DE102012104926A1

DE102012104926A1 - Verfahren und System zur Kalibrierung eines Abstandsmessgeräts

Info

Publication number: DE102012104926A1
Application number: DE201210104926
Authority: DE
Inventors: Volker Frey; Michael Sturm; Kurt Ständecke
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2013-12-12
Also published as: CN103472439A; CN103472439B

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Kalibrierung eines Abstandsmessgeräts (2) angegeben, wobei das Abstandsmessgerät (2) an einer Teststrecke (3) montiert wird, wobei ein flächiges Zielobjekt (4) zur Reflexion eines von dem Abstandsmessgerät (2) ausgesendeten Messsignals verschiebbar auf der Teststrecke (3) angeordnet wird, wobei mittels des Abstandsmessgeräts (2) mindestens eine Distanzmessung zwischen Abstandsmessgerät (2) und Zielobjekt (4) durchgeführt wird, und wobei ein von dem Abstandsmessgerät (2) ermittelter Distanzmesswert (d_m) mit einem Referenzwert (d_ref) verglichen wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Neigung des Zielobjekts (4) erfasst wird. Weiterhin wird ein entsprechendes Kalibriersystem beansprucht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Kalibrierung eines Abstandsmessgeräts, wobei das Abstandsmessgerät an einer Teststrecke montiert wird, wobei ein flächiges Zielobjekt zur Reflexion eines von dem Abstandsmessgerät ausgesendeten Messsignals verschiebbar auf der Teststrecke angeordnet wird, wobei mittels des Abstandsmessgeräts mindestens eine Distanzmessung zwischen Abstandsmessgerät und Zielobjekt durchgeführt wird, und wobei ein von dem Abstandsmessgerät ermittelter Distanzmesswert mit einem Referenzwert verglichen wird. Bei dem Abstandsmessgerät handelt es sich insbesondere um ein Füllstandsmessgerät zur Bestimmung des Füllstands einer Flüssigkeit oder eines Schüttguts in einem Behälter mittels Radartechnik.
Radarmessgeräte zur Füllstandsmessung werden von der Anmelderin in unterschiedlichen Ausgestaltungen hergestellt und vertrieben. Ein frei abstrahlendes Messgerät wird beispielsweise unter der Bezeichnung Micropilot angeboten. Über eine Antenne werden Mikrowellen in Richtung des Mediums abgestrahlt. Die an der Oberfläche des Mediums reflektierten Wellen werden von dem Messgerät wieder empfangen und eine Echofunktion gebildet, welche die Echoamplitude als Funktion der Entfernung darstellt. Aus dieser Funktion wird das Nutzecho ermittelt und die zugehörige Laufzeit bestimmt. An Hand der Laufzeit wird die Distanz zwischen der Antenne und dem Medium bestimmt.
Es sind verschiedene Messverfahren bekannt, wobei das Pulsradar und das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar) die bekanntesten darstellen. Beim Pulsradar werden periodisch kurze Mikrowellenimpulse ausgesendet und die an der Oberfläche des Mediums reflektierten Impulse wieder empfangen. Die empfangene Signalamplitude als Funktion der Zeit stellt die Echofunktion dar, wobei jeder Wert einem in einem bestimmten Abstand von der Antenne reflektierten Echo entspricht.
Beim FMCW-Verfahren wird eine kontinuierliche Mikrowelle ausgesendet, welche periodisch frequenzmoduliert wird. Die Frequenz des empfangenen Signals weist zum Empfangszeitpunkt eine bestimmte Differenz gegenüber der Frequenz des Sendesignals auf, welche von der Laufzeit des Echos abhängt. Aus der Frequenzdifferenz ist somit die Distanz zwischen Antenne und Medium bestimmbar. Die Echofunktion wird durch ein Fourierspektrum des Mischsignals aus Sendesignal und Empfangssignal dargestellt.
