DE102015120362A1

DE102015120362A1 - Verfahren zur Radar-basierten Messung des Füllstands

Info

Publication number: DE102015120362A1
Application number: DE102015120362.6A
Authority: DE
Inventors: Winfried Mayer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Radar-basierten Messung von zumindest einem Füllstand (L) eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllguts (2), sowie ein zur Ausführung des Verfahrens geeignetes Füllstandsmessgerät (3). Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zwei Teilverfahren: In einem ersten Teilverfahren, welches nach der Puls-Laufzeit-Methode arbeitet, wird ein erster Füllstandswert (L1) ermittelt. In einem zweiten Teilverfahren, welches nach der FMCW-Methode arbeitet, wird zusätzlich ein zweiter Füllstandswert (L2) ermittelt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich in der Füllstandsmesstechnik je nach Ausgestaltung eine Vielzahl neuer Einsatzmöglichkeiten, die durch keines der zwei Teilverfahren separat erreicht werden könnte. Hierbei wirkt es sich besonders vorteilhaft aus, dass die Elektronik, ausgehend von Puls-Radar basierten Füllstandsmessgeräten, zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht wesentlich erweitert werden muss. Folglich kann eine sehr kompakte Bauform des Füllstandsmessgeräts (3) bewahrt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Radar-basierten Messung des Füllstandes sowie ein zur Ausführung dieses Verfahrens geeignetes Füllstandsmessgerät.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind, welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle diejenigen Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Messung des Füllstands haben sich aufgrund der Robustheit und des geringen Wartungsbedarfs berührungslose Messverfahren etabliert. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in ihrer Fähigkeit, stufenlos messen zu können. Hier hat sich das nach dem Puls-Laufzeit-Prinzip arbeitende Puls-Radar Messverfahren durchgesetzt, da es im Vergleich zum FMCW-basierten Messverfahren (Frequency Modulated Continuos Wafe) mit sehr geringem Energiebedarf betrieben werden kann. Dies ist bei Füllstandsmessung insofern ausschlaggebend, als dass bei Füllstandsmessungen in der Regel strenge Explosionsschutzvorschriften eingehalten werden müssen, welche die maximale Energieaufnahme des Messgeräts stark einschränken. Definiert sind diese Vorschriften für den europäischen Raum in der Normenreihe EN 60079-0: 2009.
Das Funktionsprinzip des Puls-Radar basierten Messverfahrens beruht darauf, dass kurze Mikrowellenpulse periodisch mit einer vordefinierten Wiederholfrequenz, z. B. in einer Größenordnung von 1 bis 2 MHz und Eigenfrequenzen im Gigahertzbereich in Richtung des Füllguts gesendet werden. Deren in Richtung der Sende- und Empfangseinrichtung zurück reflektierten Signalanteile werden anschließend nach einer von der im Behälter zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit empfangen.
Aufgrund der hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Pulse mit Lichtgeschwindigkeit ist jedoch ein sehr schneller und damit sehr komplexer Zähler in Kombination mit einer schaltungstechnisch aufwendigen Statistik erforderlich, da die Laufzeit lediglich im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden liegt. Um dies umgehen zu können, kann eine Zeitdehnung des reflektierten Signals durchgeführt werden, indem eine Abtastung des empfangenen Signals durchgeführt wird. Damit kann eine Zeitdehnung des empfangenen Signals um einen Faktor von bis zu 10⁵ bewirkt werden. Hierdurch wird die Anforderung an den Zähler drastisch vermindert.
Solch ein Verfahren zur Zeitdehnung stellt mittlerweile das Standardverfahren im Bereich der Puls-Radar basierten Füllstandsmessung dar. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in der Druckschrift EP 1 324 067 A2 beschrieben. Wie daraus hervorgeht, wird das resultierende Signal üblicherweise nachfolgend gleichgerichtet und über einen Tiefpassfilter und einen Analog-Digitalwandler einer Auswerteeinheit zugeführt. Im Anschluss wird anhand des resultierenden Signals die Laufzeit der Mikrowellen-Pulse ermittelt.
