DE102020106020A1 - Level measuring device - Google Patents

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DE102020106020A1
DE102020106020A1 DE102020106020.3A DE102020106020A DE102020106020A1 DE 102020106020 A1 DE102020106020 A1 DE 102020106020A1 DE 102020106020 A DE102020106020 A DE 102020106020A DE 102020106020 A1 DE102020106020 A1 DE 102020106020A1
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Winfried Mayer
Andreas Möller
Philipp Walser
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Endress and Hauser SE and Co KG
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Endress and Hauser SE and Co KG
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    • G01F23/22Indicating 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
    • G01F23/28Indicating 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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    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
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    • H01Q1/225Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles used in level-measurement devices, e.g. for level gauge measurement

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät (1) zur Messung eines Füllstandes (L) in einem Behälter (3), wobei das Füllstandsmessgerät (1) von einer seitlichen Behälterwand (31) aus misst. Dazu umfasst das Füllstandsmessgerät (1) eine Antennen-Anordnung (13), mittels der das Radar-Signal (SHF) senkrecht gen Füllgut (2) aussendbar und nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche als entsprechendes Empfangssignal (EHF) empfangbar ist. Dabei zeichnet sich die Antennen-Anordnung (13) durch eine asymmetrische Apertur (131) aus, mittels der das Radar-Signal (SHF) mit einer zur Behälterwand (31) hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird. Hierdurch kann die Antennen-Anordnung (13) vorteilhafter Weise so ausgelegt werden, dass sie nur unweit in den Behälter (3) hineinragt und das Radar-Signal (SHF) trotzdem nicht ungewollt an der Behälterwand (31) reflektiert wird. Somit bildet das Füllstandsmessgerät (1) durch die enge seitliche Anbringung keinen störenden Einbau innerhalb des Behälters (3). Dennoch wird durch die Asymmetrie sichergestellt, dass die Hauptabstrahlkeule breit genug ist, damit das Radar-Signal (EHF) auch bei rauer Füllgut-Oberfläche gen Füllstandsmessgerät (1) reflektiert wird.The invention relates to a radar-based level measuring device (1) for measuring a level (L) in a container (3), the level measuring device (1) measuring from a lateral container wall (31). For this purpose, the filling level measuring device (1) comprises an antenna arrangement (13) by means of which the radar signal (SHF) can be transmitted perpendicular to the filling material (2) and can be received as a corresponding reception signal (EHF) after reflection on the filling material surface. The antenna arrangement (13) is characterized by an asymmetrical aperture (131) by means of which the radar signal (SHF) is transmitted with a main radiation lobe flattened towards the container wall (31). As a result, the antenna arrangement (13) can advantageously be designed in such a way that it only projects not far into the container (3) and the radar signal (SHF) is nevertheless not inadvertently reflected on the container wall (31). The level measuring device (1) therefore does not form a disruptive installation inside the container (3) due to the narrow side mounting. Nevertheless, the asymmetry ensures that the main radiation lobe is wide enough so that the radar signal (EHF) is reflected towards the level measuring device (1) even when the product surface is rough.

Description

Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät, das bei seitlicher Befestigung am Behälter eingesetzt wird.The invention relates to a level measuring device which is used when it is attached to the side of the container.

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 Messprinzipien. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.In automation technology, in particular for process automation, field devices are often used that are used to record various measured variables. The measured variable to be determined can be, for example, a level, a flow rate, a pressure, the temperature, the pH value, the redox potential, a conductivity or the dielectric value of a medium in a process plant. To acquire the corresponding measured values, the field devices each include suitable sensors or are based on suitable measurement principles. A large number of different types of field devices are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.

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 300 GHz. Übliche Frequenzbänder, bei denen Füllstandsmessung durchgeführt wird, liegen bei 2 GHz, 26 GHz, 79 GHz, oder 120 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“). 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.Radar-based measurement methods have become established for measuring the level of products in containers, as they are robust and require little maintenance. A key advantage of radar-based measurement methods is the ability to measure the level almost continuously. In the context of this patent application, the term “radar” refers to radar signals with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz. Usual frequency bands in which level measurement is carried out are 2 GHz, 26 GHz, 79 GHz, or 120 GHz. The two common measuring principles are the pulse-transit time principle (also known under the term “pulse radar”) and the FMCW principle (“Frequency Modulated Continuous Wave”). A fill level measuring device that works according to the pulse transit time method is, for example, in the laid-open specification DE 10 2012 104 858 A1 described. With regard to a typical structure of FMCW-based level measuring devices, reference is made to the laid-open specification as an example DE 10 2013 108 490 A1 referenced.

Näher beschrieben werden die Messprinzipien von FMCW und Pulsradar außerdem in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000‟ .The measuring principles of FMCW and pulse radar also in "Radar Level Detection, Peter Devine, 2000" .

