DE102018106724A1 - Verfahren zur FMCW-basierten Abstandsmessung in Hohlleitern - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur FMCW-basierten Messung eines Abstandes (d) eines in einem Hohlleiter (2) befindlichen Objektes (3) sowie ein entsprechendes Abstandsmessgerät (1), das insbesondere zur Füllstandsmessung in Schwallrohren oder Bypassrohren von Behältern (5) eingesetzt werden kann. Das Verfahren beruht darauf, dass das bei FMCW typische Sendesignal (S) nicht rampenförmig, also mit konstanter Frequenzänderung (df/dt) ausgesendet wird. Vielmehr wird eine Krümmung der Frequenzrampe (df/dt) erfindungsgemäß zumindest approximativ proportional zur Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit (c(f)) des Sendesignals (S) im Hohlleiter (2) eingestellt. Somit wird der Stör-Effekt kompensiert, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit (c) des Sendesignals (S) in Hohlleitern (2) nicht konstant ist, sondern mit fallender Sende-Frequenz abnimmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur FMCW-basierten Messung eines Abstandes d eines in einem Hohlleiter befindlichen Objektes sowie ein entsprechendes Abstandsmessgerät, insbesondere zur Füllstandsmessung.
  • In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
  • Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind (unter dem Begriff „Behälter“ werden im Rahmen der Erfindung auch nichtabgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden). Ein weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich, also mit einer sehr hohen Auflösung messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt. Ein etabliertes Messprinzip bildet hierbei das FMCW-Verfahren („Frequency Modulated Continuos Wave“).
  • Das Messprinzip von FMCW-basierten Radar-Entfernungsmessverfahren beruht darauf, ein elektromagnetisches Sendesignal im Mikrowellenbereich auszusenden und das entsprechend reflektierte Signal nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche (bzw. an dem Objekt, dessen Abstand zu bestimmen ist) zu empfangen, um hieraus die Signal-Laufzeit zu ermitteln. Unter Kenntnis der Signal-Geschwindigkeit, also der Lichtgeschwindigkeit, lässt sich aus der Signal-Laufzeit der Abstand berechnen.
  • Zur Bestimmung der Laufzeit wird das Sendesignal beim FMCW Verfahren nicht mit einer zeitlich konstanten Frequenz ausgesendet, sondern innerhalb eines vordefinierten Frequenzbandes mit einer zeitlich konstanten Frequenzänderung. Die zeitlich konstante Frequenzänderung weist hierbei in der Regel eine Sägezahn-Form auf, eine Dreiecks-förmige Änderung ist jedoch auch möglich. Auf Basis der Lichtgeschwindigkeit sowie der konstanten Frequenzänderung ist es möglich, durch Messung der Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen, reflektierten Signal und dem momentan ausgesendeten Sendesignal die Signal-Laufzeit zu bestimmen, da sich die Frequenzdifferenz (ohne Einfluss etwaiger Störgrößen) proportional zum Abstand des Objektes ändert. Beschrieben wird das Funktionsprinzip des FMCW-basierten Füllstands-Messverfahrens beispielsweise in der internationalen Veröffentlichungsschrift WO 2016202531 A1 .
  • Insbesondere bei höheren Frequenzen ist der Abstrahlkegel, mit dem das Sendesignal ausgesendet wird (und analog hierzu der Empfangskegel der Antenne, mit dem das reflektierte Signal empfangen wird), zunehmend schmaler. Hierdurch erhöht sich die Gefahr, dass etwa bei bewegten Objekten, wie bspw. welligen Oberflächen von flüssigen Füllgütern, das reflektierte Signal außerhalb des Empfangskegels der Antenne gerät und somit kein Abstand bzw. Füllstand ermittelbar ist.
  • Eine Möglichkeit, um bei flüssigen Füllgütern Einflüsse durch wellige Füllgut-Oberflächen zu verringern, besteht in der Verwendung eines Schwallrohres oder Bypass-Rohres. Im Falle von Schwallrohren sind diese in etwa senkrecht innerhalb des Behälters angebracht. Dabei wird das Rohr konstruktiv so entlüftet, dass der Füllstand des Füllgutes innerhalb des Rohres mit dem Füllstand im übrigen Behälter übereinstimmt. Bei Bypass-Rohren sind diese neben dem Behälter angebracht, wobei die Rohre auch in diesem Fall hydrostatisch mit dem Prozessraum verbunden sind, so dass der Füllstand im Bypass-Rohr wiederum identisch zum Füllstand im Behälter ist. Innerhalb des Rohres ist eine etwaige Wellenbildung des Füllgutes zumindest deutlich reduziert.
