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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Füllstandsmessvorrichtung, insbesondere eine Vorrichtung zur Füllstandsmessung über große Entfernung mit automatischer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses.
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7 zeigt ein erstes Beispiel einer herkömmlichen Vorrichtung zur Füllstandsmessung. Eine herkömmliche Füllstandsmessvorrichtung 50 wird auf einem Tank 40 angebracht. Der Tank 40 umfasst eine Materialeinlassöffnung 402 und eine Auslassöffnung 404. Im Tank 40 befindet sich ein Messziel 20. Die herkömmliche Füllstandsmessvorrichtung 50 sendet ein Messsignal 108 zum Messziel 20. Das Messsignal 108 trifft auf das Messziel 20, worauf ein reflektiertes Signal 110 erzeugt wird. Die herkömmliche Füllstandsmessvorrichtung 50 empfängt das reflektierte Signal 110 um das Signal-Rausch-Verhältnis zu messen und um den Abstand zwischen dem Messziel und der herkömmlichen Füllstandsmessvorrichtung 50 zu messen. Das Messziel 20 ist z. B. aber nicht notwendigerweise, Getreide, Kies, Kunststoffpellets, usw. Die herkömmliche Füllstandsmessvorrichtung 50 in 7 ist nicht horizontal angebracht, so dass die Qualität des reflektierten Signals 110 schlecht ist und das reflektierte Signal 110 nicht leicht ermittelt werden kann, was zu falschen Werten führt, wie im oberen Wellendiagramm in 8 zu erkennen ist.
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9 zeigt ein zweites Beispiel für eine herkömmliche Vorrichtung zur Füllstandsmessung. Die Beschreibung in 9 dargestellter Elemente, die ähnlich zu 7 sind, wird hier der Kürze wegen nicht wiederholt. Verglichen mit der herkömmlichen Füllstandsmessvorrichtung 50 aus 7 ist die herkömmliche Füllstandsmessvorrichtung 50 in 9 horizontal angeordnet, aber die reflektierenden Oberflächen des Messziels 20 bilden unvorhersehbare geometrische Oberflächen, die auch leicht zu falschen Messergebnissen führen können, wie das obere Wellendiagramm in 10 zeigt.
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11 zeigt ein drittes Beispiel einer herkömmlichen Vorrichtung zur Füllstandsmessung. Auf eine Beschreibung von in 11 dargestellter Elemente, die ähnlich zu denjenigen aus 7 sind, wird hier der Kürze wegen verzichtet. Das in 11 dargestellte Messziel 20 ist ein Meer, ein Fluss, usw. Wie in 12 dargestellt, ist das Interferenzsignal 114 zu groß und das korrekt reflektierte Signal 110 entsprechend kleiner, was zu einer falschen Erkennung des Signals führt, wie im oberen Wellendiagramm in 12 zu erkennen ist.
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13 zeigt ein Strahlungsfeldmuster einer herkömmlichen Vorrichtung zur Füllstandsmessung. Das korrekt reflektierte Signal 110, das von der herkömmlichen Füllstandsmessvorrichtung 50 empfangen wird ist schwächer, doch das Rauschen 116 ist stärker. Die herkömmliche Füllstandsmessvorrichtung 50 hat große Abstrahlwinkel und falsche Strahlungswinkel. Der Rauschabstand beträgt nur 5 dB.
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In der
DE 10 2010 064 394 A1 wird eine Vorrichtung zum Ermitteln und Überwachen der optimierten Ausrichtung eines Messgeräts gezeigt. Dabei ist ein Messgerät zur Bestimmung und / oder Überwachung des Grenzstandes oder Füllstandes eines Mediums in einem Behälter bestehend aus mindestens einer Sensoreinheit und einer Messwandlereinheit vorgesehen, wobei mindestens ein Neigungssensor in das Messgerät integriert ist, welcher Neigungssensor die Orientierung des Messgeräts und / oder der Sensoreinheit am Behälter ermittelt.
