Beschreibungdescription
Füllstandsmessumformer nach dem Radarprinzip und Diagnoseein¬ richtungLevel transmitter according to the radar principle and Diagnoseein¬ direction
Die Erfindung betrifft einen Füllstandsmessumformer nach dem Radarprinzip mit einer Antenne zum Aussenden eines Radarsignals zur Oberfläche eines Füllguts und zum Empfangen eines an der Oberfläche reflektierten Radarsignals nach dem Oberbe- griff des Anspruchs 1 sowie eine Diagnoseeinrichtung zur Erkennung einer Verschmutzung der Antenne eines derartigen Füllstandsmessumformers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.The invention relates to a level transmitter according to the radar principle with an antenna for emitting a radar signal to the surface of a medium and for receiving a surface-reflected radar signal according to the preamble of claim 1 and a diagnostic device for detecting contamination of the antenna of such a level transmitter after Preamble of claim 5.
Aus der EP 0 670 048 Bl ist bereits ein Verfahren zur Füll- Standsmessung nach dem Radarprinzip bekannt, bei welchem mittels einer Antenne Mikrowellen zur Oberfläche eines Füllguts ausgesendet und die an der Oberfläche reflektierten Echowellen empfangen werden. Aus dem Empfangssignal wird das wahrscheinliche Nutzecho der Füllgutoberfläche und dessen Laufzeit ermittelt. Daraus wird der Abstand der Füllgutoberfläche von der Antenne bestimmt. Zur Füllstandsmessung nach dem Radarprinzip können beispielsweise die aus der oben genannten Patentschrift bekannten Verfahren angewendet werden.From EP 0 670 048 B1, a method for filling level measurement according to the radar principle is already known, in which microwaves are emitted to the surface of a medium by means of an antenna and the echo waves reflected at the surface are received. From the received signal, the probable useful echo of the product surface and its running time is determined. From this, the distance of the product surface from the antenna is determined. For level measurement according to the radar principle, for example, the methods known from the above-mentioned patent can be applied.
Ein besonderes Problem bei der Füllstandsmessung mit Mikrowellen besteht darin, dass sich an der Antenne Verschmutzungsschichten ansetzen können. Diese Gefahr besteht besonders bei staub- oder pulverförmigen Schüttgütern, insbesondere wenn die Antenne feucht wird, sowie bei klebrigen, zäh- flüssigen, spritzenden und gerührten Füllgütern. Eine zu dicke Schmutzschicht auf der Antenne kann das Ergebnis der Füllstandsmessung verfälschen oder sogar eine Messung unmöglich machen. Um Fehlfunktionen des Füllstandsmessumformers ausschließen zu können, ist es wünschenswert, Verschmutzungen der Antenne bereits im Anfangsstadium erkennen zu können und rechtzeitig geeignete Maßnahmen zur Beseitigung der Verschmutzung, beispielsweise bei einer zyklischen Anlagenwartung, durchzuführen. Zur Erkennung von Verschmutzungen wird in der eingangs genannten EP 0 670 048 Bl vorgeschlagen, die aktuelle Echofunktion, welche die Amplituden der von der An¬ tenne empfangenen Echowellen als Funktion der Entfernung dar¬ stellt, mit einer einer ungestörten Messung entsprechenden, gespeicherten Echofunktion zu vergleichen und Abweichungen im Antennenbereich und dem sich an die Antenne anschließenden Nahbereich zur Erkennung einer Ansatzbildung durch Verschmut¬ zung auszuwerten. Diese Vorgehensweise zur Erkennung einer Verschmutzung liefert jedoch keine ausreichend zuverlässige Diagnoseaussage, da Temperatur sowie die Art des Füllguts und der Ablagerung auf der Antenne einen starken Einfluss auf die Erkennbarkeit der Verschmutzung haben. Es hat sich herausge¬ stellt, dass der Grad der Verschmutzung insbesondere aufgrund der Vielfalt der zu messenden Medien nicht unmittelbar aus der Veränderung der Echofunktion abgeleitet werden kann.A particular problem with level measurement with microwaves is that dirt layers can attach to the antenna. This danger exists especially with dusty or powdery bulk solids, especially when the antenna becomes moist, as well as with sticky, viscous, spattering and stirred products. An excessively thick layer of dirt on the antenna can falsify the result of the level measurement or even make a measurement impossible. In order to exclude malfunction of the level transmitter, it is desirable to be able to detect contamination of the antenna at an early stage and timely appropriate measures to eliminate the pollution, for example, in a cyclical plant maintenance perform. To detect contamination is proposed in the aforementioned EP 0670048 Bl, the current echo function, which¬ represents the amplitudes of the received from the on¬ antenna echo waves as a function of the distance is to be compared with an undisturbed measurement corresponding stored echo function and deviations in the antenna region and to evaluate the adjacent to the antenna near range for detecting a buildup by contamination¬ tion. However, this method of detecting soiling does not provide a sufficiently reliable diagnostic statement, since temperature as well as the type of product and the deposit on the antenna have a strong influence on the detectability of the contamination. It has herausge¬ assumed that the degree of contamination in particular, due to the diversity of the media to be measured can not be directly derived from the change of the echo function.
