DE102019104682A1

DE102019104682A1 - Radar-basiertes Füllstandsmessgerät

Info

Publication number: DE102019104682A1
Application number: DE102019104682.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Blödt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2020-08-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät (1), das folgende Komponenten umfasst: Eine Antennen-Einheit (11) mit einem Einkoppel-Element (111) zur Einkopplung eines Radar-Signals (S) in einen Wellenleiter (115), der eine definierte Strahl-Achse (112) aufweist, und mit einem Reflektor (113), der anschließend an den Wellenleiter (115) derart in der Strahl-Achse (112) angeordnet ist, um das Radar-Signal (S) in einem definierten Winkel gen Füllgut (3) abzulenken; Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, das Einkoppel-Element (111) zur Erzeugung des Radar-Signals (S) entsprechend anzusteuern; Eine Empfangseinheit, die konzipiert ist, um nach Reflektion des Radar-Signals (S) im Inneren des Behälters (2) ein Empfangs-Signal (E) über das Einkoppel-Element (111) zu empfangen; Und eine Auswertungseinheit, die ausgelegt ist, um zumindest anhand des Empfangs-Signals (E) den Füllstand (L) zu bestimmen. Durch diese Auslegung der Antennen-Einheit (11) wird diese quasi gefaltet, um sie im Vergleich zu standardmäßig verwendeten Hornantennen äußerst flach auslegen zu können. Gerade bei Nutzung hoher Radar-Frequenzen oberhalb von 60 GHz kann auf Basis der erfindungsgemäßen Antennen-Einheit (11) daher ein insgesamt sehr flaches Füllstandsmessgerät (1) aufgebaut werden, dass hierdurch ein potentiell erweitertes Einsatzspektrum bieten kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein kompakt auslegbares, Radar-basiertes Füllstandsmessgerät.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden allgemein Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Hierzu basiert die Funktionsweise der Feldgeräte auf jeweils geeigneten Messprinzipien, um die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit zu erfassen. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen werden von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich Radar-basierte Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein zentraler Vorteil Radar-basierter Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Radar-Signale mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 500 GHz. Übliche Frequenzbänder, bei denen Füllstandsmessung durchgeführt wird, liegen bei 2 GHz, 6 GHz, 26 GHz oder 79 GHz. Je höher das das Frequenzband gewählt ist, desto schmaler ist der Strahlkegel des abgestrahlten Radar-Signals bei ansonsten gleichen Antennen-Abmessungen.
Im Fall von Radar-basierter Füllstandsmessung bildet das Pulslaufzeit-Prinzip ein etabliertes Messprinzip. Hierbei werden pulsförmige Radar-Signale zyklisch in Richtung des Füllguts ausgesandt und die Laufzeit bis zum Empfang des entsprechenden pulsförmigen Empfangs-Signals gemessen. Auf Basis dieses Messprinzips können Füllstandsmessgeräte mit vergleichsweise geringem schaltungstechnischem Aufwand realisiert werden.
Sofern eine komplexere Schaltungstechnik in Kauf genommen werden kann, bietet sich zur Radar-basierten Füllstandsmessung auch FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) als Messprinzip an. Dieses Messprinzip beruht darauf, das Radar-Signal zwar kontinuierlich, jedoch mit modulierter Frequenz auszusenden. Dabei liegt die Frequenz des Radar-Signals in einem festgelegten Frequenzband im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz. Kennzeichnend für FMCW ist hierbei, dass die Sende-Frequenz nicht konstant ist, sondern sich periodisch innerhalb des festgelegten Frequenzbandes ändert. Bei einer Mittenfrequenz von 79 GHz beträgt das Frequenzband beispielsweise 2 GHz, also von 78 GHz bis 80 GHz.
Die zeitliche Änderung der Frequenz ist bei FMCW standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise Dreiecks-Form auf. Eine Sinusförmige Änderung kann prinzipiell jedoch auch eingesetzt werden. Im Gegensatz zum Pulslaufzeit-Verfahren wird die Entfernung bzw. der Füllstand bei Implementierung des FMCW-Verfahrens auf Basis der instantanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuellen Empfangssignal und dem momentan ausgesendeten Mikrowellensignal bestimmt. Das Messprinzip von FMCW und dem Pulslaufzeit-Verfahren wird beispielsweise in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000“ beschrieben.
Bei Radar-Frequenzen von ca. 20 GHz und höher kann die Signalerzeugungs-Einheit des Füllstandsmessgerätes mitsamt der Empfangseinheit bzw. der nachgeschalteten Auswertungseinheit als gemeinsamer integrierter Schaltkreis realisiert werden. Daher können Füllstandsmessgeräte bei höheren Radar-Frequenzen prinzipiell platzsparender und besser montierbar realisiert werden. Zwar kann mit steigender Frequenz auch die Abmessung der einzusetzenden Radar-Antenne verkleinert werden, ohne den Strahlkegel zu vergrößern. Dennoch weist sie im Vergleich zu den weiteren Komponenten des Füllstandsmessgerätes nach wie vor vergleichsweise große Abmessungen auf. Außerdem steht die Antenne, sofern sie wie nach dem Stand der Technik üblich, als Hornantenne konzipiert ist, in das BehälterInnere ab. Des Weiteren vergrößert sich der Strahlkegel bzw. es bilden sich Nebenkeulen aus bei Verkleinerung der Antenne. Für eine Funkzulassung macht dies eine flache Bauform des Füllstandsmessgerätes insgesamt unmöglich. Gerade an kleinen Behälter-Öffnungen sind übliche Füllstandsmessgeräte daher nicht anbringbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antennen-Einheit für Radar-basierte Füllstandsmesstechnik bereitzustellen, mit der das Füllstandsmessgerät äußerst kompakt ausgelegt werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstands eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes. Hierzu umfasst das Gerät folgende Komponenten:

