DE102011007372B4

DE102011007372B4 - Kalibrations- und/oder Überwachungsverfahren für FMCW-Radar Füllstandsmessgeräte

Info

Publication number: DE102011007372B4
Application number: DE102011007372.8A
Authority: DE
Inventors: Winfried Mayer; Manfred Eckert
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2031-04-15
Also published as: DE102011007372A1; CN103502782A; US20140028492A1; US9581484B2; CN103502782B; WO2012139852A1

Abstract

Verfahren zur Kalibration und/oder Überwachung eines kohärenten Frequenzmodulations-Dauerstrichradar Füllstandsmessgeräts zur Messung eines Füllstandes eines Füllguts (1) in einem Behälter (3), bei dem- das Füllstandsmessgerät mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz (fR) mittels einer vorgegebenen Modulation linear frequenz-modulierte Sendesignale (S) in Richtung des Füllguts (1) sendet und deren an im Strahlengang der Sendesignale (S) befindlichen Reflektoren zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile als Empfangssignale (E) empfängt,- ein mit einer Schwingfrequenz (fOS) Oszillationen in Richtung des Füllstandsmessgeräts ausführender Referenzreflektor (15) oberhalb des Füllguts (1) in einer vorbekannten Entfernung (D) vom Füllstandsmessgerät in einen Strahlengang der Sendesignale (S) eingesetzt ist, dessen Schwingfrequenz (fOS) weniger als die Hälfte der Wiederholfrequenz (fR) beträgt,- anhand der Empfangssignale (E) und deren zeitlicher Korrelation zum jeweils zugehörigen Sendesignal (S) für jedes Empfangssignal (E) eine Echofunktion (EF) aufgezeichnet wird, die Amplituden (A) des Empfangssignals (E) als Funktion von deren Frequenzdifferenz (Δf) gegenüber einer bei deren Empfang vorliegenden momentanen Sendefrequenz (fS) des Sendesignals (S), einer der Frequenzdifferenz (Δf) über die Zeitabhängigkeit der Modulation zugeordneten Signallaufzeit (tL) oder einer der Signallaufzeit (tL) entsprechenden Entfernung (R) zum jeweiligen Reflektor wiedergibt, und- anhand zeitlicher Veränderung der mehreren nacheinander aufgezeichneten Echofunktionen (EF) und der Schwingfrequenz (fOS) des Referenzreflektors (15) eine diesem zuzuordnende Frequenzdifferenz (Δf), Signallaufzeit (tL) oder Entfernung (R) identifiziert und als zugehörige Referenzreflektorposition (Rref) bestimmt wird, und- die Kalibration und/oder Überwachung des Füllstandsmessgeräts anhand der Referenzreflektorposition (Rref) und der vorbekannten Entfernung (D) des Referenzreflektors (15) vom Füllstandsmessgerät erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kalibrations- und/oder Überwachungsverfahren für ein kohärentes Frequenzmodulations-Dauerstrichradar Füllstandsmessgerät (FMCW-Radar Füllstandsmessgerät), bei dem das Füllstandsmessgerät mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz mittels einer vorgegebenen linearen Modulation frequenz-modulierte Sendesignale in Richtung des Füllguts sendet, und deren an im Strahlengang der Sendesignale befindlichen Reflektoren zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile als Empfangssignal empfängt, ein Referenzreflektor oberhalb des Füllguts in einer vorbekannten Entfernung vom Füllstandsmessgerät in den Strahlengang der Sendesignale eingesetzt ist, anhand der Empfangsignale und deren zeitlicher Korrelation zum jeweils zugehörigen Sendesignal für jedes Empfangssignal eine Echofunktion aufgezeichnet wird, die die Amplituden des Empfangssignals als Funktion von deren Frequenzdifferenz gegenüber einer bei deren Empfang vorliegenden momentanen Sendefrequenz des Sendesignals, einer der Frequenzdifferenz über die Zeitabhängigkeit der Modulation zugeordneten Signallaufzeit oder einer der Signallaufzeit entsprechenden Entfernung zum jeweiligen Reflektor wiedergibt, und anhand der Echofunktionen für den Referenzreflektor eine diesem zuzuordnende Frequenzdifferenz, Signallaufzeit oder Entfernung identifiziert und als zugehörige Referenzreflektorposition bestimmt wird, und die Kalibration und/oder Überwachung des Füllstandsmessgeräts anhand der Referenzreflektorposition und der vorbekannten Entfernung des Referenzreflektors vom Füllstandsmessgerät erfolgt.
FMCW-Radar Füllstandsmessgeräte werden in einer Vielzahl von Industriezweigen, z.B. in der verarbeitenden Industrie, in der Chemie oder in der Lebensmittelindustrie, zur Messung von Füllständen eingesetzt.
Sie werden üblicher Weise auf einem das Füllgut enthaltenden Behälter montiert und weisen regelmäßig eine auf das Füllgut ausgerichtete Antenne auf, über die sie mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz mittels einer vorgegebenen Modulation frequenz-modulierte Sendesignale in Richtung des Füllguts senden, und deren zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile empfangen. Typischer Weise wird anhand der Empfangssignale und deren zeitlicher Korrelation zum jeweils zugehörigen Sendesignal für jedes Empfangssignal eine Echofunktion aufgezeichnet, die die Amplituden von an Reflektoren im Behälter, insb. am Füllgut, reflektierten Anteilen des Empfangssignale als Funktion von deren Frequenzdifferenz gegenüber der bei deren Eintreffen vorliegenden momentanen Sendefrequenz des Sendesignals, einer der Frequenzdifferenz über die Zeitabhängigkeit der Modulation zugeordneten Signallaufzeit oder einer der Signallaufzeit entsprechenden Entfernung zum jeweiligen Reflektor wiedergibt.
Aus der Echofunktion wird ein Nutzecho bestimmt, das der Reflexion des Sendesignals an der Füllgutoberfläche entspricht Aufgrund der Zeitabhängigkeit der Modulation ergibt sich aus der Position dieses Nutzechos innerhalb der Echofunktion unmittelbar die zugehörige für den Weg zur Füllgutoberfläche und zurück benötigt Signallaufzeit. Bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen ist die Signallaufzeit unmittelbar in die zurückgelegte Wegstrecke umrechenbar, aus der sich anhand der Einhauhöhe des Füllstandsmessgeräts über dem Behälter unmittelbar der gesuchte Füllstand ergibt.
Es gibt jedoch eine Vielzahl von Ereignissen, Faktoren und/oder Umgebungsbedingungen, die zu einer Beeinträchtigung der Messgenauigkeit dieser Füllstandsmessgeräte führen können. Beispiele hierfür sind Veränderungen der Messeigenschaften durch Ansatzbildung an der Antenne, Temperatureffekte, wie z.B. eine Temperaturabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit oder der Signalverarbeitung im Gerät, Alterungseffekte, Beschädigungen des Geräts oder extreme Umgebungsbedingungen wie z.B. Staub, spezielle im Strahlengang befindliche Gase, oder ein hoher Druck im Behälter.
Um Beeinträchtigungen der Messgenauigkeit erkennen und nach Möglichkeit kompensieren zu können werden heute bereits Verfahren verwendet, bei denen Referenzreflektoren in einer vorbekannten Entfernung vom Füllstandsmessgerät oberhalb des Füllguts platziert werden, und deren Positionen mit dem Füllstandsmessgerät gemessen werden. Weicht die vom Füllstandsmessgerät gemessene Entfernung zum Referenzreflektor von dessen tatsächlicher Entfernung ab, so wird eine Beeinträchtigung der Messgenauigkeit erkannt, und soweit möglich durch eine auf der Basis der gemessenen Abweichung ausgeführte Kalibration des Füllstandsmessgeräts kompensiert.
Vorraussetzung für diese Überwachungs- und Kalibrationsverfahren ist, dass die Position des Referenzreflektors in der Echofunktion vom Füllstandsmessgerät eindeutig identifiziert werden kann, da dessen Entfernung vom Füllstandsmessgerät sonst nicht gemessen werden kann. Da sich die Reflektion am Referenzreflektor in den aufgezeichneten Echofunktionen regelmäßig nur in Form eines relativen Maximums wieder spiegelt, ist die Identifizierung des Referenzreflektors immer dann problematisch oder sogar unmöglich, wenn sich in der Umgebung des Referenzreflektors weitere Reflektoren befinden. Letztere bewirken ebenfalls relative Maxima in der Echofunktion, die aufgrund ihrer räumlichen Nähe zum Maximum des Referenzreflektors nicht vom Maximum des Referenzreflektors unterschieden werden können.
Entsprechend ist es häufig nicht möglich, das auf die Reflektion am Referenzreflektor zurückzuführende relative Maximum der Echofunktion von anderen auf Reflektionen an anderen im Behälter vorhandenen Mikrowellen reflektierenden Strukturen, wie z.B. Einbauten, Vorrichtungen oder in den Behälter eingeführte Messgeräte, zurückzuführenden relativen Maxima zu unterscheiden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Kalibration und/oder Überwachung eines FMCW-Radar Füllstandsmessgeräts mit Hilfe von Referenzreflektoren anzugeben, mit dem die Position des Referenzreflektors zuverlässig identifiziert werden kann.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Verfahren zur Kalibration und/oder Überwachung eines kohärenten Frequenzmodulations-Dauerstrichradar Füllstandsmessgeräts zur Messung eines Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter, bei dem

