DE60034631T2

DE60034631T2 - Erkennung der schnittstelle zwischen mehreren prozess-produkten für ein füllstandmess-radargerät mit niedriger leistung

Info

Publication number: DE60034631T2
Application number: DE60034631T
Authority: DE
Inventors: Kurt C. Apple Valley Diede; Brian E. Bloomington Richter
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: US6198424B1; AU2614900A; CA2323558A1; EP1066500B1; CN1213284C; CN1293755A; BR0004311A; WO2000043739A1; DE60034631D1; JP2002535641A; EP1066500A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Prozesssteuerungsindustrie setzt Prozessvariablen-Transmitter oder -Messwertgeber zur Überwachung von Prozessvariablen ein, welche mit Substanzen wie Festkörpern, Aufschlämmungen, Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen in Chemie-, Trüben-, Erdöl-, Pharmazie-, Nahrungsmittel- und anderen nahrungsmittelverarbeitenden Anlagen verbunden sind. Die Prozessvariablen schließen Druck, Temperatur, Strömung oder Durchfluss, Füllstand, Trübung, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung und andere Eigenschaften ein. Ein Prozessvariablen-Messwertgeber kann ein Ausgangssignal, welches mit der gemessenen Prozessvariablen in Zusammenhang steht, über eine Prozessregelschleife für eine Steuerwarte bereitstellen, so dass der Prozess überwacht und gesteuert werden kann.
Bei der Prozessregelschleife kann es sich um eine 4-20mA Zweidraht-Prozessregelschleife handeln. Bei einer derartigen Prozessregelschleife sind die Erregungspegel niedrig genug, so dass die Schleife sogar bei Störungszuständen im Allgemeinen nicht ausreichend elektrische Energie zur Erzeugung eines Zündfunken aufweist. Dies ist besonders in leicht entzündlichen oder feuergefährlichen Umgebungen von Vorteil. Prozessvariablen-Messwert geber können manchmal bei derart niedrigen Energiepegeln arbeiten, dass sie ihren gesamten elektrischen Strom von der 4-20mA Schleife erhalten. Die Regelschleife kann zudem digitale Signale aufweisen, welche auf der Zweidrahtschleife entsprechend einem Prozessindustrie-Standardprotokoll wie beispielsweise dem digitalen HART^®-Protokoll überlagert werden.
Niedrigenergie-Zeitbereichsreflektometrieradar(LPTDRR)-Instrumente werden seit kurzem zur Messung des Füllstands von Prozessprodukten (entweder Flüssigkeiten oder Festkörpern) in Lagerbehältern verwendet. Bei der Zeitbereichsreflektometrie wird die elektromagnetische Energie von einer Quelle übertragen und diskontinuierlich oder unstetig reflektiert. Die Fortbewegungszeit des empfangenen Impuls basiert auf dem Medium, durch welches er sich fortbewegt. Eine Art des LPTDRR ist bekannt als Micropower Impulse Radar (MIR), welcher vom Lawrence Livermore National Laboratory entwickelt worden ist.
Niedrigenergieradar-Schaltkreise sind im Allgemeinen in der Lage, den Füllstand immer eines Produkts in einem Tank zu erfassen. Ein Lagerbehälter oder Speichertank enthält jedoch häufig eine Vielzahl von Produkten, welche aufeinander geschichtet sind. Dies erzeugt eine Vielzahl von Übergangsflächen oder Schnittstellen zwischen Produkten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten, bei welchen die übertragenen Mikrowellen reflektiert werden können. Beispielsweise sind in einem Tank mit einem Werkstoff auf Wasserbasis und einem Werkstoff auf Ölbasis für gewöhnlich zwei Schnittstellen oder Übergangsflächen vorhanden, eine zwischen der Luft und dem Werkstoff auf Ölbasis und eine zwischen dem Werkstoff auf Ölbasis und dem Werkstoff auf Wasserbasis. Manchmal tritt ein eingeschränktes Vermischen in unmittelbarer Nähe der Produktschnittstelle oder Übergangsfläche auf. Herkömmliche Niedrigenergieradar-Füllstandsmesswertgeber sind nicht in der Lage, beide Produktschnittstellen oder Übergängsflächen zu erfassen und sind daher nicht imstande, den Füllstand beider Produkte ohne vom Benutzer bereitgestellte erhebliche oder wesentliche Daten über die Dielektrizitätskon stante zu erfassen. Des Weiteren müssen die Dielektrizitätskonstanten, falls sich die Prozessprodukte ändern, neu eingegeben werden, oder es kann sich ein Fehler in das System einschleichen.