Nachteilig am Puls-Radar basierten Verfahren der Füllstandsmessung ist jedoch dessen beschränkte Genauigkeit, da die Pulse in der Praxis nicht infinitesimal kurz ausgesendet werden können. Verstärkt wird dieser Effekt durch die Divergenz des Pulses bei zunehmender Signallaufzeit. In der Folge nimmt die maximal erzielbare Genauigkeit insbesondere bei tiefen Pegelständen von großen Behältern weiter ab. Dies verhindert den Einsatz bei Anwendungen mit hoher erforderlicher Messgenauigkeit, wie beispielsweise in Großtanks der Öl-Industrie, wo eine sehr geringe Füllstandänderung bereits mit einer großen Volumendifferenz verbunden ist.
Ein technischer Ansatz zur Erhöhung der Genauigkeit bei Puls-Radar basierter Füllstandsmessung wird in der WO 2013/092099 beschrieben. Der dort beschriebene Ansatz basiert auf der Nutzung einer zusätzlichen Phaseninformation des Pulses, die durch statistische Auswertung der Pulse zugänglich gemacht wird. Allerdings erfordert dies eine deutlich erhöhte Rechenleistung und damit auch zusätzliche Energie zur Signalverarbeitung, wodurch der Einsatz auf Bereiche mit entsprechend niedrigen Explosionsschutzbedingungen beschränkt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein möglichst vielseitig einsetzbares Füllstandsmessgerät bereitzustellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Radar-basierten Messung von zumindest einem Füllstand eines in einem Behälter befindlichen Füllguts. Es umfasst folgende Teilverfahren:
In einem ersten Teilverfahren wird

– mit einer vorbestimmten Wiederholfrequenz ein Mikrowellen-Puls, welcher eine erste Eigenfrequenz aufweist, in Richtung des Füllguts ausgesendet,
– der Mikrowellen-Puls an der Oberfläche des Füllguts reflektiert,
– der reflektierte Mikrowellen-Puls nach einer vom Füllstand abhängigen Laufzeit empfangen,
– anhand der Laufzeit ein erster Füllstandswert ermittelt.

In einem zweiten Teilverfahren wird

– ein kontinuierliches Mikrowellen-Signal, welches im Bereich einer zweiten Eigenfrequenz eine in etwa konstante Frequenzänderung aufweist, in Richtung des Füllguts ausgesendet,
– durch Reflektion des Mikrowellen-Signals an der Oberfläche des Füllguts ein Echo-Signal empfangen,
– durch Mischen des Echo-Signals mit dem Mikrowellen-Signal ein Differenz-Signal erzeugt,
– anhand der Frequenz des Differenz-Signals ein zweiter Füllstandswert ermittelt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich eine Vielzahl erweiterter Einsatzmöglichkeiten von Radar-basierten Füllstandsmessgeräten in der Füllstandsmesstechnik, ohne dass die Elektronik ausgehend von Puls-Radar basierten Füllstandsmessgeräten erheblich komplexer wird. Neben dem ersten Teilverfahren, welches auf dem Puls-Radar-Verfahren basiert, wird außerdem das auf dem FMCW-Prinzip beruhende zweite Teilverfahren angewendet. Hierbei wird nicht nur eine zusätzliche Redundanz bereitgestellt. Auch wirken sich nicht nur die zusätzlichen Vorteile des FMCW-basierten Verfahrens, nämlich die prinzipiell höhere Mess-Genauigkeit auf das erfindungsgemäße Verfahren aus. Vielmehr ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren in der Füllstandsmesstechnik eine Vielzahl erweiterter Einsatzmöglichkeiten, die durch keines der zwei Teilverfahren separat geschaffen werden könnte. Dies wird durch die einzelnen Ausgestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht, welche im Folgenden beschrieben sind:
Vorteilhaft ist, wenn das erste Teilverfahren und das zweite Teilverfahren nacheinander im Wechsel durchgeführt werden. Für diesen Fall gibt es weitere hierauf basierende Ausführungsformen. Zum einen kann der Wechsel zwischen dem ersten Teilverfahren und dem zweiten Teilverfahren zyklisch mit einer vordefinierten Taktung durchgeführt werden. Hierbei kann die Gewichtung der beiden Teilverfahren pro Zyklus je nach Anforderung beliebig erfolgen. Dies bedeutet, dass der zeitliche Anteil jedes Teilverfahrens pro Zyklus einem vordefinierten Wert, der nicht zwangsweise 50% betragen muss, entspricht. In diesem Zusammenhang entsprechen 50% pro Teilverfahren, dass jedes der zwei Teilverfahren in jedem Zyklus gleich lang ausgeführt wird. Die Gewichtung kann beispielsweise auf Basis der im Mittel zur Verfügung stehenden Energie erfolgen. In diesem Fall ist es erforderlich, die Gewichtung derart auszulegen, dass die Gewichtung des ersten, Energie-sparenden Teilverfahrens umso höher ist, je weniger Energie im Mittel zur Verfügung steht.