- das Füllstandsmessgerät mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz mittels einer vorgegebenen Modulation linear frequenz-modulierte Sendesignale in Richtung des Füllguts sendet, und deren an im Strahlengang der Sendesignale befindlichen Reflektoren zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile als Empfangssignale empfängt,
- ein mit einer Schwingfrequenz Oszillationen in Richtung des Füllstandsmessgeräts ausführender Referenzreflektor oberhalb des Füllguts in einer vorbekannten Entfernung vom Füllstandsmessgerät in den Strahlengang der Sendesignale eingesetzt ist, dessen Schwingfrequenz weniger als die Hälfte der Wiederholfrequenz beträgt,
- anhand der Empfangssignale und deren zeitlicher Korrelation zum jeweils zugehörigen Sendesignal für jedes Empfangssignal eine Echofunktion aufgezeichnet wird, die die Amplituden des Empfangssignals als Funktion von deren Frequenzdifferenz gegenüber einer bei deren Empfang vorliegenden momentanen Sendefrequenz des Sendesignals, einer der Frequenzdifferenz über die Zeitabhängigkeit der Modulation zugeordneten Signallaufzeit oder einer der Signallaufzeit entsprechenden Entfernung zum jeweiligen Reflektor wiedergibt, und
- anhand der zeitlichen Veränderung mehrer nacheinander aufgezeichneter Echofunktionen und der Schwingfrequenz des Referenzreflektors eine diesem zuzuordnende Frequenzdifferenz, Signallaufzeit oder Entfernung identifiziert und als zugehörige Referenzreflektorposition bestimmt wird, und
- die Kalibration und/oder Überwachung des Füllstandsmessgeräts anhand der Referenzreflektorposition und der vorbekannten Entfernung des Referenzreflektors vom Füllstandsmessgerät erfolgt.

Eine Weiterbildung dieser Erfindung umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem

- die Oszillationen des Referenzreflektors eine Schwingungsamplitude aufweisen, die unterhalb einer Entfernungsauflösung des Füllstandsmessgeräts liegt,
- die Echofunktionen die komplexwertigen Amplituden der Empfangssignale wiedergeben und nacheinander aufgezeichnete Echofunktionen in einem festen Phasenbezug zueinander stehen,
- die Maxima der Echofunktionen bestimmt und deren komplexwertigen Amplitude zusammen mit deren Position in der jeweiligen Echofunktion festgehalten werden,
- für jedes Maximum anhand der komplexwertigen Amplituden einer vorgegebenen Anzahl von aufeinander folgenden Echofunktionen an der Position des jeweiligen Maximums ein Bewegungsspektrum abgeleitet wird, das die komplexwertigen Amplituden der Echofunktionen an der jeweiligen Position als Funktion von deren Änderungsfrequenz wiedergibt,
- dasjenige Bewegungsspektrum ermittelt wird, dessen Real- und/oder Imaginärteil ein Maximum bei einer im Bereich der Schwingfrequenz des Referenzreflektors liegenden Änderungsfrequenz aufweist, und
- die diesem Bewegungsspektrums zugehörige Position in den Echofunktionen als Referenzreflektorposition bestimmt wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird anhand der zeitlichen Veränderungen der Amplituden mehrerer nacheinander aufgezeichneter Echofunktionen an der Referenzreflektorposition dessen tatsächliche Schwingfrequenz bestimmt.
Gemäß einer Ausgestaltung der beiden Weiterbildungen ist die tatsächliche Schwingfrequenz gleich derjenigen Änderungsfrequenz, bei der das Bewegungsspektrum des Referenzreflektors sein im Bereich der Schwingfrequenz liegendes Maximum aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Referenzreflektor ein in den Behälter hineinragendes mechanisch schwingfähiges Gebilde eines Füllstandsgrenzschalters.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung und der bevorzugten Ausgestaltung wird die Funktion des Referenzreflektors anhand von dessen Schwingfrequenz und dessen vom Füllstandsmessgerät bestimmten tatsächlichen Schwingfrequenz überwacht.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung

- sind mehrere jeweils mit einer Schwingfrequenz in Richtung des Füllstandsmessgeräts oszillierende Referenzreflektoren in unterschiedlichen Entfernungen vom Füllstandsmessgerät vorgesehen, deren Schwingfrequenzen weniger als die Hälfte der Wiederholfrequenz betragen,
- werden die Referenzpositionen der über dem Füllgut befindlichen Referenzreflektoren bestimmt, und
- erfolgt die Kalibration und/oder Überwachung anhand mindestens einer dieser