Ein Aufsatz mit dem Titel "Novel Methods of Measuring Impurity Levels in Liquid Tanks; Neuartige Verfahren zur Messung von Verunreinigungspegeln in Flüssigkeitsbehältern" von Matthias Weiss und Reinland Knöchel, welcher 1997 im IEEE MTT-S Digest veröffentlicht wurde, offenbart einen Sensor zur Bestimmung der Oberflächen- oder Schnittstellenhöhe von Werkstoffen wie beispielsweise Flüssigkeiten oder Pulvern, welche beispielsweise in einem Tank oder Silo enthalten sind. Die in diesem Patent offenbarte Erfindung basiert auf dem FSCW-Verfahren (frequency step continuous wave)
US-Patent Nr. 3,812,422 offenbart eine Vorrichtung zur Messung von Füllständen von Fluidansammlungen oder -mengen und von Höhen von Schnittstellen zwischen Fluiden durch Messen von Veränderungen der Impedanz entlang eines Signalpfads.
US-Patent Nr. 5,672,975 offenbart einen Füllstandsmesswertgeber zur Verwendung in einem Prozess zur Messung der Höhe oder des Füllstands eines Produkts in einem Tank.
US-Patent Nr. 5,609,059 offenbart einen auf Zeitbereichsreflektometrie basierenden Füllstands-Sensor.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liefert in einem ersten Aspekt einen Niedrigenergie-Füllstandsmesswertgeber, welcher die Erfassung von mehreren Prozessproduktschnittstellen gemäß Definition in Anspruch 1 bereitstellt.
In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung mehrerer oder Mehrfach-Prozessproduktschnittstellen oder -Übergängen gemäß Definition in Anspruch 12 bereit.
Es ist eine Mehrfachprozessproduktschnittstellenerfassung für einen Niedrigenergieradar-Füllstandsmesswertgeber offenbart. Eine Dielektrizitätskonstante eines ersten Produkts wird berechnet, um die Füllstände des ersten und zweiten Produkts in einem Tank zu berechnen. Eine Terminierung oder ein Endstück erstreckt sich in das erste und zweite Produkt in dem Tank. Ein Sendeimpulserzeuger überträgt oder sendet einen Impuls entlang der Terminierung oder des Endstücks in das erste und zweite Produkt. Ein Niedrigenergie-Zeitbereichsreflektometrieradar(LPTDRR)-Impulsempfänger empfängt den ersten und zweiten reflektierten Wellenimpuls, welche der Reflexion eines ersten Abschnitts des Sendeimpulses an einer ersten Produktschnittstelle bzw. der Reflexion eines zweiten Abschnitts des Sendeimpulses an einer zweiten Produktschnittstelle entsprechen. Eine Schwellenwert-Steuerung erzeugt einen ersten Schwellenwert zur Erfassung des ersten reflektierten Wellenimpuls sowie einen zweiten Schwellenwert zur Erfassung des zweiten reflektierten Wellenimpuls. Ein Dielektrizitätskonstantenberechner berechnet eine Dielektrizitätskonstante eines ersten Produkts als Funktion eines ersten reflektierten Wellenimpulses. Ein Füllstandsrechner berechnet die Füllstände des ersten und zweiten Produkts.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein Diagramm eines Mikrowellen-Füllstandsmesswertgebers, welcher die Umgebung von Ausführungsformen der Erfindung zeigt;
2 ein Blockdiagramm, welches eine Schaltkreisanordnung einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
3 ein Blockdiagramm, welches eine Schaltkreisanordnung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
4 und 5 Kurven, welche Schwellenwerte zeigen, welche durch Niedrigenergie-Zeitbereichsreflektometrieradar(LPTDRR)-Äquivalenzzeitwellenform steuerbar sind;
6 ein Schemadiagramm eines steuerbaren Empfangsschwellenwert-Schaltkreises;
7 eine Kurve, welche eine LPTDRR-Äquivalenzzeitwellenform darstellt; und
8 und 9 Ablaufdiagramme, welche Verfahren veranschaulichen, welche durch einen Füllstandsmesswertgeber gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform implementiert werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein Diagramm, welches Füllstandsmesswertgeber 100 veranschaulicht, welche in der Umgebung zur Befestigung an Speicherbehältern 12, 13, 17, 24 arbeiten, wobei die Speicherbehälter Prozessprodukte enthalten, die aufeinander angeordnet sind. Wie dargestellt ist, enthält der Tank 12 ein erstes Produkt 14, welches auf einem zweiten Produkt 15 angeordnet ist. Die Füllstandsmesswertgeber 100 weisen Gehäuse 16 sowie Terminierungen oder Endstücke 110 auf. Die Messwertgeber 100 sind mit Prozessregelschleifen 20 gekoppelt, und senden Informationen, welche sich auf Höhen der Prozessprodukte beziehen, über eine Schleife 20 an eine Steuerwarte 30 (welche als Spannungsquellen und Widerstände ausgeführt ist) oder an andere Vorrichtungen (nicht gezeigt), welche mit den Prozessregelschleifen 20 gekoppelt sind. Die Schleifen 20 sind Energiequellen für die Messwertgeber 100 und können jedes beliebige Industriestandard-Kommunikationsprotokoll wie beispielsweise 4-20mA, Foundation^TM Fieldbus oder HART^® verwenden. Als Niedrigenergieradar-Messwertgeber können die Messwertgeber 100 vollständig durch Energie betrieben werden, welche über eine 4-20mA Prozessregelschleife empfangen wird.
