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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Erfassung einer Trennschicht zwischen zwei flüssigen Füllgütern, nachfolgend auch als Medien bezeichnet, in einem Behälter im Rahmen einer kontinuierlichen Füllstandsmessung mit Mikrowellensignalen.
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Solche Füllstandsmessungen werden üblicherweise in der Automationstechnik zur Steuerung eines Prozessablaufs eingesetzt, wobei der Wellenleiter des Füllstandsmessgerätes in einem Behälter in ein Medium hineinragt. Bei dieser Laufzeit-Messmethode wird ein in Richtung Medium ausgesendeter Mikrowellen-Impuls bei einer Diskontinuität, einem Sprung des DK-Wertes (Dielektrizitätskonstanten) des Mediums, das den Wellenleiter umgibt, teilweise zurückreflektiert. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Hochfrequenzimpulses und dem Empfang des reflektierten Echosignals von der Oberfläche des Mediums lässt sich der Füllstand ermittelten.
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Bei der klassischen Füllstandsmessung befindet sich in dem Behälter üblicherweise ein einziges Füllgut, dessen Füllstand mittels eines Füllstandsmessgeräts messtechnisch erfasst wird.
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Daneben gibt es jedoch eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen sich im Behälter nicht nur ein einziges Füllgut, sondern zwei unterschiedliche Füllgüter und darüber eine Gasphase befinden können. Wenn sich in einem Behälter zwei verschiedene Füllgüter mit deutlich unterschiedlichem, spezifischem Gewicht befinden, so befindet sich dasjenige flüssige Füllgut, das das geringere spezifische Gewicht aufweist, im Ruhezustand auf dem Füllgut mit dem höheren spezifischen Gewicht. Es bilden sich zwei voneinander getrennte Schichten aus. Die Grenze zwischen den beiden Füllgütern wird als Trennschicht bezeichnet. Trennschichten treten beispielsweise in der Petrochemie auf, wo sie sich z. B. zwischen Wasser und flüssigen Kohlenwasserstoffen, z. B. Öl, ausbilden. Ein weiteres Beispiel ist die Lebensmittelindustrie, wo sich Trennschichten beispielsweise in Fettabscheidern ausbilden.
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Messungen solcher Trennschichten stellen eine Spezialform der Füllstandsmessung dar und dienen dazu, die Lage der Trennschicht im Behälter und/oder die Füllhöhen der beiden Füllgüter im Behälter zu bestimmen. Die Füllhöhe bezeichnet die Höhe, die eine aus dem jeweiligen Füllgut bestehende Schicht im Behälter einnimmt. Trennschichtmessungen werden in vielen Bereichen der industriellen Messtechnik eingesetzt, um die im Behälter befindlichen Mengen und/oder deren Gewicht, der einzelnen Füllgüter, insbesondere deren Volumen, zu ermitteln.
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Trennschichtmessungen werden heute, wie bereits oben beschrieben, als Laufzeitmessungen auch mit Füllstandsmessgeräten durchgeführt, die mit geführten Mikrowellensignalen arbeiten. Die Anmelderin beispielsweise vertreibt sie unter dem Produktnamen Levelflex. Dabei wird üblicherweise die sogenannte Zeitbereichsreflektometrie (Time Domain Reflectometry) angewendet, bei der vom Füllstandsmessgerät erzeugte Mikrowellen-Puls-Signale auf einem damit verbundenen und vertikal im Behälter angeordneten Wellenleiter, beispielsweise einem Goubauschen Wellenleiter oder einem Koaxialwellenleiter, in den Behälter gesendet werden. Der Wellenleiter taucht in das Füllgut und bei zwei Füllgütern in beide ein. Ein Anteil dieser elektromagnetischen Signale wird an der Füllgutoberfläche des oberen Füllguts reflektiert und ein weiterer Anteil der Signale durchdringt das obere Füllgut und wird an der Trennschicht zwischen den beiden Füllgütern reflektiert. Das Messgerät empfängt die durch diese Reflexionen gebildeten Echosignale und bestimmt daraus zum einen die Laufzeit, die zwischen dem Aussenden des Signals und dem Empfang des durch die Reflektion an der Füllgutoberfläche des oberen Füllguts entstandenen Echos vergeht und zum anderen die Laufzeit, die zwischen dem Aussenden des Signals und dem Empfang des durch die Reflektion an der Trennschicht bzw. an der Füllgutoberfläche des unteren Füllguts entstandenen Echosignals vergeht. Verschieden als Funktion der Zeit empfangene Signalamplituden bilden die sogenannte Echosignalkurve, die ausgeprägte Maxima aufweist, die den jeweils an einer der Füllgutoberflächen reflektierten Anteilen der elektromagnetischen Signale entsprechen. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des elektromagnetischen Signals und dem Empfang der Maxima werden die gesuchte Laufzeiten und damit auch die Lage der jeweiligen Füllgutoberfläche im Behälter ermittelt.