  • Bei Verwendung eines Schwall- oder Bypass-Rohres wird das Füllstandsmessgerät nicht, wie andernfalls üblich, derart angeordnet, dass die Antenne des Füllstandsmessgerätes direkt in den Behälter, in dem sich das Füllgut befindet, abstrahlt. Vielmehr wird das Füllstandsmessgerät so am oberen Ende des Schwallrohres angebracht, dass die Antenne des Füllstandsmessgerätes das Sendesignal innerhalb des Schwallrohres in Richtung des Füllgutes aussendet.
  • Im Gegensatz zu frei abstrahlenden Abstandsmessgeräten beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendesignals bei Abstrahlung im Rohr nicht Lichtgeschwindigkeit c0 (in Vakuum bzw. in Luft), sondern sie verringert sich. Die effektive Ausbreitungsgeschwindigkeit entspricht der Gruppengeschwindigkeit cG der angeregten Hohlleiter-Mode gemäß der Formel c G ( f ) = c 0 ∗ ( f f c ) 2 − 1 f / f c
    Figure DE102018106724A1_0001
  • fc ist hierbei die so genannte Cut-off Frequenz, welche vom Rohr-Innendurchmesser und der Mode abhängig ist; f ist die Frequenz des Sendesignals.
  • Aufgrund dieses so genannten Dispersions-Effektes wird bei Abstands- (bzw. Füllstandsmessung) in Hohlleitern wie Rohren der ermittelte Abstand verfälscht bzw. ungenau, da keine konstante Ausbreitungsgeschwindigkeit zur Berechnung des Abstandes aus der Laufzeit vorliegt. Beschrieben wird dieser Effekt beispielsweise in der Konferenz-Publikation „An optimized Radar System for Tank Level Measurement in Dispersive Bypass Pipes (M. Vogt; GeMiC; 16. -18. März 2015; Nürnberg). Weiterhin wird dort als Verbesserung vorgeschlagen, bei Füllstandsmessung in Rohren die dispersionsbehafteten Differenzfrequenzen nachträglich anhand obiger Formel zu korrigieren. In der Praxis ist dies jedoch nur begrenzt möglich, da solch ein Verfahren iterativ für jede einzelne Distanz durchgeführt werden muss und daher sehr rechenintensiv ist.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine Abstandsmessung von Objekten in Hohlleitern sicherer und genauer durchgeführt werden kann.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur FMCW-basierten Messung eines Abstandes eines in einem Hohlleiter befindlichen Objektes. Es umfasst folgende Verfahrensschritte:
    • - Aussenden eines Sendesignals entlang des Hohlleiters in Richtung des Objektes, wobei das Sendesignal innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes mit einer zeitlich definierten Frequenzänderung ausgesendet wird,
    • - Empfang des reflektierten Signals nach Reflektion an am Objekt, und
    • - Ermittlung des Abstandes anhand einer Differenzfrequenz zwischen dem reflektierten Signal und dem Sendesignal.
  • Erfindungsgemäß zeichnet sich das Verfahren dadurch aus, dass durch ein genau angepasstes Sendesignal mit gekrümmter Frequenzrampe die dispersionsbedingten Verzerrungen im Differenzsignal verhindert werden. Das Krümmungsmaß, das heißt die Frequenzabhängigkeit der zeitlichen Frequenzänderung wird dabei zumindest approximativ proportional zur Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit (cG(f)) des Sendesignals (entsprechend der zuvor genannten Formel) im Hohlleiter eingestellt. Hieraus resultiert bei FMCW-basierter Messung in Hohlleitern bzw. Rohren, dass die Differenzfrequenz zwischen dem reflektierten Signal und dem Sendesignal und somit der Abstand auch ohne nachträgliche Signalverarbeitung deutlich genauer bestimmbar.