Ein weiterer Füllstandsmessumformer nach dem Radarprinzip ist aus der US 6 917 326 Bl bekannt. Zur Reinigung einer verschmutzten Mikrowellenantenne wird dort vorgeschlagen, die Antenne, beispielsweise eine Hornantenne, mit einem Schwingungserzeuger zu mechanischen Schwingungen anzuregen. Durch diese Schwingungen werden Schmutzpartikel von der Oberfläche der Antenne gelöst und fallen ab. Zyklisch in festen zeitlichen Abständen werden Reinigungen durchgeführt. Da es nicht vorgesehen ist, den Grad der Antennenverschmutzung zu erfassen, kann es vorkommen, dass die Reinigungseinrichtung defekt oder die Reinigung unvollständig ist. In diesem Fall liefert der Messumformer trotz automatischer Reinigungsvorrichtung eventuell fehlerhafte oder gar keine Messergebnisse. Fehlerhafte Messergebnisse bleiben dabei häufig unbemerkt, was sich sehr störend auf den Betrieb einer automatisierungstechnischen Anlage, in welcher der Füllstandsmessumformer eingesetzt wird, auswirken kann.Another level transmitter according to the radar principle is known from US 6 917 326 Bl. For cleaning a soiled microwave antenna there is proposed to excite the antenna, such as a horn antenna, with a vibrator to mechanical vibrations. Due to these vibrations, dirt particles are released from the surface of the antenna and fall off. Drying is carried out cyclically at fixed intervals. Since it is not intended to detect the degree of antenna contamination, it may happen that the cleaning device is defective or the cleaning is incomplete. In this case, the transmitter may provide erroneous or no measurement results despite the automatic cleaning device. Faulty measurement results often go unnoticed, which can have a very disruptive effect on the operation of an automation system in which the level transmitter is used.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Füllstandsmessumformer nach dem Radarprinzip und eine Diagnoseeinrichtung zu schaffen, mit welchen eine zuverlässige Aussage über den Verschmutzungszustand der Antenne getroffen werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe weisen der neue Füllstandsmessum¬ former und die neue Diagnoseeinrichtung der eingangs genann¬ ten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 5 genannten Merkmale auf. In den abhängigen Ansprü- chen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.The invention has for its object to provide a level transmitter according to the radar principle and a diagnostic device with which a reliable statement about the state of contamination of the antenna can be made. To solve this problem, the new Füllstandsmessum¬ former and the new diagnostic device of the genann¬ th type mentioned in the characterizing part of claim 1 and claim 5 features. Advantageous developments of the invention are described in the dependent claims.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Diagnoseeinrichtung mit einem Schwingungserzeuger zur Anregung der An- tenne, einem Schwingungssensor zur Erfassung der sich einstellenden mechanischen Schwingung und mit einer Auswerteeinrichtung zur Bewertung des Schwingungssignals eine Verschmutzung der Antenne besonders zuverlässig erkannt werden kann. Dabei wird der physikalische Effekt genutzt, dass die Verschmutzung auf der Antenne das mechanische Schwingungsverhalten der Antenne verändert. Überwiegende Ursache dafür ist die Erhöhung der Antennenmasse um die Masse des Verschmutzungsmaterials, das auf der Oberfläche der Antenne abgelagert ist. Temperatur, Art des Füllguts und der Ablagerung haben dagegen nahezu keinen Einfluss mehr auf die Erkennbarkeit einer Verschmutzung. Der Grad der Verschmutzung kann sehr genau anhand des Schwingungssignals bewertet werden. Die Ablagerung beeinflusst nämlich je nach Art der Anregung die Frequenz, die Amplitude und/oder die Dämpfung der sich einstellenden mechanischen Schwingung.The invention has the advantage that contamination of the antenna can be detected particularly reliably by the diagnostic device with a vibration generator for exciting the antenna, a vibration sensor for detecting the self-adjusting mechanical vibration and an evaluation device for evaluating the vibration signal. The physical effect is used that the pollution on the antenna changes the mechanical vibration behavior of the antenna. The predominant reason for this is the increase in the antenna mass around the mass of the contaminant deposited on the surface of the antenna. On the other hand, the temperature, type of product and deposit have virtually no influence on the detectability of contamination. The degree of contamination can be very accurately evaluated by the vibration signal. Depending on the type of excitation, the deposition influences the frequency, the amplitude and / or the damping of the resulting mechanical oscillation.