Zur Kalibrierung von Abstandsmessgeräten, insbesondere von genannten Radarmessgeräten, kommt häufig eine Teststrecke zum Einsatz, deren Länge dem Messbereich des Abstandsmessgeräts entspricht, und auf welcher ein flächiges Zielobjekt, auch Prallplatte genannt, verschiebbar angeordnet ist. Das zu kalibrierende Abstandsmessgerät wird beispielsweise am Anfangspunkt der Teststrecke positioniert, das Messsignal in Richtung Zielobjekt ausgesendet und das reflektierte Messsignal empfangen. Bei einem Radarmessgerät wird an Hand der Signallaufzeit die Distanz zwischen Radarmessgerät und Zielobjekt bestimmt. Die gemessene Distanz wird mit einem Referenzwert verglichen, welcher mittels eines kalibrierten Normals bestimmt wurde. Das kalibrierte Normal ist beispielsweise ein Laserinterferometer mit einer Genauigkeit, die um einen definierten Faktor höher ist als die Genauigkeit des zu kalibrierenden Abstandsmessgeräts. In der Regel werden zur Bestimmung der Linearität mehrere Messpunkte angefahren.
Insbesondere bei Abstandsmessgeräten, welche den Abstand zu einer Fläche bestimmen, hängt die Messgenauigkeit von der Ausrichtung der Oberfläche des Zielobjekts ab. Steht die Aufprallfläche des Zielobjekts nicht senkrecht zu der Abstrahlrichtung, sondern ist geneigt, wird der Abstand an Hand des senkrecht zur Aufprallfläche reflektierten Anteils bestimmt. Diese Unsicherheit bei der Abstandmessung kann dazu führen, dass die bei der Kalibrierung ermittelte Messunsicherheit des Abstandsmessgeräts außerhalb zu erfüllender Spezifikationen liegt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Abstandsmessgeräts anzugeben, welches eine Verminderung der Messunsicherheit ermöglicht. Weiterhin ist ein entsprechendes System zur Kalibrierung anzugeben.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, dass eine Neigung des Zielobjekts erfasst wird. Vorzugsweise wird mindestens ein Neigungswinkel des Zielobjekts ermittelt. Insbesondere wird sowohl eine Neigung in horizontaler Richtung als auch in vertikaler Richtung erkannt und quantitativ erfasst. Hierdurch ist die Ausrichtung der Aufprallfläche des Messsignals relativ zu der Ausbreitungsrichtung des Messsignals ermittelbar.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Distanzmesswert und/oder der Referenzwert entsprechend der erfassten Neigung des Zielobjekts korrigiert. Beispielsweise wird der Distanzmesswert softwaretechnisch in der Elektronikeinheit des Abstandsmessgeräts unter Berücksichtigung der Neigung des Zielobjekts korrigiert. Bei der Korrektur des Referenzwerts wird an Hand der Neigung der tatsächliche Abstand zwischen dem zu kalibrierenden Abstandsmessgerät und dem Zielobjekt ermittelt und der Distanzmesswert dem korrigierten Referenzwert zugeordnet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die Korrektur außerhalb des zu kalibrierenden Abstandsmessgeräts erfolgen kann.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung wird für den Fall, dass eine Neigung vorliegt, eine Ausrichtung des Zielobjekts oder die Teststrecke derart korrigiert wird, dass die Neigung des Zielobjekts ausgeglichen wird. Alternativ zu einer Anpassung des Distanzmesswerts wird bei Vorliegen einer Neigung die Position bzw. Ausrichtung des Zielobjekts direkt oder indirekt über eine Anpassung der Teststrecke korrigiert. Unter einer Anpassung der Teststrecke ist beispielsweise die Einebnung einer Bodenwelle zu verstehen.
In einer Ausgestaltung werden der Referenzwert und/oder die Neigung des Zielobjekts berührungslos bestimmt. Eine berührungslose Bestimmung der Neigung, beispielsweise über eine Bestimmung einer oder mehrerer Neigungswinkel, vermeidet, dass das Messgerät zur Erfassung der Neigung die Ausrichtung des Zielobjekts verändert.
