DE102005011778A1 - Verfahren zur Messung des Füllstands eines in einem Behälter vorgesehenen Mediums auf der Grundlage des Radar-Prinzips - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Füllstands eines in einem Behälter vorgesehenen Mediums auf der Grundlage des Radar-Prinzips, wobei ein Meßsignal erzeugt und in Richtung des Mediums ausgesandt wird, ein zurückreflektierter Anteil des Meßsignals erfaßt wird und mittels der Laufzeit des Meßsignals ein Füllstand ermittelt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der zurückreflektierte Anteil des Meßsignals phasensensitiv ausgewertet wird, um einen jeweiligen, einer entsprechenden Laufzeit des Meßsignals entsprechenden Füllstand einer bestimmten Raumrichtung zuzuordnen. Damit wird die Bestimmung des Füllstands auch bei schwierigen Verhältnissen, wie bei Vorliegen von Einbauten in dem Behälter oder bei Vorliegen von Schüttgütern mit einem Schüttkegel, ermöglicht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Füllstands eines in einem Behälter vorgesehenen Mediums auf der Grundlage des Radar-Prinzips, wobei ein Meßsignal erzeugt und in Richtung des Mediums ausgesandt wird, ein zurückreflektierter Anteil des Meßsignals erfaßt wird und mittels der Laufzeit des Meßsignals ein Füllstand ermittelt wird.
• Füllstandsmeßverfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik, wie der WO 01/11323 A1, gut bekannt. Bei industriellen Anwendungen besteht häufig die Aufgabe, den Füllstand eines Mediums, wie einer Flüssigkeit oder eines Schüttguts, in einem Behälter, wie einem Tank, zu bestimmen. Hierzu ist eine Mehrzahl von Techniken bekannt, wobei man zwischen berührenden Füllstandsmeßverfahren einerseits und nicht berührenden Füllstandsmeßverfahren andererseits unterscheidet. Zu den berührenden Füllstandsmeßverfahren, bei denen ein Bestandteil der Meßeinrichtung mit dem Medium, dessen Füllstand zu messen ist, in Berührung kommt, gehören z.B. die Füllstandmessung mittels eines Schwimmers, mittels eines Auftriebskörpers oder mittels einer Tastplatte. Ferner gehören zu den berührenden Füllstandsmeßverfahren kapazitive Messungen, bei denen die Füllhöhe in Abhängigkeit der Kapazität zwischen einer in das Medium eintauchenden Elektrode und der Wand des Behälters erfaßt wird, sowie eine thermische Messung, bei der die erhöhte Wärmeabfuhr beim Eintauchen eines stromdurchflossenen, temperaturabhängigen Widerstands in das Medium dadurch ausgenutzt wird, daß sich der elektrische Widerstand mit der Eintauchtiefe verändert.
• Zu den nicht berührenden Füllstandsmeßverfahren gehören z.B. die Messung mittels Laser oder Ultraschall. Dabei wird ein Laser- bzw. Ultraschallsignal ausgesandt, an der Oberfläche des Mediums reflektiert, und das reflektierte Signal wird wieder erfaßt, wobei auf die Füllhöhe des Mediums über die Laufzeit des Signals geschlossen wird. Auf demselben Prinzip basiert das Radar-Füllstandsmeßverfahren, bei dem ein Mikrowellensignal erzeugt, über eine Antenne, wie eine Stabantenne, eine Hornantenne oder eine Patch-Antenne, in Richtung auf das Medium, dessen Füllstandshöhe zu messen ist, ausgesandt wird, an der Oberfläche des Mediums reflektiert wird und von der Antenne oder einer anderen Antenne wieder erfaßt wird.