Zum anderen kann der Wechsel zwischen dem ersten Teilverfahren und dem zweiten Teilverfahren in Abhängigkeit eines vordefinierten Kriteriums durchgeführt werden. Hierbei können unterschiedliche Einflussgrößen als Kriterium herangezogen werden:
Als vordefiniertes Kriterium kann beispielsweise die momentan zur Füllstandsmessung bereitstehende Energie verwendet werden. Dies kann derart umgesetzt sein, dass das erste Teilverfahren durchgeführt wird, wenn die momentan verfügbare Energie unterhalb einer vordefinierten Energie liegt, und dass das zweite Teilverfahren durchgeführt wird, wenn die momentan verfügbare Energie oberhalb der vordefinierten Energie liegt. Diese spezifische Steuerung des Wechsels zwischen den beiden Teilverfahren ist besonders dann vorteilhaft, wenn die zur Verfügung stehende Energie nicht konstant oder generell beschränkt ist. Dadurch wird in etwaigen Phasen, in denen wenig Energie zur Verfügung steht, das Puls-basierte erste Teilverfahren, welches sich durch einen geringen Energiebedarf auszeichnet, angewandt. Bei ausreichend vorhandener Energie wird das zweite Teilverfahren, welches auf der FMCW-Methode basiert und einen dementsprechend höheren Energieverbrauch aufweist, verwendet. Damit kann in Phasen mit ausreichend vorhandener Energie mit einer prinzipiell höheren Genauigkeit gemessen werden.
Alternativ zu der momentan zur Verfügung stehenden Energie kann als vordefiniertes Kriterium auch der erste Füllstandswert und/oder der zweite Füllstandswert und/oder die momentan erforderliche Genauigkeit der Füllstandsmessung verwendet werden. Die Verwendung solch einer Einflussgröße als Wechsel-Kriterium bietet sich insbesondere an, um die jeweiligen Vorteile der zwei Teilverfahren in der momentanen Mess-Situation nutzen zu können. Dies kann vorteilhaft genutzt werden, wenn dem Füllgut durch dessen Beschaffenheit mehrere Füllstände zugeordnet werden können. Beispielsweise können die beiden Teilverfahren derart ausgelegt sein, dass, sofern das Füllgut zusätzlich eine obere Schaumschicht und/oder eine untere Sedimentschicht aufweist, durch eines der beiden Teilverfahren die Höhe der Schaumschicht bestimmt werden kann, und/oder die Höhe der Sedimentschicht durch eines der zwei Teilverfahren erfasst werden kann.
Abhängig vom Messbereich, der Art des Füllguts, der Geometrie des Behälters, möglicher Verschmutzung und Störkörpern im Behälter kann es weiterhin vorteilhaft ausgenutzt werden, dass die zwei Teilverfahren je nach Füllstand neben dem Echo-Signal unterschiedlich starke Stör-Echos hervorrufen. Daher besteht eine weitere bevorzugte Ausgestaltungvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass als vordefiniertes Kriterium die Leistung des reflektierten Mikrowellen-Pulses und/oder die Leistung des Echo-Signals verwendet werden/wird. Diese spezifische Steuerung des Wechsels zwischen den zwei Teilverfahren ermöglicht beispielsweise, dass, je nachdem, durch welches Verfahren ein momentan besser auswertbares Echo-Signal generiert wird, das jeweilige Verfahren verwendet wird. Hierdurch wird verhindert, dass bei der Auslegung der zwei Teilverfahren ansonsten notwendige Kompromisse eingegangen werden müssen. Beispielsweise könnte das FMCW-basierte zweite Teilverfahren durch Verwendung eines entsprechenden Filters in der Auswerte-Einheit des Füllstandsmessgeräts für stärkere Signale im Nahbereich ausgelegt werden, während das Puls-Radar basierte erste Teilverfahren für schwächere Signale im Nahbereich eingesetzt wird. Dies ist insbesondere auch dann von Vorteil, wenn die Oberfläche des Füllgutes aufgrund von Befüll-Vorgängen oder Prozess-Reaktionen im Behälter nicht ruhig ist, sondern schwappt oder Blasen wirft. In diesem Fall ist die Gefahr eines Echo-Verlustes durch Echo-Schwankungen vermindert, wenn die beiden Teilverfahren ohne ansonsten notwendige Kompromisse ausgelegt sind.