- Eine Antennen-Einheit, mit
- ◯ einem Einkoppel-Element, das ausgelegt ist, ein Radar-Signal in
- ◯ einen Wellenleiter mit einer definierten Strahl-Achse einzukoppeln, und
- ◯ einem Reflektor, der anschließend an den Wellenleiter derart in der Strahl-Achse angeordnet ist, um das Radar-Signal in einem definierten Winkel gen Füllgut abzulenken,
- eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, das Einkoppel-Element zur Erzeugung des Radar-Signals entsprechend anzusteuern,
- eine Empfangseinheit, die konzipiert ist, um nach Reflektion des Radar-Signals (S_HF) im Inneren des Behälters ein Empfangs-Signal über das Einkoppel-Element zu empfangen, und
- eine Auswertungseinheit, die ausgelegt ist, um zumindest anhand des Empfangs-Signals den Füllstand zu bestimmen.

Dieses quasi Falten der Antenne-Einheit ermöglicht eine sehr flache Bauweise der Antennen-Einheit bzw. des gesamten Füllstandsmessgerätes. Auch die Blockdistanz des Füllstandsmessgerätes, also die mindestmögliche Distanz des Füllstandsmessgerätes, mit dem noch ein Füllstandswert ermittelt werden kann, wird durch die erfindungsgemäße Antennen-Einheit potentiell deutlich verringert.
In Bezug zum Füllstandsmessgerät wird unter dem Begriff „Einheit“ im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den jeweiligen Bestimmungszweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine (halbleiterbasierte) Digitalschaltung wie einem Microcontroller oder um ein Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Füllstandsmessgerätes im Sinne der Erfindung potentiell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
Die kompakteste Faltung und somit die kompakteste Bauform der erfindungsgemäßen Antennen-Einheit lässt sich bei Verwendung lediglich eines Reflektors erreichen, wenn dieser Reflektor derart ausgelegt und angeordnet ist, um das auszusendende Radar-Signal-Signal in einem Winkel von circa 90° zur der Strahl-Achse des Einkoppel-Elementes abzulenken, bzw. um Empfangs-Signale, die in einem Winkel von ca. 90° zur Strahle-Achse eintreffen, zum Primärstrahler zu lenken. Im Sinne der Erfindung ist es jedoch nicht ausgeschlossen, den Ablenkungs-Winkel auf einen anderen Wert als 90° einzustellen. Hierauf basierend ist es zudem denkbar, einen zweiten um 90° ablenkenden Reflektor zwischen dem Einkoppel-Element und dem Füllgut im Strahlengang der Radar-Signale anzuordnen, wobei die zweite Ablenkung orthogonal zur ersten 90°-Ablenkung des ersten Reflektors erfolgt.
Neben dem Ablenkungs-Winkel bestimmt die Form des Reflektors zudem den Bündelungswinkel, mit dem das Radar-Signal ausgesendet wird, bzw. unter dem das Empfangs-Signal empfangen wird. Dementsprechend kann der Reflektor beispielsweise parabolisch geformt werden, um die Radar-Signale beim Aussenden bzw. beim Empfang zu bündeln.