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Die baulichen Abmessungen des Behälter-Inneren, der Messanordnung aus Messgerät und Wellenleiter sowie die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Signale im Medium oberhalb des oberen Füllguts, meist Luft oder ein anderes Gasgemisch mit eventuellen Dampfanteilen, sind in der Regel bekannt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Signale im oberen Füllgut kann zwar anhand der Dielektrizitätskonstanten dieses oberen Füllguts berechnet oder experimentell bestimmt werden. Ist die Dielektrizitätskonstante des oberen Füllguts jedoch nicht bekannt oder kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit z. B. aus organisatorischen Gründen nicht experimentell bestimmt werden, ist keine exakte Bestimmung der Lage bzw. Position der Trennschicht zwischen dem ersten und zweiten Füllgut im Behälter möglich. Besonders kritisch wird es auch, wenn die Dielektrizitätskonstante des oberen Füllguts während des Messbetriebs geändert wird, durch Beimischungen oder infolge von Entgasung oder ähnlichem.
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Es sind zwar bereits Füllstandsmessgeräte bekannt, bei denen eine Kompensation von wechselndem DK-Wert der Medien der Gasphase durchgeführt wird. Eine gezielte Erfassung eines sich ändernden DK-Wertes eines zweiten flüssigen Füllgutes oberhalb eines schwereren ersten flüssigen Füllgutes im Behälter, um so die Trennschicht zwischen dem ersten und zweiten Füllgut exakt bestimmen zu können, ist bisher nicht möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur Trennschichtmessung zweier flüssiger Füllgüter in einem Behälter anzugeben, mit der eine Füllstandsmessung auch bei wechselndem DK-Wert im oberen Füllgut möglich wird.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch eine Anordnung zur Erfassung von Trennschichten zweier flüssiger Füllgüter in einem Behälter, bei der die Anordnung zwei Füllstandsmessgeräte umfasst, die mit auf Wellenleitern geführten Mikrowellen arbeiten, wobei der Wellenleiter des ersten Füllstandsmessgerätes in vertikaler Anordnung im Behälter ausgerichtet ist und der Wellenleiter des zweiten Füllstandsmessgerätes horizontal im Behälter angeordnet ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ordnet sich das zweite Füllgut auf dem ersten Füllgut im Behälter an.
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Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Wellenleiter des zweiten Füllstandsmessgerätes ein koaxialer Wellenleiter.
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Bei noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist am Ende des Wellenleiters des zweiten Füllstandsmessgerätes ein Wellenleiterabschluss angebracht, der ein positives Wellenleiter-Endsignal bewirkt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Wellenleiter des zweiten Füllstandsmessgerätes in geringem Abstand oberhalb der maximal zu erwartenden Höhe einer Trennschicht zwischen den beiden Füllgütern angeordnet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Wellenleiter des zweiten Füllstandsmessgerätes in einem Abstand vom Wellenleiter des ersten Füllstandsmessgerätes angeordnet, der eine gegenseitige Beeinflussung der Füllstandsmessgeräte ausschließt.
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Die oben beschriebene Aufgabe wird nach der Erfindung auch gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung von Trennschichten zweier flüssiger Füllgüter in einem Behälter mit folgenden Verfahrensschritten:
- – aufnehmen einer Leerkurve für den Behälter mit dem ersten Füllstandsmessgerät;
- – start einer Messung mit beiden Füllstandsmessgeräten
- – bestimmen der Höhe der Trennschicht im Behälter aus dem Verhältnis der Messwerte der beiden Füllstandsmessgeräte und der Länge des Wellenleiters des zweiten Füllstandsmessgerät in Anhängigkeit von der Leermessung.
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Dieses Verfahren nach der Erfindung ermöglicht in Verbindung mit den oben beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung, die geometrischen Konturen im Innern des Behälters und deren Wirkung auf die elektromagnetischen Messsignale bei nicht gefüllten Behälter. Die damit erhobene sogenannte Leerkurve aus den Messsignalen erleichtert die Kompensation von eventuellen Störstellen im Innern des Behälters und die Bestimmung des DK-Wertes der Luft bzw. des vorgesehenen Gasgemisches im Behälter und erlaubt die Bestimmung die Laufzeit der Messsignale in diesem Medium.