Da Radar-basierte Füllstandsmessgeräte den Füllstand indirekt bestimmen, indem sie von oben den Abstand zur Füllgut-Oberfläche messen, sind Füllstandsmessgeräte nach dem Stand der Technik so konzipiert, dass sie an der Oberseite des Behälters angebracht werden. Hierzu sind die jeweiligen Behälter an der Oberseite mit einem entsprechenden Anschluss wie einem Flanschanschluss auszustatten. Oftmals sind solche Anschlüsse jedoch separat nachzurüsten, wohingegen seitliche Anschlüsse am Behälter oftmals per se vorhanden sind, beispielsweise als ungenutzte Zu- bzw. Abflüsse, oder als Anschlüsse für Druck- oder Temperaturmessung. Eine seitliche Anbringung an einer Behälterwand kann weiterhin die Gefahr bergen, dass die Behälterwand von der Hauptabstrahlkeule des ausgesendeten Radar-Signals erfasst wird, wodurch Störreflektionen erzeugt werden können, die zu einer falschen Füllstands-Messung führen.Since radar-based level gauges determine the level indirectly by measuring the distance to the product surface from above, level gauges according to the state of the art are designed in such a way that they are attached to the top of the container. For this purpose, the respective containers must be equipped with a corresponding connection such as a flange connection on the top. Often, however, such connections have to be retrofitted separately, whereas side connections on the container are often present per se, for example as unused inflows or outflows, or as connections for pressure or temperature measurement. A lateral attachment to a container wall can also involve the risk that the container wall will be detected by the main radiation lobe of the transmitted radar signal, which can generate interfering reflections that lead to an incorrect level measurement.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Füllstandsmessgerät bereitzustellen, mittels dem der Füllstand zuverlässig über einen seitlichen Anschluss des Behälters bestimmt werden kann.The invention is therefore based on the object of providing a level measuring device by means of which the level can be reliably determined via a lateral connection of the container.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät folgende Komponenten:

  • - Ein Befestigungsmittel, wie beispielsweise einem Flanschanschluss, mittels dem das Füllstandsmessgerät an einer seitlichen Behälterwand befestigbar ist,
  • - eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, ein Radar-Signal zu erzeugen,
  • - eine Antennen-Anordnung, mittels der das Radar-Signal im befestigten Zustand in etwa senkrecht gen Füllgut aussendbar und nach Reflektion an der Oberfläche des Füllgutes als entsprechendes Empfangssignal empfangbar ist, mit
    • o einer derart asymmetrischen Apertur, mittels der das Radar-Signal mit einer zur Behälterwand hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird, und
  • - eine Auswertungs-Einheit, die ausgelegt ist, um anhand des Empfangssignals den Füllstand zu bestimmen.
The invention solves this problem by means of a radar-based level measuring device for measuring the level of a product in a container. For this purpose, the level measuring device comprises the following components:
  • - A fastening means, such as a flange connection, by means of which the level measuring device can be fastened to a lateral container wall,
  • - a signal generation unit which is designed to generate a radar signal,
  • - An antenna arrangement by means of which the radar signal can be transmitted approximately perpendicular to the filling material in the attached state and can be received as a corresponding received signal after reflection on the surface of the filling material
    • o such an asymmetrical aperture by means of which the radar signal is emitted with a main radiation lobe flattened towards the container wall, and
  • - An evaluation unit which is designed to determine the fill level on the basis of the received signal.

Die technische Realisierung der asymmetrischen Apertur ist im Rahmen der Erfindung nicht auf eine spezielle Ausführungsvariante beschränkt. Die asymmetrische Apertur kann daher beispielsweise in Form einer quasioptischen Linse, einer insbesondere planaren Gruppen-Antenne, oder als entsprechend asymmetrischer, quasioptischer Spiegel realisiert werden. Dabei handelt es sich im Kontext der vorliegenden Patentanmeldung bei dem Begriff „Hauptabstrahlkeule“ um den Bereich, der von denjenigen Raumwinkeln, bei denen sich ausgehend von der Hauptabstrahlrichtung (also dem Vektor der Maximal-Leistung des ausgesendeten Radar-Signals) die Leistung auf 50 % bzw. um -3 dB verringert hat, eingeschlossen ist.The technical implementation of the asymmetrical aperture is not restricted to a special embodiment variant within the scope of the invention. The asymmetrical aperture can therefore be implemented, for example, in the form of a quasi-optical lens, in particular a planar group antenna, or as a correspondingly asymmetrical, quasi-optical mirror. In the context of the present patent application, the term "main radiation lobe" refers to the area of those solid angles at which, starting from the main radiation direction (i.e. the vector of the maximum power of the transmitted radar signal), the power is reduced to 50%. or reduced by -3 dB, is included.

