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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Fließgeschwindigkeitsbestimmung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Dauerstrich-Radar mit Vibrationserkennung, ein Verfahren zur Fließgeschwindigkeitsbestimmung eines fließenden Gewässers, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
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Hintergrund
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Insbesondere im Bereich der Hydrometrie werden Verfahren mit einem oder mehreren Radargeräten zur indirekten Bestimmung des Durchflusses von künstlichen Gerinnen oder offenen Gewässern verwendet. Dazu wird mittels zweier unabhängiger Messungen sowohl der Wasserpegel als auch die Fließgeschwindigkeit an der Gewässeroberfläche ermittelt. Aus diesen beiden Größen ergibt sich bei bekannter Querschnittsgeometrie des Gerinnes und durch Umrechnung der Oberflächengeschwindigkeit in die mittlere Fließgeschwindigkeit die Durchflussmenge, die z. B. in der Abwasserwirtschaft zur Berechnung der Kosten benötigt wird.
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Die Bestimmung der Fließgeschwindigkeit kann durch schnelle Änderungen des Abstands zwischen der Oberfläche des Gewässers und der Messapparatur verfälscht werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, das Messergebnis bei der Fließgeschwindigkeitsbestimmung zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Dauerstrich-Radar mit einer Vibrationserkennung. Das Dauerstrich-Radar weist einen Dauerstrich-Radarsensor auf, der zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit eines fließenden Gewässers oder eines Schüttguts (im letzter Fall handelt es sich bei der „Fließgeschwindigkeit“ beispielsweise um die Transportgeschwindigkeit eines Förderbandes, auf dem sich das Schüttgut befindet) eingerichtet ist. Darüber hinaus ist ein Vibrationsdetektor vorgesehen, der zum Erfassen einer Vibration des Dauerstrich-Radarsensors eingerichtet ist. Darüber hinaus ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, zum Bestimmen, ob eine vom Vibrationsdetektor erfasste Vibration zu einer deutlichen Verfälschung der vom Dauerstrich-Radarsensor bestimmten Fließgeschwindigkeit führt.
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Es hat sich herausgestellt, dass Dauerstrich (CW)-Radarsensoren sehr empfindlich auf Vibration reagieren und bei einer ungünstigen Montagesituation Signale generieren, die nicht vom Messobjekt verursacht sind. Bei genügend starker und wiederkehrender Erschütterung des Gehäuses kann sich somit vor allem bei schwachen Nutzsignalen eine Beeinträchtigung der Messwerte ergeben. Hervorgerufen werden solche Effekte durch Umwelteinflüsse, wie Niederschlag, Wind, Vibrationen durch Wasserkraftanlagen, rotierende Maschinen oder Schienen- und Straßenverkehr auf Brücken.
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Das Dauerstrich-Radar ist in der Lage, diese Vibrationseinflüsse am Radarsensor unabhängig zu detektieren und auszuwerten, um ggf. eine Korrektur des Messwerts durchzuführen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Auswerteeinheit eingerichtet, eine Messung des Dauerstrich-Radarsensors zu verwerfen, wenn die vom Vibrationsdetektor erfasste Vibration einen voreingestellten Schwellwert übersteigt, sodass sie zu einer deutlichen Verfälschung der vom Dauerstrich-Radarsensor bestimmten Fließgeschwindigkeit führt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit den Schwellwert in Abhängigkeit eines mittleren Signalpegels des vom Dauerstrich-Radarsensor erfassten Messsignals einstellt.
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Der Schwellwert kann so justiert werden, dass ein Weglaufen der Messwerte sicher erkannt wird und Gegenmaßnahmen angewendet werden können. Liegen die Vibrationen unterhalb des Schwellwerts, wird die Messung ungeachtet der Vibrationen ausgewertet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Vibrationsdetektor einen Beschleunigungssensor auf, der in unmittelbarer Nähe zum Dauerstrich-Radarsensor angeordnet ist. Beispielsweise ist der Beschleunigungssensor auf einer Leiterplatte oder einer anderweitigen Trägerplatte angeordnet, die parallel zum Gehäuse des Dauerstrich-Radarsensors positioniert ist. Der Radarsensor ist beispielsweise ein komplettes Modul mit Patchantenne, HF- und ZF-Schaltung, eingebaut in ein flaches Aluminiumgehäuse und über ein Kabel mit der Außenwelt verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Beschleunigungssensor eingerichtet, die Neigung des Dauerstrich-Radars zu erfassen, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, die vom Beschleunigungssensor erfasste Neigung für die Berechnung der Fließgeschwindigkeit heranzuziehen. Der Beschleunigungssensor erfüllt somit eine doppelte Funktion: Zum einen die Bestimmung des Neigungswinkels des Dauerstrich-Radars und zum anderen die Detektion von Vibrationen des Dauerstrich-Radarsensors.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Beschleunigungssensor direkt oberhalb des Dauerstrich-Radarsensors angeordnet und insbesondere beispielsweise direkt mittig hinter der Antenne des Dauerstrich-Radarsensors. Vorteilhafterweise ist die bevorzugte Messrichtung des Beschleunigungssensors die Hauptabstrahlrichtung des Radars.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Vibrationsdetektor einen Piezosensor auf, der direkt auf der Rückseite des Dauerstrich-Radarsensors angeordnet ist. Beispielsweise ist er dort aufgeklebt.