Eine grundlegende Auslegungs-Variante der Antenne-Einheit besteht darin, dass im Wellenleiter sowie im Zwischenraum zum Reflektor keinerlei Füll-Material eingebracht ist, so dass dort lediglich Luft-Atmosphäre bzw. Vakuum vorherrscht. Um die quasi optische Signallänge der Radar-Signale zu verkürzen, kann der Wellenleiter und/oder der Zwischenraum zwischen dem Wellenleiter und dem Reflektor jedoch auch mit einem Füll-Material, das einen Dielektrizitätswert von zumindest 1,5 aufweist, gefüllt werden. Hierdurch kann die Baugröße der Antennen-Einheit bei gleicher Strahl-Bündelung weiter reduziert werden. Dementsprechend können Materialien mit einem möglichst hohen Dielektrizitätswert bzw. einer möglichst hohen magnetischen Permeabilität verwendet werden, beispielsweise Keramiken wie Al₂O₃, Kunststoffe, wie insbesondere PE, PP, PTFE, die beispielsweise per Spritzguss hergestellt bzw. geformt werden können, oder metallische Gläser, wie beispielsweise gemäß der Veröffentlichungsschrift US 20160113113 A1 beschrieben.
Sofern ein Füll-Material verwendet wird, kann dies in Bezug zum Ablenkungs-Winkel des Reflektors gemäß dem Wirkprinzip von Sammel-Linsen eine derart konvex geformte Oberfläche gen Füllgut aufweisen, um die Radar-Signale beim Aussenden bzw. beim Empfang zu bündeln. Hierbei kann die Bündelungswirkung weiter gesteigert werden, ohne die Bauteil-Tiefe zu erhöhen, indem die Oberfläche gemäß dem Wirkprinzip von Fresnel-Linsen einen rotationssymmetrisch sägezahnförmigen Querschnitt aufweist.
Um die Ablenkung des Radar-Signals von der Strahl-Achse des Wellenleiters zu verstärken, bzw. um den Hohlleiter verkürzen zu können, kann ein etwaiges Füll-Material derart verschieden zusammengesetzt werden, dass sich der Dielektrizitätswert des Füll-Materials entlang der Strahl-Achse beispielsweise stufenweise, kontinuierlich oder exponentiell ändert.
Auf Basis der erfindungsgemäßen Antennen-Einheit kann das gesamte Füllstandsmessgerät äußerst kompakt ausgelegt werden. Damit neben der Antennen-Einheit auch die weiteren Komponenten kompakt realisierbar sind, ist es vorteilhaft, wenn die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, das Radar-Signal mit einer Frequenz von zumindest 20 GHz, insbesondere mehr als 100 GHz zu erzeugen, bzw. wenn die Empfangseinheit und die Auswertungseinheit ausgelegt sind, das entsprechende Empfangs-Signal zu verarbeiten. In diesem Fall können die Signalerzeugungs-Einheit, die Empfangseinheit und die Auswertungseinheit monolithisch in einem Halbleiter-Bauteil realisiert werden.
Prinzipiell ist es nicht vorgeschrieben, wie bzw. aus welchen EinzelKomponenten die erfindungsgemäße Antennen-Einheit gefertigt wird. Die Antennen-Einheit kann jedoch sehr aufwandsarm gefertigt werden, wenn ein Füll-Material verwendet wird. In diesem Fall kann die Idee genutzt werden, dass das Füll-Material selbst als Grundkörper für die gesamte Antennen-Einheit fungiert. Dabei wird der Reflektor, sofern überhaupt notwendig, nachträglich per Beschichtung an der entsprechenden Stelle des Füll-Materials aufgebracht. Ein entsprechendes Fertigungs-Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:

- Spritzgießen des Füll-Materials in eine Spritzguss-Form, wobei die Spritzguss-Form
- ◯ einen Hohlleiter-förmigen Abschnitt,
- ◯ eine an den Hohlleiter-förmigen Abschnitt anschließende Wandung, die korrespondierend zum Reflektor in Bezug zur Strahl-Achse des Hohlleiter-förmigen Abschnittes ausgestaltet ist, und
- ◯ Eine insbesondere konkave Oberfläche, die in Bezug zur Wandung im Ablenkungs-Winkel des Reflektors angeordnet ist,
aufweist,
- Entformen des verfestigten Füll-Materials aus der Spritzguss-Form, und
- Anbringen des Einkoppel-Elementes an dem Ende des verfestigten Füllgut-Materials, das der Wandung gegenüberliegt.

Je nachdem, in welcher Zusammensetzung das verfestigte Füll-Material vorliegt, kann es je nach Dielektrizitätswert sein, dass die Wandung aufgrund des hohen Dielektrizitätswert-Unterschiedes zur Umgebung bereits als Reflektor für das Radar-Signal fungiert, ohne dass die Wandung eine metallische Beschichtung aufweisen muss. Andernfalls kann der verfestigte Füll-Material im Bereich der Wandung mit einem Beschichtungsmaterial, das zumindest für die Radar-Signale reflektierend wirkt, beschichtet werden. Hierbei kann die entsprechende Wandung des Füll-Materials von außen beispielsweise mittels Sputtern oder chemischer Gasphasenabscheidung (auch bekannt als „Chemical Vapor Deposition“) beschichtet werden. Als Metallisierung kann dabei beispielsweise Cu, Al, Fe, Au, Ag oder eine Legierung hiervon verwendet werden.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

1: Eine typische Anordnung eines Radar-basierten Füllstandsmessgerätes an einem Behälter, und
2: eine erfindungsgemäße Antennen-Einheit für Radar-basierte Füllstandsmessgeräte.

Zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung ist in 1 eine typische Anordnung eines frei abstrahlenden, Radar-basierten Füllstandsmessgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. In dem Behälter 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Dazu ist das Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des maximal zulässigen Füllstands L am Behälter 2 angebracht. Je nach Einsatzgebiet kann die Einbauhöhe h des Füllstandsmessgerätes 1 über dem Behälterboden bis zu mehr als 100 m betragen.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine Schnittstelle, die auf einem entsprechenden Bussystem wie etwa „Ethernet“, „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ basiert, mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem, einer dezentralen Datenbank oder einem Handgerät wie einem Mobilfunkgerät verbindbar. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Über die Schnittstelle können jedoch auch weitere Informationen in Bezug zum Füllstand L übermittelt werden.
Da das in 1 dargestellte Füllstandsmessgerät 1 als frei abstrahlendes Radar ausgelegt ist, umfasst es eine entsprechende Antenne 11'. Dabei ist die Antenne 11', wie in 1 dargestellt, nach dem Stand der Technik in der Regel als Hornantenne ausgelegt. Die Antenne 11' bzw. das Füllstandsmessgerät 1 ist so ausgerichtet, dass entsprechende Radar-Signale S_HF in Richtung des Füllgutes 3 ausgesendet werden. Dabei werden die Radar-Signale S_HF je nach Messverfahren (Pulslaufzeit oder FMCW) in einer hierzu ausgelegten Signalerzeugungs-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 generiert und der Antenne 11' zugeführt.
An der Oberfläche des Füllgutes 3 werden die Radar-Signale S_HF reflektiert und nach einer korrespondierenden Signallaufzeit durch die Antenne 11' bzw. eine nachgeschaltete Empfangseinheit des Füllstandsmessgerätes 1 entsprechend als Empfangssignale E_HF empfangen. Der Füllstand L lässt sich anhand der Empfangssignale E_HF bestimmen, da die Signallaufzeit der Radar-Signale S_HF, E_HF proportional zur Entfernung d = h - L des Füllstandsmessgerätes 1 zur Füllgut-Oberfläche ist.
Zur Bestimmung des Füllstandes L erstellt eine Auswertungseinheit des Füllstandsmessgerätes 1 auf Basis des Empfangssignals E_HF eine Auswertungskurve. Bei Implementierung des FMCW-Verfahrens erstellt die Auswertungseinheit die Auswertungskurve prinzipiell durch Mischen des momentan empfangenen Empfangssignals E_HF mit dem derzeit ausgesendeten Radar-Signal S_HF, wobei die Signalerzeugungs-Einheit das Radar-Signal S_HF hierzu kontinuierlich mit sägezahnförmiger FrequenzÄnderung generiert. Dabei weist die Frequenz der Auswertungskurve eine proportionale Abhängigkeit zum Abstand d zur Füllgut-Oberfläche auf, so dass der Füllstand L auf Basis der gemessenen Frequenz ermittelt werden kann.
Bei Nutzung des Pulslaufzeit-Verfahrens erzeugt die Signalerzeugungs-Einheit das Radar-Signal S_HF entsprechend pulsförmig mit einer definierten Pulsrepetitions-Rate. Zur Bestimmung der Pulslaufzeit erstellt die Signal-Auswertungs-Einheit die hierzu notwendige Auswertungskurve durch Unterabtastung des Empfangs-Signals E_HF.
Wie aus 1 hervorgeht, erlaubt die Verwendung einer Hornantenne 11' keine bündige Anordnung des Füllstandsmessgerätes 1 an der Innenwand des Behälters 2. Vielmehr steht die Antenne 11' in den Innenraum des Behälters 2 ab. Insbesondere bei hygienischen Anwendungen, wie in der lebensmittelverarbeitenden Industrie sind überstehende Einbauten aufgrund möglicher Keimbildung jedoch zu vermeiden.