  • Ein spannungsgesteuerter Oszillator kann den zeitlichen Verlauf des Sendesignals erzeugen, indem eine entsprechende zeitlich veränderliche Steuerspannung angelegt wird. Der Spannungs- bzw. Frequenzverlauf lässt sich dabei zum Beispiel durch Polynom-Approximation mit beliebiger Genauigkeit nachbilden.
  • Eine technisch vergleichsweise einfache Möglichkeit zur Anpassung der Frequenzabhängigkeiten besteht darin, die Frequenzabhängigkeit der Frequenzänderung der Frequenzabhängigkeit zumindest teilweise linear an die Ausbreitungsgeschwindigkeit (cG(f)) zu approximieren. In diesem Fall kann die Frequenzabhängigkeit der Frequenzänderung beispielsweise der Frequenzabhängigkeit an die Ausbreitungsgeschwindigkeit (cG(f)) approximiert werden, indem
    • - das Frequenzband in zumindest zwei insbesondere gleichgroße Sub-Bänder untergliedert wird,
    • - die Mittenfrequenz jedes Sub-Bandes ermittelt wird,
    • - innerhalb der Sub-Bänder jeweils eine lineare Frequenzänderung der zeitlichen Frequenzänderung eingestellt wird, wobei
      • o die konstanten Frequenzänderungen unter Verwendung eines gemeinsamen Proportionalitätsfaktors proportional zur jeweiligen Ausbreitungsgeschwindigkeit (cG(f)) bei der korrespondierenden Mittenfrequenz eingestellt werden.
    Um eine weiter verbesserte Approximation zu erreichen, kann das Frequenzband in mehr als zwei Sub-Bänder untergliedert werden.
  • Das zuvor beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren kann entsprechend in einem Abstandsmessgerät zur FMCW-basierten Messung eines Abstandes eines in einem Hohlleiter befindlichen Objektes implementiert werden. Hierzu hat das Abstandsmessgerät folgende Komponenten zu umfassen:
    • - Eine Hochfrequenz-Erzeugungs-Einheit zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals, das innerhalb des vorbestimmten Frequenzbandes die zeitlich definierte Frequenzänderung aufweist,
    • - einen Signalteiler zur Aufteilung des elektrischen Hochfrequenz-Signals,
    • - zumindest eine Sende-/Empfangs-Antenne zum Aussenden des Hochfrequenz-Signals als Sendesignal, und/oder zum Empfang des Empfangssignals,
    • - einen Mischer zum Mischen des elektrischen Hochfrequenz-Signals mit dem erhaltenen Empfangssignal, und
    • - eine Auswerte-Einheit zur Bestimmung des Abstandes anhand der Differenzfrequenz des gemischten Signals.
    Hierbei bietet es sich insbesondere an, das Abstandsmessgerät als Füllstandsmessgerät, das zur Messung des in einem Bypass- oder Schwallrohr eines Behälters vorherrschenden Füllstandes eines im Behälter befindlichen Füllgutes dient, zu verwenden
  • Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1: Ein Füllstandsmessgerät an einem Schwallrohr eines Behälters,
    • 2: einen prinzipiellen Schaltungsaufbau eines FMCW-basierten Abstandsmessgerätes,
    • 3: ein Blockschaltbild einer Hochfrequenz-Erzeugungs-Einheit des Abstandsmessgerätes,
    • 4: eine sägezahnförmige Frequenz-Änderung des FMCW-Verfahrens,
    • 5: die Frequenzabhängigkeit des Sendesignals in Hohlleitern,
    • 6: eine erfindungsgemäße Approximation der Frequenz-Änderung an die Frequenzabhängigkeit des Sendesignals, und
    • 7: einen Vergleich der Frequenzspektren zwischen konstanter und erfindungsgemäßer Frequenzänderung.