In einer Ausgestaltung werden der Referenzwert und/oder die Neigung des Zielobjekts mittels eines Lasermessgeräts erfasst. Das Lasermessgerät kann hierbei in Bezug auf das Zielobjekt auf derselben Seite wie das Abstandsmessgerät oder bevorzugt auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet sein und sozusagen von hinten messen. Vorteilhafterweise wird mittels desselben Lasermessgeräts eine Distanzmessung zur Bestimmung des Referenzwerts und ein Umgebungsscan zur Erfassung der Neigung des Zielobjekts durchgeführt.
Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens ein Umgebungsparameter gemessen und ein Einfluss des Umgebungsparameters auf den Distanzmesswert und/oder den Referenzwert kompensiert. In einer hiermit verbundenen Ausgestaltung wird als Umgebungsparameter mindestens eine der Größen Temperatur, Feuchte und Druck gemessen. Umgebungsparameter beeinflussen die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Messsignalen und somit den Messwert eines die Signallaufzeit auswertenden Abstandsmessgeräts. Durch Bestimmung der Umgebungsparameter ist eine Kompensation deren Einflüsse ermöglicht, sodass der Distanzmesswert bzw. der Referenzwert mit einer verbesserten Genauigkeit bestimmt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass der Referenzwert und/oder die Neigung des Zielobjekts fortlaufend erfasst werden. Der Referenzwert und die Neigung werden zumindest während der Messung der Distanz mit dem zu kalibrierenden Abstandsmessgerät erfasst. Eine fortlaufende Bestimmung des Referenzwerts und/oder der Neigung ist insbesondere bei der Aufnahme eines Messwerts mit dem Abstandsmessgerät für unterschiedliche Distanzen zum Zielobjekt vorteilhaft. Bei einer fortlaufenden Bestimmung von Referenzwert und Neigungswinkel sind die tatsächliche Distanz zum Zielobjekt, sowie dessen Ausrichtung, während des gesamten Kalibriervorgangs bekannt. Durch eine fortlaufende Bestimmung des Referenzwerts für die Distanzmessung sind Änderungen der Distanz, beispielsweise auf Grund einer temperaturbedingten Längenänderung der Teststrecke, zu jeder Zeit bekannt bzw. kompensierbar, sodass der Referenzwert stets aktuell mit einer hohen Genauigkeit vorliegt. Durch die fortlaufende Erfassung der Neigung ist die Ausrichtung des Zielobjekts jederzeit bekannt, sodass Messunsicherheiten auf Grund einer nicht im Lot zu der Ausbreitungsrichtung des Messsignals stehenden Aufprallfläche kompensierbar sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Radarfüllstandsmessgerät kalibriert. Hierzu wird das Zielobjekt derart ausgestaltet, dass es optimale Reflexionseigenschaften für das Radarmesssignal aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur Kalibrierung eines Abstandsmessgeräts, mindestens umfassend eine Teststrecke, an welcher das Abstandsmessgerät montierbar ist, und ein verschiebbar auf der Teststrecke angeordnetes flächiges Zielobjekt zur Reflexion eines von dem Abstandsmessgerät ausgesendeten Messsignals zurück in das Abstandsmessgerät, sodass mittels des Abstandsmessgeräts eine Distanzmessung zur Bestimmung der Distanz zwischen Abstandsmessgerät und Zielobjekt durchführbar ist. Bezüglich des Systems wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass das System mindestens eine auf der Teststrecke montierbare Vorrichtung zur Erfassung einer Neigung des Zielobjekts aufweist.
