendet werden. Der Ausdruck "generische IF-Signale" wird sowohl für gepulste
Systeme als auch für
FMCW-Systeme oder
andere Radarsysteme verwendet, die eine lineare Kombination von Echos
von möglichen
mehreren Echos mit beibehaltener Amplitude, Phase etc. ausgeben.
-
Die
Schnappschüsse
von den generischen IF-Signalen zu einem oder mehreren Zeitpunkten werden
vorzugsweise in einem Speicher in dem beschriebenen System gespeichert.
Mit üblichen
Parametern ist ein Schnappschuss durch Aufnehmen von etwa 1000 Samples
mit 8 bis 16 Bit Amplitudenauflösung
gut aufbewahrt. Dementsprechend werden einige oder bis zu 10 Kilobytes
an Speicherplatz für
jeden Schnappschuss benötigt,
wobei die Speicherung einiger Schnappschüsse einfach zu erreichen ist,
sogar mit einem begrenzten Speicherplatz in einem modernen digitalen
Prozessor. Bei existierenden Systemen sind heutzutage 1000 Samples
eine übliche Menge,
so dass die Hardwarevoraussetzungen mit dem heutigen RLG-Industriestandard
kompatibel sind.
-
Das
Bilden der Differenz zwischen zwei beliebigen Schnappschüssen von
verschiedenen Zeitpunkten ist einfach auszuführen. Eine wichtige Beobachtung
ist, dass ein statisches Echo in der Differenz im Wesentlichen verschwindet,
während
ein sich bewegendes Echo allgemein einen Beitrag ungleich Null zu
der Differenz leisten wird. Die Speicherung einiger verschiedener
Schnappschüsse
wird die Möglichkeit
ausschließen,
dass die Oberfläche
sich um exakt ein Vielfaches von λ/2
zwischen zwei Zeitpunkten bewegt hat, wobei sogar ein sich bewegendes Echo
verschwinden würde.
Eine ziemlich kleine Bewegung wird benötigt, um die Differenz unterscheidbar
ungleich Null werden zu lassen und beispielsweise eine Änderung
um λ/12
des Levels wird eine Phasendifferenz von 60° und dieselbe Amplitude in dem differenziellen
Schnappschuss im Vergleich zu den Originalen ergeben. Falls wir
eine Signalreduzierung um 10 dB annehmen, bevor eine Verarbeitung
akzeptabel sein sollte, dann ist sogar eine Veränderung um 1 mm in einem 10
GHz-System ausreichend,
um die wahre Oberfläche
zu unterscheiden.
-
Für ein FMCW-System
wird das Differenzsignal für
ein sich bewegendes Echo offensichtlich ähnlich zu dem originalen Echo
sein, jedoch mit einer anderen Amplitude und anderen Phase, wobei
dies bei dem normalen Typ der Signalverarbeitung keinen Einfluss
auf die berechnete Distanz haben wird. Für ein gepulstes Signal wird
die Differenz sehr ähnlich sein,
unter der Annahme, dass die Zeitdifferenz klein ist im Vergleich
zu der Impulszeit (was einer Distanz in der Größenordnung von 100 mm entspricht).
Sogar in einem Impuls ist die meiste Information in der Phase enthalten.
Für den
Impuls-Fall wird bevorzugt, dass das Signal vor einer Videoerfassung
verwendet wird (wo die zwei Impulse unterschiedliche Phasen aufweisen),
da die zwei erfassten Signale von geringfügig verschiedenen Zeitpunkten
sehr ähnlich
sind und nicht irgendeine verwendbare Differenz bilden werden.
-
Ein
beliebiges Echo von einer beliebigen Struktur über der Flüssigkeitsoberfläche wird
virtuell verschwinden, während
das Oberflächenecho
mit einer voraussichtlichen Änderung
in der Amplitude, die gewählt
werden kann durch Verwenden einer begrenzten Auswahl an Schnappschüssen, verbleiben wird.
Dementsprechend wird das Oberflächenecho sehr
viel sauberer sein und noch wichtiger, es wird das am nächsten gelegene
Echo ungleich Null sein, sogar bei Situationen, bei denen viele
starke Störechos
vorhanden sind.