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In der
DE 10 2012 109 101 A1 ist ein nach dem Pulsradarprinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstands eines Füllguts in einem Behälter beschrieben, mit einer Sendeeinrichtung mit einer an eine Steuerung angeschlossene Pulserzeugungseinrichtung, die gemäß vorgegebenen jeweils mindestens zwei Messungen umfassenden Messzyklen für jede Messung ein aus mindestens einem Mikrowellenpuls, insb. aus einer Folge periodisch aufeinander folgender Mikrowellenpulse, einer für die jeweilige Messung vorgegebenen Mittenfrequenz bestehendes Sendesignal erzeugt, wobei die Mittenfrequenzen der Sendesignale von mindestens zwei der Messungen voneinander verschieden sind, einer an die Sendeeinrichtung angeschlossenen Antenne, die die Sendesignale in den Behälter gesendet, und deren im Behälter in Richtung der Antenne zurück reflektierten Signalanteile als Empfangssignale empfängt, und die eine von der Mittenfrequenz der Sendesignale abhängige für unterschiedliche Mittenfrequenzen verschiedene räumlichen Abstrahlcharakteristik aufweist, und einer an die Sendeeinrichtung und die Antenne angeschlossenen Signalverarbeitungseinrichtung, die die Empfangssignale empfängt und anhand der Mittenfrequenzen der Mikrowellenpulse der zugehörigen Sendesignale und der Mittenfrequenzabhängigkeit der räumlichen Abstrahlcharakteristik der Antenne auswertet.
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WO 2017/084701 A1 betrifft eine Antennenvorrichtung mit einer Steuereinrichtung und einer Auswerteeinrichtung, wobei die Steuereinrichtung zum Aussenden eines Sendesignals mit der zumindest einen Sendeeinrichtung eingerichtet ist und wobei die Auswerteeinrichtung zum Empfangen von zumindest zwei Empfangssignalen über die zumindest eine Empfangseinrichtung eingerichtet ist. Die Antennenvorrichtung wird zur Topologiemessung genutzt und kann in eine reine Füll Standmessung umschalten, wenn von einer Schwelle für ein Qualitätsmaß abgewichen wird.
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EP 2 922 140 A1 beschreibt eine Ablenkvorrichtung für eine Antenne, welche zum Ausrichten eines Signals in eine Ausbreitungsrichtung entlang eines Signalweges eingerichtet ist, weist eine Signalteileinrichtung und eine Halteeinrichtung auf, wobei die Halteeinrichtung eingerichtet ist, die Signalteileinrichtung in den Signalweg des Signals zu positionieren und wobei die Signalteileinrichtung eingerichtet ist, das Signal derart aufzuteilen, dass sich ein erster Teil des Signals in Ausbreitungsrichtung bewegt und dass sich ein zweiter Teil des Signals unter einem vorgebbaren Winkel zu der Ausbreitungsrichtung bewegt.
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DE 10 2005 003 152 A1 betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktion eines Füllstandmessgeräts, das nach dem Laufzeitprinzip arbeitet. Hierzu wird in vorgegebenen oder wählbaren zeitlichen Abständen eine Messwertkurve bei einem aktuellen Füllstand ermittelt; anhand der aktuellen Messwertkurve wird das Nutzechosignal bestimmt. Anschließend wird anhand des aktuellen Nutzechosignals ein Erwartungswert für die Qualität des Nutzechosignals bei zumindest einem vorgegebenen Füllstand ermittelt. Der ermittelte Erwartungswert für die Qualität des Nutzechosignals wird bei dem vorgegebenen Füllstand mit einem vorgegebenen kritischen Wert für die Qualität verglichen, und es wird ein Fehlerzustand diagnostiziert, wenn der ermittelte Erwartungswert den kritischen Wert für die Qualität unterschreitet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Um die oben genannten Probleme zu beheben, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Füllstandsmessung über große Entfernung mit automatischer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses.
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Die gestellte Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Um die vorstehend genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, wird die Füllstandsmessvorrichtung auf ein Messziel angewendet. Die Füllstandsmessvorrichtung umfasst ein Messmodul, ein Fembefehlempfangsmodul und mindestens ein Bremsmodul. Das Messmodul sendet ein Messsignal zum Messziel. Das Messsignal trifft auf das Messziel, worauf ein reflektiertes Signal erzeugt wird. Das Messmodul empfängt das reflektierte Signal, und misst das Signal-Rausch-Verhältnis und eine Höhe des Messziels. Das Fernbefehlempfangsmodul ist elektrisch mit dem Messmodul verbunden. Das Fembefehlempfangsmodul empfängt ein Fernbefehlssignal. Das Bremsmodul ist mechanisch mit dem Messmodul verbunden. Das Bremsmodul wird automatisch entsprechend dem reflektierten Signal ausgerichtet, wobei das Bremsmoduls so ausgerichtet wird, dass das Messmodul das geringste Rauschen erhält, wobei die falschen und nutzlosen reflektierten Signale vom Bremsmodul blockiert oder in andere Richtungen reflektiert werden, so dass das vom Messmodul gemessene Signal-Rausch-Verhältnis innerhalb eines vorbestimmten Wertes bleibt.