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Nachfolgend wird die Erfindung ausführlich beschrieben und erläutert, wobei auf das in der beigefügten Zeichnung in einer Prinzipskizze dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erfassung von Trennschichten zweier flüssiger Füllgüter in einem Behälter verwiesen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in diesem Zusammenhang gleichfalls erläutert.
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Zur Vereinfachung sind dabei in der Zeichnung gleiche Bezugszeichen für gleiche oder funktionsgleiche Elemente und Baugruppen verwendet worden.
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In einem Behälter 10 sind zwei flüssige Medien bzw. Füllgüter 12 und 14 dargestellt, von denen sich das erste Füllgut 12 aufgrund seiner größeren Dichte unterhalb des ersten, leichteren oberen Füllgutes 14 gesammelt hat. Zwischen beiden klar trennbaren Füllgütern 12 und 14 hat sich eine erste Trennschicht 16 gebildet. Oberhalb des zweiten, oberen Füllgutes 14 befindet sich Luft oder ein anderes Gasgemisch 18 mit eventuellen Dampfanteilen im Behälter. Eine Oberfläche des zweiten flüssigen oberen Füllgutes bildet mit der Gasphase 18 eine zweite Trennschicht 20 im hier dargestellten Behälter 10.
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Oben auf dem Behälter 10 ist ein mit Mikrowellen arbeitendes erstes Füllstandsmessgerät 30 dargestellt, bei dem in an sich bekannter Weise ein hier nicht näher bezeichnetes Gehäuse außerhalb oben auf dem Behälter 10 montiert ist, während ein zum ersten Füllstandsmessgerät 30 gehörender und damit verbundener vertikaler erster Wellenleiter 32 sowohl in das zweite Füllgut 14 als auch in das erste Füllgut 12 hineinragt.
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Ein vom ersten Füllstandsmessgerät 30 erzeugtes Mikrowellen-Puls-Signal läuft auf dem ersten Wellenleiter 32, der beispielsweise ein Goubauscher Wellenleiter oder ein Koaxialwellenleiter sein kann, entlang in Richtung der Füllgüter 12 und 14. Infolge der unterschiedlichen DK-Werte der Luft 18 und des zweiten Füllgutes 14 wird das Messsignal an der zweiten Trennschicht 20 teilweise reflektiert und das Reflektionssignal, das sogenannte Echo, läuft auf dem ersten Wellenleiter 32 zum ersten Füllstandsmessgerät 30 zurück, wo es erfasst und ausgewertet wird. Der Rest vom ursprünglich gesendeten Messsignal durchläuft das zweite Füllgut 14 bis zur ersten Trennschicht 16, wo es wiederum Infolge der unterschiedlichen DK-Werte von zweiten Füllgut 14 und erstem Füllgut 12 an der ersten Trennschicht 16 teilweise reflektiert wird. Dieses zweite Echo und Reflektionssignal läuft wieder auf dem ersten Wellenleiter 32 zum ersten Füllstandsmessgerät 30 zurück, wo es erfasst und ausgewertet wird. Der restliche Teil des Messsignals läuft weiter auf dem ersten Wellenleiter 32 bis zu dessen Ende, wo ein weiteres Reflektionssignal gebildet wird, das auf dem Wellenleiter 32 bis zum ersten Füllstandsmessgerät 30 zurückläuft und dort als sogenanntes Wellenleiter-Endsignal erfasst und ausgewertet wird.
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Das Messgerät empfängt die durch diese Reflexionen gebildeten Echosignale und misst die Laufzeit, die zwischen dem Aussenden des Signals und dem Empfang der Echos vergangen ist. Die verschiedenen als Funktion der Zeit empfangenen Signalamplituden bilden die sogenannte Echosignalkurve, die ausgeprägte Maxima aufweist, die den jeweils an einer der Füllgutoberflächen reflektierten Anteilen der elektromagnetischen Signale entsprechen. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des elektromagnetischen Signals und dem Empfang der Maxima wird die gesuchte Laufzeit und damit auch die Lage der jeweiligen Reflexionshorizonte die den Füllgutoberflächen im Behälter entsprechen, ermittelt.