-
Im
Fall einer glatten Oberflächenbehälterstruktur über der
Oberfläche
können
diese durch eine Reflektion in der Oberfläche (doppeltes Wiederspiegeln)
reflektiert werden und können
als Echos erscheinen, die weiter als die Oberfläche entfernt sind und sich
mit der doppelten Geschwindigkeit bewegen, wenn sich die Oberfläche bewegt.
Bei einer komplexeren Rechnung können
sich die Phasen aller Echos, die eher danach aussehen, dass sie
die berechnete Oberfläche
sind, in Übereinstimmung mit der
berechneten Oberfläche ändern. Eine
Anzahl von Versuchsberechnungen wird die richtige Annahme hervorbringen.
-
Einige
Flüssigkeiten
sind transparent für
Radarwellen und in diesem Fall werden Echos unterhalb der Oberfläche sichtbar
und sie werden erscheinen, als ob sie sich auch bewegen, wobei sie
jedoch wirken, als ob sie sich in der entgegengesetzten Richtung
und langsamer bewegen. Ein betreffender Typ von Algorithmus für Echos über der
Oberfläche
wird es möglich
machen, diese Echos ebenso zu entfernen, bevor die letzte genaue
Berechnung stattfindet.
-
Ein
Radarlevelmessgerät
kann verschiedene Verwendungen aufweisen und eine wichtige Verwendung
ist als ein Überfüllungsalarm.
Das beschriebene Verfahren ist gut für diese Aufgabe geeignet, da es
die Erfassung auch von schwachen, jedoch irgendwie sich bewegenden
Echos in einer genau definierten näheren Umgebung des Radarlevelmessgeräts ermöglichen
wird. Die Echosituation in der näheren
Umgebung des Messgerätes
ist ziemlich statisch, so dass das Instrument empfindlich für jedwede Änderung
gemacht werden kann, die in diesem Teil des Behälters am wahrscheinlichsten
durch die ansteigende Flüssigkeitsoberfläche bewirkt
wird.
-
In
der zuvor beschriebenen Ausführungsform
wurden die Phaseninformationen in den empfangenen Signalen verwendet,
um eine sich bewegende Oberfläche
von einer sich nicht bewegenden Oberfläche zu unterscheiden und dabei
die reflektierenden Signale von der Oberfläche des Füllmaterials gegenüber störenden Echos
zu identifizieren. Es ist jedoch auch möglich, Signale ohne Phaseninformation
für im
Wesentlichen denselben Zweck zu verwenden. Eine solche Ausführungsform
wird nun genauer beschrieben.
-
Bei
dieser Ausführungsform
wird ein Differenzspektrum für
die Amplitude in jeder Position gebildet und es werden zu unterschiedlichen
Zeiten empfangene Signale verglichen, aus denen die Echocharakteristika
bestimmbar sind.
-
Die
Differenz in der Amplitude für
eine Position n zu einer Zeit t kann bestimmt werden als: AmplDiff(n)t = Ampl(n)t – Ampl(n)t–1
-
Alternativ
kann die Differenz bestimmt werden als: AmplDiff(n)t = Abs(Ampl(n)t – Ampl(n)t–1)
-
Die
Amplitudendifferenz wird weiterhin vorzugsweise gefiltert, um rauschbedingte
Störungen
zu vermeiden, beispielsweise auf die folgende Weise:
FiltFactor
= 90% FiltAmplDiff(n)t =
FiltFactor × FiltAmplDiff(n)t–1 +
(1 – FiltFactor) × AmplDiff(n)t
-
Mittels
des Vergleichs zwischen Signalen von verschiedenen Zeiten, wird
die Differenzanalyse eine klare Anzeige von sich bewegenden Oberflächen erzeugen,
wie beispielsweise einer turbulenten Oberfläche, einer Oberfläche, die
angehoben oder abgesenkt wird oder von einem sich bewegenden Rührwerk.
Eine stationäre
Oberfläche
wird jedoch im Wesentlichen nicht sichtbar sein, wie beispielsweise Stäbe, Bleche
etc. Dasselbe gilt für
eine vollkommen ruhige Füllmaterialoberfläche.
