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Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb des Füllstandsmessgerätes.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung diverser Messgrößen dienen. Bei der zu bestimmenden Messgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, die Temperatur, den pH-Wert, das Redoxpotential, eine Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Mediums in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Mess-Verfahren. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich Radar-basierte Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nichtabgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein zentraler Vorteil Radar-basierter Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand kontaktlos und quasi kontinuierlich messen zu können. Im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Radar-Signale mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz. Übliche Frequenzbänder, bei denen Füllstandsmessung bzw. Abstandsmessung allgemein durchgeführt wird, liegen bei 2 GHz, 26 GHz, 79 GHz, oder 120 GHz. Die beiden gängigen Messprinzipien bilden hierbei das Puls-Laufzeit-Verfahren (auch unter dem Begriff „Pulsradaf‟ bekannt) sowie das FMCW-Verfahren („Frequency Modulated Continuous Wave“). Ein Füllstandsmessgerät, welches nach dem Puls-Laufzeit-Verfahren arbeitet, ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 104 858 A1 beschrieben. Bezüglich eines typischen Aufbaus von FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten sei exemplarisch auf die Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 490 A1 verwiesen. Näher beschrieben werden die Mess-Verfahren von FMCW und Pulsradar beispielsweise auch in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000“.
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Unabhängig vom implementierten Mess-Verfahren ist bei der Montage des Füllstandsmessgerätes am Behälter eine senkrechte Ausrichtung der Antenne essentiell, da der Einfallswinkel des ausgesendetem Radar-Signals entspricht dem Ausfallwinkel des auf der Füllgut-Oberfläche reflektierten Empfangs-Signals entspricht. Folglich kann das Empfangs-Signal bei ruhender Füllgut-Oberfläche nur zurück zur Antenne reflektiert werden, sofern der Einfallswinkel dem Ausfallswinkel entspricht, also sofern das Radar-Signal senkrecht ausgesendet wird, so dass es orthogonal zur Füllgut-Oberfläche reflektiert wird. Zwar weist das Füllstandsmessgerät eine gewissen Toleranz bei verkipptem Einbau auf, da der Kegel des ausgesendeten Radar-Signals nicht unendlich schmal ist. Jedoch verkleinert sich der Kegel des ausgesendeten Radar-Signals bei gegebener Antennen-Auslegung mit zunehmender Frequenz des Radar-Signals deutlich. Daher ist eine strikt senkrechte Ausrichtung des Füllstandsmessgerätes insbesondere bei Implementierung hoher Radar-Frequenzen von über 100 GHz relevant. Ein etwaig verkippter Einbau des Füllstandsmessgerätes, beispielsweise aufgrund von Verkantung oder unebenen Flanschanschlüssen, bleibt jedoch häufig unerkannt. In diesem Fall ist das Füllstandsmessgerät gegebenenfalls nicht funktionstüchtig.
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Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, ein Füllstandsmessgerät zu realisieren, dessen Einbau unkritisch gegenüber Verkippung ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Bestimmung eines Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes. Dabei umfasst das Füllstandsmessgerät zumindest folgende Komponenten:
- - Ein in Bezug zum Behälter mechanisch nicht schwenkbares Antennen-Array, das zum Aussenden und Empfangen von Radar-Signalen dient. Dabei ist das Antennen-Array derart ansteuerbar,
- ◯ dass eine Hauptabstrahlkeule des ausgesendeten Radar-Signals in Bezug zu einer definierten Achse des Antennen-Arrays unter einem veränderbaren Raumwinkel ausgesendet wird, und
- ◯ dass nach Reflektion des Radar-Signals an der Füllgut-Oberfläche ein entsprechendes Empfangs-Signal bestimmbar ist,
- - einen Lage-Sensor, der ausgelegt ist, um die Ausrichtung der Antennen-Achse in Bezug zum Lot zu ermitteln,
- - eine Steuer-Einheit, die ausgelegt ist, um das Antennen-Array derart anzusteuern,
- ◯ dass das Radar-Signal mit einer senkrecht ausgerichteten Hauptabstrahlkeule gen Füllgut ausgesendet wird,
- ◯ dass ein senkrecht von der Füllgut-Oberfläche reflektiertes Empfangs-Signals empfangen wird, und
- ◯ dass zumindest anhand des Empfangs-Signals beispielsweise gemäß dem Pulslaufzeit-Verfahren oder dem FMCW-Verfahren der Füllstand bestimmt wird.
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Die Idee der Erfindung besteht also darin, bei verkipptem Einbau des Füllstandsmessgerätes einen etwaigen Winkelversatz der Antenne gegenüber dem Lot am Behälter durch so genanntes „Beamforming“ zu kompensieren. Eine vollständige Kompensation ist möglich, wenn das Antennen-Array bzw. die Steuer-Einheit derart ausgelegt sind, dass das Radar-Signal unter zwei veränderbaren Raumwinkeln ausgesendet werden kann. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung nicht relevant, ob die Steuer-Einheit des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes konzipiert ist, um den Füllstand mittels des Pulslaufzeit-Verfahrens oder mittels des FMCW-Verfahrens zu ermitteln.