  • 1 zeigt eine typische Anordnung eines nach dem FMCW-Prinzip arbeitenden Füllstandsmessgerätes 1 an einem Schwallrohr 2, das in etwa senkrecht in einem Behälter 5 angeordnet ist. Das Schwallrohr 2 weist in der Regel einen genormten Innendurchmesser D, bspw. DN 100 gemäß der Norm EN 10255, auf. In dem Behälter 5 befindet sich ein flüssiges Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Das Füllstandsmessgerät 1 ist in einer vorbekannten Einbauhöhe h oberhalb des Füllgutes 3 am Schwallrohr 2 angebracht. Durch Messung des Abstandes d zur Oberfläche des Füllgutes 3 kann durch das Füllstandsmessgerät 1 unter Kenntnis der Einbauhöhe h der Füllstand L = h - d berechnet werden. Hierbei kann der Behälter 5 je nach Anwendung mehr als 30 m hoch sein.
  • Das Füllstandsmessgerät 1 ist so am oberen Ende des Schwallrohres 2 angebracht, dass es zur Messung des Abstandes d ein Mikrowellen-basiertes Sendesignal SHF im Inneren des Schwallrohres 2 in Richtung des Füllgutes 3 aussendet und nach Reflektion an der Oberfläche des Füllgutes 3 das entsprechend reflektierte Signal EHF empfängt. Damit das Füllgut 3 im RohrInneren einen zum restlichen Behälter 5 identischen Füllstand L aufweist, umfasst das Schwallrohr 2 seitliche Ausgleichs-Öffnungen, die über die Länge des Rohres 2 verteilt sind.
  • Alternativ zu einer Anbringung des Rohres 2 innerhalb des Behälters 5 besteht eine weitere (nicht gezeigte) Variante darin, ein neben dem Behälter 5 angebrachtes Bypass-Rohr zur Füllstandsmessung zu nutzen, indem das Füllstandsmessgerät 1 in analoger weise zum Schwallrohr 2 am Bypass-Rohr angebracht wird. Auch in einem solchen Fall ist das Bypass-Rohr hydrostatisch so an Behälter 5 angeschlossen, dass im Bypass-Rohr derselbe Füllstand L wie im Behälter 5 vorherrscht.
  • In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über ein Bussystem, etwa „PROFIBUS“, „HART‟ oder „Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Es können auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um etwaige Zu- oder Abflüsse zu steuern.
  • Der schaltungstechnische Aufbau eines nach dem FMCW Verfahren arbeitenden Füllstands-Messgerätes 1 (bzw. eines FMCW-basierten Abstandsmessgerätes im Allgemeinen) ist in 2 dargestellt: Kern des Aufbaus ist eine Hochfrequenz-Signalerzeugungs-Einheit 10 zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals sHF . Die Frequenz des Hochfrequenz-Signals sHF definiert die Frequenz des im Mikrowellenbereich liegenden Sendesignals SHF . Daher muss die Hochfrequenz-Signalerzeugungs-Einheit 10 ausgelegt sein, um das elektrische Hochfrequenz-Signal sHF mit der bei FMCW erforderlichen rampenförmigen, also konstanten Frequenzänderung df/dt zu erzeugen.
  • Solch eine rampenförmige Frequenzänderung nach dem Stand der Technik ist in 3 abgebildet: In dem dort gezeigten Diagramm ist die Frequenz des elektrischen Hochfrequenz-Signals sHF bzw. des Sendesignals SHF gegenüber der Zeit t aufgetragen. Demnach ändert sich die Frequenz periodisch wiederholend innerhalb eines vordefinierten Frequenzbandes fstart - fstop , mit einer konstanten Änderungsrate df/dt = const. Dabei kann die Periodizität der einzelnen Frequenzrampen in einem Bereich von einigen 100 ms liegen. Die Dauer der einzelnen Rampe kann im Bereich zwischen 100 µs und100 ms liegen. Die Lage des Frequenzbandes (fstart - fstop ) ist unter Berücksichtigung regulatorischer Vorgaben einzustellen, weswegen als Frequenzband fstart - fstop vorzugsweise die ISM-Bänder bei6 GHz, 26 GHz oder 80 GHz implementiert sind. Die Bandbreite fstart - fstop liegt je nach Lage des Frequenzbandes fstart -fstop insbesondere zwischen 0,5 GHz und 10 GHz.
  • Zum Aussenden des Sendesignals SHF wird das elektrische Hochfrequenz-Signal sHF gemäß 2 über einen Signalteiler 11 (und gegebenenfalls einem Ausgangsverstärker 12) einer Sende-Antenne 13 zugeführt. Dabei kann die Sende-Antenne 13 beispielsweise als Horn- oder Planar-Antenne (bspw. als Patch- oder Fraktal-Antenne) realisiert werden.