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Der Vibrationsdetektor kann zusammen mit der Auswerteeinheit eingerichtet sein, für das Bestimmen, ob die vom Vibrationsdetektor erfasste Vibration zu einer deutlichen Verfälschung der vom Dauerstrich-Radarsensor bestimmten Fließgeschwindigkeit führt, nur Vibrationen in Hauptabstrahlrichtung des Dauerstrich-Radarsensors zu berücksichtigen. Vibrationen in Querrichtung zur Hauptabstrahlrichtung haben wenig bis gar keinen Einfluss auf das Messergebnis des Radarsensors.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fließgeschwindigkeitsbestimmung eines fließenden Gewässers, bei dem eine Vibration eines Dauerstrich-Radarsensors erfasst wird. Gleichzeitig werden Dopplermessdaten durch den Dauerstrich-Radarsensor erfasst, aus denen die Fließgeschwindigkeit des Gewässers berechnet werden kann. Nach der Datenerfassung wird bestimmt, ob die erfasste Vibration zu einer deutlichen Verfälschung von den vom Dauerstrich-Radarsensor erfassten Messdaten führt, in anderen Worten einen starken Einfluss auf die Messdaten ausübt, sodass nicht von einem genauen Fließgeschwindigkeitsergebnis auszugehen ist. Ist dies der Fall, werden die erfassten Messdaten verworfen. Andernfalls wird die Fließgeschwindigkeit des Gewässers aus den vom Dauerstrich-Radarsensor erfassten Dopplermessdaten bestimmt.
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Anstelle eines Verwerfens der erfassten Messdaten kann auch vorgesehen sein, dass der von der Vibration hervorgerufene Fehler in den Messdaten kompensiert oder zumindest teilkompensiert wird. Dies ist möglich, wenn man den genauen Verlauf der Vibrationen kennt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einem Prozessor eines Dauerstrich-Radars ausgeführt wird, das Dauerstrich-Radargerät veranlasst, die oben und im Folgenden beschriebenen Schritte durchzuführen.
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Ein letzter Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem das oben beschriebene Programmelement gespeichert ist.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die Abbildungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in den Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Messaufbau zur Pegelmessung und Fließgeschwindigkeitsbestimmung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 zeigt ein Dauerstrich-Radar gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 3 zeigt ein Dauerstrich-Radar gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
- 4 zeigt mehrere, vom Dauerstrich-Radar erfassten Signale.
- 5 zeigt die Messkurve einer gemittelten Fließgeschwindigkeitsmessung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt einen Messaufbau zur Pegelmessung und Fließgeschwindigkeitsbestimmung mit einem Füllstandradar 1 und einem Dauerstrich-Radar 2, auch Dauerstrich-Radarmodul oder einfach nur Radarmodul genannt. Die Fließgeschwindigkeitsbestimmung erfolgt durch eine Bestimmung der Oberflächengeschwindigkeit der Strömung des fließenden Gewässers durch Auswertung des Dopplereffekts. Beide Radarsensoren 1, 2 sind an einer Halterung 3 montiert, die mit einer Montageplatte 4 fest am Mauerwerk verschraubt ist. Bedingt durch die lokalen Verhältnisse ist es oft nur durch eine wie in 1 angedeutete Halterung 3 möglich, die Radarsensoren mittig über dem Gerinne zu positionieren, um die Fließgeschwindigkeit des Gewässers 6 an der bevorzugten Position zu messen. Weiterhin ist zu beachten, dass nur gemessen werden kann, wenn sich beim größtmöglichen Pegel des Gerinnes beide Sensoren noch oberhalb der Wasserlinie befinden. Je nach Ausführung und Länge der Halterung 3 ergibt sich daraus jedoch eine zunehmende Neigung zum Vibrieren, sobald Kräfte auf die Vorrichtung einwirken.