1 zeigt verschiedene Anwendungen, in welchen Radarfüllstandsmesswertgeber nützlich sind. Beispielsweise handelt es sich bei den Prozessprodukten 14 und 15 im Tank 12 um Fluide, während es sich bei den Prozessprodukten 18 und 19 im Tank 13 um Festkörper handelt. Die Prozessprodukte 21 und 22 im Tank 17 sind Fluide, deren Füllstände an ein Rohr 23 kommuniziert oder übertragen werden, in welches eines der Terminierungen oder End-stücke 110 hineinragt. Des Weiteren ist der Tank 24 die Produkte 25 und 26 enthaltend gezeigt, und mit einer strahlungsartigen Terminierung oder einem Endstück, welches am oberen Ende auf dem Tank 24 angebracht ist. Obwohl die Tanks 12, 13, 17 und 24 in 1 gezeigt sind, können die Ausführungsformen der Erfindung ohne Tanks praktiziert werden, wie beispielsweise in einem See oder Staubecken.
2 und 3 sind Blockdiagramme eines Füllstandsmesswertgebers 100. 4 und 5 sind Kurven von Äquivalenzzeit-Niedrigenergie-Zeitbereichsreflektometrieradar(LTPDRR)-Sende/Empfangswellenformen, welche steuerbare Schwellenwert-Erfassungsaspekte von Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Für Fachleute in der Technik versteht es sich, dass die Wellenformen der 4 und 5 invertiert oder umgekehrt werden können und immer noch in den Schutzbereich der Erfindung fallen. Innerhalb des Gehäuses 16 weist der Messwertgeber 100 einen Sendeimpulsgenerator 210, einen Impulsempfänger 220, eine Schwellenwertsteuerung 230, einen Dielektrizitätskonstantenberechner 240 sowie einen Füllstandsrechner 250 auf. Der Messwertgeber 100 weist zudem eine Terminierung oder ein Endstück 110 auf. Die Schwellenwertsteu erung 230, der Dielektrizitätskonstantenberechner 240 sowie der Füllstandsrechner 250 können in einem Mikroprozessor 255 implementiert sein, wie es in 3 gezeigt ist. Es kann jedoch auch eine diskrete Schaltkreisanordnung für beliebige dieser Funktionen verwendet werden. In Ausführungsformen, in welchen diese Funktionen in dem Mikroprozessor 255 ausgeführt sind, weist der Messwertgeber 100 einen Analog/Digital-Wandler 270 auf. Der Messwertgeber 100 kann eine Stromversorgung sowie eine Eingabe/Ausgabe-Schaltkreisanordnung 260 (in 3 gezeigt) zum Betreiben des Messwertgebers 100 mit Energie aufweisen, die über die Schleife 20 empfangen wird, und zum Kommunizieren über die Schleife 20. Eine derartige Kommunikation kann die Übertragung von Informationen bezüglich Produkthöhen über die Schleife 20 aufweisen. Eine Schaltkreisanordnung 260 kann so ausgelegt sein, dass sie die einzige Energiequelle für den Messwertgeber 100 durch über die Schleife 20 erhaltene Energie bereitstellt.
Die Terminierung oder das Endstück 110 kann von der Art sein, wie sie/es in der Füllstandsmesswertgebertechnik gut bekannt ist, und es kann sich bei der Terminierung um jeden beliebigen geeigneten Übertragungsleitungs-Wellenleiter oder eine Antenne handeln. Eine Übertragungsleitung ist ein System von Werkstoff-Abgrenzungen, welche einen kontinuierlichen Pfad von einem Ort zu einem anderen Ort bildet und in der Lage ist, eine Übertragung elektromagnetischer Energie entlang dieses Pfads zu lenken. In einigen Ausführungsformen ist die Terminierung oder das Endstück 110 eine Doppelleitungs-Antenne, welche Leitungen oder Leiter 115 und 120 aufweist, welche an einem unteren Bereich 125 verbunden sind und sich in die Produkte 14 und 15 im Tank 12 erstrecken können, und welche optional eine Anschlussplatte 155 aufweist. Bei der Terminierung oder dem Endstück 110 kann es sich zudem um eine Monopol-, eine Koaxial-, eine Doppelleitungs-, eine Einzelleitungs-, eine Mikrostrip-, oder eine Strahlungshorn-Terminierung mit jeder beliebigen Anzahl von Leitungen handeln.
