DE102018113232A1 - Radar-based level gauge - Google Patents
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- G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät (1) zur Messung des Füllstandes (L) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3), sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb dieses Füllstandsmessgerätes (1). Erfindungsgemäß weist das Füllstandsmessgerät (1) einen Beschleunigungssensor und/oder einen Drehratensensor zur Messung einer Beschleunigungund/oder einer Drehrateauf, um etwaige Bewegungen des Behälters (1) zu erfassen. Dabei ändert das Füllstandsmessgerät (1) die Taktrate (r), sofern eine Beschleunigungund/oder eine Drehrategemessen wird. Diese Auslegung ermöglicht es, das Füllstandsmessgerät (1) leistungsoptimiert und dementsprechend autark auch an nicht-stationären Behältern (1), wie IBC-Tanks zu betreiben: Da der Leistungsverbrauch des Füllstandsmessgerätes (1) maßgeblich von der Taktrate (r) abhängt, kann durch eine herabgesetzte Taktrate (r) das Füllstandsmessgerät (1) situationsabhängig in einem energiesparenden Modus betrieben werden.The invention relates to a filling level measuring device (1) for measuring the filling level (L) of a filling material (3) located in a container (2), and to a corresponding method for operating this level measuring device (1). According to the invention, the level gauge (1) has an acceleration sensor and / or a rotation rate sensor for measuring an acceleration and / or a rotation rate in order to detect any movements of the container (1). In this case, the level gauge (1) changes the clock rate (r) if an acceleration and / or a rotation rate is measured. This design makes it possible to operate the level gauge (1) performance optimized and therefore self-sufficient to non-stationary containers (1), such as IBC tanks: Since the power consumption of the level measuring device (1) significantly depends on the clock rate (r), can a reduced clock rate (r) the level gauge (1) depending on the situation are operated in an energy-saving mode.
Description
Die Erfindung betrifft ein autark betreibbares Füllstandsmessgerät sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.The invention relates to a stand-alone fill level measuring device and a method for its operation.
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.In process automation technology, appropriate field devices are used to record relevant process parameters. For the purpose of detecting the process parameters, suitable measuring principles are therefore implemented in the respective field devices with which the corresponding process parameters such as level, flow, pressure, temperature, pH, redox potential or conductivity can be detected. Various types of field device types are manufactured and distributed by Endress + Hauser.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher überwiegend Radarbasierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung definiert sich der Begriff „Radar“ als Signal bzw. elektromagnetische Welle mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Die beiden gängigen Messprinzipien bilden hierbei das Puls-Laufzeit-Prinzip (auch unter dem Begriff „Pulsradar“ bekannt) sowie das FMCW-Prinzip („Frequency Modulated Continuous Wave“; zu Deutsch: „Frequenzmoduliertes Dauerstrichradar“).Non-contact measuring methods have become established for level measurement of products in containers since they are robust and require little maintenance. Another advantage of non-contact measuring methods is the ability to measure the level virtually continuously. In the field of continuous level measurement, radar-based measuring methods are therefore predominantly used (in the context of this patent application, the term "radar" is defined as a signal or electromagnetic wave with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz). The two common measuring principles are the pulse-transit time principle (also known by the term "pulse radar") and the FMCW principle ("Frequency Modulated Continuous Wave", in English: "Frequency-modulated continuous wave radar").
Bei Radar-Frequenzen von ca. 20 GHz und höher kann die Sendeschaltung des Füllstandsmessgerätes mitsamt der Empfangsschaltung bzw. nachfolgender Auswertung als gemeinsamer integrierter Schaltkreis realisiert werden. Zudem verkleinert sich die Abmessung der einzusetzenden Antennen mit steigender Frequenz. Daher können Füllstandsmessgeräte bei höheren Radar-Frequenzen prinzipiell platzsparender und besser montierbar realisiert werden.At radar frequencies of about 20 GHz and higher, the transmission circuit of the level gauge can be realized together with the receiving circuit and subsequent evaluation as a common integrated circuit. In addition, the dimension of the antennas to be used decreases with increasing frequency. Therefore, level gauges can be realized at higher radar frequencies in principle space-saving and better mountable.
