DE102018112819A1 - Winkelauflösendes Entfernungsmessgerät - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Entfernungsmessgerät (1) zur Bestimmung einer Entfernung (d(α)) zu einem Messobjekt (2), das sich in einem definierten Winkel (α) zum Entfernungsmessgerät (1) befindet. Hierauf basierend kann insbesondere ein winkelauflösendes Füllstandsmessgerät realisiert werden, mittels dem der Füllstand (L(b)) in Form eines zweidimensionalen Profils ermittelt werden kann. Das Messgerät (1) basiert auf einer reihenförmigen Anordnung von zumindest zwei Sendeantennen (12a - 12d) sowie zumindest zwei parallel hierzu angeordneten Empfangsantennen (13a - 13d). Das Entfernungsmessgerät (1) zeichnet sich dadurch aus, dass entweder die Sendeantennen (12a - 12d) oder die Empfangsantennen (13a - 13d) in einem größeren Abstand (D), als die Hälfte der Wellenlänge (λ) des Radar-basierten Hochfrequenzsignals (S), zueinander angeordnet sind. Durch die resultierende Strahlcharakteristik in Form von Grating Lobes erzielt das Messgerät (1) eine hohe Winkelauflösung. Durch diejenigen Antennen, die in kleinerem Abstand als der Hälfte der Signal-Wellenlänge (λ) beabstandet sind, bleibt dennoch die Winkeleindeutigkeit bzw. der Winkelbereich (± α) uneingeschränkt erhalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein winkelauflösendes Entfernungsmessgerät, insbesondere zum Einsatz als Füllstandsmessgerät, sowie ein Verfahren zum Betrieb des Messgerätes.
  • In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der Prozessparameter sind in den jeweiligen Feldgeräten daher geeignete Messprinzipien implementiert, mit denen die entsprechenden Prozessparameter, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit erfassbar sind. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen werden 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. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz).
  • Ein etabliertes Messprinzip bildet hierbei FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“). Das Messprinzip von FMCW- Radar basierten Entfernungsmessverfahren beruht darauf, ein kontinuierliches Hochfrequenzsignal mit einer modulierten Frequenz auszusenden. Kennzeichnend für FMCW ist hierbei, dass die Sende-Frequenz periodisch innerhalb eines definierten Frequenzbandes geändert wird. Unter Berücksichtigung der regulatorischen Vorschriften kommen mit fortschreitender Entwicklung verbreitet höhere Frequenzbänder im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz zum Einsatz: Neben dem 6 GHz-Band, dem 26 GHz-Band oder dem 79 GHz-Band sind mittlerweile Frequenz von über 100 GHz implementiert. Vorteilhaft an hohen Frequenzen ist, dass bei höheren Frequenzen eine größere absolute Bandbreite (bspw. 4 GHz beim 100 GHz-Frequenzband) genutzt werden kann. Dadurch wird wiederum eine höhere Auflösung bzw. eine höhere Genauigkeit der Füllstandsmessung erreicht.
  • Die zeitliche Änderung der Frequenz innerhalb des Frequenzbandes ist standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise DreiecksForm auf. Eine Sinus-förmige Änderung kann prinzipiell auch implementiert sein. Die Entfernung wird beim FMCW-Verfahren auf Basis der momentanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen Hochfrequenzsignal nach Reflektion am Messobjekt, und dem momentan vom Messgerät ausgesendeten Hochfrequenzsignal bestimmt. Beschrieben wird das FMCWbasierte Füllstandsmessverfahren beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 490 A1 .
  • Mit dem FMCW-Verfahren ist es möglich, die Entfernung bzw. den Füllstand zumindest punktuell zu messen. Dabei richtet sich der Punkt, an dem der Füllstand gemessen wird, nach der Ausrichtung der Sende- / Empfangsantenne bzw. nach der Richtung ihrer Strahlkeule (aufgrund der allgemein reziproken Eigenschaften von Antennen ist die Charakteristik bzw. der Strahlwinkel der Strahlkeule der jeweiligen Antenne unabhängig davon, ob sie sendet oder empfängt; bei dem Begriff „Winkel“ oder „Strahlwinkel“ handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung um denjenigen Winkel, in dem die Strahlkeule ihre maximale Sende-Intensität bzw. Empfangs-Empfindlichkeit aufweist).
  • Im Falle von flüssigen Füllgütern, deren Füllstand homogen ist, ist eine punktuelle Füllstandsmessung ausreichend. In diesen Fällen ist das Füllstandsmessgerät so ausgerichtet, dass die Strahlkeule der Antenne in etwa senkrecht nach unten gen Füllgut gerichtet ist und die Entfernung zum Füllgut bestimmt. Bei feststoffartigen Füllgütern wie Kies oder Getreide kann der Füllstand beispielsweise aufgrund von Schüttgutkegeln jedoch inhomogen sein, so dass der vom Füllstandsmessgerät ermittelte Füllstandswert nur bedingt aussagekräftig ist. Speziell in solchen Fällen ist es daher erstrebenswert, die Entfernung bzw. den Füllstand in Form eines zwei- oder dreidimensionalen Profils bestimmen zu können.