In einer Ausgestaltung des Systems ist die Vorrichtung zur Erfassung der Neigung dazu ausgestaltet, mindestens einen Neigungswinkel berührungslos zu bestimmen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Systems handelt es sich bei der Vorrichtung zur Erfassung der Neigung um einen Lasertracker. Ein Lasertracker ist eine Kombination aus einem Distanzmessgerät, insbesondere einem Absolutdistanzmessgerät, beispielsweise in Form eines Laserinterferometers, und einem Winkelmessgerät. Ein Lasertracker ist daher dazu geeignet, die dreidimensionalen Punktkoordinaten eines Objekts zu erfassen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das System Mittel zur Bestimmung eines Referenzwerts für die Distanzmessung mittels des Abstandsmessgeräts auf. Bei dem Mittel zur Bestimmung des Referenzwerts handelt es sich beispielsweise um ein Laserinterferometer. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Systems dient dasselbe Gerät sowohl der Erfassung der Neigung als auch der Bestimmung des Referenzwerts. Vorteilhaft ist hierzu ein Lasertracker auf der Teststrecke montiert.
Das vorgeschlagene System zur Kalibrierung ermöglicht die Erkennung einer Schieflage des Zielobjekts in eine beliebige Richtung, welche beispielsweise durch eine Unebenheit des Untergrunds oder der Teststrecke, auf welcher das Zielobjekt montiert ist, hervorgerufen werden kann. Durch Kenntnis der Neigung des Zielobjekts, beispielsweise in Form mindestens eines Neigungswinkels, ist die mit der Neigung einhergehende Distanzvariation ermittelbar und kompensierbar bzw. bei der Bestimmung des Distanzmesswerts oder des Referenzwerts berücksichtigbar. Hierdurch verringert sich der Messfehler bei der Distanzmessung. Das erfindungsgemäße System bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die Kalibrierung mittels des Systems auf einfache Weise durch das Fertigungspersonal und ohne Anwesenheit eines Spezialisten durchführbar ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren in Bezug auf ein Radarmessgerät zur Füllstandsmessung näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
1 zeigt ein System zur Kalibrierung eines Abstandsmessgeräts;
2 illustriert die Auswirkungen einer Neigung des Zielobjekts auf die Distanzmessung.
In 1 ist ein System zur Kalibrierung eines Abstandsmessgeräts dargestellt. Das System besitzt eine Teststrecke 3, beispielsweise in Form einer Schiene, auf welcher zumindest das zu kalibrierende Abstandsmessgerät, ein Zielobjekt 4, ein kalibriertes Distanzmessgerät, welches als Normal für die Kalibrierung dient, und eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Neigungswinkels des Zielobjekts 4 montierbar sind. Im dargestellten Beispiel ist die Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Neigungswinkels als Lasertracker 5 ausgestaltet und dient gleichzeitig als kalibriertes Distanzmessgerät zur Aufnahme eines Referenzwerts. Als kalibriertes Distanzmessgerät eignet sich prinzipiell jedes Distanzmessgerät, welches eine Distanz mit einer höheren Genauigkeit als das zu kalibrierende Abstandsmessgerät bestimmen kann. Bei dem zu kalibrierenden Abstandsmessgerät handelt es sich im dargestellten Beispiel um ein frei abstrahlendes Radarmessgerät 2 zur Füllstandsmessung. Das System eignet sich gleichermaßen für andere nach dem Time-of-Flight-Prinzip (ToF) arbeitende Füllstandsmessgeräte, beispielsweise geführte Radarmessgeräte oder Ultraschallmessgeräte. Weiterhin ist mittels des Systems ist prinzipiell jedes Abstandsmessgerät kalibrierbar, welches ein Messsignal aussendet und dessen Reflexion an einem Zielobjekt 4 zur Bestimmung des Abstands d zu dem Zielobjekt 4 auswertet.
Bei einem so genannten freien Radar wird das Messsignal über eine Antenne, beispielsweise eine Planarantenne oder wie dargestellt eine Hornantenne 21, in Richtung des zu detektierenden Objekts bzw. Mediums abgestrahlt. Das Messsignal ist hierbei ein Mikrowellensignal, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 1 und 100 GHz. Die Erzeugung des Messsignals und Auswertung des empfangenen Echosignals erfolgt in einem Messumformer 23. Der Messumformer 23 enthält mindestens eine Elektronikeinheit, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers. Ein Radarmessgerät 2 kann auch als geführtes Radar ausgestaltet sein. Beim geführten Radar dient eine Stab- oder Seilsonde als Wellenleiter für das Messsignal. Radarmessgeräte 2 zur Füllstandsmessung werden von der Anmelderin unter dem Namen Levelflex geführtes Radar und Micropilot freies Radar hergestellt und vertrieben.