Eine erfindungsgemäße Antennen-Einheit 11, mit der das Radar-basierte Füllstandsmessgerät 1 kompakt bzw. insbesondere flach ausgelegt werden kann, ist als Querschnitt in 2 dargestellt: Kern der Antennen-Einheit 11 ist ein sich konisch aufweitender Wellenleiter 115, an den ein Reflektor 113 anschließt. Dabei ist der Reflektor 113 in der Strahl-Achse 112 des Wellenleiters 115 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsvariante ist der Reflektor 113 dabei so ausgelegt, dass er das Radar-Signal S_HF bzw. dessen Hauptabstrahlkeule in etwa um 90° in Bezug zur Strahl-Achse 112 des Wellenleiters 115 gen Füllgut 3 abstrahlt. Eingekoppelt wird das auszusendende Radar-Signal S_HF in den Wellenleiter 115 von einem Einkoppel-Element 11. Hierzu ist das Einkoppel-Element 111 an dem Ende des Wellenleiters 115, das dem Reflektor 113 gegenüberliegt, angeordnet. Die Hauptabstrahl-Keule des Einkoppel-Elementes 111 ist vorzugsweise in etwa deckungsgleich zur Strahl-Achse 112 des Wellenleiters 115 einzustellen. Dabei kann das Einkoppel-Element 111 als metallischer Pin, als oder als Mikrostreifenleiter ausgelegt werden. Bei Auslegung als Patch-Antenne oder dielektrischer Resonator bietet es sich an, wenn diese als integraler Bestandteil eines Radar-IC's („Integrated Circuit“) ausgelegt sind.
Durch die reziproken Eigenschaften von Antennen wird analog zur Abstrahlung auch das am Reflektor 113 eintreffende Empfangs-Signal E_HF um 90° gen Strahl-Achse 112 des Wellenleiters 115 abgelenkt. Durch die konische Zuspitzung des Wellenleiters 115 gen Einkoppel-Element 111 ist das Empfangs-Signal E_HF im Anschluss verlustarm in das Einkoppel-Element 11 einkoppelbar.
Der Innen-Querschnitt ist des Wellenleiters 115 ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgegeben. Zwecks einer effizienten Ankopplung an den Reflektor 113 bietet sich insbesondere ein runder Innen-Querschnitt an. Daneben könnte der Wellenleiter 115 auch mit einem viereckigen oder ovalen Querschnitt ausgelegt werden.
Die Länge und der Öffnungswinkel des Wellenleiters 115 definieren maßgeblich die Breite der Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals S_HF. Bei einer Frequenz des Radar-Signals S_HF, E_HF bietet sich beispielsweise ein Öffnungswinkel von 3° bis 8° an.
Durch die erfindungsgemäße Ablenkung der Radar-Signale S_HF, E_HF um 90° kann der Öffnungswinkel und die Länge des Wellenleiter 115 somit auf eine schmale Hauptabstrahlkeule bzw. eine starke Bündelung ausgelegt werden, ohne dass dies wesentliche Auswirkungen auf die Bautiefe der Antennen-Einheit 11 hat. In einer nicht-dargestellten Erweiterung der erfindungsgemäßen Antennen-Einheit kann hinter dem Reflektor 113 ein weiterer Reflektor angeordnet werden, der die Radar-Signale S_HF, E_HF um 90° aus der Bildebene von 2 heraus gen Füllgut 3 ablenkt. Durch diese weitere Faltung der Antennen-Einheit 11 könnte diese noch kompakter dimensioniert werden.
Die Formgebung des Reflektors 113 kann auch Einfluss auf die Hauptabstrahlkeule bzw. die Bündelung der Radar-Signale S_HF, E_HF beim Aussenden und beim Empfang haben. Diesbezüglich bietet sich beispielsweise eine entsprechend parabolische Formgebung des Reflektors 113 an. Insgesamt kann die Antennen-Einheit 11 noch kompakter ausgelegt werden, wenn der Wellenleiter 115 bzw. der angrenzende Zwischenraum zum Reflektor 113 mit einem dielektrischen Füll-Material 114 ausgefüllt sind. Dabei kann die Baugröße bei gleichbleibender Strahlbündelung umso mehr reduziert werden, je größer der Dielektrizitätswert des Füll-Materials ist. Dementsprechend bieten sich als Füllmaterialien beispielsweise