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Zum Bestimmen der tatsächlichen Oberflächengeschwindigkeit v0 muss der Neigungswinkel α, unter dem die Hauptabstrahlrichtung der Antenne des CW-Radars 2 auf das Wasser trifft, bekannt sein. Vorzugsweise wird dieser Neigungswinkel innerhalb eines Bereiches von α = 30 Grad bis α = 60 Grad liegen, wobei ein steilerer Winkel zu größeren Signalamplituden aber gleichzeitig kleineren Dopplerfrequenzen führt. Dieser Winkel kann durch eine Montagevorschrift des Gehäuses festgelegt sein oder er wird an der Messstelle auf das bestmögliche Resultat eingestellt und mittels Beschleunigungssensor gemessen.
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Zeitgleich während der Dopplermessung werden mit einem Vibrationssensor alle auftretenden Erschütterungen der Messapparatur erfasst. Da der Radarsensor selbst nicht zwischen Eigen- oder Objektbewegung unterscheiden kann, erhält man nur hiermit einen Indikator, ob Störsignale generiert wurden und sich dem Nutzsignal überlagern. Je nach Stärke und Auswirkung der Beschleunigung lässt sich abwägen, ob eine merkliche Beeinträchtigung des Messwerts stattfindet und ob die Messung verworfen wird oder korrigiert werden kann.
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Da nur die Beschleunigungsvektoren in Richtung der Antennenachse maßgeblich zur Signalbeeinflussung beitragen, ist es vorteilhaft, einen Beschleunigungssensor zu verwenden, der die resultierende Beschleunigung in die drei Raumkomponenten x, y, z zerlegt. Diejenige Komponente (z), die parallel zur Antennenkeule zeigt, wird für die weitere Auswertung herangezogen. Weiterhin sollen mittels einer Schwelle nur Beschleunigungen ab einer gewissen Größe der Signalverarbeitung zugeführt werden, deren Einfluss auf die aus der Dopplermessung berechnete Geschwindigkeit merkliche Auswirkungen hat. Diese Schwelle kann vorteilhaft an einen mittleren Signalpegel gekoppelt sein, da bei größeren Nutzsignalen auch größere Vibrationen auftreten müssen, um eine Messwertverfälschung zu bewirken.
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Somit können die Vibrationen, die auf den CW-Radarsensor einwirken, ausgewertet werden, um die gemessene Fließgeschwindigkeit abhängig von der Stärke der Erschütterung zu validieren oder zu korrigieren.
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2 zeigt den Dauerstrich-Radar 2 in einer ersten Ausführungsform. Um den Einfluss des wasserdichten Gehäuses 11 auf die elektromagnetischen Wellen des Dauerstrich-Radarsensors 7 zu minimieren, ist der Abstand d zwischen der Planarantenne des Radarsensors und dem Gehäuse 11 mindestens λ0/2 bzw. ein ganzzahliges Vielfaches davon, während die Dicke des als Radom fungierenden Gehäuses 11 mit der relativen Dielektrizitätszahl εr idealerweise λ0/2/sqrt(εr) beträgt. Weiterhin ist durch einen konstruktiv robusten Einbau des Radarsensors 7 in das Gehäuse darauf zu achten, dass sich möglichst keine relativen Bewegungen zwischen der Planarantenne und der Gehäusewand ergeben, da ansonsten Störsignale generiert werden könnten.
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Dies wird durch mehrere Montageelemente 10 erreicht, die den Abstand zwischen Radarsensor 7 und der Gehäusewand festlegen. Durch mehrere weitere Montageelemente 10 wird eine erste Leiterplatte 8 parallel zum Radarsensor 7 befestigt, auf der sich in geeigneter Position der Beschleunigungssensor 9 befindet. Der Beschleunigungssensor kann erstens den statischen Neigungswinkel des Radars messen und zweitens zeitgleich zur Dopplermessung des Radarsensors Vibrationen erfassen. Dabei wird für die Vibrationserkennung aus den drei vorhandenen Raumachsen nur die Beschleunigungsachse in z-Richtung ausgewertet, die parallel zur Blickrichtung der Antenne wirkt und den Hauptteil der Signalstörung bei der Dopplermessung bewirkt.
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Die vom Radarsensor und dem Vibrationssensor erfassten Daten werden einer Auswerteeinheit 30 zugeführt.
