DE10139242A1

DE10139242A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen eines Befüllvorgangs

Info

Publication number: DE10139242A1
Application number: DE10139242A
Authority: DE
Inventors: Robert Laun; Dieter Haas
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2003-03-06
Also published as: EP1283412A3; US6829932B2; EP1283412B1; US20030033869A1; EP1283412A2

Abstract

Zum Erfassen eines Befüllvorgangs wird ein Signal in den Behälter ausgesendet und ein aus dem Behälter zurückgeworfenes Echo wird aufgezeichnet. Wenigstens ein Parameter wie etwa die Amplitude h(t) des zurückgeworfenen Echos zu einem Zeitpunkt t, wird ermittelt, und ein Befüllvorgang wird festgestellt, wenn der Parameter außerhalb eines Erwartungsbereichs liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen eines Befüllvorgangs.
Zur Überwachung des Füllstands für fließ- oder schüttfähige Materialien werden häufig Sensoren eingesetzt, die ein Signal in den Behälter aussenden, aus dem Behälter zurückgeworfene Signale aufnehmen und durch eine Signalanalyse eine Abschätzung des Füllstandes des Behälters erlauben.

Diese Sensoren funktionieren befriedigend, so lange die Füllstandsverhältnisse im Inneren des Behälters sich nicht zu stark ändern, so dass eine wohl definierte Oberfläche des Füllguts existiert, deren Beitrag zum Echosignal isoliert und ausgewertet werden kann. Eine solche Auswertung wird zwar erschwert durch Echobeiträge, die von den Wänden des Behälters oder Behälteranbauten zurückgeworfen werden, doch können diese Störechobeiträge im allgemeinen dadurch vom Echo des Füllgutspiegels unterschieden werden, dass erstere sich im Laufe der Zeit nur dann ändern, wenn die das Echo zurückwerfende Oberfläche entweder vom Füllgut überdeckt oder wieder freigegeben wird. Das Echo des Füllgutspiegels ist also von Störechos langfristig dadurch unterscheidbar, dass bei ersterem die Laufzeit des Echobeitrags langfristig variabel ist, wohingegen bei letzteren die Laufzeit des Echobeitrags unverändert bleibt und statt dessen die Amplitude variiert.

Wenn ein solcher Behälter befüllt wird, ändern sich die Echosignalverhältnisse. Durch Staub- bzw. Füllgutpartikel in der Luft kann es zu einer Dämpfung der Signale kommen. Die Amplitude der Störechosignale als auch das Echosignal des Füllgutspiegels ändern sich; Füllgut kann an den Behälterwänden haften bleiben oder von diesen abfallen, so dass Informationen über Störechobeiträge, die zu einem früheren Zeitpunkt gesammelt worden sind, während und nach dem Befüllen nicht mehr notwendigerweise gültig sein müssen. Insbesondere wenn die verwendeten Signale akustische Signale sind, kann das Geräusch des Befüllvorgangs sich dem Echosignal überlagern und Echobeiträge verdecken. Auch der Befüllstrom selber kann, wenn er von dem ausgesendeten Signal getroffen wird, Störechosignale liefern.

Alle diese Einflüsse führen dazu, dass die Füllstandsmessung anhand eines Echosignals unter Verwendung von Algorithmen, die befriedigende Ergebnisse liefern, bei laufender Befüllung unbrauchbare Ergebnisse liefern können. Um ständig über zuverlässige Füllstandsmessewerte zu verfügen, ist es daher notwendig, zur Füllstandsabschätzung aus dem Echosignal unterschiedliche Algorithmen oder Parameter einzusetzen, je nach dem, ob gerade ein Befüllvorgang stattfindet oder nicht.