Gemäß einer ersten Ausgestaltung hierzu weisen die Referenzreflektoren Schwingfrequenzen vergleichbarer Größe auf, und die ermittelten Referenzreflektorpositionen werden den einzelnen Referenzreflektoren anhand von deren unterschiedlichen Entfernungen vom Füllstandsmessgerät zugeordnet.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung hierzu weisen die Referenzreflektoren Schwingfrequenzen unterschiedlicher Größe auf, und die ermittelten Referenzreflektorpositionen werden den einzelnen Referenzreflektoren anhand von deren unterschiedlichen Schwingfrequenzen und/oder von deren unterschiedlichen Entfernungen vom Füllstandsmessgerät zugeordnet.
Gemäß einer Ausgestaltung der erstgenannten Weiterbildung werden Breite und Amplitude der im Bereich der Schwingfrequenz liegenden Maxima von zu unterschiedlichen Zeiten abgeleiteten Bewegungsspektren des Referenzreflektors bestimmt und überwacht
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

1 zeigt: ein Blockschaltbild eines FMCW-Radar Füllstandsmessgeräts in Verbindung mit einer mit einem Referenzreflektor ausgestatteten Füllstandsmessanordnung;
2 zeigt: einen zeitlichen Verlauf mehrerer nacheinander aufgezeichneter Echofunktionen, sowie die daraus ersichtliche Zeitabhängigkeit der Amplituden der Echofunktionen an der Position des Referenzreflektors und an der Position des Füllstands; und
3 zeigt: eine Zeigerdargestellung eines Modulationskreises in der komplexen Ebene.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines kohärenten Frequenzmodulations-Dauerstrichradar Füllstandsmessgeräts (FMCW-Radar Füllstandsmessgerät) in Verbindung mit einer Füllstandsmessanordnung.
Die Messanordnung umfasst einen mit einem Füllgut 1 gefüllten Behälter 3. Das Füllstandsmessgerät dient im Messbetrieb dazu einen Füllstand L des Füllguts 1 in dem Behälter 3 zu messen, und ist hierzu oberhalb des Füllguts 1 auf dem Behälter 3 montiert.
Es umfasst eine auf das Füllgut 1 ausgerichtete Antenne 5 über die das Füllstandsmessgerät mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz f_R aufeinander folgende mittels einer vorgegebenen linearen Modulation frequenz-modulierte Sendesignale S einer vorgegebenen Sendesignaldauer in Richtung des Füllguts 1 sendet.
Die Erzeugung der Sendesignale S erfolgt - wie bei herkömmlichen FMCW-Radar Füllstandsmessgeräten auch- mittels eines entsprechenden Mikrowellengenerators 7. Hierzu eignet sich beispielsweise ein Rampengenerator, der einem von einem Referenzoszillator 9 abgeleiteten Lokaloszillatorsignal die vorgegebene lineare Modulation aufprägt. Bei kohärenten FMCW-Radar Füllstandsmessgeräten besteht ein fester Phasenbezug zwischen aufeinander folgenden Sendesignalen S. Zur Gewährleistung der Stabilität der Kohärenz, wird heute regelmäßig ein Oszillator mit hoher Güte, z.B. ein Quarzoszillator, als Referenzoszillator 9 eingesetzt.
Die lineare Modulation ist in dem dargestellten Beispiel durch eine Sägezahnfunktion gegeben, gemäß der die Frequenz f_s(t) des Sendesignals S innerhalb der vorgegebenen Sendesignaldauer T_s kontinuierlich um einen vorgegebenen Frequenzhub Δf_H ansteigt.
Die linear frequenz-modulierten Sendesignale S werden über ein Teilernetzwerk 11 und eine Sende- und Empfangsweiche 13 der Antenne 5 zugeführt, und über diese in den Behälter 3 gesendet.
Die Sendesignale S werden im Behälter 3 an in deren Strahlengang befindlichen Reflektoren reflektiert. Entsprechend wird über die Antenne 5 ein Empfangssignal E empfangen, das einer Überlagerung aus den einzelnen an den im Strahlengang befindlichen Reflektoren zur Antenne 5 zurück reflektierten Anteilen des Sendesignals S entspricht. Zu den Reflektoren zählen neben der Füllgutoberfläche, auch Behältereinbauten, Messgeräte, Rührwerke, oder andere im Behälter 3 befindliche oder in den Behälter 3 hinein ragende Mikrowellen reflektierende Elemente.
Darüber hinaus ist oberhalb des Füllguts 1 in einer vorbekannten Entfernung D vom Füllstandsmessgerät ein Referenzreflektor 15 in den Strahlengang der Sendesignale S eingesetzt.
Erfindungsgemäß führt der Referenzreflektor 15 in Richtung des Füllstandsmessgeräts gerichtete mechanische Oszillationen mit einer Schwingfrequenz f_OS aus, die weniger als die Hälfte der Wiederholfrequenz f_R beträgt, mit der aufeinander folgende Sendesignale S gesendet werden.
Als Referenzreflektoren 15 eignen sich grundsätzlich alle in den Strahlengang hinein ragenden Mikrowellen reflektierenden mechanischen Schwingungsgebilde, die Schwingungen mit einer im Vergleich zur Dauer mehrerer aufeinander folgender Messzyklen des Füllstandsmessgeräts annähernd konstanten zumindest näherungsweise bekannten Schwingfrequenz f_OS ausführen, die weniger als die Hälfte der Wiederholfrequenz f_R der Sendesignale S beträgt.
Hierzu werden bevorzugt mechanische Schwingungsgebilde mit einer möglichst hohen Reflektivität eingesetzt. Dabei kann das Schwingungsgebilde beispielsweise als Kanten- oder Eckreflektor ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Referenzreflektor 15 ein Füllstandsgrenzschalter mit einem in den Behälter 3 hinein ragenden mechanisch schwingfähigen Gebilde. Füllstandsgrenzschalter dienen der Feststellung und/oder Überwachung eines Über- oder Unterschreitens eines durch deren Einbauhöhe im Behälter 3 vorbestimmten Füllstands L_H. Sie werden beispielsweise von der Anmelderin unter den Produktnamen Liquiphant und Soliphant vertrieben und sind in einer Vielzahl von Anwendungen von FMCW-Radar Füllstandsmessgeräten ohnehin, insb. als Überfüllsicherung, im Behälter 3 vorhanden.