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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 Digitalschaltung wie einen 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.
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Im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung handelt es sich bei dem Begriff „Raumwinkel“ der Hauptabstrahlkeule um denjenigen Vektor in Bezug zur Antennen-Achse, in dem das Antennen-Array die maximale Sende-Intensität bzw. die maximale Empfangs-Empfindlichkeit aufweist.
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Da sich der Hauptabstrahlkegel des ausgesendeten Radar-Signals bei gegebener Antennen-Auslegung mit zunehmender Frequenz des Radar-Signals deutlich verschmälert, kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Steuer-Einheit ausgelegt ist, die Antennen-Anordnung derart anzusteuern, dass das Radar-Signal mit einer Frequenz von zumindest 60 GHz, insbesondere zumindest 100 GHz ausgesendet wird.
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Zur Einstellung des Raumwinkels, unter dem das Radar-Signal in Bezug zur Antennen-Achse ausgesendet wird (bzw. unter dem das Empfangs-Signal empfangen wird), kann die Steuer-Einheit so ausgelegt werden, dass sie das Antennen-Array in der jeweiligen Reihe/Spalte bezüglich des auszusendenden Radar-Signals (bzw. bezüglich des Empfangs-Signals) mit einer pro Antenne jeweils definiert zunehmenden Phasenverschiebung ansteuert. Zur Realisierung der pro Antenne zunehmenden Phasenverschiebung kann die Steuer-Einheit beispielsweise einen Phasenschieber (bspw. spannungsgesteuert oder programmierbar) für die jeweilige Antenne umfassen.
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Die Antennen des Antennen-Arrays können im Rahmen der Erfindung idealerweise als Patch-Antennen realisiert werden. Vorteilhaft ist hierbei, dass das Antennen-Array in diesem Fall sehr kompakt ausgelegt werden kann: Zum einen können Patch-Antennen flach, also als zweidimensionale Struktur auf einem entsprechenden Substrat (bspw. als Leiterbahnstruktur auf einer Leiterkarte) realisiert werden. Zum anderen sind die Abmessungen der Patch-Antennen selbst insbesondere bei hohen Radar-Frequenzen sehr klein. Im Falle einer Auslegung als Patch-Antennen lässt sich die Antennen-Achse als die Orthogonale zu derjenigen Fläche, auf der die Patch-Antennen angeordnet sind, definieren.
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Ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb des Füllstandsmessgerätes gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen umfasst folgende Verfahrensschritte:
- - Ermittlung der Ausrichtung der Antennen-Achse in Bezug zum Lot,
- - Ansteuerung des Antennen-Arrays, so dass
- ◯ die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals in etwa senkrecht gen Füllgut ausgerichtet ist, und
- ◯ das senkrecht von der Füllgut-Oberfläche reflektierte Empfangs-Signals empfangen wird, und
- - Bestimmung des Füllstandes anhand des Empfangs-Signals.
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Anhand der nachfolgenden Figur wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: ein erfindungsgemäßes Füllstandsmessgerät an einem Behälter.
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Zum Verständnis der Erfindung ist in 1 ein erfindungsgemäßes Füllstandsmessgerät 1 gezeigt: Im Innenraum eines Behälters 3 befindet sich ein Füllgut 2, dessen Füllstand L 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 zwischen lediglich 1 m bis zu mehr als 100 m hoch sein.
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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 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.
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Das Füllstandsmessgerät 1 ist starr (also mechanisch nicht schwenkbar) an einem Anschluss des Behälter 3, wie einem Flanschanschluss befestigt, um gemäß dem Pulslaufzeit- oder dem FMCW-Verfahrens (beispielsweise bei 100 GHz) ein korrespondierendes Radar-Signal SHF mittels einer hierfür geeigneten Antenne in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 auszusenden. Bei entsprechend senkrechter der Reflektion des Hochfrequenzsignals SHF an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 das reflektierte Empfangs-Signal EHF in Abhängigkeit des Abstandes d = h - L zur Füllgut-Oberfläche. Bei dem Füllgut 2 kann es sich in der gezeigten Darstellung um jegliche Form von viskosen Flüssigkeiten handeln, wie beispielsweise Getränke, Treibstoffe, Abwässer, Lacke oder sonstige Chemikalien.
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Aufgrund der entsprechend vertikalen Füllgut-Oberfläche, und da der Einfallswinkel des ausgesendetem Radar-Signals SHF physikalisch bedingt dem Ausfallwinkel des auf der Füllgut-Oberfläche reflektierten Empfangs-Signals EHF entspricht, muss das Füllstandsmessgerät 1 das Radar-Signal SHF senkrecht gen Füllgut 2 aussenden, damit das reflektierten Radar-Signal EHF vom Füllstandsmessgerätes 1 empfangen werden kann.