Wenn die Auswertung der Echosignale automatisch in einer Auswertungseinheit vorgenommen werden soll, ist es daher erforderlich, dieser zusätzlich zum Echosignal auch eine Information darüber zuzuführen, ob gerade ein Befüllvorgang stattfindet oder nicht. Eine solche Information kann z. B. erhalten werden durch Abgreifen eines Stellsignals, das den offenen oder geschlossenen Zustand einer Einfüllklappe des Behälters steuert, von einer Steuereinrichtung der Einfüllklappe oder durch einen an der Klappe angeordneten Positionsgeber. In beiden Fällen ist es erforderlich, dass der Behälter bzw. dessen Steuereinrichtung zum Abgreifen des benötigten Signals vorbereitet sind oder dass an ihnen bauliche Änderungen vorgenommen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Erfassen eines Befüllvorgangs in einem Behälter und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens anzugeben, die solche Anforderungen an den Behälter nicht stellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten

a) Aussenden eines Signals in den Behälter und Aufzeichnen eines aus dem Behälter zurückgeworfenen Echos,
b) Ermitteln von Parametern der zurückgeworfenen Echosignale und
c) Feststellen eines Befüllvorgangs, wenn die Parameter außerhalb von Erwartungsbereichen liegen,

bzw. durch eine Vorrichtung mit einer Sender- /Empfängereinheit zum Durchführen des Schritts a und einer Auswertungseinheit zum Durchführen der Schritte b und c.

Um die Grenzen der Erwartungsbereiche zweckmäßig festzulegen, werden vorzugsweise Messungen des Parameters durchgeführt, ohne dass ein Befüllvorgang stattfindet, und die Erwartungsbereiche werden anhand der so erhaltenen, für den Nicht-Befüllbetrieb des Behälters typischen Parameterwerte definiert.

Diese Messungen können bei diversen Füllstandspegeln des Behälters durchgeführt werden. Vorzugsweise generieren sich beim Einbau des Gerätes die Parameter im laufenden Betrieb selbständig.

Als Parameter zum Beurteilen des Vorliegens eines Befüllungsvorgangs werden zweckmäßigerweise Amplitudenwerte der Echosignale genutzt. Nach einer einfachen Ausgestaltung des Verfahrens kann es sich dabei um wenigstens einen jeweils in einem gegebenen Zeitabstand vom Aussendezeitpunkt des Signals gemessenen Amplitudenwert handeln. Der Amplitudenwert kann auch über die gesamte Ausdehnung oder ein oder mehrere Intervalle des zeitlichen Verlaufs des Echos gemittelt sein, um die Zuverlässigkeit der Beurteilung zu verbessern.

Als Parameter geeignet ist auch das Ausmaß der Amplitudenschwankungen im zeitlichen Verlauf der Echosignale. Diese sind relativ gering, wenn die Echosignale von einem starken Störgeräusch des Befüllvorgangs überlagert sind bzw. die aus dem Behälter zurückgeworfenen Echosignale durch einen Füllgutstrahl gedämpft werden.

Ein solcher Parameter kann auf einfache Weise erhalten werden durch Addieren von Differenzen von an aufeinanderfolgenden Zeitpunkten aufgenommenen Messwerten der Amplitude der Echosignale.

Da die Echoamplitude im allgemeinen im Laufe der Zeit nach dem Aussenden des Signals abfällt, ist es zweckmäßig, beim Berechnen des Parameters nur diejenigen Differenzen zu addieren, bei denen die Amplitude des späteren Messwerts höher ist als die des früheren. Eine weitere Möglichkeit ist, als Parameter eine gewichtete Summe von Amplitudenwerten des Echosignals zu verschiedenen Zeitpunkten zu bilden. Dabei wird vorzugsweise ein im zeitlichen Verlauf des Echosignals zunehmender Gewichtungsfaktor gewählt.