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Um jedoch die genaue Position der reflektierenden Horizonte im Behälter bestimmen zu können, müssen die DK-Werte des unteren Füllgutes, des oberen Füllgutes und der darüber befindlichen Gasphase bekannt sein, da ein Messsignal, das bis zur ersten, unteren Trennschicht oder bis zum Wellenleiter-Ende und zurück zum Messgerät läuft, beide Füllgüter und die Gasphase passieren muss. Da die DK-Werte der durchlaufenen Medien die dortigen jeweiligen Ausbreitungen der Signale bestimmen, müssen DK-Werte wenigstens beider Füllgüter bekannt sein. Es kann jedoch passieren, dass sich die Dielektrizitätskonstante des oberen Füllguts während des Messbetriebs oder zwischen zwei Messzyklen ändert, weil beispielsweise ein unbekanntes Medium in den Behälter zugeflossen ist, dass sich mit dem zweiten, oberen Füllgut durchmischt, oder eine Erwärmung des zweiten, oberen Füllgutes zu einer Entgasung führt, lässt sich Ursache der Änderungen der Echosignalkurve nicht deutlich zuordnen, da nicht ohne weiteres klar ist, ob eine aus der Echokurve ersichtliche Volumen-Änderung wenigstens eines der Füllgüter allein durch den Zufluss oder durch einen wechselnden DK-Wert verursacht wird.
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Die Erfindung sieht für diesen Fall ein zweites Füllstandsmessgerät 34 vor, das wie das erste Füllstandsmessgerät 30 mit Mikrowellen arbeitet. Im Unterschied zum ersten Füllstandsmessgerät 30 ist das zweite Füllstandsmessgerät 34 derart oben am Behälter 10 montiert, dass sich sein zweiter Wellenleiter 36, der vorzugsweise ein Koaxialwellenleiter ist, horizontal oben im Behälter 10 erstreckt. Am Ende des zweiten Wellenleiters 36 des zweiten Füllstandsmessgerätes 34 ist vorzugsweise ein Wellenleiterabschluss angebracht ist, der ein positives Wellenleiter-Endsignal bewirkt, so dass dieses Signal klar und deutlich erkannt werden kann.
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Das zweite Füllstandsmessgerät 34 sollte in einer solchen Position montiert sein, dass sich sein zweiter Wellenleiter 36 mit großer Gewissheit immer im zweiten Füllgut 14 befindet, sofern dieses im Behälter 10 vorhanden ist. Das bedeutet, dass der zweite Wellenleiter 36 in geringem Abstand oberhalb einer maximal zu erwartenden Höhe 38 der ersten Trennschicht 16 zwischen den beiden Füllgütern 12 und 14 angeordnet ist.
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Außerdem sollte der zweite Wellenleiter 36 des zweiten Füllstandsmessgerätes 34 in einem solchen Abstand 40 vom ersten Wellenleiter 32 des ersten Füllstandsmessgerätes 30 angeordnet sein, dass eine gegenseitige Beeinflussung der Füllstandsmessgeräte 30 und 34 ausgeschlossen ist. Dies gilt insbesondere für eine Länge 42 des zweiten Wellenleiters 36.
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Aus einer sogenannten Leermessung mit dem ersten Füllstandsmessgerät 30 bei leerem Behälter 10, ohne Füllgut kann ein Messsignal, also ein Laufzeitsignal LZ-leer für die Länge des ersten Wellenleiters 32 bis zum Wellenleiter-Ende gewonnen werden.
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Wenn der zweiten Wellenleiters 36 im Behälter 10 vom zweiten, oberen Füllgut 14 umflossen wird, lässt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen-Messsignale im zweiten Füllgut 14 bestimmen. Die Länge 42 des zweiten Wellenleiters 36 ist bekannt und dient als Referenzlänge, so dass in Verbindung mit der gemessenen Laufzeit eines Mikrowellen-Messsignals über die Länge des zweiten Wellenleiters 36 die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Messsignals im zweiten Füllgut ermittelt werden kann. Diese mit dem zweiten Füllstandsmessgerät 34 gemessene Ausbreitungsgeschwindigkeit des Messsignals dient zur exakten Lage-Bestimmung der mit dem ersten Füllstandsmessgerät 30 gemessenen Reflektionshorizonte und damit der exakten Bestimmung des tatsächlichen Füllstands des ersten Füllgutes 12, und zwar wie nachfolgend beschrieben.
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Zur Kompensation bzw. Korrektur einer mit dem ersten Füllstandsmessgerät 30 gemessenen Laufzeit LZT für die vermutete erste Trennschicht 16 wird diese Laufzeit LZT durch die mit dem zweiten Wellenleiters 36 im zweiten Füllgut gemessene Referenzlaufzeit LZR dividiert und mit der Länge 42 des zweiten Wellenleiters 36 multipliziert. Die damit erhaltene Länge LRef ist vom oben beschriebenen Lerrmessungssignal LZ-leer abzuziehen um auf die gesuchte Entfernung der ersten Trennschicht 16 vom ersten Füllstandsmessgerät 30 zu kommen.