Zur Befestigung am Einsatzort, in der Regel einem mit dem zu detektierenden Gut zumindest teilweise gefüllten Behälter, verfügt das Radarmessgerät 2 über geeignete Anschlussmittel. Im dargestellten Fall ist dies ein Flansch 22. Über den Flansch 22 ist das Radarmessgerät 2 auf der Teststrecke 3 montiert. Beispielsweise befindet sich am Beginn der Messstecke 3 eine Wand mit einer passenden Ausnehmung, in welche das Radarmessgerät 2 einbringbar ist.
In der Distanz d zu dem Radarmessgerät 2 ist das Zielobjekt 4 verschiebbar angeordnet. Durch die verschiebbare Anordnung sind verschiedene Distanzen d zwischen dem Radarmessgerät 2 und dem Zielobjekt 4 einstellbar. Die Positionierung des Zielobjekts 4 kann manuell oder automatisch über eine elektronische Steuerung erfolgen, mittels welcher eine vorgebbare Position auf der Teststrecke 3 angefahren wird. Vorzugsweise werden zur Kalibrierung mindestens fünf verschiedene Positionen angefahren. Hierbei wird auch die größte mit dem Radarmessgerät 2 messbare Distanz d eingestellt. Beispielsweise beträgt diese Distanz d = 30 m, sodass die Teststrecke 3 in diesem Fall mindestens 30 Meter lang sein sollte. Das Zielobjekt 4 ist flächig ausgestaltet, d. h. es besitzt eine dem Radarmessgerät 2 zugewandte ebene Fläche, welche als Aufprallfläche 41 für das Messsignal dient, und eine dem Lasertracker 5 zugewandte ebene Fläche, welche als Aufprallfläche 41 für den Laserstrahl dient. Zur Kalibrierung geeignete Zielobjekte 4 sind dem Fachmann hinlänglich bekannt, sodass auf deren Formgebung nicht weiter eingegangen wird. Das Zielobjekt 4 ist derart ausgerichtet, dass die Aufprallfläche 41 im Wesentlichen senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des Messsignals ausgerichtet ist. Abweichungen von dieser Ausrichtung werden erfindungsgemäß detektiert und vorzugsweise auch quantifiziert.
Hierzu ist ein Lasertracker 5 auf der Teststrecke 3 angeordnet. Im Beispiel ist der Lasertracker 5 von dem Radarmessgerät 2 aus gesehen hinter dem Zielobjekt 4 angeordnet, sodass der von dem Lasertracker 5 emittierte Laserstrahl auf die Rückseite des Zielobjekts 4 auftritt. Der Lasertracker 5 erfüllt zwei Funktionen: er ist dazu ausgestaltet, einerseits eine Winkelmessung durchzuführen und andererseits mittels Laserinterferometrie eine Distanz zu messen. Lasertracker 5 werden beispielsweise von der Firma Leica Geosystems angeboten. In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kalibriersystems sind für die Winkelmessung und die Distanzmessung zwei separate Messgeräte vorgesehen.
Die mit dem Lasertracker 5 bestimmte Distanz zu dem Zielobjekt 4 dient der Berechnung eines Referenzwerts d_ref für die Distanz d zwischen dem Zielobjekt 4 und dem Radarmessgerät 2. Der Referenzwert ergibt sich im Wesentlichen aus der Differenz des bekannten und während der Kalibrierung fix gewählten Abstands zwischen dem Radarmessgerät 2 und dem Lasertracker 5 und der mit dem Lasertracker 5 bestimmten Distanz. Weiterhin zu berücksichtigen sind beispielsweise Toträume und der Durchmesser des Zielobjekts 4.