Selbstverständlich ist es auch möglich, zur Beurteilung des Vorliegens eines Befüllungsvorgangs eine Mehrzahl von Parametern des zurückgeworfenen Echos zu ermitteln und das Vorliegen eines Befüllungsvorgangs dann festzustellen, wenn wenigstens eine vorgegebene Zahl der Parameter außerhalb ihres jeweiligen Erwartungsbereiches liegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen mit einer Füllstandsmessvorrichtung ausgestatteten Schüttgutbehälter;
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Amplitude eines typischen Echosignals ohne Befüllung und während der Befüllung des Behälters;
Fig. 3 den Verlauf eines im Laufe der Befüllung des Behälters aufgenommenen Echosignals im Vergleich mit einem Störecho; und
Fig. 4 den zeitlichen Verlauf eines Rauhheitsparameters des Echosignals, berechnet für eine Vielzahl von nacheinander erzeugten Echos.
Fig. 1 zeigt in einem schematischen vertikalen Schnitt einen Behälter mit einer Füllstandsmessvorrichtung. Die Füllstandsmessvorrichtung umfasst in an sich bekannter Weise eine im Innern des Behälters 1 an dessen Decke 2 montierte Sender-/Empfängereinheit 3, eine mit der Sender- /Empfängereinheit 3 verbundene Auswerteeinheit 4 sowie eine Anzeigeeinheit 5, z. B. eine Bildröhre. Die Auswerteeinheit 4 kann als der Sender-/Empfängereinheit 3 zugeordneter, geeignet programmierter Mikroprozessor implementiert sein; es kann sich aber auch um einen unspezialisierten Computer handeln, der mit der Sender-/Empfängereinheit 3 über eine Schnittstelle (nicht dargestellt) kommuniziert und in der Lage ist, ein Programm auszuführen, das ein im folgenden noch genauer zu beschreibendes Verfahren realisiert. Die Sender-/Empfängereinheit 3 sendet ein Signal, insbesondere ein Ultraschallsignal, in den unteren Bereich des Behälters 1, wo sich ein zu erfassendes Füllgut 7 befindet, und empfängt ein von dem Füllgut 7 und von den Wänden des Behälters 1 zurückgeworfenes Echosignal.
Fig. 2 ist ein Graph, der einen typischen Verlauf eines solchen Echosignals zeigt. Dabei ist an der Abszisse die der Laufzeit des Echosignals entsprechende zurückgelegte Weglänge in Metern und an der Ordinate die Amplitude des Echosignals in Dezibel aufgetragen. Zwei Kurven 10, 11 zeigen den typischen zeitlichen Verlauf eines Echosignals jeweils im Nicht-Befüllbetrieb des Behälters bzw. bei einem laufenden Befüllungsvorgang. Der Vergleich der zwei Kurven zeigt, dass der Signalamplitudenverlauf der dem Befüllungsvorgang entsprechenden Kurve 11 insgesamt niedriger ist und auch weniger Details aufweist.
Die unterschiedlichen Amplituden dieser zwei Kurven 10, 11 lassen sich in unterschiedlicher Weise zur Beurteilung des Vorliegens eines Befüllungsvorgangs nutzen.
Der Vergleich der Kurven 10 und 11 zeigt, dass im Fall des Behälters, an dem diese Kurven gemessen wurden, bei Weglängen von 16-32 m und von ca. 39-46 m deutliche Amplitudenunterschiede zwischen den zwei Kurven bestehen. Sofern diese Amplitudenunterschiede unabhängig vom jeweiligen Füllstand existieren, bei dem die Kurven 10 bzw. 11 aufgenommen worden sind, würde es nach einer einfachen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens genügen, für die Feststellung eines Befüllungsvorgangs lediglich eine Funktion des Weglängenwertes aus den genannten Bereichen zu berechnen, typische Amplituden des Echosignals für diesen Weglängenwert bei diversen Füllständen zu messen, um auf diese Weise einen Erwartungsbereich für die Amplitude zu definieren, und einen Befüllungsvorgang immer dann festzustellen, wenn die gemessene Amplitude unterhalb des Erwartungsbereichs liegt.
Um die Zuverlässigkeit einer solchen Beurteilung zu verbessern, kann ein solcher Erwartungsbereich auch aus einer Mehrzahl von Weglängenwerten ermittelt werden, und ein Befüllungsvorgang wird immer dann festgestellt, wenn für diese Weglängenwerte eine Funktion aus den gemessenen Amplituden unterhalb des Erwartungsbereichs liegt.
Der gleiche Vorteil wird erreicht, wenn die Amplitude der Kurve 11 nicht punktuell mit einem Erwartungsbereich verglichen wird, sondern zunächst wenigstens ein Erwartungsbereich für über ein geeignet gewähltes Weglängen-Intervall gemittelte Amplitudenwerte des Echosignals im Nicht- Befüllbetrieb des Behälters festgelegt wird und zur Erfassung eines Befüllungsvorgangs der Mittelwert der Kurve 11 in dem entsprechenden Intervall mit dem Erwartungsbereich verglichen wird.
Eine alternative Möglichkeit, einen Erwartungsbereich für die Echosignalamplitude festzulegen, basiert auf der Analyse von Störechos. Dabei werden als Störechos solche Beiträge des Echosignals aufgefasst, die unabhängig vom tatsächlichen Füllstand im Behälter auftreten, und die infolgedessen auf Reflexionen an den Behälterwänden zurückzuführen sind.
Die Kurve 12 in Fig. 3 zeigt den Verlauf solcher Störechos als Funktion der Weglänge. Da die Störechokurve demjenigen Anteil der Echosignale entspricht, der nicht füllstandsabhängig variabel ist, hat sie nur bei relativ kurzen Weglängen, im Beispiel der Fig. 3 unterhalb von ca. 8 m, eine nicht vernachlässigbare Amplitude. Sie ist in einem Speicher der Auswerteeinheit 4 gespeichert und wird von der Auswerteeinheit 4 mit im Laufe des Betriebs periodisch erfassten Echosignalen verglichen.
Wenn ein Echosignalverlauf mit der Gestalt der Kurve 13 erfasst wird, deren Amplituden lokal geringer sind als die der Störechokurve 12, so muss dies auf Signalabsorption in einem geringen Abstand von der Sender-/Empfängereinheit 3 zurückzuführen sein, wofür Signaldämpfungen durch "Staub" verantwortlich sein können. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens bildet also die gesamte Fläche des Diagramms der Fig. 3 oberhalb der Kurve 12 einen Erwartungsbereich, und ein Verlauf des Echosignals außerhalb des Erwartungsbereichs, wie der der Kurve 13, führt zur Erfassung eines Befüllungsvorgangs.
Damit ein Befüllungsvorgang erfasst wird, ist es nicht notwendig, dass die Kurve 13 des Echosignals im gesamten Weglängenbereich, in dem die Störechokurve angelegt wurde, unterhalb der Störechokurve 12 verläuft. Es genügt, dass die Kurve 12 auf einem vorgegebenen Abschnitt dieses Weglängenbereichs unter der Störechokurve 12 liegt. Um die Sicherheit der Befüllungserfassung zu verbessern, kann die Auswerteeinheit 4 ein Tiefpassfilter umfassen, in dem das Echosignal vor dem Vergleich mit der Kurve 13 gefiltert wird.
Eine weitere Möglichkeit zum Erfassen eine Befüllungsvorgangs durch Analyse der Echosignale ergibt sich aus der in Fig. 2 zu erkennenden relativen Detailarmut der Echosignalkurve 11 im Vergleich zu der Kurve 10. Man erkennt im Vergleich der zwei Kurven deutlich, dass eine Vielzahl von Peaks der Kurve 10 in der während der Befüllung aufgenommenen Kurve 11 schlicht nicht vorhanden sind, mit anderen Worten, dass die Kurve 10 eine deutlich stärke "Rauheit" aufweist als die Kurve 11.
Um diese Rauheit zu quantifizieren und vergleichen zu können, wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine Vielzahl von Abtastwerten h(t1), h(t2), . . . des Echosignals aufgenommen, wobei die Abtastzeitpunkte t₁, t₂, . . . mit einer vorgegebenen Schrittweite Dt aufeinanderfolgen, und für jedes Echosignal wird die Summe