  • Um dies zu ermöglichen, muss das Messgerät so ausgelegt sein, dass die Strahlkeule des Hochfrequenzsignals in einem hinreichenden Winkelbereich schwenkbar ist, damit das Füllgut-Profil über den gesamten BehälterQuerschnitt oder zumindest einen Teilbereich hiervon erfasst werden kann.
  • Radar-basierte Entfernungsmessgeräte, bei denen die Strahlkeule elektrisch schwenkbar ist, sind aus dem Stand der Technik bekannt: Genutzt wird hier das Prinzip der Überlagerung des Hochfrequenzsignals mehrerer Antennen, die reihenförmig (Strahlschwenkung entlang einer Achse) oder in einem Array (Strahlschwenkung um zwei Achsen) angeordnet sind. Um das Hochfrequenzsignal unter einem definierten Winkel abzustrahlen bzw. zu empfangen, werden die einzelnen Antennen gemäß deren Anordnungsreihenfolge mit einer pro Antenne zunehmenden Phasenverschiebung angesteuert. Dabei stellt sich der Winkel α der Strahlkeule in Abhängigkeit der Phasenverschiebung φ gemäß α ∼ arcsin ( φ )
    Figure DE102018112819A1_0001
    ein. Nach dem Stand der Technik kann die hierfür erforderliche Hardware bereits so kompakt integriert werden, dass die Antennen als Patch-Antennen zusammen mit dem Halbleiterbauteil für die Signalerzeugung/ Signalauswertung auf einer gemeinsamen Leiterplatte bzw. sogar als gemeinsam gekapselter IC („Integrated Circuit“) untergebracht sind.
  • Voraussetzung für eine eindeutige, winkelabhängige Entfernungs- bzw. Füllstandsmessung ist, dass die einzelnen Antennen in einem Abstand, der kleiner als die Hälfte der Wellenlänge des Hochfrequenzsignals ist, aufgereiht sind. Andernfalls entstehen neben der eigentlichen Strahlkeule, die in Richtung des eingestellten Winkels zeigt, so genannte „Grating Lobes“ Dies sind Sekundär-Strahlkeulen, die im Gegensatz zu Nebenkeulen eine Strahlintensität gleich der Intensität der primären Strahlkeule aufweisen. Sofern also die Sende- oder Empfangsantennen weiter als die Hälfte der Wellenlänge des Radar-Signals voneinander beabstandet sind, ist der Winkel, unter dem ein etwaiges Objekt ein Radar-Echosignal hervorruft, aufgrund der Grating Lobes nicht mehr eindeutig zuordenbar.
  • In der deutschen Veröffentlichungsschrift DE 100 36 131 A1 wird ein Radar-basiertes, winkelauflösendes Entfernungsmessgerät beschrieben, das eine Sendeantenne und mehrere reihenförmig angeordnete Empfangsantennen aufweist, wobei die Empfangsantennen zum Teil in einem größeren Abstand als der Hälfte der Wellenlänge des Radar-basierten Hochfrequenzsignals angeordnet sind. Bezweckt wird hierdurch, dass die Winkelauflösung des Entfernungsmessgerätes verbessert wird, da die Grating Lobes der Empfangsantennen-Anordnung winkelbezogen sehr scharfe Intensitätsmaxima aufweisen. Gleichzeitig ist es damit möglich, die Zahl der Empfangsantennen zu reduzieren (bspw. lediglich 16 anstelle von 64 Empfangsantennen zu implementieren), ohne die Winkelauflösung zu reduzieren. Nachteilhaft an dieser Auslegung ist jedoch, dass durch die Grating Lobes die Winkeleindeutigkeit verlorengeht bzw. der Winkelbereich der möglichen Strahlschwenkung stark reduziert wird. Hierdurch lässt sich im Falle von Füllstandsmessung lediglich ein sehr eingeschränktes Profil der Füllgut-Oberfläche erstellen.
  • Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, ein winkelauflösendes Abstands- bzw. Füllstandsmessgerät bereitzustellen, mit dem bei hoher Auflösung ein großer Winkelbereich erfasst werden kann.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Entfernungsmessgerät zur Bestimmung einer Entfernung zu einem Messobjekt, das sich in einem definierten Winkel zum Entfernungsmessgerät befindet. Es umfasst:
    • - Eine reihenförmige Anordnung von zumindest zwei Sendeantennen, zum Aussenden eines Radar-basierten Hochfrequenzsignals mit einer definierten Wellenlänge in Richtung des Messobjektes,
    • - eine Signalerzeugungseinheit, die ausgelegt ist, die Sendeantennen mittels eines bei FMCW charakteristischen, elektrischen Signals anzusteuern,
    • - zumindest zwei Empfangsantennen, die in etwa parallel zu der Sendeantennen-Anordnung angeordnet sind, zum Empfang des vom Messobjekt reflektierten Messsignals, und
    • - eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgelegt ist,
      • ◯ die Empfangsantennen auszulesen,
      • ◯ anhand des jeweiligen Differenzsignals der Sendeantennen und der ausgelesenen Empfangsantennen die Entfernung zu bestimmen.