Bei den wohl bekanntesten Vorrichtungen dieser Art weist das mechanisch schwingungsfähige Gebilde zwei über eine Membran gekoppelte Schwinggabeln auf, die über einen auf der von den Schwingstäben abgewandten Rückseite der Membran angebrachten elektromechanischen Wandler in gegenläufige Schwingungen senkrecht zu deren Längsachse versetzt werden. Daneben sind auch Vorrichtungen bekannt, deren schwingfähiges Gebilde nur einen Schwingstab aufweist. Im Betrieb wird das Schwingungsgebilde zu Resonanzschwingungen angeregt deren Frequenz maßgeblich davon abhängig ist, ob das Gebilde frei schwingt, oder vom Füllgut 1 überdeckt ist. Frei schwingende Schwingungsgebilde von Füllstandsgrenzschaltern weisen je nach Bauform und Füllgut eine Schwingfrequenz f_OS im Bereich von 100 Hz bis maximal 2000 Hz und eine Schwingungsamplitude in der Größenordnung von 100 µm auf. So liegen typische Werte der Schwingfrequenz f_OS bei Schwinggabeln für den Einsatz in Schüttgütern z.B. im Bereich von 100 Hz oder 350 Hz, während typische Werte bei Schwinggabeln für den Einsatz in Flüssigkeiten z.B. im Bereich von 300 Hz bis 400 Hz oder 900 Hz bis 1200 Hz liegen.
Wie auch bei herkömmlichen FMCW-Radar Füllstandsmessgeräten wird anhand der Empfangssignale E und deren zeitlicher Korrelation zum jeweils zugehörigen Sendesignal S für jedes Empfangssignal E eine Echofunktion EF aufgezeichnet, die die Amplituden A des Empfangssignals E als Funktion von deren Frequenzdifferenz Δf gegenüber der bei.deren Eintreffen vorliegenden momentanen Sendefrequenz f_S(t) des Sendesignals S, einer der Frequenzdifferenz Δf über die Zeitabhängigkeit der Modulation zugeordneten Signallaufzeit t_L oder einer der Signallaufzeit t_L bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale entsprechenden Entfernung R zum jeweiligen Reflektor wiedergibt. Alle drei Varianten sind äquivalent. Entsprechend wird eine bestimmte Frequenzdifferenz Δf, Signallaufzeit t_L oder Entfernung R nachfolgend auch als Position innerhalb der Echofunktion EF bezeichnet.
Die Echofunktionen EF werden beispielsweise abgeleitet, indem die Empfangssignale E über die Sende- und Empfangsweiche 13 einem Mischer 17 zugeführt werden, in dem sie dem über das Teilernetzwerk 11 ebenfalls dem Mischer 15 zugeführten momentanen Sendesignal S überlagert werden.
Die Frequenzen f_E(t) der einzelnen Anteile der Empfangssignale E weisen gegenüber der momentanen Sendefrequenz f_S(t) des Sendesignals S zum Zeitpunkt t des Empfangs eine Frequenzdifferenz Δf auf, die von der Zeitabhängigkeit der verwendeten Modulation und von der für den Weg zum jeweiligen Reflektor und zurück benötigten Signallaufzeit t_L abhängt
Zur Gewinnung dieser im Ausgangssignal des Mischers 17 enthaltenen Informationen wird das Ausgangssignal in einer Signalaufbereitungseinrichtung 19 über einen Tiefpassfilter gefiltert und vorzugsweise auch verstärkt. Der Tiefpassfilter filtert aus dem Ausgangssignal des Mischers 17 dessen niederfrequenten, und damit die Information über die Frequenzdifferenzen Δf enthaltenden Anteil heraus, und führt das gefilterte und verstärkte Signal einem Analog-Digital Wandler A/D zu, der eine Abtastung und Digitalisierung des gefilterten Signals ausführt. Zur Wahrung der Kohärenz des Füllstandsmessgeräts ist hier eine Abtastung erforderlich, die eine eindeutige, vorzugsweise lineare, und über die Zeit stabile Zuordnung der einzelnen Abtastzeitpunkte t zu der über den Mikrowellengenerator 7 generierten momentanen Sendefrequenz f_s(t) des Sendesignals S gewährleistet. Dies geschieht vorzugsweise, indem die Abtastzeitpunkte auf der Basis des Lokaloszillatorsignals des Referenzoszillators 9 vorgegeben werden.
Anhand des Ausgangssignals des Analog-Digital Wandlers A/D wird für jedes der nacheinander empfangenen Empfangssignale E₁, .., E_n ein Zwischenfrequenzsignal ZF(t) gespeichert, das die Amplitude A des zugehörigen niederfrequenten Anteils des Ausgangssignals des Mischers 17 als Funktion der Zeit t wiedergibt. Dabei besteht bei kohärenten FMCW-Radar Füllstandsmessgeräten ein fester Phasenbezug zwischen den Zwischenfrequenzsignalen ZF(t) aufeinander folgender Empfangssignale E₁, .., E_n.
Anschließend wird mittels eines Fourier-Transformators 21 eine FourierTransformation der Zwischenfrequenzsignale ZT(t) der Empfangssignale E₁, .., E_n ausgeführt, die die komplexwertigen Amplituden der Zwischenfrequenzsignale ZF(t) als Funktion der Frequenzdifferenz Δf wiedergibt.
Am Ausgang des Fourier-Transformators 21 stehen damit Echofunktionen EF(Δf) zur Verfügung, die die komplexwertigen Amplituden A der Empfangssignale E₁, .., E_n als Funktion von deren Frequenzdifferenzen Δf gegenüber den momentanen Sendefrequenzen f_S(t) der Sendesignale S wiedergeben.
Alternativ hierzu können die Frequenzdifferenzen Δf anhand der bekannten Zeitabhängigkeit der Modulation in die zugeordneten Signallaufzeit t_L umgerechnet und die Echofunktionen EF als die komplexwertigen Amplituden A der Empfangssignale E₁, .., E_n als Funktion von deren Signallaufzeit t_L wiedergebende Echofunktionen EF(t_L) bestimmt und für deren weitere Auswertung und Verarbeitung abgespeichert werden
Vorzugsweise werden die fourier-transformierten Zwischenfrequenzsignale der Empfangssignale E₁, .., E_n jedoch - wie hier dargestellt- über den durch die Zeitabhängigkeit der Modulation und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellensignale gegebenen Zusammenhang zwischen der Frequenzdifferenz Δf und Entfernung R des Füllstandsmessgerät, bzw. dessen Antenne 5, zum jeweiligen Reflektor umgerechnet, und als die komplexwertigen Amplituden A der Empfangssignale E₁, .., E_n als Funktion von der Entfernung R zum zugehörigen Reflektor wiedergebende Echofunktionen EF(R) bestimmt und für deren weitere Auswertung und Verarbeitung abgespeichert.