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Die vorliegende Erfindung passt die Signalqualität automatisch drahtlos oder durch Selbst-Rückkopplungsmechanismen an.
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Es zeigen:
- 1 ein viertes Beispiel der Füllstandsmessvorrichtung.
- 2 ein fünftes Beispiel der Füllstandsmessvorrichtung.
- 3 eine Ausführungsform der Füllstandsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 4 ein Flussdiagramm der offenen Regelkreissteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 5 ein Flussdiagramm der geschlossenen Regelkreissteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 6 ein Flussdiagramm einer anderen Ausführungsform der geschlossenen Regelkreissteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 7 ein erstes Beispiel einer Füllstandsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik.
- 8 die Wellendiagramme der Füllstandsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik gemäß 7 im Vergleich zur Füllstandsmessvorrichtung gemäß 1.
- 9 ein zweites Beispiel einer Füllstandsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik.
- 10 die Wellendiagramme der Füllstandsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik gemäß 9 im Vergleich zur Füllstandsmessvorrichtung gemäß 2.
- 11 ein drittes Beispiel einer Füllstandsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik.
- 12 die Wellendiagramme der Füllstandsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik gemäß 11 im Vergleich zur Ausführungsform der Füllstandsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 13 Strahlungsfeldmuster einer Füllstandsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik.
- 14 Strahlungsfeldmuster der Füllstandsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt ein viertes Beispiel der Füllstandsmessvorrichtung. Eine Füllstandsmessvorrichtung 10 für große Entfernung mit automatischer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses wird auf einem Messziel 20, einer drahtlosen Fembefehlsübertragungsvorrichtung 30 und einem Tank 40 angebracht. Die Füllstandsmessvorrichtung 10 umfasst ein Messmodul 102, ein Fembefehlempfangsmodul 104 und mindestens ein Bremsmodul 106. Der Tank 40 umfasst eine Materialeinlassöffnung 402 und eine Auslassöffnung 404. Das Bremsmodul 106 umfasst einen Schutzmechanismus 10602. Das in 1 dargestellte Messziel 20 ist z. B. aber nicht notwendigerweise Getreide, Kies, Kunststoffpellets, usw.
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Das Messmodul 102 sendet ein Messsignal 108 zum Messziel 20. Das Messsignal 108 trifft auf das Messziel 20, worauf ein reflektiertes Signal 110 erzeugt wird. Das Messmodul 102 empfängt das reflektierte Signal 110, um das Signal-Rausch-Verhältnis und die Höhe des Messziels 20 zu bestimmen. Das Fembefehlempfangsmodul 104 ist elektrisch mit dem Messmodul 102 verbunden. Das Fembefehlempfangsmodul 104 empfängt ein Fembefehlssignal 302, das von der drahtlosen Fembefehlsübertragungsvorrichtung 30 gesendet wird. Das Bremsmodul 106 wird automatisch entsprechend dem reflektierten Signal 110 eingestellt, so dass das vom Messmodul 102 gemessene Signal-Rausch-Verhältnis innerhalb eines vordefinierten Wertes bleibt. Der vordefinierte Wert ist das optimierte Signal-Rausch-Verhältnis. Das Fembefehlempfangsmodul 104 kann das Fembefehlssignal 302 ebenso kabelgebunden empfangen.
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Das Bremsmodul 106 ist mechanisch mit dem Messmodul 102 verbunden. Das Bremsmodul 106 richtet das Messmodul 102 so aus, dass es dynamisch dem Messziel 20 folgt, indem das Messmodul 102 mit 360° misst und rechnet, um das optimierte reflektierte Signal 110 zu berechnen. Das Bremsmodul 106 umfasst beispielsweise, aber nicht zwingend Zahnräder (nicht in 1 dargestellt), Rollen (nicht in 1 dargestellt), Lager (nicht in 1 dargestellt), Schrauben (nicht in 1 dargestellt), Verbindungsstangen (nicht in 1 dargestellt), Motoren (nicht in 1 dargestellt), und dergleichen, um das Messmodul 102 auszurichten.
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Ein Signalbereich 112 zeigt eine Abstrahlrichtung einer Antenne (nicht in 1 dargestellt) des Messmoduls 102 und einen Materialerkennungsbereich. Der Schutzmechanismus 10602 schützt das Messmodul 102, damit das Messmodul 102 in bestimmten Einsatzumgebungen nicht beschädigt wird. Eine Energiequelle des Bremsmoduls 106 ist beispielsweise, aber nicht notwendigerweise Netzstrom, Batteriestrom, Solarstrom, Windenergiestrom-, regenerativer Wasserenergiestrom, regenerierte Schwingungsenergie oder regenerierte Energie aus dem magnetostriktiven Effekt.