  • Das erfindungsgemäße Messgerät zeichnet sich dadurch aus, dass entweder die zumindest zwei Empfangsantennen in einem größeren Abstand, als die Hälfte der Wellenlänge des Hochfrequenzsignals, zueinander angeordnet sind. In diesem Fall ist die Signalerzeugungseinheit ausgelegt, die Sendeantennen entsprechend deren Anordnungs-Reihenfolge derart unter einer pro Sendeantenne jeweils zunehmenden, ersten Phasenverschiebung anzusteuern, dass die Sendeantennen-Anordnung das elektromagnetische Hochfrequenzsignal in dem Winkel abstrahlt, in dem sich das Messobjekt befindet. Die Sendeantennen sind hierbei in einem kleineren Abstand als die Hälfte der Wellenlänge des Hochfrequenzsignals angeordnet.
  • Alternativ sind im Sinne der Erfindung nicht die Empfangsantennen, sondern die zumindest zwei Sendeantennen in einem größeren Abstand, als die Hälfte der Wellenlänge des Hochfrequenzsignals, zueinander angeordnet. In diesem Fall ist die Signalverarbeitungseinheit ausgelegt, die Empfangsantennen entsprechend deren Anordnungs-Reihenfolge derart unter einer zweiten, pro Empfangsantenne jeweils zunehmenden Phasenverschiebung auszulesen, dass das unter dem Winkel eintreffende, reflektierte Hochfrequenzsignal ausgewertet wird.
  • Vorteilhaft an beiden dieser erfindungsgemäßen Anordnungen der Sende- bzw. Empfangsantennen ist, dass die Signalerzeugungseinheit bzw. die Signalverarbeitungseinheit ausgelegt werden kann, um diejenigen Antennen, die in einem größeren Abstand als die Hälfte der Wellenlänge des Hochfrequenzsignals angeordnet sind, so anzusteuern, dass eine erste Grating Lobe dieser Antennen in Richtung des Winkels zeigt. Dementsprechend liegt diese erste Grating Lobe bezüglich des Winkels deckungsgleich zu dem Winkel der Strahlkeule derjenigen Antennen, die in kleinerem Abstand als die Hälfte der Wellenlänge angeordnet sind. Hierdurch bewirkt einerseits die Grating Lobe der weit (> λ/2) beabstandeten Antennen eine hohe Trennschärfe, also eine hohe Winkelauflösung. Durch die nahe (< λ/2) zueinander angeordneten Antennen geht andererseits die Winkeleindeutigkeit nicht verloren, da sie nur eine (breite) Strahlkeule hervorrufen. Somit kann das erfindungsgemäße Messgerät bei hoher Auflösung einen großen Winkelbereich erfassen (der theoretisch größtmögliche Winkelbereich beträgt hierbei 180 °).
  • Um die Entfernung bzw. den Füllstand nicht nur punktuell, sondern über einen definierten Winkelbereich bestimmen zu können, muss die Signalverarbeitungseinheit ausgelegt sein, um die zweite Phasenverschiebung ändern zu können; analog muss die Signalerzeugungseinheit ausgelegt sein, die erste Phasenverschiebung so zu ändern, dass der Strahl-Winkel beider Antennen-Anordnungen (also der Sendeantennen-Anordnung sowie der Empfangsantennen-Anordnung) synchron veränderbar ist.
  • In einer Weiterentwicklung des erfindungsgenmäßen Messgerätes sind die Signalerzeugungseinheit und die Signalverarbeitungseinheit so ausgelegt, dass Nullstellen zwischen Nebenkeulen derjenigen Antennen, deren Abstand zueinander in etwa gleich oder kleiner als die Hälfte der Wellenlänge des Hochfrequenzsignals (also maximal in etwa 0.6 * λ/2) ist, bezüglich des Winkels deckungsgleich zu weiteren Grating Lobes der Antennen mit größerem Abstand als die Hälfte der Wellenlänge sind. Dabei lassen sich die Positionen der Nullstellen einerseits durch die genaue Bemaßung der Abstände zwischen den Antennen einstellen. Des Weiteren kann die Lage der Nullstellen im Falle der Empfangs-Antennen in der Praxis auch durch nummerische Optimierung der Abtastung der Empfangs-Antennen mittels bspw. einer entsprechenden Taperfunktion eingestellt werden.
  • Durch den Abgleich der Nullstellen mit den Nebenkeulen werden diejenigen Grating Lobes der weit auseinander angeordneten Antennen, die nicht zur Strahlkeule der nahe zueinander angeordneten Antennen korrespondieren sollen, bestmöglich unterdrückt. Somit wird die gewünschte Winkeleindeutigkeit gewährleistet.
  • Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Messgerät ist zudem, dass es im Vergleich zu Messgeräten mit vergleichbarer Winkelauflösung eine reduzierte Anzahl an Sende- bzw. Empfangsantennen erfordert. So kann das Erfindungsmessgerät beispielsweise ausgelegt werden, dass es anstelle von vierundsechzig höchstens sechszehn Sendeantennen und/oder sechszehn Empfangsantennen umfasst. Hierdurch ist es möglich, entsprechende Hardware-Komponenten mit verringerter Komplexität einzusetzen. In diesem Zusammenhang bietet es sich an, wenn die Signalerzeugungseinheit und die Signalverarbeitungseinheit als Komponenten eines gemeinsamen IC's („Integrated Circuit“, also gemeinsam gekapselte Komponenten) realisiert sind, und wenn die Sendeantennen und die Empfangsantennen als Patch-Antennen innerhalb des IC's ausgelegt sind.
  • Eine technische Umsetzungsmöglichkeit zur Einstellung der ersten Phasenverschiebung bzw. der zweiten Phasenverschiebung besteht darin, dass die Signalerzeugungseinheit und/oder die Signalverarbeitungseinheit pro Antenne einen insbesondere spannungsgesteuerten oder programmierbaren Phasenschieber umfassen/umfasst. Alternativ ist es auch möglich, dass die Signalerzeugungseinheit und/oder die Signalverarbeitungseinheit zur Einstellung der ersten Phasenverschiebung bzw. der zweiten Phasenverschiebung ein pro Antenne insbesondere spannungsgesteuertes oder programmierbares Verzögerungsglied umfassen/umfasst. Im Gegensatz zu einer rein Hardware-basierten Einstellung der Phasenverschiebungen mittels Verzögerungsglied oder Phasenschieber ist es natürlich ebenso denkbar, die Phasenverzögerungen auf Software-Basis zu implementieren. Voraussetzung hierfür ist, dass die Antennen kohärent, also mit einem gemeinsamen Phasenbezug ansteuerbar sind. Empfangsseitig kann ein fester Phasenbezug beispielsweise mittels eines I/Q-Empfängers hergestellt werden.
  • Im Sinne der Erfindung bietet es sich insbesondere an, das Messgerät entsprechend der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Füllstandsmessgerät zu implementieren und somit den Füllstand in Form eines zweidimensionalen Höhenprofils zu bestimmen.
  • Ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb des Entfernungsmessgerätes gemäß den vorhergehenden Ausführungsformen umfasst folgende Verfahrensschritte:
    • - Einstellung der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung auf einen gemeinsamen Winkel,
    • - Messung des Abstandes unter diesem Winkel,
    • - Wiederholen der Phaseneinstellung und der Abstandsmessung innerhalb eines vordefinierten Winkelbereichs, und
    • - Erstellung eines Entfernungsprofils anhand der im Winkelbereich ermittelten Entfernungen.
  • Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1: ein erfindungsgemäßes Füllstandsmessgerät an einem Behälter,
    • 2: einen schaltungstechnischen Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes, und
    • 3: Strahlcharakteristika der Sende- und Empfangsantennen-Anordnungen des erfindungsgemäßen Entfernungsmessgerätes.
  • Zum Verständnis der Erfindung ist in 1 ein erfindungsgemäßes Entfernungsmessgerät 1 zum Einsatz als Füllstandsmessgerät gezeigt: Im Innenraum eines Behälters 3 befindet sich ein Füllgut 2, dessen Füllstand L(b) durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Hierzu ist das Füllstandsmessgerät 1 in einer bekannten Einbauhöhe h oberhalb des Füllgutes 2 am Behälter 3 angebracht. Dabei kann der Behälter 3 je nach Art und Einsatzgebiet bis zu mehr als 100 m hoch sein.
  • Das Füllstandsmessgerät 1 ist so am Behälter 3 ausgerichtet und befestigt, dass es kontinuierlich, zyklisch oder auch azyklisch ein Hochfrequenzsignal SHF mit entsprechender Wellenlänge λ in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 aussendet. Infolge der Reflektion des Hochfrequenzsignals SHF an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 das reflektierte Hochfrequenzsignal RHF in Abhängigkeit des Abstandes d ( α ) = h − L ( b )
    Figure DE102018112819A1_0002
    zur Füllgut-Oberfläche.
  • In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine Schnittstelle, etwa „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber kann der Füllstandswert L(b) übermittelt werden, beispielsweise um gegebenenfalls Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.