Bei dem Sendeimpulserzeuger 210 kann es sich um eine Niedrigenergie-Mikrowellenquelle handeln, welche mit der Terminierung oder dem Endstück 110 verbunden ist. Der Erzeuger 210 erzeugt einen Mikrowellen-Sendeimpuls oder ein Signal, welches entlang der Terminierung 110 in die Produkte 14, 15 übertragen oder gesendet wird. Der Sendeimpuls kann jede beliebige Frequenz aus einer Bandbreite von Frequenzen aufweisen, beispielsweise zwischen ungefähr 250 MHz und ungefähr 20 GHz oder mehr. In einer Ausführungsform beträgt die Frequenz des Sendeimpulses in etwa 2 GHz. Der Vergleichs- oder Bezugsimpuls 310 der Äquivalenzzeit-Wellenform 300 (in den 4 und 5 gezeigt) kann an der Anschlussplatte 155 oder durch andere Mechanismen erzeugt werden, um den Beginn einer Sende-/Empfangsperiode zu bestimmen. Ein erster Abschnitt der Sendeimpuls-Mikrowellenenergie, welche entlang der Leitungen 115 und 120 übertragen wird, wird an der ersten Produktschnittstelle 127 zwischen der Luft und einem Produkt 14 reflektiert. Ein zweiter Abschnitt der Sendeimpuls-Mikrowellenenergie wird an der Schnittstelle 128 zwischen dem Produkt 14 und Produkt 15 reflektiert. In den 4 und 5 stellt der Impuls 320 der Äquivalenzzeit-Wellenform 300 die Mikrowellenenergie dar, welche an der Schnittstelle 127 zwischen der Luft und dem Produkt 14 reflektiert wird, während Impuls 330 Mikrowellenenergie darstellt, welche an der Schnittstelle 128 zwischen dem Produkt 14 und Produkt 15 reflektiert wird. Im Algemeinen, falls das Produkt 14 eine Dielektrizitätskonstante aufweist, die geringer als die Dielektrizitätskonstante von Produkt 15 ist, kann die Amplitude des Impulses 330 größer als Impuls 320 sein.
Bei dem Impulsempfänger 220 kann es sich um einen Niedrigenergie-Mikrowellenempfänger handeln, welcher mit der Terminierung oder dem Endstück 110 gekoppelt ist. Der Empfänger 220 ist derart ausgelegt, dass er den ersten reflektierten Wellenimpuls entsprechend der Reflexion des ersten Abschnitts des Sende- oder Übertragungsimpulses an einer Produktschnittstelle 127 (in den 4 und 5 durch Impuls 320 dargestellt) empfängt. Der Empfänger 220 ist darüber hinaus derart ausgelegt, dass er den zweiten reflektierten Wellenimpuls entsprechend der Reflexion des zweiten Abschnitts des Sende- oder Übertragungsimpulses an der zweiten Produktschnittstelle 128 (in den 4 und 5 durch Impuls 330 dargestellt) empfängt. Durch Verwendung eines bekannten Niedrigenergie-Zeitbereichsreflektometrieradar-Abtastverfahrens erzeugt der Empfänger 220 als Ausgangssignal eine Äquivalenzzeit-LPTDRR-Wellenform 300.
Die Schwellenwertsteuerung 230 empfängt die Wellenform 300 als Eingangssignal. In Ausführungsformen, in denen die Schwellenwertsteuerung 230 und der Dielektrizitätskonstantenberechner 240 im Mikroprozessor 255 ausgeführt sind, digitalisiert eine Analog/Digital-Umwandlungsschaltkreisanordnung 270 die Wellenform 300. Die Schwellenwertsteuerung 230 erzeugt die Schwellenwerte 315, 340 und 350 zur Erfassung eines Vergleichsimpulses 310 und somit eines Zeitpunkts T₁, bei welchem der Impuls 310 empfangen wurde, zur Erfassung eines reflektierten Wellenimpulses 320 und somit eines Zeitpunkts T₂, bei welchem der Impuls 320 empfangen wurde, und zur Erfassung eines reflektierten Wellenimpulses 330 und somit eines Zeitpunkts T₃, bei welchem der Impuls 330 empfangen wurde. Der Schwellenwert 315, welcher zur Erfassung des Vergleichsimpulses 310 verwendet wird, kann eine vorher festgelegte Konstantspannung sein, oder er kann automatisch als Funktion der Spitzenamplitude des Impulses 310 auf bekannte Art und Weise bestimmt werden. Die Schwellenwerte 340, 350 können als Funktion vom Benutzer eingegebener Daten berechnet werden. Für Fachleute in der Technik ist es offensichtlich, dass die Schwellenwertsteuerung 230 in Software als Algorithmus ausgeführt sein kann, welcher nach Mehrfach-Impulsen sucht. Die Schwellenwertsteuerung 230 stellt einen Empfangsimpuls-Schwellenwert 340 bereit, welcher in 4 auf einem Pegel dargestellt ist, welcher durch Impuls 330 überschritten wird. Die Schwellenwertsteuerung 230 stellt einen Empfangsimpuls-Schwellenwert 350 bereit, welcher in 5 auf einem Pegel dargestellt ist, welcher durch Impuls 320 überschritten wird. Die Schwellenwertsteuerung 230 liefert als Ausgangssignal an den Dielektrizitätskonstantenberechner 240 und an den Füllstandsrechner 250 Empfangsimpulsin formationen basierend auf einer Erfassung des reflektierten Wellenimpulses 320 und/oder 330 basierend auf einem Vergleich der reflektierten Wellenimpulse 320, 330 mit den jeweiligen Schwellenwerten.