Anhand der Echofunktionen EF(R) kann nun der zu messende Füllstand L bestimmt werden. Dabei wird über entsprechende Algorithmen dasjenige Maximum der jeweiligen Echofunktion EF(R) bestimmt, das auf eine Reflektion des jeweiligen Sendesignals S an der Füllgutoberfläche zurück zu führen ist. In der Regel ist dies das absolute Maximum der jeweiligen Echofunktion EF(R). Die Position des Füllstands L in der Echofunktion EF(R) ist folglich in der Regel unmittelbar anhand des Amplitudenspektrums der jeweiligen Echofunktion EF(R) identifizierbar. Hierzu verwendbare Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und daher hier nicht im Detail beschrieben.
Demgegenüber ist eine eindeutig Identifizierung der Position des Referenzreflektors 15 in den Echofunktionen EF(R) insb. in Anwesenheit weiterer Reflektoren in der Umgebung des Referenzreflektors 15 anhand der Echofunktionen EF(R) in der Regel nicht ohne weiteres möglich. Der Grund hierfür besteht darin, dass sich der Referenzreflektor 15 in der Echofunktion EF(R) in der Regel nur als relatives Maximum widerspiegelt, dass nicht immer zweifelsfrei von anderen in derselben Echofunktion EF(R) enthaltenen weiteren relativen Maxima unterschieden werden kann. Befindet sich ein weiterer Reflektor mit einer der Reflektivität des Referenzreflektors 15 vergleichbaren Reflektivität in der Nähe des Referenzreflektors 15, so kann der Referenzreflektor 15 weder anhand der zugehörigen Amplitude A der Echofunktion EF(R) noch anhand der zugehörigen Entfernung R eindeutig identifiziert werden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Referenzreflektor 15 Oszillationen ausführt, deren Schwingfrequenz f_OS weniger als die Hälfte der Wiederholfrequenz f_R beträgt, mit der aufeinander folgende Sendesignale S ausgesendet werden.
Der erfindungsgemäße Referenzreflektor 15 ist somit ein mit seiner Schwingfrequenz f_OS bewegtes Ziel, dessen Bewegungen sich im zeitlichen Verlauf der Echofunktionen EF₁(R), ..., EF_n(R) nach einander eingehender Empfangssignale E₁, ..., E_n niederschlagen.
Erfindungsgemäß wird dementsprechend anhand der zeitlichen Veränderung mehrer nacheinander aufgezeichneter aufgrund der Kohärenz in einem festen Phasenbezug zueinander stehenden Echofunktionen EF₁(R), ..., EF_n(R) und der Schwingfrequenz f_OS des Referenzreflektors 15 die diesem zuzuordnende Entfernung R identifiziert und als zugehörige Referenzreflektorposition R_ref bestimmt.
Bei Referenzreflektoren 15 deren mechanische Schwingungsamplitude größer als die Entfemungsauflösung des FMCW-Radar Füllstandsmessgeräts ist, müssten hierzu aufwendige Doppler-Effekte berücksichtigende Verfahren zur Erkennung bewegter Ziele eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in der Militärtechnik verwendet werden.
Diese aufwendigen Verfahren lassen sich vermeiden, indem Referenzreflektoren 15, wie z.B. die oben genannten Füllstandsgrenzschalter, eingesetzt werden, deren Oszillationen Entfernungsänderungen gegenüber dem Füllstandsmessgerät bewirken, die unterhalb der Entfernungsauflösung Δx des Füllstandsmessgeräts liegen. Letztere entspricht in etwa dem Quotienten aus der Lichtgeschwindigkeit c₀ und dem zweifachen des Frequenzhubs Δf_H, $Δ x = \frac{c_{0}}{2 Δ ƒ_{H}}$
und liegt bei FMCW -Radar Füllstandsmessgeräten mit Sendefrequenzen f_S oberhalb von 50 GHz im Zentimeterbereich. Sie liegt damit deutlich oberhalb der mechanischen Schwingungsamplitude von Füllstandsgrenzschaltern.
Unterteilt man in der Echofunktionen EF(R) die Entfernungen in einzelne Entfernungstore mit einer durch die Entfemungsauflösung Δx des Füllstandsmessgeräts vorgegeben Breite, in denen die komplexe Amplitude der Echofunktion EF(R) jeweils durch einen Abtastpunkt wiedergegeben ist, so liegt das auf die Reflektion am Referenzreflektor 15 zurück zu führende Maximum der jeweiligen Echofunktion EF(R), in den Echofunktionen EF(R) nacheinander eingehender Empfangssignale E₁, ..., E_n immer im gleichen Entfernungstor.
2 zeigt hierzu ein Beispiel des zeitlichen Verlaufs des Realteils der Amplituden Re(A(R)) mehrerer nacheinander aufgezeichneter Echofunktionen EF(R). Rechts daneben ist die daraus ersichtliche zeitlich oszillierende Amplitude A_Ref(t; R1) der Echofunktionen EF(R) an der der Entfernung D des Referenzreflektors 15 entsprechenden Position R1 in der Echofunktionen EF(R) als Funktion der Zeit t dargestellt. Im Vergleich dazu ist im gleichen Diagramm die konstante Amplitude A_L(t; R2) der auf die Reflektion an der Füllgutoberfläche zurück zu führenden absoluten Maxima an der Position R2 der Echofunktionen EF(R) dargestellt.
Die im Vergleich zur Wellenlänge der Mikrowellensignale kleinen schwingungsbedingten Entfernungsänderungen des Referenzreflektors 15 gegenüber dem Füllstandsmessgerät bewirken eine Phasenmodulation der an der Position R1 des Referenzreflektors 15 in den Echofunktionen EF(R) auftretenden komplexen Amplitude A(t, R1). Dieser Zusammenhang ist in 3 in einer Zeigerdarstellung eines Modulationskreises in der komplexen Ebene veranschaulicht. Abhängig von der absoluten, durch den Abstand des Referenzreflektors 15 vom Füllstandsmessgerät vorgegebenen, Phasenlage der Amplituden A(t, R1) bewirkt die durch die mechanischen Schwingungen des Referenzoszillators 15 bedingte Phasenmodulation eine zeitliche Änderung des Imaginärteils (a in 3), des Realteils (b in 3), oder eine zeitliche Änderung von Real- und Imaginärteil (c in 3). Da die Mikrowellensignale den Weg zum Referenzreflektor 15 und wieder zurück durchlaufen entspricht ein Umlauf des Modulationskreises hier einer halben Wellenlänge des Mikrowellensignals. Entsprechend werden zur Identifizierung des Referenzreflektors 15 anhand dieser Phasenmodulation sowohl Real- als auch Imaginärteil der komplexen Amplituden herangezogen.
Dabei gilt für den Modulationshub Δφ dieser Phasenmodulation: $Δ φ = \frac{2 ƒ_{s} a}{π c_{0}}$
wobei