berechnet, wobei die Funktion p(x) den Wert x für positive x und sonst den Wert 0 hat.
Fig. 4 zeigt eine Kurve 14, gebildet aus einer Folge von Werten dieser Summe R, die an einem Behälter im Laufe einer Zeit aufgenommen wurden, in denen sich Befüllungsvorgänge und Stadien ohne Befüllung des Behälters abwechselten. Man erkennt deutlich, dass die Werte der Summe R in zwei deutlich von einander getrennten Wertebereichen S1, S2 liegen, je nachdem, ob ein Befüllungsvorgang läuft, wie in den Intervallen d1, d3, d5, oder nicht, wie in den Intervallen d2, d4.
Selbstverständlich sind noch diverse Weiterentwicklungen möglich, die die Sicherheit der Erfassung von Befüllungsvorgängen noch weiter verbessern können. So zeigt z. B. die Fig. 2, dass die Differenz der Amplituden der Echosignale mit und ohne Befüllung bei geringen Distanzen klein ist und dazu tendiert, mit zunehmender Distanz anzuwachsen. Dieses Verhalten kann man sich zunutze machen, indem man nicht direkt die Amplitude der Echosignale vergleicht, sondern das Produkt aus Echosignalamplitude und Laufzeit bildet und dann momentane Werte oder Mittelwerte dieses Produkts in ansonsten der gleichen Weise wie oben mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben miteinander vergleicht.
Die oben als Kriterien für die Erkennung eines Befüllungsvorgangs in Betracht gezogenen Parameter punktuelle Amplitude, gemittelte Amplitude, Rauheit R sowie andere, hier nicht eigens erwähnte, können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch durch ihre zeitliche Ableitung im Laufe aufeinanderfolgender Messvorgänge ersetzt werden. So lässt sich zum Beispiel für die zeitliche Ableitung der Amplitude oder der Rauheit ein Erwartungsbereich angeben, der um Null liegt. Wenn die im Laufe aufeinanderfolgender Messvorgänge beobachtete Änderung des Parameters außerhalb des Erwartungsbereichs liegt, so lässt dies auf einen Befüllungsvorgang schließen.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen eines Befüllvorgangs mit den Schritten