-
Wenn
eine Bewegung in dem Behälter
auftritt, wird das Signal/Rausch-Verhältnis in dem Differenzspektrum
größer sein als
das in dem Standard-"Behälterspektrum". Ebenso werden,
wie zuvor erwähnt,
statische Echos in dem Differenzspektrum nicht vorhanden sein. Dementsprechend
macht eine Turbulenz, ein kochendes Produkt oder eine sich bewegende
Oberfläche
es im Vergleich zum Verwenden der herkömmlicheren Echologik tatsächlich einfacher,
das korrekte Oberflächenecho
unter Verwendung des neuen Verfahrens zu bestimmen, sogar unter
ruhigen Bedingungen.
-
Die
aus dem Differenzsignal erhaltbare Information wird nun genauer
unter Bezugnahme auf ein Beispiel beschrieben. In dem Diagramm in
der 3a ist ein beispielhaftes Behälterspektrum gezeigt, wobei
die Y-Achse die Amplitude auf einer linearen Skala wiedergibt und
die X-Achse die Distanz (0,0–9,0
m) wiedergibt, ebenso auf einer linearen Skala. In diesem Spektrum
ist das Maximum, das die Oberfläche
bei 3,7 m repräsentiert,
klar sichtbar, es sind jedoch auch andere sichtbar, insbesondere
ein starkes Störecho
bei 0,5 m. Beim Beurteilen lediglich aufgrund dieser Information
ist es schwierig zu sagen, welches der Maxima das Oberflächenecho
repräsentiert.
-
In
der 3b ist ein Differenzspektrum für dieselbe Behältersituation
dargestellt. In diesem Diagramm ist es leicht festzustellen, wo
eine Bewegung in dem Behälter
stattfindet. Bis 3,0 m ist keine Bewegung und das starke Störecho bei
0,5 m kann daher vernachlässigt
werden. Die S-förmige
Kurve von 3,0 m bis 4,0 m zeigt auch an, in welche Richtung sich das
Echo bewegt. In diesem Fall wird die Oberfläche abgesenkt.
-
Vorzugsweise
verwendet die Differenzanalyse empfangene Signale von zumindest
zwei und vorzugsweise verschiedenen vorherigen Zeiten, und vorzugsweise
mit verschiedener zeitlicher Trennung. Hierbei wird es möglich, sowohl
langsame Bewegungen, wie beispielsweise ein langsam angehobener oder
abge senkter Füllstand,
als auch schnellere Bewegungen, wie beispielsweise Turbulenzen an
der Oberfläche,
zu erfassen und zwischen ihnen zu unterscheiden. Weiterhin macht
es diese erweiterte Analyse möglich,
die Situation zu vermeiden, bei der die Differenz zwischen zwei
empfangenen Signalen exakt einem Vielfachen von λ/2 entspricht, wobei dies sogar
ein sich bewegendes Echo verschwinden ließe. Beispielsweise kann die Differenzanalyse für zu einer
Zeit t empfangene Signale basierend auf Messungen beispielsweise
bei t-1, t-10 und t-100 durchgeführt
werden.
-
Das
oben beschriebene Verfahren und System sind insbesondere hilfreich
für Überfüllungsanwendungen.
In solch einer Überfüllungsanwendung kann
das ermittelte Oberflächenlevel
mit einem oder verschiedenen Schwellenwerten und beispielsweise einem
Satz der folgenden drei Schwellenwerte verglichen werden:
- – OFA
LowLimit, das eine untere Grenze für den zu überwachenden Bereich ist,
- – OFA
HighLimit, das die obere Grenze für den Bereich ist,
- – OFA
AmpThreshold, welcher ein Schwellenwert für eine Amplitude ist, die den
Alarm innerhalb dieses Bereichs erzeugen kann.
-
Es
ist natürlich
wichtig, dass die Schwellenwerte geeignet gewählt werden, so dass keine Oberflächenechos übersehen
werden, zugleich jedoch Fehlalarme aufgrund von anderen Reflektionen, Rauschen
etc. so weit wie möglich
vermieden werden. Dementsprechend war die Überfüllungsalarmfunktionalität zuvor
in der Praxis schwierig zu realisieren und erforderte normalerweise
eine grundlegende und umständliche
Konfiguration für
jede einzelne Verwendungssituation. Mit dem oben beschriebenen zeitdifferenziellen
Spektrum, das fähig
ist, Veränderungen
und Ereignisse, die über
die Zeit eintreten, zu erfassen, kann jedoch eine sehr viel höhere Zuverlässigkeit
erreicht werden, wobei es dies einfacher macht, Überfüllungsalarme zu produzieren
und zu installieren. Ein Schwellenwert für die Amplitude würde normalerweise
benötigt
werden, sogar falls die oben beschriebene differenzielle Analyse
verwendet wird. In diesem Fall kann jedoch der Schwellenwert als
ein allgemeiner Parameter unabhängig
von dem Füllmaterial,
der Behälterumgebung
etc. gesetzt werden. Dementsprechend kann ein konstanter Schwellenwert
verwendet werden, unabhängig
davon, wo und wie das System installiert ist.