Anstelle des automatischen Wechsels besteht alternativ die Möglichkeit, dass der Wechsel zwischen dem ersten Teilverfahren und dem zweiten Teilverfahren durch manuelles Umschalten durchgeführt wird. Bei dieser Ausführungsform wird die Entscheidung einem Bediener überlassen, welches der beiden Teilverfahren momentan eingesetzt werden soll. Manuelles Umschalten kann insbesondere im Falle von Füllstandsmessungen mit variierenden Arten von Füllgütern von Vorteil sein. So führt das FMCW-basierte zweite Teilverfahren beispielsweise bei festen Schüttgütern, die einen Schüttkegel aufweisen, eine im Vergleich zum ersten Teilverfahren fehlertolerantere und robustere Messung durch. In diesem Fall bieten sich zur Bestimmung des zweiten Füllstandswertes spezielle Verfahren der Spektralanalyse, insbesondere die so genannte Welch-Methode, an.
Natürlich können das erste Teilverfahren und das zweite Teilverfahren im Sinne der Erfindung anstelle von abwechselndem Betrieb auch simultan durchgeführt werden.
Zusätzlich kann in einer Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Vergleichs zwischen dem ersten Füllstandswert und dem zweiten Füllstandswert ein Plausibilitätstest der Füllstands-Messung durchgeführt werden. Hierbei kann die Plausibilität beispielsweise dadurch überprüft werden, dass, sofern der erste Füllstandswert und der zweite Füllstandswert in etwa übereinstimmen, beiden Füllstandswerte als plausibel eingestuft werden. Vorzugsweise ist ein solcher Plausibilitätstest gemäß den Vorgaben zur funktionalen Sicherheit nach den Normen IEC 61508/IEC 61511 auszulegen.
Darüber hinaus kann auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Kalibrierung des verwendeten Füllstandsmessgeräts durchgeführt werden, indem anhand des ersten Füllstandswertes eine Kalibrierung des zweiten Teilverfahrens durchgeführt wird, oder wobei anhand des zweiten Füllstandswertes eine Kalibrierung des ersten Teilverfahrens durchgeführt wird. Hierfür bietet sich durch seine prinzipiell höhere Genauigkeit insbesondere das FMCW-basierte zweite Teilverfahren an. Bei Füllständen, die über einen Mindestzeitraum bekanntermaßen konstant sind, könnte dementsprechend der zweite Füllstandswert als Referenzwert zur Kalibrierung des Puls-Radar basierten ersten Teilverfahrens verwendet werden. Dies hat zum Vorteil, dass gegebenenfalls auf eine separate Kalibrierung komplett verzichtet werden kann.
Des Weiteren wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Füllstandsmessgerät zur Durchführung des in zumindest einem der vorhergehenden Ausgestaltungsvarianten beschriebenen Verfahrens gelöst. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät folgende Komponenten:

– Eine Puls-Erzeugungs-Einheit zur zyklischen Erzeugung des Mikrowellen-Pulses,
– eine FMCW-Erzeugungs-Einheit zur Erzeugung des kontinuierlichen Mikrowellen-Signals,
– eine Antennen-Einheit zum Senden des Mikrowellen-Pulses und des Mikrowellen-Signals, und/oder zum Empfangen des reflektierten Mikrowellen-Pulses und des Echo-Signals,
– eine Regel-/Auswerte-Einheit zur Steuerung der Puls-Erzeugungs-Einheit und zur Steuerung der FMCW-Erzeugungs-Einheit, und/oder zur Bestimmung des zumindest einen Füllstandes.

Zusätzlich wird es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, dass das Füllstandsmessgerät seine Funktionstüchtigkeit anhand eines Vergleichs zwischen dem ersten Füllstandswert und dem zweiten Füllstandswert überprüft. So kann das Füllstandsmessgerät beispielsweise als funktionstüchtig eingestuft werden, wenn beide Füllstandswerte in etwa übereinstimmen. Diese Art der Selbstdiagnose kann wiederum zu einer verbesserten Einhaltung der Vorgaben zur funktionalen Sicherheit beitragen.
Eine vorteilhafte Auslegung des Füllstandsmessgeräts besteht darin, dass das Füllstandsmessgerät über eine 4–20 mA Schnittstelle mit einer übergeordneten Einheit verbunden ist, wobei ein Stromfluss von in etwa 20 mA über die 4–20 mA Schnittstelle als minimaler Füllstand L definiert ist.