6 veranschaulicht einen Abschnitt der Schwellenwert-Steuerung 230, welche in einer diskreten Schaltkreisanordnung implementiert ist, welche steuerbare Schwellenwerte wie beispielsweise die Schwellenwerte 340 und 350 erzeugt. Die Schwellenwert-Steuerung 230 schließt einen Vergleicher 400 ein, welcher als erstes Eingangssignal vom Empfänger 220 eine Wellenform 300 aufweist, welche die Empfangsimpulse 320 und 330 enthält. Als zweites Eingangssignal empfängt der Vergleicher 400 die steuerbare analoge Schwellenwertspannung, welche vom Ausgang des Digital/Analog-Wandlers 410 bereitgestellt wird. Der Digital/Analog-Wandler 410 empfängt ein digitales Eingangssignal vom Mikroprozessor 255, welches den gewünschten Schwellenwert wiedergibt. Das Ausgangssignal 420 des Vergleichers 400 wird an den Dielektrizitätskonstantenberechner 240 und an den Füllstandsrechner 250 als Anzeige der Zeitpunkte geliefert, zu denen die Impulse 320 und 330 empfangen werden. Während einer ersten Abtastperiode, in welcher die Wellenform 300 erzeugt wird, wird der Wandler 410 derart gesteuert, dass er einen Schwellenwert 350 zur Erfassung des Impulses 320 bereitstellt. Während einer nachfolgenden Abtastperiode wird der Wandler 410 derart gesteuert, dass er einen Schwellenwert 340 zur Erfassung des Impulses 330 bereitstellt.
Der Dielektrizitätskonstantenberechner 240 in 2 ist mit der Schwellenwertsteuerung 230 gekoppelt und ist derart ausgelegt, dass er eine Dielektrizitätskonstante des ersten Produkts 14 im Tank 12 als Funktion der Empfangsimpuls-Ausgangsinformationen berechnet, die von der Schwellenwertsteuerung 230 bereitgestellt werden. Ein Verfahren, welches vom Dielektrizitätskonstantenberechner 240 zur Berechnung der Dielektrizitätskonstante implementiert wird, wird nachfolgend ausführlich mit Bezug auf die 7 bis 9 erörtert.
Der Füllstandsrechner 250 ist mit der Schwellenwert-Steuerung 230 und dem Dielektrizitätskonstantenberechner 240 gekoppelt und derart ausgelegt, dass er einen Füllstand des ersten Produktes 14 und des zweiten Produktes 15 berechnet, indem er bekannte mathematische Funktionen zur Ableitung von Daten aus den reflektierten Impulsen einsetzt. Derartige mathematische Funktionen können beispielsweise mit einer Impulsamplitude, einer Impuls-Bewegungsdauer, einem Impulsgefälle und einer Impulsfläche oder -bereich arbeiten. Der Rechner 250 berechnet den Füllstand des Produkts 14 als Funktion des Zeitpunkts T₂ der Erfassung des ersten reflektierten Wellenimpulses 320. Der Rechner 250 kann des Weiteren den Füllstand des Produkts 15 als Funktion des Zeitpunkts T₃ der Erfassung eines zweiten reflektierten Wellenimpulses 330 und der berechneten Dielektrizitätskonstante des Produkts 14 berechnen.
Durch Verwendung der steuerbaren Schwellenwerterfassung kann der Dielektrizithtskonstantenberechner 240 die Dielektrizitätskonstanten von Produkten berechnen, und durch Kombination dieser Informationen mit den Mehrfachproduktschnittstellen-Zeitsteuerungsinformationen kann der Füllstand mehrerer Produkte durch den Füllstandsrechner 250 berechnet werden. Die Dielektrizitätskonstante des oberen Mediums (in einem besonderen Beispiel Öl) wird vom Rechner 250 berechnet, beispielsweise durch Verwendung des nachfolgenden Verfahrens.
Die Amplitude des Impulses, welcher von einer Schnittstelle mit einem Werkstoff reflektiert wird, ist proportional zu der Dielektrizitätskonstante des Werkstoffs gemäß der in Gleichung 1 dargestellten Beziehung.
wobei:

V_R: = die Amplitude des reflektierten Impulses; und
V_T: = die Amplitude des gesendeten Impulses.

VERFAHREN
Ein Verfahren zur Berechnung der Dielektrizitätskonstante von Produkt 14 mit der Beziehung aus Gleichung 1 verwendet die Schwellenwertsteuerung 230 zur genaueren Bestimmung der Amplituden der gesendeten und reflektierten Impulse. Dieses Verfahren wird zur Berechnung der Füllstände des ersten Produkts 14 sowie des zweiten Produkts 15 im Tank 12 verwendet. Das Verfahren ist in der Kurve von 7 gezeigt und wird im Ablaufdiagramm von 8 zusammengefasst. Für Fachleute in der Technik ist es offensichtlich, dass die Kurvenskizze von 7 umgekehrt werden kann und immer noch in den Schutzumfang der Erfindung fällt.