• Dabei existieren unterschiedliche Radar-Füllstandsmeßverfahren: Beim Puls-Radar-Füllstandsmeßverfahren wird ein Mikrowellensignal in kurzen Impulsen ausgesandt, und zwar unmoduliert oder trägerfrequenzmoduliert. Aus der Laufzeit der Mikrowellenimpulse vom Sender zur Oberfläche des Mediums und zurück zum Empfänger wird der Abstand zwischen Sender/Empfänger und dem Medium ermittelt, wobei als Sender und Empfänger eine gemeinsame Antenne verwendet werden kann. Beim FMCW-Radar-Füllstandsmeßverfahren (FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave) liegt das Mikrowellensignal kontinuierlich an, wobei jedoch die Frequenz moduliert wird, und zwar typischerweise in aufeinander folgenden Rampen. Durch die Verzögerungszeit während der Signalausbreitung hat sich die Sendefrequenz beim Empfang des reflektierten Signals geändert, so daß man aus der Differenzfrequenz auf den Abstand der reflektierenden Oberfläche und damit auf den Füllstand schließen kann. Schließlich ist noch das TDR-Radar-Füllstandsmeßverfahren (TDR = Time Domain Reflectometry) bekannt, das Ähnlichkeit mit dem Puls-Radar-Füllstandsmeßverfahren aufweist, im allgemeinen jedoch leitungsgebunden arbeitet und elektrische Impulse ohne Trägerfrequenz verwendet.
• Problematisch ist mitunter, insbesondere bei der Bestimmung der Füllstandshöhe von Schüttgütern, daß mittels der Laufzeit des zurückreflektierten Anteils des Meßsignals nicht direkt auf die Füllstandshöhe geschlossen werden kann. Bei Schüttgütern liegt nämlich typischerweise keine planare Oberfläche vor, sondern vielmehr ein Schüttkegel vor, so daß überhaupt keine definierte, eindeutige Füllstandshöhe existiert. Darüber hinaus kann es vorkommen, daß das ausgesandte Meßsignal nicht von dem in dem Behälter vorgesehenen Medium reflektiert wird, sondern von einer in dem Behälter angebrachten Einrichtung, wie einem Rührwerk.
• In der eingangs angesprochenen WO 01/11323 A1 ist nun ein derartiges nun ein derartiges System beschrieben, das mit sehr hohen Frequenzen von wenigstens einigen GHz, typischerweise sogar von über 24 GHz, arbeitet. Damit ergibt sich eine extrem enge Abstrahlcharakteristik der verwendeten Sendean tenne, so daß das Meßsignal definiert in eine bestimmte, enge Raumrichtung ausgesandt werden kann. Auf diese Weise kann insbesondere auch bewußt vermieden werden, daß das ausgesandte Signal eine in dem Behälter vorgesehene Einrichtung, wie ein Rührwerk, trifft. Darüber hinaus kann der Ort, an dem das ausgesandte Meßsignal auf das in den Behälter vorgesehene Medium trifft, genau festsgelegt werden. Gleichwohl bleibt die Füllstandsbestimmung von Schüttgütern insbesondere wegen des Vorliegens eines Schüttkegels schwierig.
• Damit ist es die Aufgabe der Erfindung, ein derartiges Verfahren zum Messen des Füllstands eines in einem Behälter vorgesehenen Mediums anzugeben, mit dem eine verläßliche Füllstandsbestimmung auch bei schwierigen Randbedingungen, wie bei Einbauten in dem Behälter oder bei dem Vorliegen von Schüttgütern mit Schüttkegeln, ermöglicht wird.
• Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren ist die zuvor genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß der zurückreflektierte Anteil des Meßsignals phasensensitiv ausgewertet wird, um einen jeweiligen, einer entsprechenden Laufzeit des Meßsignals entsprechenden Füllstand einer bestimmten Raumrichtung zuzuordnen.
• Erfindungsgemäß ist es also vorgesehen, aus Phaseninformationen in dem zurückreflektierten Anteil des Meßsignals auf die Entfernung des für die Reflektion maßgeblichen Mediums in verschiedenen Raumrichtungen rückzuschließen. Erfindungswesentlich ist dabei, daß neben der Amplitude des zurückreflektierten Anteils des Meßsignals auch eine Auswertung der Phase erfolgt. Im optimalen Fall kann damit im wesentlichen die gesamte bestrahlte Fläche einer raumwinkelabhängigen Auswertung bezüglich des Abstands zwischen Sende-/Empfangsantenneneinrichtung und reflektierendem Medium zugeführt werden. Im Ergebnis können damit definierte Aussagen über die Struktur des Mediums in dem Behälter und über gegebenenfalls. zur Rückreflektion des Meßsignals beitragende Einbauten in dem Behälter getroffen werden.