Diese bei Füllstandsmessgeräten sonst unübliche Definition des 4–20 mA Signals ist im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens von Vorteil: Im Falle des minimalen Füllstands, also der maximalen Entfernung zwischen der Oberfläche des Füllgutes und dem Füllstandsmessgerät steht dem Füllstandsmessgerät die maximale Leistung zur Verfügung. Somit kann bei der maximalen Entfernung das Energie-intensivere, dafür aber bei großen Entfernungen FMCW-basierte zweite Teilverfahren, welches bei weiten Distanzen potentiell genauer ist, angewendet werden.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung erläutert. Es zeigt:
1: eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts an einem Behälter,
2: ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts,
3: ein detailliertes Blockschaltbild einer Puls-Erzeugungs-Einheit, und
4: ein detailliertes Blockschaltbild einer FMCW-Erzeugungs-Einheit.
In 1 ist eine schematische Anordnung eines Füllstandsmessgeräts 3 an einem Behälter 1 gezeigt. In dem Behälter 1 befindet sich ein Füllgut 2, dessen zumindest einer Füllstand L zu bestimmen ist. Dabei kann es vorkommen, dass dem Füllgut 2 nicht nur ein einziger Füllstand L, sondern mehrere Füllstände L zugeordnet werden können: Insbesondere, wenn sich das Füllgut 2 aus mehreren Phasen, beispielsweise einer unteren sedimentierten Phase und einer oberen flüssigen Phase zusammensetzt, kann beiden Phasen jeweils ein eigener Füllstand L zugeordnet werden. Dies kann auch dann zutreffen, wenn es sich bei dem Füllgut 2 um eine Flüssigkeit mit einer oberhalb befindlichen Schaumschicht handelt.
Das in 1 dargestellte Füllstandsmessgerät 3 ist derart oberhalb des Füllgutes 2 angebracht, dass es Mikrowellen-Pulse S₁ und/oder ein kontinuierliches Mikrowellen-Signal S₂ in etwa senkrecht in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 aussendet. Nach Reflektion der Mikrowellen-Pulse S₁ und/oder nach Reflektion des kontinuierlichen Mikrowellen-Signals S₂ an der Oberfläche des Füllguts 2 werden die reflektierten Mikrowellen-Pulse E₁ und/oder ein durch das Mikrowellen-Signal S₂ hervorgerufenes Echo-Signal E₂ vom Füllstandsmessgerät 3 empfangen. Mittels der empfangenen Signale E₁, E₂ erfolgt die Ermittlung des zumindest einen Füllstandes L.
2 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts 3. Zu sehen sind dessen einzelne elektrische Bausteine 4, 5, 6, 7 mitsamt den Signalpfaden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Steuerungspfade nicht dargestellt. In 2 wird ersichtlich, dass das Füllstandsmessgerät 3 neben einer Puls-Erzeugungs-Einheit 4 zur Erzeugung von Mikrowellen-Pulsen S₁ zusätzlich eine FMCW-Erzeugungs-Einheit 5 zur Erzeugung von kontinuierlichen Mikrowellen-Signalen S₂ umfasst. Beide Einheiten 4, 5 sind mit einer Antennen-Einheit 6 zum Aussenden der Mikrowellen-Pulse S₁ beziehungsweise der Mikrowellen-Signale S₂ verbunden. Dabei besteht die Antennen-Einheit 6 vorteilhaft aus einer eigentlichen Antenne zum Senden und Empfangen sowie einem Richtkoppler zum Trennen der gesendeten Signale S₁, S₂ von den empfangenen Signalen E₁, E₂. Bei einer weniger kompakten Bauform wäre es natürlich auch denkbar, das Senden und Empfangen über zwei getrennte Antennen zu realisieren.