Bei der Kalibrierung des Radarmessgeräts 2 wird für jede der eingestellten Distanzen d zwischen Radarmessgerät 2 und Zielobjekt 4 mit dem zu kalibrierenden Radarmessgerät 2 ein Distanzmesswert d_m aufgenommen. Dieser Distanzmesswert d_m wird mit dem Referenzwert d_ref verglichen und die Abweichung bestimmt. Ein Lasertracker 5 kann innerhalb des Messbereichs von Radarfüllstandsmessgeräten liegende Distanzen bis auf 10 Mikrometer genau bestimmen und eignet sich daher besonders gut als Normal für die Kalibrierung.
Auf Grund der keulenförmigen Abstrahlcharakteristik des Radarmessgeräts 2 trifft das emittierte Messsignal nicht als punktförmiger Strahl auf das Zielobjekt 4 auf. Vielmehr deckt das Messsignal eine bestimmte Fläche ab. Bei einer relativ zu einer gedachten Ebene, welche senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des Messsignals orientiert ist, geneigten Aufprallfläche 41 ergibt sich hierdurch ein verbreiterter Echopuls.
Die Neigung des Zielobjekts 4 in eine beliebige Richtung führt zu einer erhöhten Messunsicherheit bei der Abstandsmessung. Hierauf wird im Zusammenhang mit 2 näher eingegangen. Um die Genauigkeit bei der Aufnahme des Distanzmesswerts d_m zu verbessern führt der Lasertracker 5 einen 3D-Scan durch und erfasst so eine Neigung des Zielobjekts 4. Der Lasertracker 5 bestimmt mindestens einen Neigungswinkel a des Zielobjekts 4. Beispielsweise werden zwei Neigungswinkel derart bestimmt, dass die Neigung des Zielobjekts 4 in vertikaler Richtung und in horizontaler Richtung quantifiziert ist.
Die Information über die Neigung des Zielobjekts 4 wird in einer Ausführungsvariante dem zu kalibrierenden Radarmessgerät 2 zur Verfügung gestellt. Die Elektronikeinheit im Messumformer 23 des Radarmessgeräts 2 berücksichtigt die Neigung des Zielobjekts 4 bei der Bestimmung des Distanzmesswerts d_m. Da die Streuung in der Distanz d eliminiert wurde beruht die Messunsicherheit des ermittelten Distanzmesswerts d_m nur noch auf der Messunsicherheit, welche auf das Radarmessgerät 2 selbst zurückzuführen ist.
In einer anderen Ausführungsvariante wird mittels der Information über die Neigung die tatsächliche Distanz zum Reflexionsmesspunkt ermittelt, d. h. es erfolgt eine trigonometrische Korrektur des Referenzwerts d_ref.
Auf dem Markt sind Lasertracker 5 mit einer integrierten Kompensation von Umgebungseinflüssen erhältlich. Beispielsweise werden Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Druck und Feuchte gemessen und bei der Winkelmessung und/oder Distanzmessung mit berücksichtigt, sodass der Referenzwert und der mindestens eine Neigungswinkel unabhängig von Umgebungsbedingungen und somit hochpräzise sind. Besitzt der Lasertracker 5 keine automatische Kompensation ist es vorteilhaft, die Umgebungsbedingungen mit separaten Sensoren zu erfassen und den Referenzwert d_ref entsprechend zu korrigieren. Vorzugsweise erfolgt weiterhin eine Korrektur des mit dem Radarmessgerät 2 gemessenen Distanzmesswerts d_m.
Durch die mittels der Neigungsdetektion geschaffene Ausgleichsmöglichkeit für sich auf die Kalibrierung negativ auswirkende Unebenheiten der Teststrecke 3 ist das Kalibriersystem 1 auch auf nicht vollkommen ebenem Untergrund aufstellbar. Bei der Installation wird das Kalibriersystem 1 ausgerichtet, sodass insbesondere das Zielobjekt 4 bezüglich des zu kalibrierenden Abstandsmessgeräts 2 eine optimale Ausrichtung aufweist. Nachfolgend erfolgt eine permanente Überwachung der Ausrichtung mittels des Lasertrackers 5.