Durch die neue Diagnoseeinrichtung wird die Betriebssicherheit einer automatisierungstechnischen Anlage, in welcher ein mit einer derartigen Diagnoseeinrichtung ausgestatteter Mess- umformer eingesetzt wird, erhöht. Eine zuverlässige Erkennung einer Verschmutzung der Antenne eines Füllstandsmessumformers steigert nämlich die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit des Füllstandsmessumformers. Sie ermöglicht eine zusätzliche Bewertung der durch den Füllstandsmessumformer gelieferten Messsignale und kann einem Ausfall des Systems vorbeugen.The new diagnostic device increases the operational reliability of an automation system in which a measuring transducer equipped with such a diagnostic device is used. Reliable detection of fouling of the antenna of a level transmitter, in fact, increases the reliability and availability of the level transmitter. It allows additional evaluation of the measurement signals provided by the level transmitter and can help prevent system failure.
Als weiteren Vorteil ermöglicht die Kenntnis des Verschmutzungsgrades der Antenne eine bedarfsbezogene Reinigung. Auto- matische Reinigungssysteme können somit energieeffizienter betrieben werden, da eine Reinigung nur erfolgt, wenn es der Verschmutzungsgrad erfordert. Im Falle einer manuell durch¬ geführten Reinigung der Antenne können aufgrund der zuver- lässigen Diagnoseaussage bei Feststellen lediglich geringer Verschmutzung unnötige Wartungsarbeiten, die beispielsweise einen Ausbau des betreffenden Füllstandsmessumformers aus einem Behälter umfassen, vermieden werden.As a further advantage, the knowledge of the degree of contamination of the antenna enables a demand-based cleaning. Automobile- Matic cleaning systems can thus be operated more energy efficient, since a cleaning only takes place when it requires the degree of contamination. In the case of a manually guided through¬ cleaning of the antenna can be avoided due to the reliable diagnosis statement upon detection of only slight contamination unnecessary maintenance, for example, comprise an extension of the respective Füllstandsmessumformers from a container.
In vorteilhafter Weise kann als charakteristisches Merkmal des Schwingungssignals die mechanische Resonanzfrequenz der Antenne bestimmt und auf unzulässige Abweichungen überwacht werden. Das hat den Vorteil, dass sich eine Erhöhung der Masse durch Schmutzablagerungen direkt auf eine Verschiebung der mechanischen Resonanzfrequenz auswirkt und diese somit stark beeinflusst. Eine Bestimmung der mechanischen Resonanzfrequenz ist zudem messtechnisch besonders einfach durchführbar und erfordert keine aufwendige Auswerteelektronik.Advantageously, as a characteristic feature of the vibration signal, the mechanical resonance frequency of the antenna can be determined and monitored for impermissible deviations. This has the advantage that an increase in mass due to dirt deposits has a direct effect on a shift in the mechanical resonance frequency and thus strongly influences it. A determination of the mechanical resonance frequency is also particularly easy metrologically feasible and requires no elaborate evaluation.
Alternativ dazu können prinzipiell selbstverständlich auch andere charakteristische Merkmale des Schwingungssignals zur Beurteilung des Zustands der Antenne herangezogen werden, beispielsweise die Dämpfung des Schwingungssignals oder die Maximalamplitude nach einer Anregung durch einen Impuls.Alternatively, of course, other characteristic features of the vibration signal for assessing the state of the antenna can be used in principle, for example, the attenuation of the vibration signal or the maximum amplitude after excitation by a pulse.