Bei einer weiteren Bauform könnten anstelle einer einzigen Antennen-Einheit 6 auch zwei Antennen-Einheiten 6 eingesetzt werden. Diese Variante kann beispielsweise genutzt werden, um mehrere Antennen mit unterschiedlichen Abstrahl-Charakteristiken einzusetzen. Die Variante kann jedoch auch genutzt werden, damit sowohl der Puls-Erzeugungs-Einheit 4 als auch der FMCW-Erzeugungs-Einheit 5 jeweils eine eigene Antennen-Einheit 6 zur Verfügung steht. Solch eine getrennte Realisierung wäre vor allem dann von Vorteil, wenn die zweite Eigenfrequenz des zweiten Teilverfahrens von der ersten Teilfrequenz abweicht. Dies kann abhängig von der verwendeten Erzeugungseinheit 4, 5 eintreten, denn je nach Technologie weisen Radar basierten Füllstandsmessungen häufig noch vergleichsweise niedrige Eigenfrequenzen im Bereich von 16 bis GHz 36 GHz auf, während FMCW basierte Messungen in der Regel bei Eigenfrequenzen von 60 GHz bis 160 GHz und mehr arbeiten.
Die Ermittlung des Füllstandes L erfolgt in einer Regel-/Auswerte-Einheit 7. Hierzu werden die von der Puls-Erzeugungs-Einheit 4 und der FMCW-Erzeugungs-Einheit 5 erfassten Signale S₁, S₂ von einem Analog-/Digital-Wandler 11 innerhalb der Regel-/Auswerte-Einheit 7 digitalisiert. Auf Basis dieser digitalen Werte ermittelt ein Controller 9 den zumindest einen Füllstand L. Auch die Ansteuerung der Puls-Erzeugungs-Einheit 4 sowie die Ansteuerung der FMCW-Erzeugungs-Einheit 5 erfolgt durch die Regel-/Auswerte-Einheit 7. Hierzu umfasst die Regel-/Auswerte-Einheit 7 einen DDS-Baustein 10 (Kurzform für Direkte Digitale Synthese) und eine Quarzreferenz 8.
Um die Ansteuerung der Puls-Erzeugungs-Einheit 4 zu verdeutlichen, ist in 3 ein detailliertes Blockschaltbild der Puls-Erzeugungs-Einheit 4 nach dem Stand der Technik dargestellt: Der DDS-Baustein 10 der Regel/Auswerte-Einheit 7 dient hier zur zyklischen Triggerung des Mikrowellen-Pulses S₁. Dazu steuert der DDS-Baustein 10 einen Frequenzteiler 12 an, der an einen Pulsverkürzer 13 angeschlossen ist. Durch den Pulsverkürzer 13 wird zeitlich definiert ein Oszillator 14 angeregt. Der dadurch zyklisch erzeugte Mikrowellen-Puls S₁ wird über eine erste Sende-/Empfangsweiche 15 zur Antennen-Einheit 6 geleitet. Der von der Antennen-Einheit 6 empfangene, reflektierte Mikrowellen-Puls E₁ wird über die erste Sende-/Empfangsweiche 15 einem Mischer 16 zugeführt, wo der reflektierte Mikrowellen-Puls E₁ abgetastet wird. Die Abtastung erfolgt hierbei durch ein Referenzsignal, welches analog zum Mikrowellen-Puls S₁ durch einen weiteren Frequenzteiler 12, einen zweiten Pulsverkürzer 13 und einen weiteren Oszillator 14 erzeugt wird. Die Ansteuerung des weiteren Frequenzteilers 12 erfolgt durch die Quarzreferenz 8 der Regel-/Auswerte-Einheit 7. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist es für eine geeignete Abtastung und einer damit verbundenen Erzeugung eines Zeitgedehnten Signals ZF₁ notwendig, dass die Frequenzteiler 12, 12 leicht voneinander abweichende Frequenzen erzeugen. Anhand des Zeitgedehnten Signals ZF₁ erfolgt die Ermittlung eines ersten Füllstandswertes L₁. Dies geschieht nach Tiefpass-Filterung durch einen ersten Tiefpass 17 und einer Digitalisierung mittels des Analog-Digital-Wandlers 11 im Mikrocontroller 9 der Regel-/Auswerte-Einheit 7.