a) Aussenden eines Signals in Richtung Füllgut und Aufzeichnen von zurückgeworfenen Echosignalen über eine vorgegebene Zeitspanne,

b) Ermitteln mindestens eines Parameters aus den zurückgeworfenen Echosignalen, und

c) Feststellen eines Befüllvorgangs, wenn der oder die Parameter außerhalb eines Erwartungsbereichs liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwartungsbereich anhand von Messungen der Parameter festgelegt wird, die durchgeführt werden, ohne dass ein Befüllvorgang stattfindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwartungsbereich anhand von Messungen der Parameter festgelegt wird, die an einem Behälter bei diversen Füllstandspegeln durchgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Parameter ein oder mehrere Amplitudenwerte, vorzugsweise ein oder mehrere über den zeitlichen Verlauf der Echosignale gemittelte Amplitudenwerte, sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Parameter ein Maß für die Stärke von Amplitudenschwankungen der Echosignale sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Parameter durch Addieren von Differenzen von an aufeinanderfolgenden Zeitpunkten aufgenommenen Messwerten der Amplitude des Echosignales erhalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz nur dann beim Addieren berücksichtigt wird, wenn die Amplitude des späteren Messwerts höher ist als die des früheren.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter eine gewichtete Summe von Amplitudenwerten des Echosignals zu verschiedenen Zeitpunkten ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungsfaktor im zeitlichen Verlauf des Echosignals zunimmt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) für eine Mehrzahl von Parametern durchgeführt wird und ein Befüllvorgang festgestellt wird, wenn wenigstens ein vorgegebener Anteil der Parameter außerhalb eines Erwartungsbereiches liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Befüllvorgang in einem Behälter durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das ausgesandte Signal ein Ultraschall- oder Mikrowellensignal ist.

13. Vorrichtung zum Erfassen eines Befüllvorgangs, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Sender- /Empfängereinheit (3) zum Aussenden eines Signals in den Behälter und Aufzeichnen von zurückgeworfenen Echosignalen über eine vorgegebene Zeitspanne und einer an die Sender-/Empfängereinheit angeschlossenen Auswerteeinheit (4) zum Ermitteln mindestens eines Parameters aus den zurückgeworfenen Echosignalen und zum Feststellen eines Befüllvorgangs, wenn der Parameter außerhalb eines Erwartungsbereichs liegt.