Die Diagnoseeinrichtung ist mit einem besonders geringen Herstellungsaufwand verbunden, wenn der Schwingungserzeuger und der Schwingungssensor durch dieselbe Komponente, zum Beispiel durch ein elektromechanisches Bauelement mit einer Piezokeramik, realisiert sind.The diagnostic device is associated with a particularly low production cost if the vibration generator and the vibration sensor are realized by the same component, for example by an electromechanical component with a piezoceramic.
Eine weitere Reduktion des Herstellungsaufwands wird in vorteilhafter Weise dadurch ermöglicht, dass die Auswerteeinrichtung für die Diagnose als ein integraler Bestandteil der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung für die Antenne, die bei der eigentlich Füllstandsmessung genutzt wird, ausgebildet ist. Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Er¬ findung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.A further reduction of the production effort is advantageously made possible in that the evaluation device for the diagnosis is designed as an integral part of the control and evaluation device for the antenna, which is used in the actual level measurement. Reference to the drawing, in which an embodiment of He¬ invention is shown, the invention and refinements and advantages are explained in more detail below.
Ein Füllstandsraessumformer 1 nach dem Radarprinzip umfasst gemäß der Figur eine Antenne 2 zum Aussenden eines Radarsig¬ nals 3 zur Oberfläche 4 eines Füllguts 5 und zum Empfangen eines an der Oberfläche 4 reflektierten Radarsignals 6 sowie eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 7 für die Antenne 2 zur Bestimmung der Füllhöhe anhand des gesendeten Radarsig¬ nals 3 und des empfangenen Radarsignals 6. Ein Messsignal für die Füllhöhe sowie Zustandsinformationen des Messumformers 1 können über eine Feldbusschnittstelle 8 beispielsweise mit einer Leitstation, die in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist, ausgetauscht werden. Derartige Füllstandsmessumformer werden häufig als Feldgeräte der Prozessinstrumentierung in Tanks oder Behälter eingebaut, um deren Inhalt zu bestimmen. Wie eingangs ausführlich beschrieben, kann es zu Verfälschungen des Messergebnisses oder zu einem Ausfall eines Messsignals kommen, wenn sich Verschmutzungen, beispielsweise durch Niederschlag von Füllmaterial, auf der Antenne 2 bilden. Zur frühzeitigen Erkennung derartiger Verschmutzungen dient eine Diagnoseeinrichtung, die einen elektromechanischen Wandler 9 und eine Auswerteeinrich- tung 10 umfasst. Der elektromechanische Wandler 9 hat zum einen die Funktion eines Schwingungserzeugers, der die Antenne 2 zu einer mechanischen Schwingung anregt, und zum anderen die Funktion eines Schwingungssensors, mit welchem die sich einstellende mechanische Schwingung erfasst und ein ent- sprechendes Schwingungssignal, das an die Auswerteeinrichtung 10 weitergegeben wird, erzeugt wird. In der Auswerteeinrichtung 10 wird anhand des Schwingungssignals die mechanische Resonanzfrequenz der Antenne 2 bestimmt. Diese wird mit einem abgespeicherten Referenzwert, der zuvor, beispielsweise bei der ersten Inbetriebnahme des Messumformers 1, für eine Antenne 2 mit sauberer Oberfläche bestimmt und hinterlegt wurde, verglichen. Wenn die Abweichung einen zulässigen Toleranzbereich verlässt, werden ein entsprechendes Anzeigesignal 11 an die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 7 und ebenfalls ein Anzeigesignal 12 an eine Steuereinheit 13 ausgegeben. Die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 7 gibt bei Feststellen einer erhöhten Antennenverschmutzung eine entsprechende Zu- Standsmeldung über den Feldbus 8 aus. Zusätzlich kann die Meldung eines Fehlerzustands auf einer Anzeige eines Bedienfelds, das in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist, vor Ort am Messumformer 1 ausgegeben werden, damit ohne unnötige Verzögerung geeignete Maßnahmen zur Feh- lerbeseitigung, in diesem Fall eine Reinigung der Antenne 2, eingeleitet werden können. Selbstverständlich kann der Grad der Antennenverschmutzung in mehreren Stufen festgestellt und gemeldet werden. Durch das Anzeigesignal 12 wird die Steuerung 13 zur Durchführung eines Antennenreinigungsvorgangs veranlasst. Dazu ist an der Antenne 2 ein mechanischer Aktor 14, beispielsweise ein elektromechanisches Schlagwerk mit einem Hubmagneten, vorgesehen. Mit dem Aktor 14 wird die Antenne 2 zu starken Schwingungen angeregt, so dass die Verschmutzung sich von der Oberfläche der Antenne 2 ablöst und abfällt. Wird durch die Diagnoseeinrichtung weiterhin eine zu große Verschmutzung der