Das Verfahren beginnt bei Block 560 mit der Erzeugung eines Sendeimpulses. Der Sendeimpuls wird entlang der Terminierung oder des Endstücks in das erste und zweite Produkt im Tank übertragen. Bei Block 565 wird der erste reflektierte Wellenimpuls empfangen. Der erste reflektierte Wellenimpuls entspricht der Reflexion des ersten Abschnitts des Sendeimpulses an der ersten Produktschnittstelle 127. Bei Block 570 wird der zweite reflektierte Wellenimpuls empfangen. Der zweite reflektierte Wellenimpuls entspricht der Reflexion eines zweiten Abschnitts des Sendeimpulses an der zweiten Produktschnittstelle 128, welche zwischen einem ersten Produkt 14 und einem zweiten Produkt 15 gebildet wird.
Bei Block 575 wird die Dielektrizitätskonstante des ersten Produkts als Funktion des ersten reflektierten Wellenimpulses berechnet. Wie es in der Äquivalenzzeit-Niedrigenergie-Zeitbereichsreflektometrieradar(LPTDRR)-Wellenform 520 von 7 gezeigt ist, weist der Sendeimpuls (welcher durch den Vergleichsimpuls 530 dargestellt ist) eine Sendeamplitude V_T auf, während der Empfangsimpuls 540 eine Empfangsamplitude V_R auf weist. Entweder durch Digitalisierung der Äquivalenzzeit-LPTDRR-Wellenform 520 mit Hilfe des Analog/Digital-Wandlers 270 und durch Analysierung des digitalisierten Signals mit Hilfe des Mikroprozessors 255, oder durch Verwendung des Digital/Analog-Wandlers 410 zur Einstellung von Vergleicher-Schwellenwerten, wird die Amplitude des ersten reflektierten Wellenimpulses berechnet, und die Dielektrizitätskonstante des ersten Produkts 14 wird unter Verwendung von Gleichung 1 berechnet.
Bei Block 580 wird der Füllstand des ersten Produkts 14 berechnet. Der Füllstand des ersten Produkts 14 wird als Funktion des ersten reflektierten Wellenimpulses berechnet. Wie vorstehend erörtert wurde, wird der Füllstand des Produkts 14 für gewöhnlich als Funktion eines Empfangszeitpunkts des ersten reflektierten Wellenimpulses berechnet, und letztendlich als Funktion einer ersten Zeitdauer zwischen der Übertragung des Sendeimpulses und dem Empfang des ersten reflektierten Wellenimpulses.
Bei Block 585 wird der Füllstand des zweiten Produkts 15 berechnet. Der Füllstand des zweiten Produkts 15 wird als Funktion des ersten und zweiten reflektierten Wellenimpulses und als Funktion der berechneten Dielektrizitätskonstante des ersten Produkts 14 berechnet. Insbesondere kann der Füllstand des Produkts 15 als Funktion der berechneten Dielektrizitätskonstante des ersten Produkts 14 und als Funktion einer zweiten Zeitdauer zwischen dem Empfang des ersten reflektierten Wellenimpulses und dem Empfang des zweiten reflektierten Wellenimpulses berechnet werden. Letzten Endes ist die Berechnung des Füllstands des Produkts 15 auch eine Funktion des Füllstands von Produkt 14.
9 veranschaulicht ein spezifischeres Verfahren zur Berechnung des Füllstands der Produkte 14 und 15 im Tank 12. Zunächst wird, wie es bei Block 705 gezeigt ist, der Sendeimpuls erzeugt und entlang der Terminierung oder des Endstücks in die Produkte 14 und 15 übertragen. Wie bei Block 710 dargestellt ist, startet die Erzeugung und/oder Übertragung des Sendeimpulses einen Taktgeber oder bestimmt den Beginn einer oder mehrerer Zeitperioden.
Bei Block 715 wird der erste reflektierte Wellenimpulses empfangen, und bei Block 720 wird die erste Zeitdauer zwischen der Übertragung des Sendeimpulses und dem Empfang des ersten reflektierten Wellenimpuls aufgezeichnet. Bei Block 725 wird der Füllstand des ersten Produkts 14 als Funktion der ersten Zeitdauer berechnet.
Wie es bei Block 730 gezeigt ist, wird eine Amplitude des ersten reflektierten Wellenimpulses berechnet. Bei Block 735 wird die Dielektrizitäskonstante des ersten Produkts 14 als Funktion eines Vergleichs der Amplitude des ersten reflektierten Wellenimpulses mit einer Referenzamplitude berechnet. Die Referenzamplitude basiert auf der Amplitude des Sendeimpulses.