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8 zeigt die Wellendiagramme des Beispiels der Füllstandsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik gemäß 7 im Vergleich zum Beispiel der Füllstandsmessvorrichtung gemäß 1. Das untere Wellendiagramm aus 8 ist das Wellendiagramm des Beispiels der Füllstandsmessvorrichtung 10 gemäß 1. Verglichen mit dem oberen Wellenformdiagramm aus 8 kann das Messmodul 102 die Höhe des Messziels 20 korrekt messen.
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Das Fembefehlempfangsmodul 104 kann ein Fernbefehlempfangsmodul mit offenem oder mit geschlossenem Regelkreis sein, diese werden nachfolgend im Detail beschrieben:
- Wenn das Fembefehlempfangsmodul 104 ein Fembefehlempfangsmodul mit offenem Regelkreis ist, empfängt das Fembefehlempfangsmodul 104 innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit das reflektierte Signal 110, dessen Signal-Rausch-Verhältnis durch ein vordefiniertes Anpassungsverfahren in Echtzeit optimiert wird. Das vordefinierte Anpassungsverfahren wird entsprechend den Prozessbedingungen der Messumgebung durch Voreinstellung der Bewegungsmuster geändert. Oder das vordefinierte Anpassungsverfahren nutzt ein zufälliges Abtastschema und nimmt die Anpassung entsprechend eines bestimmten Einstellmodus (z. B. durch Steuern des Antennenwinkels von 0° auf 10° mit Bewegungen oder Steuern des Rauschunterdrückungsmechanismus) vor.
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4 zeigt das oben erwähnte Konzept. 4 zeigt ein Flussdiagramm der Regelkreissteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung. 4 umfasst die folgenden Schritte:
- Schritt S02: Vordefiniertes Bewegungsmuster.
- Schritt S04: Vordefiniertes Abtastschema.
- Schritt S06: Steuert das Fembefehlempfangsmodul 104 über den offenen Regelkreis.
- Schritt S08: Richtet das Bremsmodul 106 aus.
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Wenn das Fembefehlempfangsmodul 104 ein Fembefehlempfangsmodul mit geschlossenem Regelkreis ist, wird das Signal-Rausch-Verhältnis innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit als Rückkopplungssignal und Referenzwert für das Fembefehlempfangsmodul 104 in einer nächsten Zeiteinheit genutzt, um das reflektierte Signal 110 mit echtzeitoptimiertem Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten.
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5 zeigt das oben erwähnte Konzept. 5 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform der Regelkreissteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung. 5 umfasst die folgenden Schritte:
- Schritt T02: Der Befehl startet.
- Schritt T04: Steuert das Fembefehlempfangsmodul 104 über den geschlossenen Regelkreis.
- Schritt T06: Richtet das Bremsmodul 106 aus.
- Schritt T08: Das Signal-Rausch-Verhältnis wird als Rückkopplungssignal verwendet.
- Schritt T10: Das Rückkopplungssignal wird für die Rückkopplungs- und Befehlsmodifikation verwendet.
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Falls gemäß einer anderen Ausführungsform das Fembefehlempfangsmodul 104 ein Fernbefehlempfangsmodul mit geschlossenem Regelkreis ist, wird innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit ein empfangener Auslöser aus der Umgebung als Rückkopplungssignal in der nächsten Zeiteinheit als Referenzwert für das Fernbefehlempfangsmodul 104 genutzt, um das reflektierte Signal 110 mit echtzeitoptimiertem Rauschabstand zu erhalten. Der Umgebungsauslöser ist ein extern gesteuertes Eingabe-/Ausgabestartsignal (E/A) (z. B. Mischer, Heizer, Transportsystem, Flutwarnung, Benutzereingabe), ein gemessenes Analogsignal (z. B. Überhitzungswarnung, Drucküberlastung) oder digitale Signale der Steuerschnittstelle.
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6 zeigt das oben erwähnte Konzept. 6 zeigt ein Flussdiagramm einer anderen Ausführungsform der Regelkreissteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung. 6 umfasst die folgenden Schritte:
- Schritt U02: Der Befehl startet.
- Schritt U04: Steuert das Fembefehlempfangsmodul 104 über den geschlossenen Regelkreis.
- Schritt U06: Richtet das Bremsmodul 106 aus.
- Schritt U08: Der Umgebungsauslöser wird als Rückkopplungssignal verwendet.
- Schritt U10: Das Rückkopplungssignal wird für die Rückkopplungs- und Befehlsmodifikation verwendet.