  • Wie im Falle des FMCW-Verfahrens üblich, handelt es sich bei dem Hochfrequenzsignal SHF um eine kontinuierlich ausgesendete elektromagnetische Welle mit zeitlich modulierter Frequenz f bzw. Wellenlänge λ. Damit kann die Signallaufzeit und somit der Abstand d(α) bzw. der Füllstand L(b) bei Implementierung des FMCW-Verfahrens auf Basis der momentanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell reflektierten Hochfrequenzsignal RHF und dem gleichzeitig ausgesendeten Hochfrequenzsignal SHF bestimmt werden. Auf Basis dessen ist es nach dem Stand der Technik bereits möglich, den Füllstand L(b) bei Idealbedingungen (gut reflektierendem Füllgut 2, planarer Füllgut-Oberfläche, keine Hindernisse wie Rührwerke oder sonstige Einbauten im Signalpfad des Hochfrequenzsignals SHF ) punktuell mit einer Genauigkeit im Sub-Mikrometer-Bereich aufzulösen. Selbst bei rauen bzw. welligen Füllgut-Oberflächen oder staubhaltiger Atmosphäre ist mittels dem FMCW-Verfahren eine zuverlässige Messung des Füllstandes L an einem Punkt der Füllgut-Oberfläche möglich.
  • Allerdings stößt die punktuelle Messung des Füllstandes L an seine Grenzen, wenn die Oberfläche des Füllgutes 2, wie in 1 dargestellt, nicht planar ist. Dies kann insbesondere bei Schüttgut-artigen Füllgütern 2 eintreten, bspw. wenn sich beim Befüllen des Behälters 3 Schüttkegel bilden. Daneben kann es beim Abpumpen des Füllgutes 2 zu Vertiefungstrichtern an der Füllgut-Oberfläche kommen. Sofern das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L(b) lediglich punktuell an einer Stelle der Oberfläche des Füllgutes 2 bestimmen würde, könnte dies zu einer fehlerhaften Interpretation des Füllstandes L(b) führen. So könnte zum Beispiel ein Entleerungsvorgang gestoppt werden, wenn durch das Füllstandsmessgerät 1 ein leerer Behälter 3 ermittelt wurde, obwohl am Rand des Behälter-Inneren noch Füllgut 2 vorhanden ist. Im entgegengesetzten Fall könnte es bei vollem Behälter 3 vorkommen, dass ein Befüll-Vorgang nicht angehalten wird, obwohl ein Maximalfüllstand an einer Stelle der Füllgut-Oberfläche bereits überschritten ist, da dies durch das Füllstandsmessgerät 1 nicht erkannt wird.
  • Aus diesem Grund bestimmt das in 1 dargestellte Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L(b) in Form eines zweidimensionalen Profils (bezogen auf den Behälterquerschnitt b). Hierzu misst das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L(b) nicht nur senkrecht bei α = 0°. Vielmehr wird die Entfernung d(α) innerhalb eines vordefinierten Winkelbereichs ± αmax in Abhängigkeit verschiedener Winkel α gemessen. Dabei bestimmt sich die erreichbare Winkelauflösung des Füllstandsmessgerätes 1 anhand dessen, mit welcher Genauigkeit der jeweilige Winkel α einstellbar ist.
  • Zur Erstellung des zweidimensionalen Profils kann der jeweilige Winkel α (da dieser wie auch die jeweils gemessene Entfernung d(α) bekannt ist) mittels der Sinusfunktion zu einem korrespondierenden lateralen Wert b, der in Bezug zum Behälterquerschnitt steht, umgerechnet werden. Es erfolgt also eine entsprechende Umwandlung von einem Polar-Koordinatensystem in ein kartesisches Koordinatensystem.
  • Ein schematischer Aufbau des erfindungsgemäßen Entfernungsmessgerätes 1, das die Entfernung d(α) winkelabhängig messen kann und somit zur Bestimmung von Füllstands-Profilen herangezogen werden kann, ist in 2 dargestellt: Es basiert auf einer reihenförmigen Anordnung von vier Sendeantennen 12a - 12d zum Aussenden des Hochfrequenzsignals SHF in Richtung des Füllgutes 2, sowie vier Empfangsantennen 13a - 13d, die in etwa parallel zu der Sendeantennen-Anordnung 12a - 12d angeordnet sind und das Hochfrequenzsignal RHF nach Reflektion am Messobjekt 2 empfangen. Die in 2 gezeigte Ausführungsform mit jeweils vier Antennen a - d ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben: Solange mindestens zwei Sendeantennen 12 und zwei Empfangsantennen 13 implementiert sind, ist die Anzahl der jeweiligen Antennen 12, 13 prinzipiell unabhängig voneinander frei wählbar.
  • Um die Strahlkeulen der Sendeantennen-Anordnung 12a - 12d und der Empfangsantennen Anordnung 13a - 13d auf den Winkel α auszurichten, wird im Rahmen der Erfindung das Prinzip der phasenverschobenen Antennen-Ansteuerung verwendet: Bei phasenverschobener Ansteuerung überlagern sich die Strahlkeulen der einzelnen Antennen je nach Phasenverschiebung φ, ϕ asymmetrisch, so dass die resultierende Strahlkeule der gesamten Antennen-Anordnung 12a - 12d; 13a - 13d in Richtung des Winkels α zeigt. Wie aus 2 zu erkennen ist, bezieht sich der Winkel α auf das Lot zu derjenigen Ebene, in der die Antennen 12a - 12d; 13a - 13d angeordnet sind.