2 illustriert die Auswirkungen einer Neigung des Zielobjekts 4 auf die Bestimmung des Distanzmesswerts d_m. Das Zielobjekt 4 ist in einer Distanz d von dem Radarmessgerät 2 positioniert. Die Teststrecke 3 ist uneben, was eine Neigung des auf der Teststrecke 3 montierten Zielobjekts 4 mit sich bringt. Die Ebene, in welcher die Aufprallfläche 41 liegt, steht daher nicht im Lot zur Ausbreitungsrichtung des Messsignals, sondern ist um einen Neigungswinkel a aus der Vertikalen nach hinten geneigt. Dieser Neigungswinkel wird mittels des Lasertrackers 5 ermittelt, beispielsweise über eine Dreipunktmessung.
Die Distanz d wird mittels des Lasertrackers 5 überprüft, welcher den Referenzwert d_ref als aktuellen und kalibrierten Wert für die tatsächliche Distanz zwischen Radarmessgerät 2 und Zielobjekt 4 zur Verfügung stellt. Der Referenzwert d_ref wird zumindest während der Aufnahme des Distanzmesswerts d_m mit dem Radarmessgerät 2 bestimmt.
Läge keine Neigung des Zielobjekts 4 vor, würden der Distanzmesswert d_m und der Referenzwert d_ref im Rahmen der Messgenauigkeit des Radarmessgeräts 2 übereinstimmen, da die Messung nur auf der optischen Achse zwischen Distanzmessgerät und Referenzmessgerät stattfindet. Auf Grund der Neigung des Zielobjekts 4 findet eine tatsächliche Reflexion jedoch außerhalb der optischen Achse statt. Der von dem Radarmessgerät 2 aus dem Echosignal ermittelte Distanzmesswert d_m weicht von dem an einer senkrechten Fläche ermittelten Distanzmesswert d_m ab. Da der Neigungswinkel a bekannt ist, kann der ermittelte Distanzmesswert d_m oder der Referenzwert d_ref entsprechend korrigiert werden.
Die Korrektur des Messwerts d_m des Radarmessgeräts 2 erfolgt beispielsweise derart, dass dem Radarmessgerät 2 die Information über den Winkel und die durch die Neigung der Aufprallfläche hervorgerufene Distanzänderung entlang der optischen Achse zugeführt wird und aus diesen Werten zusammen mit dem ermittelten Messwert ein korrigierter Messwert für den tatsächlichen Abstand d berechnet wird. Dieser korrigierte Messwert wird dann mit dem Referenzwert d_ref verglichen.
Die Korrektur des Referenzwerts d_ref erfolgt beispielsweise derart, dass aus dem Winkel, der eingestellten Distanz d und der Distanzänderung entlang der optischen Achse der Referenzwert d_ref für den tatsächlichen Abstand zwischen Radarmessgerät 2 und Zielobjekt 4 berechnet wird. Dieser korrigierte Referenzwert d_ref wird mit dem Messwert d_m des Radarmessgeräts 2 verglichen.
Alternativ zu der Korrektur des Messwerts d_m oder des Referenzwerts d_ref kann die Teststrecke 3 oder die Ausrichtung des Zielobjekts 4 korrigiert werden. Alle genannten Maßnahmen führen zu einer Minimierung der auf die Teststrecke zurückgehenden Messunsicherheit, sodass die verbleibende Messunsicherheit auf das zu kalibrierende Radarmessgerät 2 selbst zurückzuführen ist.
Bei der Kalibrierung des Radarmessgeräts 2 wird beispielsweise die erweiterte Messunsicherheit gemäß DIN EN ISO 14253-1 bestimmt, welche sich durch Multiplikation mit einem Faktor k, in der Regel k = 2, aus der Standardabweichung des Distanzmesswerts d_m ergibt. Der Referenzwert d_ref liegt mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% innerhalb der durch die erweiterte Messunsicherheit gegebenen Grenzen um den Distanzmesswert d_m.