-
Das
Messsystem kann weiterhin einen Alarm (nicht gezeigt) umfassen,
welcher durch das Alarmsignal aktiviert wird. Der Alarm kann beispielsweise
in einer Kontrolleinheit für
das System angeordnet sein. Das Alarmsystem kann verteilt sein,
wobei der Alarm in einem Abstand von dem Messsystem angeordnet ist.
Alternativ kann das Alarmsignal zu einem separaten System gesendet
werden, wie beispielsweise einem allgemeinen Kontrollsystem. Der
Alarm kann nahe bei der Messausrüstung
angeordnet sein oder an einem entfernten Ort (beispielsweise in
einem Kontrollraum), wobei die Alarmsignale durch eine Signalleitung
oder Ähnliches übertragen
werden können.
Die Alarmeinheit kann auf verschiedene Arten konstruiert sein, um
einen Bediener über
die momentane Situation zu informieren. Einige Beispiele: ein akustisches
Signal kann aktiviert werden, Alarmlampen können beginnen zu leuchten oder
zu blinken oder es kann eine Art von Signalisierung auf einer Schalttafel
aktiviert werden, Alarme auf einem Computerbildschirm oder einer
entfernten Einheit (Telefon, Minicall, Funk, etc.) können aktiviert
werden, etc.
-
Spezifische
Ausführungsformen
der Erfindung wurden nun beschrieben. Verschiedene Alternativen
sind jedoch möglich,
wie für
den Fachmann klar sein wird. Beispielsweise können viele verschiedene Komponenten
zum Durchführen
der verschiedenen Funktionen des Levelmesssystems und des Verarbeitungsschaltkreis
verwendet werden, wie dem Fachmann leicht klar wird. Weiterhin können verschiedene
Typen von Schwellenwerten und Alarmparametern innerhalb des oben
skizzierten Systems verwendet werden, das System kann gepulste oder
kontinuierlich gesendete Messsignale verwenden, das System kann
ein zweckbestimmtes Alarmsystem oder in einem herkömmlichen
Messsystem integriert sein, etc. Solche und andere offensichtlichen
Modifikationen müssen
als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie er durch die
beigefügten
Ansprüche
definiert wird, liegend angesehen werden.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur radarbasierten Messung eines
Fülllevels
eines Füllmaterials
wird offenbart, wobei der Behälter
zumindest eine störende
Struktur aufweist. Das Verfahren umfasst: zu einem ersten Zeitpunkt
Senden eines Mikrowellensignals in Richtung der Oberfläche des
Füllmaterials;
Empfangen von Mikrowellensignalen, wie von der Oberfläche des
Füllmaterials
reflektiert und wie von der mindestens einen störenden Struktur reflektiert;
Berechnen basierend auf Laufzeiten der gesendeten und reflektierten
Mikrowellensignale von zumindest zwei Distanzen zu reflektierenden
Oberflächen
in dem Behälter;
und Wiederholen zu einem zweiten Zeitpunkt des Sendens, des Erfassens
und des Berechnens, wobei der erste Zeitpunkt zeitlich von dem zweiten
Zeitpunkt getrennt ist. Basierend auf den verschiedenen wiederholten
Messungen wird die Distanz zu der Oberfläche des Füllmaterials als die berechnete
Distanz bestimmt, welche die größte Änderung
zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt aufweist. Basierend
auf dieser Zeitdifferenzanalyse ist es möglich, sich bewegende Oberflächen sehr
leicht und genau zu bestimmen. Das Verfahren ist besonders vorteilhaft
bei Überfüllungs-
oder Hoch-Level-Alarmsystemen.