  • Angesteuert werden die Sendeantennen 12a - 12d durch eine entsprechende Signalerzeugungseinheit 11. Zum einen muss diese ausgelegt sein, um ein elektrisches Signal SHF zu erzeugen, dass die für FMCW charakteristische, modulierte Frequenz f aufweist. Sie kann dazu beispielsweise auf einem phasengesteuerten Regelkreis (auch bekannt als PLL, „Phase Locked Loop“) basieren. Zum anderen muss die Signalerzeugungseinheit 11 das elektrische Signal SHF den Sendeantennen 12a - 12d entsprechend deren Anordnungsreihenfolge mit einer pro Sendeantenne a - d zunehmenden, ersten Phasenverschiebung φ zuführen.
  • Analog hierzu werden die Empfangsantennen 13a - 13d durch eine Signalverarbeitungseinheit 14 mit einer in Bezug zur Anordnungsreihenfolge pro Empfangsantenne a - d zunehmenden, zweiten Phasenverschiebung ϕ ausgelesen. Hiernach werden die Empfangssignale der einzelnen Empfangsantennen 13a - 13d entsprechend phasenverschoben addiert. Durch Mischen dieses addierten Signals mit dem jeweils phasenverschoben addierten elektrischen Signal SHF der Signalerzeugungseinheit 11 erhält die Signalverarbeitungseinheit 14 ein für FMCW typisches Zwischenfrequenzsignal (dabei entspricht das Mischen mathematisch einer Subtraktion des jeweiligen elektrischen Signals SHF vom entsprechenden Empfangssignal). Alternativ hierzu wäre es ebenso denkbar, die einzelnen phasenverschobenen Empfangssignale erst mit dem Signal der korrespondierenden Sendeantenne 12a - 12d in den LO-Frequenzbereich runterzumischen, bevor die resultierenden Signale zum Zwischenfrequenzsignal addiert werden. Bei weiter fortgeschrittenen Varianten kann das Zwischenfrequenzsignal auch erst auf digitaler Basis gebildet werden. Hierbei werden die Empfangssignale bzw. die elektrischen Signale SHF an den Sendeantennen 12a - 12d erst addiert, gemischt und digitalisiert, bevor die Differenzbildung dieser beiden Signale auf digitaler Basis stattfindet.
  • Anhand des Zwischenfrequenzsignals kann die Signalverarbeitungseinheit 14 entsprechend dem FMCW-Verfahren die Entfernung d(α) bestimmen, da die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals proportional zur Entfernung d des im Winkel α befindlichen Messobjektes 2 ist. Dabei kann die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals beispielsweise per Fast Fourier Transformation des Zwischenfrequenzsignals durch einen entsprechend programmierten Microcontroller der Signalverarbeitungseinheit 14 ermittelt werden. Die ermittelte Frequenz des Zwischenfrequenzsignals kann wiederum beispielsweise mittels einer im Microcontroller hinterlegten Look up table der korrespondierenden Entfernung d(α) zugeordnet werden.
  • Der Wert der jeweiligen Phasenverschiebung φ, ϕ hängt von dem Abstand D zwischen den einzelnen Antennen, der Wellenlänge λ des auszusendenden Hochfrequenzsignals SHF sowie dem einzustellenden Winkel α gemäß φ , ϕ = 2 π ∗ D λ ∗ sin ( α )
    Figure DE102018112819A1_0003
    ab.
  • Die Phasenverschiebungen φ, ϕ können sowohl bei der Signalerzeugungseinheit 11, als auch bei der Signalverarbeitungseinheit 14 entweder rein auf Software-Basis oder mittels entsprechender Hardware realisiert werden. Im Falle einer Hardwareseitigen Implementierung können die Signalerzeugungseinheit 11 bzw. die Signalverarbeitungseinheit 14 hierzu jeweils einen Phasenschieber oder ein Verzögerungsglied pro Antenne a - d umfassen.
  • Gemäß der Erfindung ist der Abstand D zwischen den vier Sendeantennen 12a - 12d größer dimensioniert, als die Hälfte der Wellenlänge λ des Hochfrequenzsignals SHF . Bei einer Frequenz f des Hochfrequenzsignals SHF , RHF von 100 GHz entspricht dies gemäß c = λ ∗ f
    Figure DE102018112819A1_0004
    einem Mindestabstand von D > 1,5 mm (c ist die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum). Ein praktikabler Wert, bei dem sich sicher Grating Lobes ausbilden, ist hierbei D = λ, also D = 3 mm. Erfindungsgemäß strahlt hierdurch die Sendeantennen-Anordnung 12a - 12d das Hochfrequenzsignal SHF nicht nur in Form einer einzigen Strahlkeule ab, sondern in Form von Grating Lobes. Dabei zeigt eine erste Grating Lobe in Richtung des mittels der ersten Phasenverschiebung φ eingestellten Winkels α. Graphisch dargestellt ist dies in 3a. Hieraus wird zudem ersichtlich, dass alle Grating Lobes im Gegensatz zu Nebenkeulen einer (Haupt-)Strahlkeule dieselbe Intensität in dB aufweisen.