f_S die mittlere Mikrowellenfrequenz der Sendesignale S,
a die Schwingungsamplitude des Referenzreflektors 15, und
c₀ die Lichtgeschwindigkeit bezeichnen.

Bei einer mittleren Mikrowellenfrequenz der Sendesignale S von 79 GHz und einer Schwingungsamplitude des Referenzreflektors 15 von 100 µm ergibt sich ein Modulationshub von 3°.
Zur Identifizierung und Bestimmung der Referenzreflektorposition R_ref werden in einer Signalverarbeitungseinrichtung 23 mittels entsprechender Software DET die Maxima M_i der Echofunktionen EF(R) einer vorgegebenen Anzahl n aufeinander folgender Empfangssignale E₁, .., E_n bestimmt und deren komplexwertigen Amplituden A_i zusammen mit deren Position, hier der Entfernung R_i, innerhalb der Echofunktion EF in einer Reflektorenliste festgehalten.
Jedes Maximum M_i(R_i) einer der Echofunktionen EF(R) der aufeinander folgenden Empfangssignale E₁, .., E_n entspricht einer Reflektion eines Anteils des zugehörigen Sendesignals S an einem in der jeweiligen Entfernung R_i vom Füllstandsmessgerät befindlichen Reflektor. Zur Erleichterung der Übersicht sind in der zugehörigen Grafik G hier nur die Absolutbeträge der Amplituden A des auf die Reflektion am Referenzreflektor 15 zurück zu führenden Maximums M1 und des auf die Reflektion an der Füllgutoberfläche zurück zu führenden Maximums M2 dargestellt.
Anschließend wird für jede der Entfernungen R_i, in der in der Echofunktion EF(R) des ersten Empfangssignals E₁ der Serie ein Maximum M_i detektiert wurde, anhand des zeitlichen Verlaufs der in der entsprechenden Entfernung R_i in den Echofunktionen EF(R) der n aufeinander folgenden Empfangssignale E₁, ..., E_n auftretenden Amplituden A(t, R_i) diejenige Entfernung R_ref ermittelt, in der sich Real- und/oder Imaginärteil der Amplitude A(t, R_i) mit einer im Bereich der Schwingfrequenz f_OS des Referenzreflektors 15 liegenden Änderungsfrequenz f_ΔRef ändert.
Hierzu wird vorzugsweise mittels eines weiteren Fourier-Transformators 25 für jede der Entfernungen R_i eine Fouriertransformation über die komplexen Amplituden A(t; R_i) der Echofunktionen EF(R) der n aufeinander folgenden Empfangssignale E₁, ..., E_n ausgeführt.
Hieraus ergibt sich eine der Anzahl der detektierten Maxima M_i entsprechende Anzahl an Bewegungsspektren B_Ri, die jeweils Real- und Imaginärteil der in der zugehörigen Entfernung R_i gemessenen Amplituden A_Ri als Funktion von deren Änderungsfrequenzen f_Δ wiedergeben. In den Bewegungsspektren B_Ri erscheinen statische Reflektoren als Maximum bei einer Änderungsfrequenz f_Δ von Null. Entsprechend zeigt das für die der Füllgutoberfläche zuzuordnende Entfernung R2 abgeleitete Bewegungsspektrum B_R2 lediglich ein ausgeprägtes Maximum bei einer Änderungsfrequenz f_Δ von Null.
Demgegenüber weisen Bewegungsspektren B_Ri bewegter Reflektoren auch bei von Null verschiedenen von Art und Zeitabhängigkeit der Bewegung abhängigen Änderungsfrequenzen f_Δ eine von Null verschiedene Amplitude auf. Entsprechend weist das Bewegungsspektrum B_R1 des Referenzreflektors 15 im Real- und/oder Imaginärteil ein ausgeprägtes Maximum bei einer im Bereich der Schwingfrequenz f_OS des Referenzreflektors 15 liegenden Änderungsfrequenz f_ΔRef auf.
Entsprechend wird der Referenzreflektor 15 identifiziert, indem dasjenige Bewegungsspektrum B_i ermittelt wird, das im Real- und/oder Imaginärteil ein ausgeprägtes Maximum im Bereich der Schwingfrequenz f_OS des Referenzreflektors 15 aufweist. Anhand der diesem Bewegungsspektrum B_R1 zugeordneten Entfernung R_i ergibt sich hieraus unmittelbar die gesuchte Referenzreflektorposition R_ref.
Dabei steigt die Identifizierungswahrscheinlichkeit und die Genauigkeit der Bestimmung der Referenzposition R_ref des Referenzreflektors 15 bei hinreichend hoher Schwingungsgüte des Referenzreflektors 15, wie sie bei Füllstandsgrenzschaltern regelmäßig vorliegt, mit zunehmender Anzahl n der einbezogenen aufeinander folgenden Empfangsignale E₁, ..., E_n an.
Neben dem Bewegungsspektrum B_R1 des Referenzreflektors 15 können auch Bewegungspektren anderer - an sich statischer- Reflektoren aufgrund von Erschütterungen oder Fremdvibrationen am Einsatzort bei von Null verschiedenen Änderungsfrequenzen f_Δ messbare Amplituden aufweisen. Die Bewegungsspektren können jedoch regelmäßig anhand der für den Referenzreflektor 15 charakteristischen Schwingfrequenz f_OS von dem Bewegungsspektrum B_R2 des Referenzreflektors 15 unterschieden werden.
In Füllstandsmessgeräten in denen die Echofunktionen EF nicht als Funktion der Entfernung R, sondern als Funktion der Frequenzdifferenz Δf oder der Signallaufzeit t_L aufgezeichnet werden, kann das Verfahren natürlich völlig analog ausgeführt werden, wobei in dem Fall entsprechend die diesem zuzuordnende Frequenzdifferenz Δf_ref oder der Signallaufzeit t_Lref als zugehörige Referenzreflektorposition bestimmt wird.
Anhand der mit dem Füllstandsmessgerät gemessenen Referenzreflektorposition R_ref und dessen vorbekannter Entfernung D vom Füllstandsmessgerät kann nun eine gegebenenfalls bestehende Abweichung zwischen gemessener Referenzreflektorposition R_ref und tatsächlicher Referenzreflektorposition bestimmt werden, und zur Ausführung von Kalibrations- und/oder Überwachungsverfahren eingesetzt werden. Dabei können alle bekannten auf Referenzmessungen mit statischen Referenzreflektoren basierenden Kalibrations- und/oder Überwachungsverfahren völlig analog eingesetzt und verwendet werden.
Anstelle eines einzigen Referenzreflektors 15 können im Behälter 3 auch zwei oder mehr jeweils in unterschiedlichen vorbekannten Entfernungen D vom Füllstandsmessgerät angeordnete erfindungsgemäße Referenzreflektoren 15 vorgesehen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind hier entsprechend alle oberhalb des Füllguts 1 befindlichen Referenzreflektoren 15 anhand ihrer jeweiligen Schwingfrequenz f_OS mit der sie Oszillationen in Richtung des Füllstandsmessgeräts ausführen eindeutig identifizierbar. Dabei werden zunächst mit dem oben beschriebenen Verfahren alle Referenzreflektorpositionen R_ref bestimmt, und anschließend dem jeweiligen Referenzreflektor 15 zugeordnet.