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2 zeigt ein zweites Beispiel der Vorrichtung zur Füllstandsmessung. Auf eine wiederholte Beschreibung von in 2 dargestellten Elementen, die ähnlich zu 1 sind, wird hier der Kürze wegen verzichtet. 2 zeigt, dass das Bremsmodul 106 das Messmodul 102 so ausrichtet, dass es ein optimiertes reflektiertes Signal 110 erhält, um die Höhe des Messziels 20 korrekt messen zu können.
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10 zeigt Wellendiagramme des Beispiels der Füllstandsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik gemäß 9 im Vergleich zum weiteren Beispiel der Füllstandsmessvorrichtung gemäß der 2. Das untere Wellendiagramm in 10 ist das Wellendiagramm der Füllstandsmessvorrichtung 10 der 2. Verglichen mit dem oberen Wellenformdiagramm aus 10 kann das Messmodul 102 die Höhe des Messziels 20 korrekt messen.
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3 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Füllstandsmessung gemäß der vorliegenden Erfindung. Auf eine wiederholte Beschreibung der in 3 dargestellten Elemente, die ähnlich zu 1 und 2 sind, wird hier der Kürze wegen verzichtet. Das Bremsmodul 106 wird so ausgerichtet, dass das Messmodul 102 das geringste Rauschen erhält und ein Strahlungswinkel des Messsignals 108 ausgerichtet wird. Das in 3 dargestellte Messziel 20 ist beispielsweise, aber nicht zwingend ein Meer, ein Fluss, usw. Die Füllstandsmessvorrichtung 10 auf der linken Seite in 3 entspricht der Füllstandsmessvorrichtung 10 auf der rechten Seite in 3. Der Unterschied liegt darin, dass das Bremsmodul 106 der Füllstandsmessvorrichtung 10 auf der rechten Seite von 3 ausgerichtet wurde. Im Vergleich zu 11 werden einige falsche und nutzlose reflektierte Signale 110 vom Bremsmodul 106 blockiert oder in andere Richtungen reflektiert.
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12 zeigt Wellendiagramme des dritten Beispiels der Füllstandsmessvorrichtung nach dem Stand der Technik gemäß 11 im Vergleich zur Ausführungsform der Füllstandsmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Das untere Wellendiagramm aus 12 ist das Wellendiagramm der Ausführungsform der Füllstandsmessvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zum oberen Wellendiagramm aus 12 ist das Interferenzsignal 114 kleiner und das richtige reflektierte Signal 110 größer, so dass das Messmodul 102 der vorliegenden Erfindung die Höhe des Messziels 20 korrekt messen kann.
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14 zeigt Strahlungsfeldmuster der Vorrichtung zur Füllstandsmessung gemäß der vorliegenden Erfindung. Das von der Füllstandsmessvorrichtung 10 gemessene korrekt reflektierte Signal 110 ist stärker, aber das Rauschen 116 ist schwächer, und die Füllstandsmessvorrichtung 10 hat kleine Abstrahlwinkel und korrekte Strahlungswinkel. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann sogar 40 dB erreichen.
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Darüber hinaus kann das Messen der Höhe des Messziels 20, wie oben erwähnt z.B. aber nicht zwingend zwei Bedeutungen beinhalten:
- 1. Wenn sich das Messziel 20 im Tank 40 befindet, bedeutet die Messung der Höhe des Messziels 20 die Messung des Pegels des Messziels 20.
- 2. Wenn das Messziel 20 das Meer ist, bedeutet die Messung der Höhe des Messziels 20 die Messung der Meter über dem Meeresspiegel (nämlich die Höhe über dem Meeresspiegel) des Messziels 20.
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Die vorliegende Erfindung passt automatisch die Signalqualität durch drahtlose oder Selbst-Rückkopplungsmechanismen an. Die vorliegende Erfindung hat mindestens die folgenden Vorteile:
- 1. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird automatisch optimiert.
- 2. Das Strahlungsfeldmuster wird optimiert.
- 3. Kabellose Fernsteuerung (automatisches Feedback).
- 4. Löst das Problem, dass keine Personen in der Umgebung arbeiten können.
- 5. Reduziert die Gefahren für den Benutzer.
- 6. 360°-kontinuierliches Abtasten (es können 3D-Radardisplaydaten des Tanks 40 ermittelt werden).
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Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zur bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Details beschränkt. In der vorangehenden Beschreibung wurden verschiedene Variationen und Modifikationen erläutert, und Fachleute sind in der Lage auch weitere Modifikationen zu erarbeiten. Diese äquivalenten Variationen und Modifikationen sind ebenso im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen aufgeführt werden.