Bei Block 740 wird der zweite reflektierte Wellenimpuls empfangen, und bei Block 745 wird die zweite Zeitdauer zwischen dem Empfang des ersten reflektierten Wellenimpulses und dem Empfang des zweiten reflektierten Wellenimpulses aufgezeichnet. Bei Block 750 wird der Füllstand des zweiten Produkts 15 berechnet. Die Berechnung des Füllstands des zweiten Produkts 15 erfolgt als Funktion der zweiten Zeitdauer, als Funktion der berechneten Dielektrizitätskonstante des ersten Produkts sowie als Funktion des berechneten Füllstands des ersten Produkts.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es für Fachleute in der Technik offensichtlich, dass Veränderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung gemäß Definition durch die Ansprüche zu verlassen.

Claims

Niedrigenergie-Zeitbereichsreflektometrieradar-Füllstandsmesswertgeber, welcher eine Mehrfachprozessproduktschnittstellenerfassung bereitstellt, wobei der Füllstandsmesswertgeber derart angeordnet ist, dass er durch über eine 4-20mA-Prozessregelschleife empfangene Energie vollständig angetrieben wird, wobei der Messwertgeber Folgendes aufweist: eine Terminierung, die in das erste (14, 18, 21, 25) und zweite Produkt (15, 19, 22, 26) in einem Tank (12, 13, 17, 24) hineinragen kann, einen mit der Terminierung gekoppelten Impulserzeuger, einen mit der Terminierung gekoppelten Impulsempfänger und einen Füllstandsrechner; wobei der Impulserzeuger (210) derart angeordnet ist, dass er einen Mikrowellensendeimpuls erzeugt, der zusammen mit der Terminierung (110) in das erste und dann in das zweite Produkt gesendet wird, wobei ein erster Abschnitt des Sendeimpulses an einer ersten Produktschnittstelle (127) reflektiert wird, und ein zweiter Abschnitt des Sendeimpulses an einer zweiten Produktschnittstelle (128) reflektiert wird, wobei die zweite Produktschnittstelle (128) zwischen dem ersten (14, 18, 21, 25) und zweiten Produkt (15, 19, 22, 26) gebildet wird; wobei der Impulsempfänger (220) mit der Terminierung (110) gekoppelt und derart angeordnet ist, dass er einen ersten reflektierten Wellenimpuls empfangt, der der Reflektion des ersten Abschnitts des Sendeimpulses an der ersten Poduktschnittstelle (127) entspricht, und dass er einen zweiten reflektierten Wellenimpuls empfangt, der der Reflektion des zweiten Abschnitts des Sendeimpulses der zweiten Produktschnittstelle (128) entspricht; eine Schwellenwertsteuerung (230), welche mit dem Impulsempfänger (220) gekoppelt und derart angeordnet ist, dass sie erfasst, ob die erste reflektierte Wellenimpulsamplitude mindestens einem steuerbaren ersten Schwellenwert entspricht, und ob die zweite reflektierte Wellenimpulsamplitude mindestens einem steuerbaren zweiten Schwellenwert entspricht, und dass sie die Angabe eines Zeitpunkts des Empfangs des ersten reflektierten Wellenimpulses, eines Zeitpunkts des Empfangs des zweiten reflektierten Wellenimpulses sowie eine erste reflektierte Wellenimpulsamplitude bereitstellt; ein Dielektrizitätskonstantenberechner (240), welcher mit der Schwellenschwertsteuerung (230) gekoppelt und derart angeordnet ist, dass er eine Dielektrizitätskonstante des ersten Produkts in dem Tank (12, 13, 17, 24) als eine Funktion der ersten reflektierten Wellenimpulsamplitude berechnet; wobei der Füllstandsrechner (250) mit der Schwellenwertsteuerung (230) und dem Dielektrizitätskonstantenberechner (240) gekoppelt und derart angeordnet ist, dass er einen Füllstand des ersten Produkts (14) als eine Funktion eines Zeitpunkts des Empfangs des ersten reflektierten Wellenimpulses berechnet, und derart angeordnet ist, dass er einen Füllstand des zweiten Produkts (15) als eine Funktion eines Zeitpunkts des Empfangs des zweiten reflektierten Wellenimpulses und als eine Funktion der berechneten Dielektrizitätskonstante des ersten Produkts (14) berechnet; und einen Analog/Digital-Wandler (270), welcher mit dem Impulsempfänger (220) gekoppelt ist, um den ersten und zweiten reflektierten Wellenimpuls zu digitalisieren.
Füllstandsmesswertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Terminierung (110) eine Doppelleitungs-Mikrowellensendeleitung ist.
Füllstandsmesswertgeber nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstandsmesswertgeber (100) mit einer Zweidraht-Prozessregelschleife (20) gekoppelt ist, wobei der Füllstandsmesswertgeber (100) des Weiteren Ausgabeschaltungen aufweist, die mit der Zweidraht-Prozessregelschleife (20) gekoppelt sind, um Informationen bezüglich der Produkthöhe über die Schleife (20) zu senden.
Füllstandsmesswertgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstandsmesswertgeber (100) des Weiteren Stromversorgungsschaltungen (260) aufweist, die mit der Zweidraht-Prozessregelschleife (20) gekoppelt sind, um Strom von der Schleife zur Bereitstellung der einzigen Stromquelle für den Messwertgeber (100) zu empfangen.
Füllstandsmesswertgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessregelschleife (20) eine 4-20mA-Prozessregelschleife ist.
Füllstandsmesswertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dielektrizitätskonstantenberechner (240) derart angeordnet ist, dass er die Dielektrizitätskonstante des ersten Produkts (14, 18, 21, 25) als eine Funktion einer Größe des ersten reflektierten Wellenimpulses relativ zur einer Größe des Sendeimpulses berechnet.
Füllstandsmesswertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenwertsteuerung (230), der Dielektrizitätskonstantenberechner (240) und der Füllstandsrechner (250) einen Mikroprozessor (255) aufweisen, der mit dem Analog/Digital-Wandler (270) gekoppelt und derart angeordnet ist, dass er die digitalisierten ersten und zweiten Wellenimpulse erfasst, derart angeordnet, dass er die Dielektrizitätskonstante des ersten Produkts (14, 18, 21, 25) berechnet, und derart angeordnet, dass er die Füllstände des ersten (14, 18, 21, 25) und zweiten (15, 19, 22, 26) Produkts berechnet.
Füllstandsmesswertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertgeber (100) so angeordnet ist, dass die ersten und zweiten Schwellenwerte als eine Funktion der vom Benutzer eingegebenen Daten berechnet werden.
Füllstandsmesswertgeber nach entweder Anspruch 7 oder dem an Anspruch 7 angehängten Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellenwertsteuerung (230) Folgendes aufweist: einen Vergleicher (400) mit ersten und zweiten Eingängen, wobei der erste Eingang mit dem Impulsempfänger (220) gekoppelt und zum Empfang der ersten und zweiten reflektierten Wellenimpulse angeordnet ist; wobei der Mikroprozessor (255) derart angeordnet ist, dass er eine digitale Ausgabe (420) erzeugt, die einem erwünschten Schwellenwert entspricht; und einen Digital/Analog-Wandler (410), welcher mit dem Mikroprozessor (255) gekoppelt und zum Empfang der digitalen Ausgabe angeordnet ist, wobei der Digital/Analog-Wandler (410) derart angeordnet ist, dass er die digitale Ausgabe in eine analoge Schwellenwertspannung umwandelt und dem zweiten Vergleichereingang die analoge Schwellenwertspannung bereitstellt.
Füllstandsmesswertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulserzeuger (210) eine Niedrigenergie-Mikrowellenquelle aufweist.
Füllstandsmesswertgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsempfänger (220) einen Niedrigenergie-Mikrowellenempfänger aufweist.
Verfahren zur Erfassung von Mehrfachprozessproduktschnittstellen unter Verwendung eines Niedrigenergie-Zeitbereichsreflektometrieradar-Füllstandsmesswertgeber, welcher derart angeordnet ist, dass er mit über eine 4-20mA-Prozessregelschleife empfangene Energie vollständig angetrieben wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen eines Sendeimpulses (560), welcher zusammen mit einer Terminierung in erste (14, 18, 21, 25) und zweite (15, 19, 22, 26) Produkte in einem Tank (12, 13, 17, 24) gesendet wird, wobei das erste Produkt am nächsten bei dem Impulserzeuger ist; Empfangen eines ersten reflektierten Wellenimpulses (565), welcher der Reflektion eines ersten Abschnitts des Sen deimpulses an einer ersten Produktschnittstelle (127) entspricht; Erfassen eines ersten reflektierten Wellenimpulses (565), wenn die erste reflektierte Wellenimpulsamplitude mindestens einem ersten Schwellenwert entspricht; Empfangen eines zweiten reflektierten Wellenimpulses (570), welcher der Reflektion eines zweiten Abschnitts des Sendeimpulses an der zweiten Produktschnittstelle entspricht, wobei die zweite Produktschnittstelle zwischen dem ersten (14, 18, 21, 25) und zweiten (15, 19, 22, 26) Produkt gebildet ist; Erfassen eines zweiten reflektierten Wellenimpulses (570), wenn die zweite reflektierte Wellenimpulsamplitude mindestens einem zweiten Schwellenwert entspricht; und gekennzeichnet durch Steuern der ersten und zweiten Schwellenwerte; Berechnen einer Dielektrizitätskonstante (575) des ersten Produkts (14, 18, 21, 25) als eine Funktion der Amplitude des ersten reflektierten Wellenimpulses; Errechnen eines Füllstands (580) des ersten Produkts (14, 18, 21, 25) als eine Funktion des Zeitpunkts des Empfangs des ersten reflektierten Wellenimpulses; und Errechnen eines Füllstands des zweiten Produkts (585) als eine Funktion des Zeitpunkts des Empfangs des ersten reflektierten Wellenimpulses und des Zeitpunkts des Empfangs des zweiten reflektierten Wellenimpulses, und als eine Funktion der berechneten Dielektrizitätskonstante des ersten Produkts (14, 18, 21, 25).