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Der Beschleunigungssensor selbst ist typischerweise ein hochintegriertes Bauteil mit Messwandler für die drei Raumachsen sowie internem Analog/Digitalwandler und Signalprozessor. Über eine digitale Schnittstelle kann die Auswerteeinheit 30 seine Daten abfragen und weiterverarbeiten. Die Auswerteeinheit 30 kann insbesondere auf der Leiterplatte 8 angeordnet sein. Der zusätzliche Aufwand und die Kosten zum Erzielen dieser Messdaten sind somit vernachlässigbar.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Dauerstrich-Radars 2, bei dem ein Piezoelement 13 direkt auf die Rückseite des Radarmoduls 12 aufgeklebt ist. Vibrationen am Radarmodul übertragen sich somit unmittelbar auf das Piezoelement, das sehr sensibel auf mechanische Kräfte reagiert und bereits bei einer geringfügigen Verbiegung der Keramik eine messbare Ladungsverschiebung an den beiden Anschlussdrähten 14 abgibt. Durch einen nachgeschalteten Ladungsverstärker sowie Analog/Digitalwandlung stehen damit Beschleunigungsmesswerte zur Verfügung, die in der Auswerteeinheit 30 ausgewertet werden können. Vorteile des Piezoelements sind der große Frequenz- und Dynamikbereich bei gleichzeitig hoher Linearität.
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Treten Vibrationen am Gehäuse des Dauerstrich-Radars 2 auf, so werden sich diese dem Dopplersignal des Radars überlagern und ab einer bestimmten Stärke störend bemerkbar machen.
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In 4 ist durch die Kurve 15 ein typisches Dopplerspektrum abgebildet, wie es an einem Gerinne mit geringer Fließgeschwindigkeit und daraus resultierend kleinen Signalamplituden zu erwarten ist. Das Dopplersignal wird dazu zweckmäßigerweise in einem Quadraturempfänger in zwei um 90 Grad verschobene ZF-Zweige aufgeteilt, weshalb hier auf der Abszissenachse positive und negative Frequenzen dargestellt sind. Hiermit lässt sich auf einfache Weise die Fließrichtung des Gewässers ermitteln.
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Weiterhin sind in 4 zwei aus den Daten des Beschleunigungssensors berechnete Spektren eingezeichnet. Die Kurve 16 zeigt einen Verlauf mit wenig Erschütterungseinfluss im Gegensatz zur Kurve 17, die sich störend im berechneten Geschwindigkeitswert bemerkbar macht. Messungen an einem Laserinterferometer haben gezeigt, dass bereits leichtes Vibrieren mit ca. 35 µm Auslenkung des Gehäuses aus der Ruhelage einen messbaren Beitrag zum Dopplersignal des Radars bewirkt.
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Dabei kann zwischen Erschütterungen, die impulsförmig und sporadisch auftreten, oder solchen, die periodisch über einen längeren Zeitraum einwirken, unterschieden werden. In der Regel werden die zur Berechnung der Geschwindigkeit herangezogenen Spektren gemittelt, um das Signal/Rauschverhältnis zu verbessern. Bei entsprechend hoch gewähltem Mittelungsfaktor wird sich deshalb ein einziger Störimpuls nicht weiter bemerkbar machen, jedoch kann eine periodische Störung, die permanent oder über einen längeren Zeitraum einwirkt, zu Fehlern beim zu ermittelnden Messwert führen.
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5 stellt mit Kurve 19 den Verlauf einer mit Faktor 4 gemittelten Fließgeschwindigkeitsmessung dar, bei der während eines Zeitraums von einer Minute Vibrationen über die Halterung auf den Radarsensor einwirken. Die durch die Vibration entstehende Störung der Dopplerspektren bewirkt hier eine Geschwindigkeitszunahme, die im Maximum an Punkt 20 eine Abweichung von über 10 % zum Mittelwert 21 der tatsächlichen Fließgeschwindigkeit verursacht. Die Schwelle 18 (siehe 4) muss deshalb so justiert sein, dass ein Weglaufen der Messwerte, wie oben beschrieben, sicher erkannt wird und Gegenmaßnahmen angewendet werden können.
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Liegt die Vibration nur während einiger weniger Messzyklen an, kann die gestörte Messkurve komplett verworfen werden und es wird der im Mittelwertspeicher gebildete Messwert ausgegeben. Bei längerer Einwirkzeit muss dagegen von der Signalverarbeitung (Auswerteeinheit) beurteilt werden, ob bei ausreichender Korrelation zwischen Störfrequenz und Dopplerspektrum eine spektrale Filterung der Störlinien erfolgen kann. Dies ist vor allem bei zeitlich gleichbleibenden Vibrationen, wie sie beispielsweise von rotierenden Maschinen verursacht werden, gegeben.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