Sofern das Füllstandsmessgerät vor allem bezüglich der Bauhöhe entsprechend kompakt ist und der zu messende Füllstand mit hinreichender Auflösung messbar ist, können Füllstandsmessgeräte prinzipiell auch an nicht-stationären Behältern wie IBC-Tanks eingesetzt werden. Jedoch kann der Einsatz an solchen Behältern daran scheitern, dass das Füllstandsmessgerät aufgrund seines Leistungsverbrauchs lediglich kabelgebunden betrieben werden kann.If the level gauge is compact, especially with regard to the overall height, and the level to be measured can be measured with sufficient resolution, level gauges can in principle also be used on non-stationary containers such as IBC tanks. However, the use of such containers fail because the level gauge can only be operated wired due to its power consumption.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein autark betreibbares Füllstandsmessgerät bereitzustellen.The invention is therefore based on the object to provide a stand-alone operable level gauge.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Füllstandsmessgerät zur Messung des Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes. Hierzu umfasst das Messgerät folgende Komponenten:
- - Ein Sende-/Empfangsmodul, das ausgelegt ist,
- ◯ ein hochfrequentes Signal mit einer vordefinierten Taktrate in Richtung des Füllgutes auszusenden, und
- ◯ nach Reflektion an der Oberfläche des Füllgutes ein entsprechendes Empfangssignal zu empfangen,
- - Eine Auswerte-Schaltung, die ausgelegt ist, zumindest anhand des Empfangssignals den Füllstand entsprechend der Taktrate jeweils erneut zu bestimmen.
- - A transceiver module that is designed
- ◯ send a high-frequency signal at a predefined cycle rate in the direction of the contents, and
- ◯ to receive a corresponding received signal after reflection at the surface of the filling material,
- An evaluation circuit which is designed to determine the fill level corresponding to the clock rate in each case at least based on the received signal.
Das Sende-/Empfangsmodul sowie die Auswerte-Schaltung können hierbei je nach Messprinzip (FMCW oder Puls-Laufzeit Verfahren) auf Basis bekannter Schaltungskomponenten realisiert werden: Im Fall von FMCW kann der Sende-Block auf Basis einer PLL („Phase Locked Loop“) aufbaut sein; Die Auswerte-Schaltung kann den Abstand bzw. Füllstand per FFT („Fast Fourier Transformation“) des Empfangssignals mittels eines entsprechenden Rechenblocks ermitteln.Depending on the measuring principle (FMCW or pulse transit time method), the transmitting / receiving module and the evaluation circuit can be realized on the basis of known circuit components: In the case of FMCW, the transmitting block can be based on a PLL ("Phase Locked Loop"). be built up; The evaluation circuit can determine the distance or fill level by FFT ("Fast Fourier Transformation") of the received signal by means of a corresponding computing block.
Bei Implementierung des Puls-Laufzeit-Verfahrens werden die entsprechenden Radarpulse im Sende-Block des Sende-/Empfangsmoduls in der Regel durch einen zyklisch angesteuerten Oszillator, beispielsweise einen spannungsgesteuerten Oszillator oder lediglich einen Quarzoszillator, erzeugt. Der Empfangs-Block verarbeitet das Empfangssignal beim Puls-LaufzeitVerfahren durch Abtastung. Anhand des abgetasteten Signals ermittelt die Auswerte-Schaltung den Abstand bzw. den Füllstand. Das Funktionsprinzip von FMCW- und Pulsradar- basierten Füllstandsmessgeräten wird beispielsweise in „Radar Level Measurement“; Peter Devine, 2000 beschrieben.In implementation of the pulse transit time method, the corresponding radar pulses in the transmission block of the transmission / reception module are generally generated by a cyclically controlled oscillator, for example a voltage-controlled oscillator or merely a quartz oscillator. The receive block processes the received signal in the pulse transit time method by sampling. Based on the sampled signal, the evaluation circuit determines the distance or the level. The functional principle of FMCW and pulse radar-based level gauges is described, for example, in "Radar Level Measurement"; Peter Devine, 2000.