Im Gegensatz zur Puls-Erzeugung-Einheit 4 erfordert die FMCW-Erzeugungs-Einheit 5 keine Abtastung, die durch die Quarzreferenz 8 getriggert wird. Es erfolgt lediglich eine Ansteuerung über den DDS-Baustein 10. Dies wird in 4 veranschaulicht. Dort ist ein detailliertes Blockschaltbild der FMCW-Erzeugungs-Einheit 5 nach dem Stand der Technik gezeigt. Wie in 4 dargestellt, steuert der DDS-Baustein 10 einen PLL-Baustein 18 (Kurzform für Phase Locked Loop, zu Deutsch Phasengesteuerte Regelschleife) an. Der PLL-Baustein 18 dient hierbei zur Erzeugung der bei FMCW typischen Frequenz-Rampe. Hierzu moduliert der PLL-Baustein 8 einen spannungsgesteuerten Oszillator 19, der eine von seiner Eingangsspannung abhängige Ausgangsfrequenz aufweist. Das durch den Oszillator 19 erzeugte kontinuierliche Mikrowellen-Signal S₂ wird über einen Signalteiler 20 und eine zweite Sende-/Empfangsweiche 21 an die Antennen-Einheit 6 geleitet. Über die zweite Sende-/Empfangsweiche 21 wird auch das Echo-Signal E₂, welches von der Antennen-Einheit 6 empfangen wird, in die FMCW-Erzeugungs-Einheit 5 eingekoppelt und einem zweiten Empfangsmischer 22 zugeführt. Der zweite Empfangsmischer 22 mischt das Echo-Signal E₂ mit dem ausgehenden Mikrowellen-Signal S₂. Das resultierende Differenzenz-Signal ZF₂ wird im Anschluss einer Tiefpass-Filterung durch einen zweiten Tiefpass 23 unterzogen, bevor es über den Analog-Digital-Wandler 11 dem Mikrocontroller 9 der Regel-Auswerte-Einheit 7 zur Ermittlung eines zweiten Füllstandswertes L₂ zugeführt wird.
Durch den Mikrocontroller 9 wird der zumindest eine Füllstand L anhand des ersten Füllstandswertes L₁ und/oder anhand des zweiten Füllstandswertes L₂ bestimmt, wobei die genaue Bestimmung abhängig von den aktuellen Einsatzbedingungen erfolgt.
Anhand des in 2 dargestellten Blockschaltbilds des Füllstandsmessgeräts 3 wird deutlich, dass die Elektronik, ausgehend von Puls-Radar basierten Füllstandsmessgeräten, zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht wesentlich erweitert werden muss. Zusätzlich zu den Standard-Komponenten ist lediglich die zusätzliche FMCW-Erzeugungs-Einheit 5 erforderlich. Diese kann an die bestehende Antennen-Einheit 6 sowie die bestehende Regel-/Auswerte-Einheit 7 mit angeschlossen werden, so dass hierdurch die kompakte Bauform des Füllstandsmessgeräts 3 bewahrt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
2: Füllgut
3: Füllstandsmessgerät
4: Puls-Erzeugungs-Einheit
5: FMCW-Erzeugungs-Einheit
6: Antennen-Einheit
7: Regel-/Auswerte-Einheit
8: Quarzreferenz
9: Mikrocontroller
10: DDS-Einheit
11: Analog-Digital-Wandler
12, 12: Frequenzteiler
13, 13: Pulsverkürzer
14, 14: Oszillator
15: Erste Sende-/Empfangsweiche
16: Erster Empfangsmischer
17: Erster Tiefpass
18: Phasen-Regelschleife
19: Oszillator
20: Signalteiler
21: Zweite Sende-/Empfangsweiche
22: Zweiter Empfangsmischer
23: Zweiter Tiefpass
E₁: Reflektierter Mikrowellen-Puls
E₂: Echo-Signal
f_r: Wiederholfrequenz
f_ZF2: Frequenz des Differenz-Signals
f₁: Erste Eigenfrequenz
f₂: Zweite Eigenfrequenz
f₂: Frequenzänderung der zweiten Eigenfrequenz
L: Füllstand
L₁: Erster Füllstandswert
L₂: Zweiter Füllstandswert
p_krit: Vordefinierte Energie
S₁: Mikrowellen-Puls
S₂: Kontinuierliches Mikrowellen-Signal
ZF₁: Zeitgedehntes Signal
ZF₂: Differenzenz-Signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1324067 A2 [0006]
WO 2013/092099 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Normenreihe EN 60079-0: 2009 [0003]
Normen IEC 61508 [0018]
IEC 61511 [0018]

Claims