Durch die Erfassung der Neigung des Zielobjekts 4 und das Ergreifen geeigneter Maßnahmen zur Korrektur der Neigung bzw. der durch die Neigung hervorgerufenen Effekte bei der Messung ist die Messunsicherheit bei der Kalibrierung derart herabsetzbar, dass das kalibrierte Radarmessgerät 2 die für tank gauging, dem Haupteinsatzgebiet von Radarfüllstandsmessgeräten, üblichen Spezifikationen, beispielsweise OIML, NMI, PTB und PAC erfüllt. Beispielsweise ist eine Kalibrierung des Radarmessgeräts 2 mit einer Messunsicherheit von höchstens +/–0,4 mm bei einer Distanz von bis zu 30 m ermöglicht.
Bezugszeichenliste

1: Kalibriersystem
2: Radarmessgerät
21: Antenne
22: Flansch
23: Messumformer
3: Teststrecke
4: Zielobjekt
41: Aufprallfläche
5: Lasertracker
a: Neigungswinkel
d: Distanz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 14253-1 [0043]

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines Abstandsmessgeräts (2), wobei das Abstandsmessgerät (2) an einer Teststrecke (3) montiert wird, wobei ein flächiges Zielobjekt (4) zur Reflexion eines von dem Abstandsmessgerät (2) ausgesendeten Messsignals verschiebbar auf der Teststrecke (3) angeordnet wird, wobei mittels des Abstandsmessgeräts (2) mindestens eine Distanzmessung zwischen Abstandsmessgerät (2) und Zielobjekt (4) durchgeführt wird, und wobei ein von dem Abstandsmessgerät (2) ermittelter Distanzmesswert (d_m) mit einem Referenzwert (d_ref) verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Neigung des Zielobjekts (4) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Distanzmesswert (d_m) und/oder der Referenzwert (d_ref) entsprechend der erfassten Neigung korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass eine Neigung vorliegt, eine Ausrichtung des Zielobjekts (4) oder die Teststrecke (3) derart korrigiert wird, dass die Neigung des Zielobjekts (4) ausgeglichen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (d_ref) und/oder die Neigung berührungslos bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (d_ref) und/oder die Neigung mittels eines Lasermessgeräts (5) bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Umgebungsparameter gemessen und ein Einfluss des Umgebungsparameters auf den Distanzmesswert (d_m) und/oder den Referenzwert (d_ref) kompensiert wird.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Umgebungsparameter mindestens eine der Größen Temperatur, Feuchte und Druck gemessen wird.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert (d_ref) und/oder die Neigung fortlaufend bestimmt wird.
Verfahren nach einem oder mehrerer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Radarfüllstandsmessgerät (2) kalibriert wird.
System (1) zur Kalibrierung eines Abstandsmessgeräts (2), mindestens umfassend eine Teststrecke (3), an welcher das Abstandsmessgerät (2) montierbar ist, und ein verschiebbar auf der Teststrecke (3) angeordnetes flächiges Zielobjekt (4) zur Reflexion eines von dem Abstandsmessgerät (2) ausgesendeten Messsignals zurück in das Abstandsmessgerät (2), sodass mittels des Abstandsmessgeräts (2) eine Distanzmessung zur Bestimmung der Distanz (d) zwischen Abstandsmessgerät (2) und Zielobjekt (4) durchführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) mindestens eine auf der Teststrecke (3) montierbare Vorrichtung (5) zur Erfassung einer Neigung des Zielobjekts (4) aufweist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (5) zur Erfassung der Neigung des Zielobjekts (4) dazu ausgestaltet ist, mindestens einen Neigungswinkel (a) berührungslos zu bestimmen.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Vorrichtung (5) zur Erfassung der Neigung um einen Lasertracker handelt.
System nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) Mittel (5) zur Bestimmung eines Referenzwerts (d_ref) für die Distanzmessung mittels des Abstandsmessgeräts (2) aufweist.