  • Durch die Reflektion des Sendesignals SHF an dem Objekt, dessen Abstand d zu bestimmen ist (bei Füllstandsmessung die Oberfläche des Füllgutes 3) wird ein entsprechend reflektiertes Signal EHF an einer Empfangs-Antenne 14 der Sende-/Empfangseinheit 2 empfangen. Die Empfangs-Antenne 14 kann hierbei analog zur Sende-Antenne 13 ebenso als Planar-Antenne realisiert werden. Denkbar ist auch die Verwendung einer kombinierten Sende-Empfangs-Antenne, die entsprechend über eine Sende-/ Empfangsweiche mit dem Signalteiler 11 kontaktiert ist.
  • Nach Empfang wird das Echo-Signal EHF in der Empfangs-Antenne 14 in ein rein elektrisches Signal eHF zurückgewandelt (welches wiederum gegebenenfalls durch einen Empfangsverstärker 15 verstärkt werden kann). Dieses wird im Anschluss mittels eines Empfangsmischers 16 mit dem Hochfrequenz-Signal sHF der Hochfrequenz-Signalerzeugungs-Einheit gemischt, wobei das Hochfrequenz-Signal sHF hierfür aus dem Signalteiler 21 abgezweigt wird. Hierdurch wird ein beim FMCW-Verfahren typisches Zwischenfrequenz-Signal eLF erzeugt, das die Basis für die Ermittlung des Abstandes d bildet. Dabei ist gemäß dem FMCW-Prinzip die Frequenz des Zwischenfrequenz-Signals eLF proportional zum Abstand d des Objektes, so dass eine geeignete Auswerte-Einheit 3 durch eine Messung der Frequenz des Zwischenfrequenz-Signals eLF den Abstand d ermitteln kann. Zur Bestimmung der Frequenz des Zwischenfrequenz-Signals eLF kann dieses beispielsweise einer (Fast-) Fourier-Transformation unterzogen werden.
  • Zum Verständnis, wie das rampenförmige, elektrische Hochfrequenz-Signal sHF durch die Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 10 erzeugt wird, ist in 4 eine nach dem Stand der Technik standardmäßig implementierte Ausführungsvariante dargestellt: Das Funktionsprinzip der dort gezeigten Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 10 ist unter dem Begriff „Phasenregelkreis“ (im englischen als „Phase Locked Loop, PLL“ bekannt). Die Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1 basieren jeweils auf einem steuerbaren, elektrischen Hochfrequenz-Oszillator 105, (standartmäßig als VCO realisiert), der das elektrische Hochfrequenz-Signal sHF erzeugt. Entsprechend der Anwendung bei FMCW-Radar liegt die Frequenz des Hochfrequenz-Signals sHF im GHz-Bereich zwischen 1 GHz bis hin zu über 100 GHz.
  • Die Frequenz des Hochfrequenz-Signals sHF wird in der gezeigten Hochfrequenz-Erzeugungs-Einheit 10 per Rückkopplung geregelt und somit einerseits gegenüber Schwankungen der Umgebungstemperatur stabilisiert; Andererseits wird hierüber die sägezahnförmige Frequenzänderung df/dt eingestellt: Die Rückkopplung wird realisiert, indem aus dem Hochfrequenz-Signal sHF des Hochfrequenz-Oszillators 105 ein Regelsignal sc abgezweigt und einem Phasenkomparator 102 zugeführt wird. Der Phasenkomparator 102 vergleicht die momentane Phasenverschiebung des Regelsignals sc zu einem frequenzkonstanten Referenzsignal sclock . Das Referenzsignal sclock weist hierbei eine exakt voreinstellbare Referenzfrequenz mit vernachlässigbarem Temperaturdrift auf.
  • Als Quelle für das Referenzsignal sclock kann beispielsweise ein Quarzoszillator eingesetzt werden, der das Referenzsignal sclock üblicherweise mit einer Frequenz im Bereich zwischen 10 MHz und 100 MHz erzeugt.