• Im allgemeinen weist jede normale für Radar-Füllstandsmessungen verwendete Antenne eine derartige Abstrahlcharakteristik auf, mit der ein ausge dehnter Raumwinkel "ausgeleuchtet" wird, insbesondere auch im Hinblick darauf, daß immer mehr oder weniger stark ausgeprägte Nebenkeulen auftreten. Um jedoch eine optimale "Ausleuchtung" des interessierenden Bereich zu erzielen, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Meßsignal in eine Mehrzahl von Raumrichtungen ausgesandt wird. Demgemäß ist also vorgesehen, daß nicht nur die "normale" Divergenz des ausgesandten Meßsignals verwendet wird, um eine breite "Ausleuchtung" zu erzielen, sondern daß die Aussendung des Meßsignals bewußt in eine Mehrzahl von Raumwinkeln erfolgt. Ganz besonders bevorzugt ist dabei, daß das Meßsignal im wesentlichen in den gesamten dem Medium zugewandten Winkelbereich ausgesandt wird, was im Extremfall bei äußerst geringem Abstand zwischen Sende-/Empfangsantenneneinrichtung einerseits und Medium andererseits eine Abstrahlung in einen Raumwinkelbereich von 2 π bedeutet.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß zur Erfassung des zurückreflektierten Anteils des Meßsignals eine Mehrzahl von Empfangsantennen verwendet wird. Dabei wird vorzugsweise auch der von einer jeweiligen Empfangsantenne empfangene zurückreflektierte Anteil des Meßsignals jeweils einer eigenen Phasenverschiebung unterworfen. Dabei bietet es sich insbesondere an, als Empfangsantennen ein Array von Patch-Antennen zu verwenden.
• Grundsätzlich könnte die Phasenverschiebung und damit die phasensensitive Auswertung der von den einzelnen Empfangsantennen empfangenen Signale mit Hilfe von einzelnen, einer jeweiligen Empfangsantenne zugeordneten Phasenschiebern realisiert werden. Anstatt einer derartigen analogen Phasenverschiebung ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung jedoch vorgesehen, eine digitale Phasenverschiebung zu verwenden, nämlich dadurch, daß die phasensensitive Auswertung im Rahmen einer digitalen Signalverarbeitung erfolgt.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß mittels der für verschiedene Raumrichtungen ermittelten Füllstandswerte die Topographie des Mediums in dem Behälter ermittelt wird. Dabei kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ferner vorgesehen sein, daß mittels der Topographie des Mediums dessen Volumen bestimmt wird.
• Dies ist insbesondere interessant für Schüttgüter, die bei Vorliegen eines Schüttkegels keinen definierten Füllstand aufweisen, so daß man über das mittels der Topographie ermittelte Volumen gleichwohl einen faßbaren Wert für die in dem Behälter befindliche Menge des Mediums erhält.
• Im einzelnen sind nun eine Vielzahl von Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung denkbar. Dazu wird auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt
• 1 schematisch ein Füllstandsmeßgerät zur Durchführung eines Füllstandsmeßverfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
• 2 eine dazu verwendete Empfangsantenne und
• 3 schematisch die phasensensitive Auswertung des zurückreflektierten Anteils des Meßsignals.