Verfahren zur Radar-basierten Messung von zumindest einem Füllstand (L) eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllguts (2), folgende Teilverfahren umfassend: In einem ersten Teilverfahren wird – mit einer vorbestimmten Wiederholfrequenz (f_r) ein Mikrowellen-Puls (S₁), welcher eine erste Eigenfrequenz (f₁) aufweist, in Richtung des Füllguts (2) ausgesendet, – der Mikrowellen-Puls (S₁) an der Oberfläche des Füllguts (2) reflektiert, – der reflektierte Mikrowellen-Puls (E₁) nach einer vom Füllstand (L) abhängigen Laufzeit (t) empfangen, – anhand der Laufzeit (t) ein erster Füllstandswert (L₁) ermittelt, in einem zweiten Teilverfahren wird – ein kontinuierliches Mikrowellen-Signal (S₂), welches im Bereich einer zweiten Eigenfrequenz (f₂) eine in etwa konstante Frequenzänderung (f₂) aufweist, in Richtung des Füllguts (2) ausgesendet, – durch Reflektion des Mikrowellen-Signals (S₂) an der Oberfläche des Füllguts (2) ein Echo-Signal (E₂) empfangen, – durch Mischen des Echo-Signals (E₂) mit dem Mikrowellen-Signal (S₂) ein Differenz-Signal (ZF₂) erzeugt, – anhand der Frequenz (f_ZF2) des Differenz-Signals (ZF₂) ein zweiter Füllstandswert (L₂) ermittelt, wobei der zumindest eine Füllstand (L) anhand des ersten Füllstandswertes (L₁) und/oder anhand des zweiten Füllstandswertes (L₂) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Teilverfahren und das zweite Teilverfahren nacheinander im Wechsel durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Wechsel zwischen dem ersten Teilverfahren und dem zweiten Teilverfahren zyklisch mit einer vordefinierten Taktung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Wechsel zwischen dem ersten Teilverfahren und dem zweiten Teilverfahren in Abhängigkeit eines vordefinierten Kriteriums durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei als vordefiniertes Kriterium die momentan zur Füllstandsmessung bereitstehende Energie verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das erste Teilverfahren durchgeführt wird, wenn die momentan verfügbare Energie unterhalb einer vordefinierten Energie (p_krit) liegt, und wobei das zweite Teilverfahren durchgeführt wird, wenn die momentan verfügbare Energie oberhalb der vordefinierten Energie (p_krit) liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei als vordefiniertes Kriterium der erste Füllstandswert (L₁) und/oder der zweite Füllstandswert (L₂) und/oder die momentan erforderliche Genauigkeit der Füllstandsmessung verwendet werden/wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei als vordefiniertes Kriterium die Leistung des reflektierten Mikrowellen-Pulses (E₁) und/oder die Leistung des Echo-Signals (E₂) verwendet werden/wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Wechsel zwischen dem ersten Teilverfahren und dem zweiten Teilverfahren durch manuelles Umschalten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Teilverfahren und das zweite Teilverfahren simultan durchgeführt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand eines Vergleichs zwischen dem ersten Füllstandswert (L₁) und dem zweiten Füllstandswert (L₂) ein Plausibilitätstest der Füllstands-Messung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand des ersten Füllstandswertes (L₁) eine Kalibrierung des zweiten Teilverfahrens durchgeführt wird, oder wobei anhand des zweiten Füllstandswertes (L₂) eine Kalibrierung des ersten Teilverfahrens durchgeführt wird.
Füllstandsmessgerät zur Durchführung des in zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche beschriebenen Verfahrens, folgende Komponenten umfassend: – Eine Puls-Erzeugungs-Einheit (4) zur zyklischen Erzeugung des Mikrowellen-Pulses (S₁), – eine FMCW-Erzeugungs-Einheit (5) zur Erzeugung des kontinuierlichen Mikrowellen-Signals (S₂), – eine Antennen-Einheit (6) zum Senden des Mikrowellen-Pulses (S₁) und des Mikrowellen-Signals (S₂), und/oder zum Empfangen des reflektierten Mikrowellen-Pulses (E₁) und des Echo-Signals (E₂), – eine Regel-/Auswerte-Einheit (7) zur Steuerung der Puls-Erzeugungs-Einheit (4) und der FMCW-Erzeugungs-Einheit (5), und/oder zur Bestimmung des zumindest einen Füllstandes (L).
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 13, wobei das Füllstandsmessgerät seine Funktionstüchtigkeit anhand eines Vergleichs zwischen dem ersten Füllstandswert (L₁) und dem zweiten Füllstandswert (L₂) überprüft.
Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei das Füllstandsmessgerät über eine 4–20 mA Schnittstelle mit einer übergeordneten Einheit verbunden ist, wobei ein Stromfluss von in etwa 20 mA über die 4–20 mA Schnittstelle als minimaler Füllstand L definiert ist.