  • In Abhängigkeit der Phasendifferenz zwischen dem Regelsignal sc und dem Referenzsignal sclock erzeugt der Phasenkomparator 102 ein Steuersignal sDC , welches zu einem entsprechenden Steuereingang des Hochfrequenz-Oszillators 105 geführt wird.
  • Bei Verwendung eines VCO's als Hochfrequenz-Oszillator 105 erfordert dieser zur Steuerung der Frequenz des Hochfrequenz-Signals SHF eine Gleichspannung. Daher ist dem digitalen Phasenkomparator 105 bei der in 4 gezeigten Ausführungsvarianten eine Ladungspumpe 103 (vor allem im Englischen bekannt als „Charge Pump“) nachgeschaltet. Somit wird durch die Ladungspumpe 103 eine entsprechende Digital-/Analog-Wandlung des Steuersignals sDC durchgeführt. Je nach Umsetzung der Hochfrequenz-Signalerzeugungseinheit 10 ist es vor oder nach der Ladungspumpe 103 gegebenenfalls zusätzlich erforderlich, eine Pegelanpassung mittels eines Pegelumsetzers (nicht dargestellt) durchzuführen. Mittels eines Filters 104, der zwischen dem Phasenkomparator 102 und dem Hochfrequenz-Oszillator 105 angeordnet ist, kann das Steuersignal sDC zudem von insbesondere hochfrequenten Störanteilen bereinigt werden. Dementsprechend ist der Filter 104 in 4 als Tiefpass ausgelegt.
  • Die bei FMCW-Radar übliche, rampenförmige Frequenzänderung df/dt des Hochfrequenz-Signals sHF wird bei der in 4 beschriebenen Regelschleife der Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 10 am Frequenzteiler 107 eingestellt: Hierzu wird dieser als „Fractional-N Divider“ bekannte Frequenzteiler 107 nach dem Stand der Technik so angesteuert, dass sich dessen Teilerfaktor N zeitlich konstant, also quasi rampenförmig verändert. Die kleinste auflösbare Frequenzauflösung bei Fractional-N Dividern hängt von der Wortbreite N ab, sie liegt bei 20 - 32 bit.
  • Eine rampenförmige Frequenzänderung df/dt des Sendesignals SHF führt zu korrekten Messergebnissen, sofern dessen Ausbreitungsgeschwindigkeit konstant ist. Prinzipiell ist dies gegeben, solange als Ausbreitungsgeschwindigkeit die näherungsweise konstante Lichtgeschwindigkeit zugrunde gelegt werden kann. Dies ist bei freier Abstrahlung des Sendesignals SHF der Fall. Bei Abstrahlung in einem Hohlleiter wie bspw. einem Rohr ist dies jedoch nicht mehr gegeben: Dort reduziert sich die effektive Ausbreitungsgeschwindigkeit cG gemäß der Formel c G ( f ) = c 0 ∗ ( f f c ) 2 − 1 f / f c
    Figure DE102018106724A1_0002
    mit abnehmender Frequenz. Dieser Zusammenhang ist in 5 für verschiedene Moden (TE 11, TE 31, TE 02) des Sendesignals SHF dargestellt. Diejenige Grenzfrequenz fc , zu der die Ausbreitungsgeschwindigkeit cG zu tiefen Frequenzen hin konvergiert (nicht explizit in 5 dargestellt) wird als „Cut-off Frequenz“ bezeichnet. Wie aus 5 erkennbar wird, ist sie von der jeweils vorherrschenden Mode des Sendesignals SHF (und vom Durchmesser D des Hohlleiters) abhängig.