• Das aus 1 ersichtliche Füllstandsmeßgerät zur Durchführung eines Füllstandsmeßverfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird für einen Behälter 1 verwendet, in dem sich ein Medium 2 befindet, vorliegend nämlich ein Schüttgut mit einem Schüttkegel 3. Das Füllstandsmeßgerät weist eine Sende- und Empfangsantenneneinrichtung 4 mit einer Sendeantenne 5 und einer Empfangsantenne 6 auf. Ein in einer Mikrowellenerzeugungseinrichtung 7 erzeugtes Mikrowellensignal wird der Sendeantenne 5 zugeführt und von dieser, wie in 1 mit gestrichelten Linien angedeutet, in praktisch den gesamten, dem Medium 2 zugewandten Raumwinkel ausgesandt. Bekanntermaßen kann dies auf eine Vielzahl von Weisen erfolgen, u.a. nämlich unter Verwendung einer Mehrzahl von einzelnen Antenneneinrichtungen und einer nachgeschalteten dielektrischen Linse.
• Das von der Sendeantenne 5 ausgesandte Meßsignal wird dann im Behälter 1 reflektiert, nämlich an der Oberfläche des Mediums 2 sowie teilweise auch an den Innenwänden 8 des Behälters 1. Diese zurückreflektierten Meßsignalan teile treffen unter anderem auf die Empfangsantenne 6, die wie folgt ausgebildet ist:
  Als Empfangsantenne 6 wird, wie in 2 schematisch dargestellt, eine Patch-Antenne verwendet, die aus einer Mehrzahl, vorliegend aus 5 × 5 Einzelantennenelementen 9 zusammengesetzt ist. Wie weiterhin aus 1 und 3 ersichtlich, ist der Empfangsantenne 6 und damit den einzelnen Einzelantennenelementen 9 eine Signalverarbeitungseinrichtung 10 nachgeschaltet. In dieser Signalverarbeitungseinrichtung 10 erfolgt eine phasensensitive Auswertung der von den einzelnen Einzelantennenelementen 9 empfangenen Anteile des zurückreflektierten Meßsignals. Schematisch ist dies angedeutet durch Phasenschieber 11, die vorliegend jedoch nicht als Mikrowellenphasenschieber, sondern im Rahmen der Signalverarbeitung softwaremäßig realisiert sind. Damit wird für ein jeweiliges Einzelantennenelement 9 ein phasensensitives Signal erzeugt, daß im Rahmen der weiteren Signalverarbeitung 12 über die einem jeweiligen Raumwinkel entsprechende Distanz zwischen Sendeantenne 5, reflektierender Stelle des Mediums 2 und Empfangsantenne letztlich die Ermittlung der Topologie des in dem Behälter 1 befindlichen Mediums 2 ermöglicht.
• Bei bekannten Abmessungen des Behälters 1 kann damit ein Volumen des Mediums 2 ermittelt und, wie in 3 angedeutet, ausgegeben werden. Damit steht insbesondere bei Schüttgütern mit einem Schüttkegel trotz fehlendem definierten Füllstand eine verläßliche Größe für die Menge des Mediums 2 in dem Behälter 1 zur Verfügung.

Claims (8)

1. Verfahren zur Messung des Füllstands eines in einem Behälter (1) vorgesehenen Mediums (2) auf der Grundlage des Radar-Prinzips, wobei ein Meßsignal erzeugt und in Richtung des Mediums (2) ausgesandt wird, ein zurückreflektierter Anteil des Meßsignals erfaßt wird und mittels der Laufzeit des Meßsignals ein Füllstand ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zurückreflektierte Anteil des Meßsignals phasensensitiv ausgewertet wird, um einen jeweiligen, einer entsprechenden Laufzeit des Meßsignals entsprechenden Füllstand einer bestimmten Raumrichtung zuzuordnen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal in eine Mehrzahl von Richtungen ausgesandt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal im wesentlichen in den gesamten dem Medium (2) zugewandten Winkelbereich ausgesandt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des zurückreflektierten Anteils des Meßsignals eine Mehrzahl von Einzelantennenelementen (9) verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von einem jeweiligen Einzelantennenelement (9) empfangene zurückreflektierte Anteil des Meßsignals jeweils einer Phasenverschiebung unterworfen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Empfangsantenne (6) ein Array von Patch-Antennen verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der für verschiedene Raumrichtungen ermittelten Füllstandswerte die Topographie des Mediums (2) in dem Behälter (1) ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Topographie des Mediums (2) dessen Volumen berechnet wird.