Werden mehrere Referenzreflektoren 15 mit Schwingfrequenzen f_OS von identischer oder vergleichbarer Größe eingesetzt, so erfolgt die Zuordnung der ermittelten Referenzreflektorpositionen R_ref zu den einzelnen Referenzreflektoren 15 anhand von deren bekannten unterschiedlichen Entfernungen D vom Füllstandsmessgerät. Werden hierzu Referenzreflektoren 15 mit Schwingfrequenzen f_OS unterschiedlicher Größe eingesetzt, so kann die Zuordnung sowohl anhand von deren unterschiedlichen Schwingfrequenzen f_OS als auch anhand von deren unterschiedlichen bekannten Entfernungen D vom Füllstandsmessgerät erfolgen.
Die Kalibration und/oder Überwachung erfolgt hier wahlweise anhand der auf die oben beschriebene Weise bestimmten Referenzreflektorpositionen eines bestimmten, mehrerer ausgewählter oder aller oberhalb des Füllguts 1 befindlichen Referenzreflektoren 15. Dabei kann anhand der Positionen mehrerer oberhalb des Füllguts 1 befindlicher Referenzreflektoren 15 z.B. durch Interpolation eine von der Messentfernung abhängige Kalibration ausgeführt werden.
Neben der Kalibration und/oder Überwachung des Füllstandsmessgeräts wird vorzugsweise auch die Funktion der oberhalb des Füllguts 1 befindlichen Referenzreflektoren 15 überwacht.
Wenn ein Referenzreflektor 15 fehlt oder, z.B. aufgrund eines Defektes, keine periodischen Schwingungen mit Frequenzen im Bereich der Schwingfrequenz f_OS mehr ausführt, kann seine Referenzreflektorposition mit dem oben beschriebenen Verfahren nicht bestimmt werden. Ist dies der Fall, wird dies vom Füllstandsmessgerät selbsttätig erkannt und vorzugsweise eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben und/oder ein Alarm ausgelöst.
In Verbindung mit als Referenzreflektoren 15 eingesetzten Füllstandsgrenzschaltern ist damit zugleich eine Überwachung der Funktionsfähigkeit des Füllstandsgrenzschalters gegeben.
Umgekehrt ist anhand der Bewegungsspektren B_R1 des einwandfrei funktionierenden Referenzreflektors 15 eine Selbstüberwachung des Füllstandsmessgeräts ausführbar. Hierzu werden vorzugsweise Breite und Amplitude der im Bereich der Schwingfrequenz f_OS liegenden Maxima von zu unterschiedlichen Zeiten abgeleiteten Bewegungsspektren B_R1 bestimmt und überwacht. Eine plötzlich auftretende oder sich über einen längeren Einsatzzeitraum hinweg zeigende Verbreiterung der Maxima und/oder ein Absinken von deren Amplitude ist ein eindeutiges Indiz für eine Veränderung der Messeigenschaften des Füllstandsmessgeräts. Ursache hierfür kann beispielsweise eine Veränderung der Dynamik im Bereich der Signalaufnahme und/oder der Signalverarbeitung oder ein bei der Erzeugung der Sendesignale S auftretender Fehler sein.
Darüber hinaus kann anhand der zeitlichen Veränderungen der Amplituden A(t, R_ref) mehrerer nacheinander aufgezeichneter Echofunktionen EF(R) an der Referenzreflektorposition R_ref des jeweiligen Referenzreflektors 15, für den jeweiligen Referenzreflektor 15 dessen tatsächliche Schwingfrequenz bestimmt werden. Diese entspricht der Änderungsfrequenz f_ΔRef, des im Bereich der Schwingfrequenz f_OS liegenden Maximums des Bewegungsspektrums B_R1 des jeweiligen Referenzreflektors 15.
Die tatsächliche Schwingfrequenz ermöglicht eine qualifizierte Überwachung der Funktion des jeweiligen Referenzreflektors 15. Dabei können Veränderungen und/oder Abweichungen der tatsächlichen Schwingfrequenz f_ΔRef gegenüber der im Füllstandsmessgerät abgespeicherten Schwingfrequenz f_OS dieses Referenzreflektors 15 vom Füllstandsmessgerät selbsttätig erkannt und sogar quantitativ bestimmt werden. Dabei können umso kleinere Veränderungen oder Abweichungen bestimmt werden, je größer das zugehörige Messzeitintervall, bzw. die Anzahl n der einbezognen aufeinander folgenden Empfangssignale E₁, ..., E_n ist, über das die tatsächlichen Schwingfrequenzen bestimmt werden.
Auf diese Weise können z.B. Ansatzbildungen am Referenzreflektor 15, die eine messbare Reduktion von dessen Schwingfrequenz bewirken, frühzeitig erkannt und angezeigt werden. Ansatzbildung entsteht durch Ablagerungen am Referenzreflektor 15. Sie können beispielsweise durch Füllgutspritzer verursacht werden, die am Referenzreflektor 15 anhaften bzw. antrocknen. Bei Referenzreflektoren 15, die sich nicht immer oberhalb des Füllguts 1 befinden, können sie natürlich auch durch den unmittelbaren Füllgutkontakt entstehen.
Die frühzeitige Erkennung von Ansatzbildungen am Referenzreflektor 15 ist insb. dann von besonderem Vorteil, wenn der Ansatz eine Reduktion der Reflektivität des Referenzreflektors 15 bewirkt, die dessen Identifizierung unnötig erschweren würde.
In Verbindung mit Füllstandsgrenzschaltern als Referenzreflektoren 15 kann anhand der tatsächlichen Schwingfrequenz darüber hinaus deren Funktionsfähigkeit überwacht werden, indem Abweichungen der tatsächlichen Schwingfrequenz f_ΔRef des Grenzschalters von der hierfür vorgegebenen Schwingfrequenz f_OS erkannt und/oder gemessen werden.
Bei Füllgütern 1, die nur eine geringe Dielektrizitätskonstante aufweisen, dringt zumindest ein geringer Anteil der Sendesignale S in das Füllgut 1 ein und wird an unterhalb der Füllgutoberfläche befindlichen Reflektoren zum Füllstandsmessgerät zurück reflektiert. Ist dies der Fall, können mit dem oben beschriebenen Verfahren auch unterhalb der Füllgutoberfläche befindliche erfindungsgemäße Referenzreflektoren 15 identifiziert und deren tatsächliche Schwingfrequenz f_ΔRef gemessen werden. Bei ausreichend langer Messdauer und damit entsprechend genauer Messung der tatsächlichen Schwingfrequenz f_ΔRef kann das Füllstandsmessgerät anhand von entsprechenden Referenzwerten feststellen, ob die gemessene Schwingfrequenz f_ΔRef der Schwingfrequenz des Referenzreflektors 15 im freien oder im vom Füllgut 1 bedeckten Zustand entspricht. Hieran erkennt das Füllstandsmessgerät selbsttätig ob bzw. das der Füllstand L oberhalb der Einbauhöhe dieses Referenzreflektors 15 liegt Diese Zusatzinformation kann beispielsweise zur eingangs beschriebenen Identifizierung des auf die Reflektion an der Füllgutoberfläche zurück zu führenden Nutzechos herangezogen werden.