  • Erfindungsgemäß wird einer daraus resultierenden Verfälschung der Abstandsmessung entgegengewirkt, indem die Frequenzänderung df/dt des elektrischen Hochfrequenzsignals sHF bzw. des Sendesignals SHF nicht konstant ausgelegt wird (df/dt = const.), sondern die Frequenzabhängigkeit der zeitlichen Frequenzänderung (df/dt) möglichst proportional zur Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit (cG(f)) des Sendesignals (SHF ) im Hohlleiter (2) eingestellt wird: d f d t ∼ c G ( f )
    Figure DE102018106724A1_0003
  • Bei der in 4 dargestellten Hochfrequenz-Erzeugungs-Einheit 10 lässt sich diese Idee bspw. durch entsprechende Steuerung des Fractional-N Dividers 107 implementieren. Je nach Typ des verwendeten Fractional-N Dividers 107 kann eine solche Proportionalität zumindest approximativ hergestellt werden, indem die Frequenzabhängigkeit der Frequenzänderung df/dt linear an die Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit cG(f) approximiert wird. Dies wird in 6 veranschaulicht:
  • Das Frequenzband fstart - fstop ist dort in vier gleichgroße Sub-Bänder s1 , s2 , s3 , s4 untergliedert, wobei dementsprechend die Mittenfrequenz f1 , f2 , f3 , f4 jedes Sub-Bandes s1 , s2 , s3 , s4 bekannt ist. Korrespondierend hierzu ist die Hochfrequenz-Erzeugungs-Einheit 10 so eingestellt, dass das elektrische Hochfrequenz-Signal sHF innerhalb der Sub-Bänder s1 , s2 , s3 , s4 jeweils eine lineare Frequenzänderung Δf1 , Δf2 , Δf3 , Δf4 aufweist. Dabei sind die linearen Frequenzänderungen Δf1 , Δf2 , Δf3 , Δf4 unter Verwendung eines gemeinsamen Proportionalitätsfaktors proportional zur jeweiligen Ausbreitungsgeschwindigkeit cG(f1,2,3,4) bei der korrespondierenden Mittenfrequenz f1 , f2 , f3 , f4 eingestellt.
  • Eine ideale lineare Approximation der Frequenzänderung df/dt an die Ausbreitungsgeschwindigkeit bezüglich deren Frequenzabhängigkeiten bestünde darin, das Frequenzband fstart - fstop in unendlich viele Sub-Bänder s1 , s2 , s3 , s4 zu untergliedern. Zwecks verbesserter Approximation ist es daher im Sinne der Erfindung, die Anzahl der Sub-Bänder s1 , s2 , s3 , s4 , soweit zu maximieren, wie technisch möglich. Die Ansteuerung des Fractional-N Dividers 105 in sieben Sub-Bändern s1 , ..., s7 ist technisch bereits umsetzbar. Alternativ zu der Darstellung in 4 wäre es natürlich zudem denkbar, die Sub-Bänder s1 , s2 , s3 , s4 unterschiedlich groß zu bemessen, um bspw. wiederum eine verbesserte Approximation zu erreichen.
  • 7 veranschaulicht den Effekt, der durch die erfindungsgemäße Krümmung der Frequenzrampe des Sendesignals SHF (linear approximiert mit sieben Sub-Bändern s1 ,...., s7 ) im Verglich zu konstanter, rampenförmiger Anregung (konstante Frequenzänderung df/dt) resultiert. Es zeigt bei logarithmischer Darstellung der Amplituden einen Ausschnitt des Frequenz-Spektrums der zwei zugehörigen Zwischenfrequenz-Signale eLF bei Messung des vorbekannten Abstandes d (30 m) eines Objektes in einem DN150-Schwallrohr. Die eingesetzte Antenne regt dabei hauptsächlich die erwünschte TE 01 Mode an. Dementsprechend ist zur Approximation die Ausbreitungsgeschwindigkeit cG(f) dieser Mode herangezogen. Die beiden Messkurven verdeutlichen, dass das zum Objekt bzw. dessen Abstand d korrespondierende Frequenzmaximum (bei ca. 137 kHz) im Falle der erfindungsgemäßen Approximation zum einen die Schärfe des Maximums deutlich erhöht. Zum anderen weist das Maximum eine größere Amplitude auf. Somit kann der Abstand d gemäß der Erfindung auf Basis des Zwischenfrequenzsignals eLF genauer und auch mit höherer Sicherheit bestimmt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Füllstandsmessgerät
    2
    Rohr
    3
    Füllgut
    4
    Übergeordnete Einheit
    5
    Behälter
    10
    Hochfrequenz-Erzeugungs-Einheit
    11
    Signalteiler
    12
    Sendeverstärker
    13
    Sende-Antenne
    14
    Empfangs-Antenne
    15