Erfindungsgemäß umfasst das Füllstandsmessgerät neben diesen nach dem Stand der Technik bekannten Komponenten zudem:
- - Einen Beschleunigungssensor und/oder einen Drehratensensor zur Messung einer Beschleunigung und/oder einer Drehrate.
- - An acceleration sensor and / or a rotation rate sensor for measuring an acceleration and / or a rotation rate.
Dabei ist die Auswerte-Schaltung so ausgelegt, dass die Taktrate geändert wird, sofern eine Beschleunigung und/oder eine Drehrate durch den Beschleunigungssensor bzw. den Drehratensensor gemessen wird.In this case, the evaluation circuit is designed so that the clock rate is changed, provided that an acceleration and / or a rotation rate is measured by the acceleration sensor or the rotation rate sensor.
Im Rahmen der Erfindung handelt es sich bei dem Begriff „Taktrate“ um diejenige Rate, mit welcher jeweils eine neue Messung des Füllstandes pro Zeit erfolgt. Dementsprechend ergibt sich die Taktrate je nach implementiertem Messverfahren auf verschiedene Weise: Im Fall des Puls-Laufzeit-Verfahrens entspricht die Taktrate einer entsprechenden Mindestanzahl an zyklisch empfangenen Pulsen bzw. Messsignalen, die nach Abtastung der Empfangssignale zur Bestimmung eines Füllstandsmesswertes herangezogen werden müssen. Beim FMCW-Verfahren wird das per se kontinuierliche Radar-Signal Taktweise mit einer vordefinierten Unterbrechungsdauer unterbrochen bzw. mit einer vordefinierten Sendedauer ausgesendet. Somit entspricht die Taktrate bei FMCW dem Reziproken der Summe aus Sendedauer und Unterbrechungsdauer.In the context of the invention, the term "clock rate" is the rate at which in each case a new measurement of the fill level per time he follows. Depending on the measuring method implemented, the clock rate thus results in different ways: In the case of the pulse transit time method, the clock rate corresponds to a corresponding minimum number of cyclically received pulses or measuring signals which must be used to determine a fill level measured value after scanning the received signals. In the FMCW method, the per se continuous radar signal is interrupted in cycles with a predefined interruption duration or transmitted with a predefined transmission duration. Thus, the clock rate at FMCW corresponds to the reciprocal of the sum of transmit duration and break duration.
Analog zum erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät wird die Erfindung zudem durch ein entsprechendes Verfahren zu dessen Betrieb gelöst. Hiernach umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
- - Aussenden des Radar-Signals in Richtung des Füllgutes mit einer vordefinierten Taktrate,
- - Empfang des Empfangssignals nach Reflektion des Radar-Signals an der Oberfläche des Füllgutes,
- - Taktweise Neubestimmung des Füllstandes entsprechend der Taktrate anhand zumindest des Empfangssignals, und
- - Änderung der Taktrate, sofern eine Beschleunigung und/oder eine Drehrate am Füllstandsmessgerät gemessen wird.
- Emitting the radar signal in the direction of the contents at a predefined clock rate,
- Receiving the received signal after reflection of the radar signal at the surface of the filling material,
- - Timed redetermination of the level according to the clock rate based on at least the received signal, and
- - Change in the clock rate, if an acceleration and / or a rotation rate is measured on the level gauge.