1: Füllgut
3: Behälter
5: Antenne
7: Mikrowellengenerator
9: Referenzoszillator
11: Teilernetzwerk
13: Sende- und Empfangsweiche
15: Referenzreflektor
17: Mischer
19: Signalaufbereitungseinrichtung
21: Fouriertransformator
23: Signalverarbeitungseinrichtung
25: Fouriertransformator

Claims

Verfahren zur Kalibration und/oder Überwachung eines kohärenten Frequenzmodulations-Dauerstrichradar Füllstandsmessgeräts zur Messung eines Füllstandes eines Füllguts (1) in einem Behälter (3), bei dem - das Füllstandsmessgerät mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz (f_R) mittels einer vorgegebenen Modulation linear frequenz-modulierte Sendesignale (S) in Richtung des Füllguts (1) sendet und deren an im Strahlengang der Sendesignale (S) befindlichen Reflektoren zum Füllstandsmessgerät zurück reflektierten Anteile als Empfangssignale (E) empfängt, - ein mit einer Schwingfrequenz (f_OS) Oszillationen in Richtung des Füllstandsmessgeräts ausführender Referenzreflektor (15) oberhalb des Füllguts (1) in einer vorbekannten Entfernung (D) vom Füllstandsmessgerät in einen Strahlengang der Sendesignale (S) eingesetzt ist, dessen Schwingfrequenz (f_OS) weniger als die Hälfte der Wiederholfrequenz (f_R) beträgt, - anhand der Empfangssignale (E) und deren zeitlicher Korrelation zum jeweils zugehörigen Sendesignal (S) für jedes Empfangssignal (E) eine Echofunktion (EF) aufgezeichnet wird, die Amplituden (A) des Empfangssignals (E) als Funktion von deren Frequenzdifferenz (Δf) gegenüber einer bei deren Empfang vorliegenden momentanen Sendefrequenz (f_S) des Sendesignals (S), einer der Frequenzdifferenz (Δf) über die Zeitabhängigkeit der Modulation zugeordneten Signallaufzeit (t_L) oder einer der Signallaufzeit (t_L) entsprechenden Entfernung (R) zum jeweiligen Reflektor wiedergibt, und - anhand zeitlicher Veränderung der mehreren nacheinander aufgezeichneten Echofunktionen (EF) und der Schwingfrequenz (f_OS) des Referenzreflektors (15) eine diesem zuzuordnende Frequenzdifferenz (Δf), Signallaufzeit (t_L) oder Entfernung (R) identifiziert und als zugehörige Referenzreflektorposition (R_ref) bestimmt wird, und - die Kalibration und/oder Überwachung des Füllstandsmessgeräts anhand der Referenzreflektorposition (R_ref) und der vorbekannten Entfernung (D) des Referenzreflektors (15) vom Füllstandsmessgerät erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem - die Oszillationen des Referenzreflektors (15) eine Schwingungsamplitude (a) aufweisen, die unterhalb einer Entfemungsauflösung (Δx) des Füllstandsmessgeräts liegt, - die Echofunktionen (EF) die komplexwertigen Amplituden (A) der Empfangssignale (E) wiedergeben und nacheinander aufgezeichnete Echofunktionen (EF) in einem festen Phasenbezug zueinander stehen, - Maxima (M_i) der Echofunktionen (EF) bestimmt und deren komplexwertigen Amplitude (A) zusammen mit deren Position in der jeweiligen Echofunktion (EF) festgehalten werden, - für jedes Maximum (M_i) anhand der komplexwertigen Amplituden (A) einer vorgegebenen Anzahl (n) der aufeinander folgenden Echofunktionen (EF) an der Position (R_i) des jeweiligen Maximums (M_i) ein Bewegungsspektrum (B_Ri) abgeleitet wird, das die komplexwertigen Amplituden (A(f_Δ)) der Echofunktionen (EF) an der jeweiligen Position (R_i) als Funktion von deren Änderungsfrequenz (f_Δ) wiedergibt, - dasjenige Bewegungsspektrum (B_R1) ermittelt wird, dessen Real- und/oder Imaginärteil ein Maximum bei einer in einem Bereich der Schwingfrequenz (f_OS) des Referenzreflektors (15) liegenden Änderungsfrequenz (f_ΔRef) aufweist, und - die diesem Bewegungsspektrum (B_R1) zugehörige Position (R1) in den Echofunktionen (EF) als Referenzreflektorposition (R_ref) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem anhand zeitlicher Veränderungen der Amplituden (A(t, R1)) der mehreren nacheinander aufgezeichneten Echofunktionen (EF(R)) an der Referenzreflektorposition (R_ref = R₁) dessen tatsächliche Schwingfrequenz bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und 3, bei dem die tatsächliche Schwingfrequenz gleich derjenigen Änderungsfrequenz (f_ΔRef) ist, bei der das Bewegungsspektrum (B_R1) des Referenzreflektors (15) sein im Bereich der Schwingfrequenz (f_OS) liegendes Maximum aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Referenzreflektor (15) ein in den Behälter (3) hineinragendes mechanisch schwingfähiges Gebilde eines Füllstandsgrenzschalters ist.
Verfahren nach Anspruch 3 und 5, bei dem die Funktion des Referenzreflektors (15) anhand von dessen Schwingfrequenz (f_OS) und dessen vom Füllstandsmessgerät bestimmten tatsächlichen Schwingfrequenz (f_ΔRef) überwacht wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem - mehrere jeweils mit einer weniger als die Hälfte der Wiederholfrequenz (f_R) betragenden Schwingfrequenz (f_OS) in Richtung des Füllstandsmessgeräts oszillierende Referenzreflektoren (15) in unterschiedlichen Entfernungen (D) vom Füllstandsmessgerät vorgesehen sind, - die Referenzreflektorpositionen (R_ref) der über dem Füllgut (1) befindlichen Referenzreflektoren (15) bestimmt werden, und - die Kalibration und/oder Überwachung anhand mindestens einer dieser Referenzreflektorpositionen (R_ref) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Referenzreflektoren (15) Schwingfrequenzen (f_OS) vergleichbarer Größe aufweisen, und die ermittelten Referenzreflektorpositionen (R_ref) den einzelnen Referenzreflektoren (15) anhand von deren unterschiedlichen Entfernungen (D) vom Füllstandsmessgerät zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Referenzreflektoren (15) Schwingfrequenzen (f_OS) unterschiedlicher Größe aufweisen, und die ermittelten Referenzreflektorpositionen (R_ref) den einzelnen Referenzreflektoren (15) anhand von deren unterschiedlichen Schwingfrequenzen (f_OS) und/oder von deren unterschiedlichen Entfernungen (D) vom Füllstandsmessgerät zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem Breite und Amplitude der im Bereich der Schwingfrequenz (f_OS) liegenden Maxima von zu unterschiedlichen Zeiten abgeleiteten Bewegungsspektren (B_R1) des Referenzreflektors (15) bestimmt und überwacht werden.