    Empfangs-Verstärker
    16
    Mischer
    101
    Referenz-Oszillator
    102
    Phasenkomparator
    103
    Ladungspumpe
    104
    Tiefpassfilter
    105
    Hochfrequenz-Oszillator
    106
    Frequenzvervielfacher
    107
    Frequenzteiler
    cG
    Ausbreitungsgeschwindigkeit
    d
    Abstand
    EHF
    Reflektiertes Signal
    eLF
    Zwischenfrequenz-Signal
    df/dt
    Frequenzänderung
    fstart/stop
    Minimale / Maximale Frequenz des Frequenzbandes
    f1,2,3,4
    Mittenfrequenzen
    h
    Einbauhöhe
    L
    Füllstand
    SHF
    Sendesignal
    s1,2,3,4
    Sub-Bänder
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2016202531 A1 [0005]

Claims (5)

  1. Verfahren zur FMCW-basierten Messung eines Abstandes (d) eines in einem Hohlleiter (2) befindlichen Objektes (3), folgende Verfahrensschritte umfassend: - Aussenden eines Sendesignals (SHF) entlang des Hohlleiters (2) in Richtung des Objektes (3), wobei das Sendesignal (SHF) innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes (fstart - fstop) mit einer zeitlich definierten Frequenzänderung (df/dt) ausgesendet wird, - Empfang des reflektierten Signals (EHF) nach Reflektion an am Objekt (3), - Ermittlung des Abstandes (d) anhand einer Differenzfrequenz zwischen dem reflektierten Signal (EHF) und dem Sendesignal (SHF), dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenzabhängigkeit der zeitlichen Frequenzänderung (df/dt) des Sendesignals (SHF) zumindest approximativ proportional zur Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit (cG(f)) des Sendesignals (SHF) im Hohlleiter (2) eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzabhängigkeit der Frequenzänderung (df/dt) linear an die Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit (cG(f)) approximiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzabhängigkeit der Frequenzänderung (df/dt) der Frequenzabhängigkeit an die Ausbreitungsgeschwindigkeit (cG(f)) approximiert wird, indem - das Frequenzband (fstart- fstop) in zumindest zwei insbesondere gleichgroße Sub-Bänder (s1, s2, s3, s4) untergliedert wird, - die Mittenfrequenz (f1, f2, f3, f4) jedes Sub-Bandes (s1, s2, s3, s4) ermittelt wird, - innerhalb der Sub-Bänder (s1, s2, s3, s4) als zeitliche Frequenzänderung (df/dt) jeweils eine lineare Frequenzänderung (Δf1, Δf2, Δf3, Δf4) eingestellt wird, wobei o die linearen Frequenzänderungen (Δf1, Δf2, Δf3, Δf4) unter Verwendung eines gemeinsamen Proportionalitätsfaktors proportional zur jeweiligen Ausbreitungsgeschwindigkeit (cG(f1,2,3,4)) bei der korrespondierenden Mittenfrequenz (f1, f2, f3, f4) eingestellt werden.
  4. Abstandsmessgerät zur FMCW-basierten Messung eines Abstandes (d) eines in einem Hohlleiter (2) befindlichen Objektes (3) nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Komponenten umfassend: - Eine Hochfrequenz-Erzeugungs-Einheit (10) zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF), das innerhalb des vorbestimmten Frequenzbandes (fstart- fstop) die zeitlich definierte Frequenzänderung (df/dt) aufweist, - einen Signalteiler (11) zur Aufteilung des elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF), - zumindest eine Sende-/Empfangs-Antenne (13, 14) zum Aussenden des Hochfrequenz-Signals (sHF) als Sendesignal (SHF), und/oder zum Empfang des Empfangssignals (EHF), - einen Mischer (16) zum Mischen des elektrischen Hochfrequenz-Signals (sHF) mit dem erhaltenen Empfangssignal (eHF), und - eine Auswerte-Einheit zur Bestimmung des Abstandes (d) anhand der Differenzfrequenz des Zwischenfrequenz-Signals (eLF)
  5. Verwendung des Abstandsmessgerätes nach Anspruch 4 als Füllstandsmessgerät (1), das zur Messung des in einem Bypass- oder Schwallrohr (2) eines Behälters (5) vorherrschenden Füllstandes (L) eines im Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3) dient.
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