Antenne 2 festgestellt, kann erneut ein Reinigungsvorgang ausgelöst werden. Um den Füllstandsmessumformer mit einem besonders geringen Herstellungsaufwand realisieren zu können, sind die Ansteuer- und Auswerteein- richtung 7, die Auswerteeinrichtung 10 und die Steuerung 13 in einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 15 zusammenge- fasst, die durch einen Mikrocontroller mit geeigneter Programmierung realisiert ist.A Füllstandsraessumformer 1 according to the radar comprises according to the figure, an antenna 2 for emitting a Radarsig¬ nals 3 to the surface 4 of a medium 5 and for receiving a surface 4 reflected radar signal 6 and a control and evaluation device 7 for the antenna 2 for determination The fill level on the basis of the transmitted Radarsig¬ nals 3 and the received radar signal 6. A measurement signal for the filling level and status information of the transmitter 1 can be exchanged via a fieldbus interface 8, for example, with a control station, which is not shown in the figure for clarity. Such level transmitters are often installed as field devices of the process instrumentation in tanks or containers to determine their content. As described in detail above, it can lead to falsification of the measurement result or to a failure of a measurement signal when contamination, for example, by precipitation of filler, form on the antenna 2. For the early detection of such contamination is a diagnostic device, which comprises an electromechanical transducer 9 and an evaluation device 10. The electromechanical transducer 9 has on the one hand the function of a vibration generator, which excites the antenna 2 to a mechanical vibration, and on the other hand, the function of a vibration sensor, with which detects the self-adjusting mechanical vibration and a corresponding vibration signal to the evaluation device 10th is generated. In the evaluation device 10, the mechanical resonance frequency of the antenna 2 is determined based on the vibration signal. This is compared with a stored reference value, which was previously determined and deposited, for example during the first start-up of the transmitter 1, for an antenna 2 with a clean surface. If the deviation leaves a permissible tolerance range, a corresponding indication signal is output 11 to the control and evaluation device 7 and also a display signal 12 to a control unit 13 output. The control and evaluation device 7 outputs when it detects an increased antenna pollution a corresponding status message on the field bus 8 from. In addition, the message of a fault condition on a display of a control panel, which is not shown in the figure for clarity, can be output locally on the transmitter 1, so that without undue delay appropriate measures for error removal, in this case cleaning of the antenna. 2 , can be initiated. Of course, the degree of antenna pollution can be detected and reported in several stages. By the display signal 12, the controller 13 is caused to perform an antenna cleaning operation. For this purpose, a mechanical actuator 14, for example an electromechanical hammer mechanism with a lifting magnet, is provided on the antenna 2. With the actuator 14, the antenna 2 is excited to strong vibrations, so that the contamination is detached from the surface of the antenna 2 and drops. If the diagnostic device continues to detect excessive contamination of the antenna 2, a cleaning process can be triggered again. In order to be able to realize the level transmitter with a particularly low production cost, the control and evaluation device 7, the evaluation device 10 and the controller 13 are combined in a control and evaluation device 15, which is implemented by a microcontroller with suitable programming.
Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel, bei welchem der Wandler 9 an der Antenne 2, z. B. einem Antennenhorn, angebracht ist, kann dieser am Mikrowellenleiter, einem Befestigungsflansch oder einem Transmittergehäuse des Messumformers, die mit der Antenne mechanisch gekoppelt sind, befestigt sein. Eine Anbringung außerhalb eines Tanks oder Behälters hat dabei den Vorteil, dass sich der Wandler nicht im Verschmutzungsbereich evtl. aggressiver Medien befindet.Alternatively to the embodiment shown, in which the transducer 9 on the antenna 2, z. As an antenna horn, it may be attached to the microwave conductor, a mounting flange or a transmitter housing of the transmitter, which are mechanically coupled to the antenna. An attachment outside of a tank or container has the advantage that the converter is not in the contamination area of possibly aggressive media.