Durch diese erfindungsgemäße Konzipierung wird es ermöglicht, das Füllstandsmessgerät leistungsoptimiert und dementsprechend autark zu betreiben. Da der Leistungsverbrauch des Füllstandsmessgerätes maßgeblich von der Taktrate abhängt, kann durch eine herabgesetzte Taktrate der das Füllstandsmessgerät in einem energiesparenden Modus betrieben werden. Nur sofern erforderlich, wird die Taktrate erhöht. Dabei wird die Einstellung der Taktrate davon abhängig gemacht, ob der Behälter momentan stationär ruht, oder beispielsweise durch einen etwaigen Transport oder eine Be- bzw.-Entladung eine Beschleunigung/Drehrate erfährt. In der einfachsten Ausführungsform kann die Taktrate lediglich zwischen „hoher“ und „niedriger“ Taktrate wie beispielsweise zehn Messungen pro Sekunde und einer Messung pro Stunde gewechselt werden. Dementsprechend braucht nur eine hinreichend dimensionierte Batterie oder ein Akkumulator zur Energieversorgung des Füllstandsmessgerätes eingesetzt werden. Auf eine kabelgebundene Energieversorgung kann verzichtet werden.By this design according to the invention, it is possible to operate the level gauge performance optimized and therefore self-sufficient. Since the power consumption of the level gauge depends largely on the clock rate, the level gauge can be operated in an energy-saving mode by a reduced clock rate. Only if necessary, the clock rate is increased. In this case, the setting of the clock rate is made dependent on whether the container is currently resting stationary, or undergoes an acceleration / rotation rate, for example by a possible transport or a loading or unloading. In the simplest embodiment, the clock rate can only be switched between "high" and "low" clock rates such as ten measurements per second and one measurement per hour. Accordingly, only a sufficiently sized battery or accumulator for powering the level gauge needs to be used. On a wired power supply can be omitted.
Durch die Möglichkeit, selbst zu entscheiden, ob in einem energiesparenden Modus gemessen werden kann, ist das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät auch an potentiell nicht-stationären Behältern wie IBC-Tanks einsetzbar. Bei Einsatz an einem IBC-Tank ist dementsprechend ein geeignetes Befestigungsmittel zur Befestigung an einem IBC-Tank vorzusehen. In diesem Fall bietet es sich insbesondere an, die Schrauböffnung an der Oberseite des IBC-Tanks zur Befestigung zu nutzen. Sofern das Sende-/Empfangsmodul Hardwareseitig so konzipiert ist, dass es das Radar-Signal mit einer Frequenz von zumindest 20 GHz auszusendet, kann das Füllstandsmessgerät zudem entsprechend kompakt ausgelegt werden.By being able to decide for yourself whether it can be measured in an energy-saving mode, the level gauge according to the invention can also be used on potentially non-stationary containers such as IBC tanks. Accordingly, when used on an IBC tank, a suitable fastener for attachment to an IBC tank should be provided. In this case, it is particularly appropriate to use the screw hole on the top of the IBC tank for attachment. If the transmitter / receiver module on the hardware side is designed so that it transmits the radar signal with a frequency of at least 20 GHz, the level gauge can also be made correspondingly compact.
Die passende Strategie der Taktraten-Änderung ist erfindungsgemäß vom jeweiligen Einsatz-Szenario abhängig zu machen: Einerseits kann die Taktrate, ausgehend von einer sehr geringen Taktrate von beispielsweise maximal einer Messung pro Stunde oder sogar auch lediglich einer Messung pro Tag, erhöht werden, sofern eine Beschleunigung, eine Drehrate oder beides gemessen wird. Dies macht beispielsweise Sinn, wenn entsprechend dem Einsatz-Szenario bekannt ist, dass der Behälter nur zum Zweck der Befüllung/Entleerung bewegt oder geneigt wird und bei Stillstand keine Füllstandsänderung zu erwarten ist. Gegebenenfalls macht es in solch einem Fall zudem Sinn, die Taktrate erst zu erhöhen, wenn neben der Beschleunigung und/oder der Drehrate auch eine gewisse Mindest-Änderung des Füllstandes erfasst wird. Dabei ist die Schwelle der Mindest-Änderung so zu bemessen, dass durch Vibrationen oder Wellen bedingte Füllstands-Schwankungen unberücksichtigt bleiben.The appropriate strategy of the clock rate change is inventively dependent on the particular use scenario: On the one hand, the clock rate, starting from a very low clock rate, for example, a maximum of one measurement per hour or even only one measurement per day, increased if one Acceleration, a rate of rotation or both is measured. This makes sense, for example, if it is known according to the use scenario that the container is moved or tilted only for the purpose of filling / emptying and no level change is to be expected at standstill. If necessary, it also makes sense in such a case to increase the clock rate only when, in addition to the acceleration and / or the rotation rate, a certain minimum change in the fill level is also detected. In this case, the threshold of the minimum change is to be dimensioned such that fluctuations due to vibrations or waves remain unconsidered.