- Keramiken wie Al₂O₃,
- Kunststoffe, wie insbesondere PE, PP, PTFE, die beispielsweise per Spritzguss hergestellt bzw. geformt werden können, oder
- metallische Gläser, wie beispielsweise gemäß der Veröffentlichungsschrift US 20160113113 A1 beschrieben,

Die Oberfläche 114' des Füll-Materials 114 zwischen dem Wellenleiter 115 und dem Reflektor 113, die in Bezug zur Strahl-Achse 112 gen Ablenkungs-Winkel des Reflektors 113 verläuft, ist bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel konvex ausgestaltet. Dies bewirkt analog zum Funktionsprinzip von Sammellinsen eine zusätzliche Bündelung der Radar-Signale S_HF, E_HF. Eine weitere Bündelung könnte erreicht werden, wenn die Oberfläche 114' in diesem Bereich des Füll-Materials 114 analog zum Funktionsprinzip von Fresnel-Linsen einen rotationssymmetrisch sägezahnförmigen Querschnitt aufweist (weniger geeignet für hygienisch kritische Anwendungen).
Um die Antennen-Einheit 11 bzw. das Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise für hygienisch anspruchsvolle Anwendungen zu ertüchtigen, kann der Bereich außerhalb der gen Füllgut 3 gewandten Oberfläche 114' des Füll-Materials 114 mit einer Blende versehen werden (nicht in 2 dargestellt), damit die Antennen-Einheit 11 bündig mit der Behälter-Innenwand abschließen kann und somit wenig Ablagerungsraum für Keimbildung geboten wird.
Vorteilhaft bei der Konzipierung der Antennen-Einheit 11 mit Füll-Material 114 ist neben den Strahlformenden Eigenschaften des Füll-Materials 114, dass die Antennen-Einheit 11 hierauf basierend äußerst einfach zu fertigen ist: So kann zuerst das Füll-Material 114 per Spritzguss oder Heißprägen entsprechend geformt werden. Dabei ist die zugrunde zulegende Spritzguss- oder Präge-Form als Positiv-Form des Wellenleiters 115 und des Reflektors 113 auszulegen, mit:

◯ einem Hohlleiter-förmigen Abschnitt, der die Geometrie des Wellenleiters 115 festlegt,
◯ einer an den Hohlleiter-förmigen Abschnitt anschließenden Wandung, die korrespondierend zum Reflektor 113 in Bezug zur Strahl-Achse 112 des Hohlleiter-förmigen Abschnittes 115 ausgestaltet ist, und
◯ Einer insbesondere konkave Oberfläche 114', die in Bezug zur Wandung im Ablenkungs-Winkel des Reflektors 113 von ca. 90° angeordnet ist.

Nach Entformen des verfestigten Füll-Materials 114 aus der Spritzguss- oder Präge-Form ist die Antennen-Einheit 11 im Wesentlichen bereits gefertigt, da das resultierende Spritzguss-Formteil eine Negativ-Form des Wellenleiters 115 und des Reflektors 113 darstellt. Die erforderliche, reflektierende Wirkung als Reflektor 113 kann an der Wandung eingestellt bzw. verstärkt werden, indem die Oberfläche des Füll-Materials im Bereich der Wandung mit einer hierzu geeigneten Metallisierung wie bspw. Al, Ag, Au, Fe oder Cu bzw. einer entsprechenden Legierung beschichtet wird. Als Beschichtungsverfahren kann zum Beispiel Sputtern oder PECVD („Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition“) herangezogen werden. Gegebenenfalls kann auf eine solche Beschichtung sogar verzichtet werden, wenn das Füll-Material 114 einen derart hohen Dielektrizitätswert aufweist, dass das Radar-Signal S_HF bzw. das Empfangs-Signal E_HF bereits ohne Beschichtung an der Grenzfläche zwischen dem Füll-Material 114 im Bereich der Wandung und der Umgebung totalreflektiert wird. Abschließend ist das Füllgut-Material 114 an dem Ende, das der Wandung bzw. dem Reflektor 113 gegenüberliegt, mit der Einkoppel-Einheit 111 zu kontaktieren.
Bezugszeichenliste

1: Füllstandsmessgerät
2: Behälter
3: Füllgut
4: Übergeordnete Einheit
11: Antennen-Einheit
111: Einkoppel-Element
112: Strahl-Achse
113: Reflektor
114: Füll-Material
115: Wellenleiter
d: Messdistanz
E_HF: Empfangssignal
h: Einbauhöhe bzw. Messbereich
L: Füllstand
S_HF: Radar-Signal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20160113113 A1 [0014, 0033]