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Bei der überspitzen Darstellung in 1 ist dies nicht gegeben, da das Füllstandsmessgerät 1 mit einer gewissen Verkippung am Behälter 3 befestigt ist. Dabei kann die Verkippung beispielsweise durch ein versehentliches Verkanten bei der Montage des Gerätes 1 hervorgerufen werden. Bedingt durch die Verkippung ist die Antennen-Achse 11 des Füllstandsmessgerätes 1 um entsprechende Raumwinkel α gegenüber dem Lot verkippt. Dabei kann es je nach Höhe h des Behälters 3 ausreichen, dass das Füllstandsmessgerät 1 bei einer Verkippung von einem Raumwinkel α unterhalb 1° bereits nicht mehr funktionsfähig ist.
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Damit das Füllstandsmessgerät 1 unter dieser Bedingung trotzdem den Füllstand L bestimmen kann, umfasst das Füllstandsmessgerät 1 erfindungsgemäß ein Antennen-Array (nicht explizit dargestellt in 1) zum Aussenden bzw. zum Empfang der Radar-Signale SHF , EHF . Hierfür kann das Antennen-Array so angesteuert werden, dass die Hauptabstrahlkeule, mit der Radar-Signals SHF in Bezug zu einer definierten Antennen-Achse 11 des Antennen-Arrays abstrahlt, unter zwei unabhängig voneinander veränderbaren Raumwinkeln α ausgesendet wird (aufgrund der zweidimensionalen Darstellung ist in 1 nur einer der beiden möglichen Raumwinkel α dargestellt). Erfindungsgemäß wird dies genutzt, um das Radar-Signal SHF unabhängig von der Verkippung α der Antennen-Achse 11 mit senkrecht ausgerichteter Hauptabstrahlkeule gen Füllgut 2 auszusenden. Hierzu ermittelt ein Lage-Sensor (ebenfalls nicht explizit in 1 dargestellt) des Füllstandsmessgerätes 1 die Verkippung α der Antennen-Achse 11 in Bezug zum Lot. Die entsprechende Lage-Information wird von einer Steuer-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 genutzt, um das Antennen-Array derart anzusteuern, dass das Radar-Signal SHF mit senkrecht ausgerichteter Hauptabstrahlkeule gen Füllgut 2 ausgesendet wird.
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Durch die Lage-Erkennung in Verbindung mit dem „Beamforming“ des Radar-Signals SHF wird erfindungsgemäß somit die etwaige Verkippung des Füllstandsmessgerätes 1 gegenüber dem Lot am Behälter 3 kompensiert, so dass auch unter diesen Umständen das senkrecht von der Füllgut-Oberfläche reflektierte Empfangs-Signals EHF durch das Antennen-Array empfangen werden kann. Auf Basis des Empfangs-Signals EHF kann die Steuer-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 wiederum den Füllstand L bestimmen.
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Zur Realisierung des „Beamformings“ kann die Steuer-Einheit das Antennen-Array beispielsweise ansteuern, indem das Prinzip der Überlagerung des von den von den einzelnen Antennen des Arrays erzeugten des Radar-Signals
SHF genutzt wird. Dabei ermöglicht die reihen- und spaltenförmige Anordnung des Arrays eine Strahlschwenkung um die zwei Raumwinkel
α. Um das Radar-Signal
SHF unter dem jeweiligen der zwei Raumwinkel
α abzustrahlen bzw. zu empfangen, steuert die Steuer-Einheit die einzelnen Antennen pro Reihe bzw. pro Spalte gemäß deren Anordnungsreihenfolge mit einer pro Antenne zunehmenden Phasenverschiebung φ an, beispielsweise mittels jeweils eines Phasenschiebers pro Antenne. Dabei sind die Raumwinkel
α der Hauptabstrahlkeule bzw. die jeweils zunehmende Phasenverschiebung φ gemäß
in Abhängigkeit der vom Lage-Sensor ermittelten Lage einzustellen. In diesem Zusammenhang kann die hierfür erforderliche Hardware bereits so kompakt integriert werden, dass die Antennen als Patch-Antennen Array zusammen mit dem Halbleiterbauteil für den Lage-Sensor und die Steuer-Einheit auf einer gemeinsamen Leiterplatte bzw. sogar als gemeinsam gekapselter IC („Integrated Circuit“) untergebracht sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Füllstandsmessgerät
- 2
- Füllgut
- 3
- Behälter
- 4
- Übergeordnete Einheit
- 11
- Antennen-Achse
- d
- Entfernung
- h
- Einbauhöhe
- L
- Füllstand
- EHF
- Empfangs-Signal
- SHF
- Radar-Signal
- α
- Raumwinkel
- ϕ
- Phasenverschiebung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012104858 A1 [0003]