Auch bei anderen Anwendungs-Szenarien kann es vorteilhaft sein, die Taktrate nur zu ändern, sofern neben der Beschleunigung/Drehrate auch eine Änderung des Füllstandes erfasst wird. In weiteren Anwendungs-Szenarien kann es wiederum Sinn machen, die Taktrate zu verringern bzw. im Extremfall die Füllstandsmessungen komplett zu stoppen, sofern eine Beschleunigung und/oder eine Drehrate gemessen wird. Vorteilhaft kann dies zum Beispiel sein, wenn aus dem Einsatzgebiet des Behälters bekannt ist, dass beim Transport oder bei der Befüllung/Entleerung eine derart hohe Beschleunigung bzw. Vibration wirkt, dass während dieser Zeit von vornherein keine aussagekräftige Füllstandsmessung möglich sein wird.Even with other application scenarios, it may be advantageous to change the clock rate only, if in addition to the acceleration / rotation rate and a change in the level is detected. In further application scenarios, it may in turn make sense to reduce the clock rate or, in extreme cases, to completely stop the level measurements, provided that an acceleration and / or a rotation rate is measured. This can be advantageous, for example, if it is known from the field of application of the container that during transport or during filling / emptying such a high acceleration or vibration acts that during this time from the outset no meaningful level measurement will be possible.
Nicht nur in diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass die Taktrate erst mit einer definierten Zeitverzögerung geändert wird, nachdem eine Beschleunigung und/oder eine Drehrate gemessen wird: So kann es auch nach Ende der Beschleunigung in einer bekannten Abklingzeit zu Nachschwappen des Füllgutes kommen, so dass eine Anpassung der Taktrate erst nach dieser Abklingzeit Sinn macht.Not only in this context, it is conceivable that the clock rate is changed only with a defined time delay after an acceleration and / or a rate of rotation is measured: So it may come after the end of the acceleration in a known decay time to Nachschwappen the contents, so that an adjustment of the clock rate only makes sense after this cooldown.
Anhand der nachfolgenden Figur wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : eine schematische Anordnung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät an einem Behälter.
-
1 : A schematic arrangement of the level measuring device according to the invention on a container.
Zum Verständnis der Erfindung zeigt
Das Füllstandsmessgerät
Bei Füllstandsmessgeräten nach dem Pulsradar-Prinzip handelt es sich bei den Radarsignalen
Das in
- ob der IBC-Tank momentan stationär ruht, oder ob er beispielsweise zwecks Befüllung bzw. Entleerung geneigt wird. Sofern eine hierdurch bedingte Beschleunigung
kann das Füllstandsmessgerät 1 erfindungsgemäß seine Taktrate rc entsprechend ändern.
- whether the IBC tank is currently stationary, or whether it is inclined, for example, for filling or emptying. If a resulting acceleration
1 According to the invention change its clock rate r c accordingly.
Somit misst das Füllstandsmessgerät
Bei weiteren Anwendungs-Szenarien kann die Ursache einer Beschleunigung
Vorteilhaft wäre je nach Art des Behälters
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Füllstandsmessgerät
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Füllstandsmessgerätlevel meter
- 22
- Behältercontainer
- 33
- Füllgutfilling
- 44
- Übergeordnete EinheitParent unit
- dd
- Entfernungdistance
- RHF R HF
- Empfangssignalreceive signal
- Beschleunigungacceleration
- Drehraterotation rate
- hH
- Einbauhöheinstallation height
- LL
- Füllstandlevel
- rc c
- Taktrateclock speed
- SHF S HF
- Radar-SignalRadar Signal
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