Claims

Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstands (L) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3), folgende Komponenten umfassend: - Eine Antennen-Einheit (11), mit ◯ einem Einkoppel-Element (111), das ausgelegt ist, ein Radar-Signal (S_HF) in ◯ einen Wellenleiter (115) mit einer definierten Strahl-Achse (112) einzukoppeln, und ◯ einem Reflektor (113), der, anschließend an den Wellenleiter (115), derart in der Strahl-Achse (112) des Wellenleiters (115) angeordnet ist, um das Radar-Signal (S_HF) in einem definierten Winkel gen Füllgut (3) abzulenken, - eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, das Einkoppel-Element (111) zur Erzeugung des Radar-Signals (S_HF) entsprechend anzusteuern, - eine Empfangseinheit, die konzipiert ist, um nach Reflektion des Radar-Signals (S_HF) im Inneren des Behälters (2) ein Empfangs-Signal (E_HF) über das Einkoppel-Element (111) zu empfangen, und - eine Auswertungseinheit, die ausgelegt ist, um zumindest anhand des Empfangs-Signals (E_HF) den Füllstand (L) zu bestimmen.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, wobei der Reflektor (113) derart ausgelegt und angeordnet ist, um das auszusendende Radar-Signal-Signal (S_HF) in einem Winkel von circa 90° zur der Strahl-Achse (112) des Einkoppel-Elementes (111) abzulenken.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Reflektor (113) derart parabolisch geformt ist, um die Radar-Signale (S_HF, E_HF) beim Aussenden bzw. beim Empfang zu bündeln.
Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wellenleiter (115) und/oder ein Zwischenraum zwischen dem Wellenleiter (115) und dem Reflektor (113) mit einem Füll-Material (114), das einen Dielektrizitätswert von zumindest 1,5 aufweist, gefüllt ist.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 4, wobei das Füll-Material (114) in Bezug zum Ablenkungs-Winkel des Reflektors (113) eine derart konvex geformte Oberfläche (114') aufweist, um die Radar-Signale (S_HF, E_HF) beim Aussenden bzw. beim Empfang zu bündeln.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 5, wobei die Oberfläche (114') einen rotationssymmetrisch sägezahnförmigen Querschnitt aufweist.
Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Füll-Material derart verschieden zusammengesetzt wird, dass sich der Dielektrizitätswert des Füll-Materials (114) entlang der Strahl-Achse (112), insbesondere stufenweise oder kontinuierlich ändert.
Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, das Radar-Signal (S_HF) mit einer Frequenz von zumindest 20 GHz, insbesondere mehr als 100 GHz zu erzeugen, und wobei die Auswertungs-Einheit ausgelegt ist, das entsprechende Empfangs-Signal (E_HF) zu verarbeiten.
Verfahren zur Fertigung der Antennen-Einheit (11) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Spritzgießen des Füll-Materials (114) in eine Spritzguss-Form, wobei die Spritzguss-Form ◯ einen Hohlleiter-förmigen Abschnitt, ◯ eine an den Hohlleiter-förmigen Abschnitt anschließende Wandung, die korrespondierend zum Reflektor (113) in Bezug zur Strahl-Achse (112) des Hohlleiter-förmigen Abschnittes (115) ausgestaltet ist, und ◯ Eine insbesondere konkave Oberfläche (114`), die in Bezug zur Wandung im Ablenkungs-Winkel des Reflektors (113) angeordnet ist, aufweist, - Entformen des verfestigten Füll-Materials (114) aus der Spritzguss-Form, und - Anbringen des Einkoppel-Elementes (111) an dem Ende des verfestigten Füllgut-Materials (114), das der Wandung gegenüberliegt.
Verfahren nach Anspruch 9, folgenden Verfahrensschritt umfassend: - Beschichtung des verfestigten Füll-Materials (114) im Bereich der Wandung mit einem Beschichtungsmaterial, das zumindest für das Radar-Signal (S_HF) reflektierend wirkt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Wandung mittels Sputtern oder chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) beschichtet wird.