  • Da die Empfangsantennen 13a -13d bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in einem geringeren Abstand als die Hälfte der Wellenlänge, also < λ/2, beabstandet sind, treten bei der Empfangsantennen-Anordnung 13a - 13d keine Grating Lobes auf. Bei 100 GHz könnte dementsprechend ein Abstand von 1 mm (entspricht ungefähr λ/3) gewählt werden. Daher entspricht die winkelabhängige Empfindlichkeit der Empfangsantennen-Anordnung 13a -13d dem in 3b dargestellten Verlauf. Wie dort ersichtlich wird, zeigt die Haupt-Strahlkeule der Empfangsantennen-Anordnung 13a - 13b in Richtung des durch die zweite Phasenverschiebung ϕ eingestellten Winkels α.
  • Durch diese Empfangs-Charakteristik in Verbindung mit der in 3a dargestellten Sende-Charakteristik der Sendeantennen-Anordnung 12a - 12d wird das vom Messobjekt 2 reflektierte Hochfrequenzsignal RHF durch die Signalverarbeitungseinheit mit einer hohen Trennschärfe erfasst, wie aus 3c hervorgeht. Hieraus resultiert die erfindungsgemäß hohe Winkelauflösung des Entfernungsmessgerätes 1. Wie in 3c ebenfalls zu erkennen ist, sind die weiteren Grating Lobes der Sendeantennen-Anordnung 12a - 12d, die nicht dem eingestellten Winkel α entsprechen, weitestgehend unterdrückt. Zurückzuführen ist dies auf Lage der Nullstellen zwischen den Nebenkeulen der Empfangsantennen-Anordnung 13a - 13d (vgl. 3b). Die Lage dieser Nullstellen ist deckungsgleich zu den weiteren Grating Lobes der Sendeantennen-Anordnung 12a - 12d (siehe 3a), so dass diese Grating Lobes hierdurch herausgefiltert werden. Neben der Bemaßung der Abstände zwischen den Empfangs-Antennen 13a - 13d kann die Lage der Nullstellen in der Praxis auch durch nummerische Optimierung der Abtastung der Empfangs-Antennen 13a - 13d, bspw. mittels einer entsprechenden Fensterfunktion, eingestellt werden. Alternativ zu der in 2 gezeigten Ausführungsvariante des Entfernungsmessgerätes 1 wäre es erfindungsgemäß natürlich ebenso denkbar, anstelle der Sendeantennen 12a - 12d die Empfangsantennen 13a - 13d in einem größeren Abstand D, als die Hälfte der Wellenlänge λ des Hochfrequenzsignals SHF , zueinander anzuordnen. In diesem Fall entspräche die in 3a gezeigte Kurve dem Empfindlichkeitsverlauf der Empfangsantennen-Anordnung 13a - 13d; Die in 3b dargestellte Kurve entspräche der Sende-Intensität der Sendeantennen-Anordnung 12a - 12d. Somit würde auch in diesem Fall das reflektierte Hochfrequenzsignal RHF mit der in 3c gezeigten Trennschärfe erfasst werden, wodurch die erfindungsgemäß hohe Winkelauflösung hervorgerufen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Füllstandsmessgerät
    2
    Messobjekt/Füllgut
    3
    Behälter
    4
    Übergeordnete Einheit
    11
    Signalerzeugungseinheit
    12
    Sendeantennen
    13
    Signalverarbeitungseinheit
    14
    Empfangsantennen
    b
    Behälterquerschnitt
    D
    Antennen-Abstand
    d
    Entfernung
    f
    Frequenz des Sendesignals
    h
    Einbauhöhe
    L
    Füllstand/Höhenprofil
    RHF
    Reflektiertes Hochfrequenzsignal
    SHF
    Hochfrequenzsignal
    α
    Winkel
    λ
    Wellenlänge des Hochfrequenzsignals
    φ
    Erste Phasenverschiebung
    ϕ
    Zweite Phasenverschiebung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013108490 A1 [0005]
    • DE 10036131 A1 [0011]

Claims (10)

  1. Radar-basiertes Entfernungsmessgerät zur Bestimmung einer Entfernung (d(α)) zu einem Messobjekt (2), das sich in einem definierten Winkel (α) zum Entfernungsmessgerät (1) befindet, umfassend: - Eine reihenförmige Anordnung von zumindest zwei Sendeantennen (12a - 12d) zum Aussenden eines Hochfrequenzsignals (SHF) mit einer definierten Wellenlänge (λ) in Richtung des Messobjektes (2) - eine Signalerzeugungseinheit (11), die ausgelegt ist, die Sendeantennen (12a - 12d) anzusteuern, - zumindest zwei Empfangsantennen (13a - 13d), die in etwa parallel zu der Sendeantennen-Anordnung (12a - 12d) angeordnet sind, zum Empfang des vom Messobjekt reflektierten Messsignals (RHF) - eine Signalverarbeitungseinheit (14), die ausgelegt ist, ◯ die Empfangsantennen (13a - 13d) auszulesen, ◯ anhand zumindest der ausgelesenen Empfangsantennen (13a - 13d) die Entfernung (d(α)) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Empfangsantennen (13a - 13d) in einem größeren Abstand (D), als die Hälfte der Wellenlänge (λ) des Hochfrequenzsignals (SHF), zueinander angeordnet sind, wobei die Signalerzeugungseinheit (11) ausgelegt ist, die Sendeantennen (12a - 12d) entsprechend deren Anordnungs-Reihenfolge (a - d) derart unter einer pro Sendeantenne (12a - 12d) jeweils zunehmenden, ersten Phasenverschiebung (φ) anzusteuern, dass die Sendeantennen-Anordnung (12a - 12d) das elektromagnetische Hochfrequenzsignal (SHF) in dem Winkel (α) abstrahlt, in dem sich das Messobjekt (2) befindet, oder dass die zumindest zwei Sendeantennen (12a - 12d) in einem größeren Abstand (D), als die Hälfte der Wellenlänge (λ) des Hochfrequenzsignals (SHF), zueinander angeordnet sind, wobei die Signalverarbeitungseinheit (14) ausgelegt ist, die Empfangsantennen (13a - 13d) entsprechend deren Anordnungs-Reihenfolge (a - d) derart unter einer zweiten, pro Empfangsantenne (13a - 13d) jeweils zunehmenden Phasenverschiebung (ϕ) auszulesen, dass das unter dem Winkel (α) eintreffende, reflektierte Hochfrequenzsignal (RHF) ausgewertet wird.
  2. Entfernungsmessgerät nach Anspruch 1, wobei die Signalerzeugungseinheit (11) bzw. die Signalverarbeitungseinheit (14) ausgelegt ist, diejenigen Antennen (12a - 12d), die in einem größeren Abstand (D) als die Hälfte der Wellenlänge (λ) angeordnet sind, derart anzusteuern, dass eine erste Grating Lobe dieser Antennen (12a - 12d) in Richtung des Winkels (α) zeigt.
  3. Entfernungsmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalerzeugungseinheit (11) ausgelegt ist, die erste Phasenverschiebung (φ) zu ändern Signalverarbeitungseinheit (14) ausgelegt ist, und wobei die zweite Phasenverschiebung (ϕ) zu ändern, so dass der Winkel (α) veränderbar ist.
  4. Entfernungsmessgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Signalerzeugungseinheit (11) und die Signalverarbeitungseinheit (14) so ausgelegt sind, dass Nullstellen zwischen Nebenkeulen derjenigen Antennen (13a - 13d), deren Abstand zueinander in etwa gleich oder kleiner als die Hälfte der Wellenlänge (λ) des Hochfrequenzsignals (SHF) ist, bezüglich des Winkels (α) deckungsgleich zu weiteren Grating Lobes der Antennen (12a - 12d) mit größerem Abstand (D) als die Hälfte der Wellenlänge (λ) sind.
  5. Entfernungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, höchstens sechszehn Sendeantennen (12a - 12d) und/oder sechszehn Empfangsantennen (13a - 13d) umfassend.
  6. Entfernungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Signalerzeugungseinheit (11) und/oder Signalverarbeitungseinheit (14) zur Einstellung der ersten Phasenverschiebung (ϕ) bzw. der zweiten Phasenverschiebung (φ) pro Antenne (12a - 12d, 13a - 13d) einen insbesondere spannungsgesteuerten oder programmierbaren Phasenschieber umfassen/umfasst.
  7. Entfernungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Signalerzeugungseinheit (11) und/oder die Signalverarbeitungseinheit (14) zur Einstellung der ersten Phasenverschiebung (ϕ) bzw. der zweiten Phasenverschiebung (φ) ein pro Antenne (12a - 12d, 13a - 13d) insbesondere spannungsgesteuertes oder programmierbares Verzögerungsglied umfassen/umfasst.
  8. Entfernungsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Signalerzeugungseinheit (11) und die Signalverarbeitungseinheit (14) als Komponenten eines monolithischen Halbleiterbauteils realisiert sind, und/oder wobei die Sendeantennen (12a - 12d) und die Empfangsantennen (13a - 13d) als Patch-Antennen ausgelegt sind.
  9. Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes (L) eines in einem Behälter (3) befindlichen Füllgutes (2), umfassend das Entfernungsmessgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Verfahren zum Betrieb des Entfernungsmessgerätes (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Einstellung der ersten Phasenverschiebung (ϕ) und der zweiten Phasenverschiebung (φ) auf einen gemeinsamen Winkel (α), - Messung der Entfernung (d(α)) unter diesem Winkel (α), - Wiederholen der Phaseneinstellung und der Entfernungsmessung innerhalb eines vordefinierten Winkelbereichs (± αmax), und - Erstellung eines Entfernungsprofils (L(b)) anhand der im Winkelbereich (± αmax) ermittelten Entfernungen (d(α)).
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