Das erfindungsgemäß asymmetrische Aussenden des Radar-Signals wirkt sich in mehrfacher Hinsicht positiv aus: Einerseits kann die Antennen-Anordnung so ausgelegt werden, dass sie nur unweit den Behälter hineinragt und das Radar-Signal trotzdem nicht ungewollt an der Behälter-Wand reflektiert wird. Diesbezüglich kann die asymmetrische Apertur beispielsweise so ausgelegt werden, bzw. die Frequenz des Radar-Signals kann so an die Apertur angepasst werden, dass die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals die Behälterwand theoretisch erst in einer Distanz zum Füllstandsmessgerät von mindestens 25 m tangiert. Hierdurch ist das Füllstandsmessgerät zumindest an bis zu 25 m hohen Behältern sicher einsetzbar. Dazu ist die Signalerzeugungs-Einheit so auszulegen, dass das elektrische HochfrequenzSignal mit einer entsprechend abgestimmten Frequenz erzeugt, bzw. die Apertur ist entsprechend auszulegen. Darüber hinaus bildet das Füllstandsmessgerät durch die enge seitliche Anbringung keinen störenden Einbau innerhalb des Behälters. Dennoch wird durch die Asymmetrie sichergestellt, dass die Hauptabstrahlkeule breit genug ist, damit das reflektierte Radar-Signal durch das Füllstandsmessgerät auch bei rauer Füllgut-Oberfläche empfangen werden kann.The asymmetrical emission of the radar signal according to the invention has a positive effect in several respects: On the one hand, the antenna arrangement can be designed in such a way that it protrudes only not far from the container and the radar signal is still not inadvertently reflected on the container wall. In this regard, the asymmetrical aperture can be designed, for example, or the frequency of the radar signal can be adapted to the aperture so that the main radiation lobe of the radar signal theoretically only touches the container wall at a distance from the level measuring device of at least 25 m. This means that the level measuring device can be safely used at least on containers up to 25 m high. For this purpose, the signal generation unit is to be designed in such a way that the electrical high-frequency signal is generated with a correspondingly tuned frequency, or the aperture is to be designed accordingly. In addition, the level measuring device does not form a disruptive installation inside the container due to the narrow side mounting. Nevertheless, the asymmetry ensures that the main radiation lobe is wide enough so that the reflected radar signal can be received by the level measuring device even when the product surface is rough.

Unter dem Begriff „Einheit‟ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck 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 einem FPGA oder einen 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 Dielektrizitätswert-Messgerätes im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.In the context of the invention, the term “unit” is understood to mean in principle any electronic circuit that is designed to be suitable for the intended use. Depending on the requirements, it can therefore be an analog circuit for generating or processing corresponding analog signals. However, it can also be a digital circuit such as an FPGA or a storage medium in conjunction with a program. The program is designed to carry out the corresponding process steps or to apply the necessary arithmetic operations of the respective unit. In this context, different electronic units of the dielectric value measuring device in the sense of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated by means of the same physical digital circuit.

Die Formulierung „Derart asymmetrische Dimensionierung der Apertur, so dass das Radar-Signal mit einer zur Behälterwand hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird“ definiert sich im Zusammenhang mit der Erfindung beispielweise derart, dass im befestigten Zustand ein horizontaler Querschnitt der Hauptabstrahlkeule eine in Bezug zur Behälterwand maximal parallele Ausbreitung aufweist, die größer als die in Bezug zur Behälterwand maximale orthogonale Ausbreitung des horizontalen Querschnittes ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Apertur so zu dimensionieren, dass die zur Behälterwand parallele Ausbreitung zumindest doppelt so groß ist, wie die zur Behälterwand orthogonale Ausbreitung des Querschnittes. Auch ein Verhältnis von bis zu 4:1 zwischen der parallelen Ausbreitung und der orthogonalen Ausbreitung des Querschnittes ist denkbar. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgegeben, welche Querschnittsform der horizontale Querschnitt der Hauptabstrahlkeule aufweist. Um das gewünschte Verhältnis zwischen der parallelen Ausbreitung und der orthogonalen Ausbreitung zu erreichen, kann die Apertur beispielsweise derart ausgelegt sein, dass im befestigten Zustand der horizontale Querschnitt der Hauptabstrahlkeule des ausgesendeten Radar-Signals eine in etwa elliptische oder rechteckige Form aufweist. Denkbar ist weiterhin ein in etwa halbkreisförmiger, horizontaler Querschnitt.The formulation "Such asymmetrical dimensioning of the aperture, so that the radar signal is emitted with a main radiation lobe flattened towards the container wall" is defined in connection with the invention, for example, in such a way that in the attached state a horizontal cross-section of the main radiation lobe is a maximum in relation to the container wall has parallel expansion that is greater than the maximum orthogonal expansion of the horizontal cross-section in relation to the container wall. In this case it is advantageous to dimension the aperture in such a way that the expansion parallel to the container wall is at least twice as large as the expansion of the cross section orthogonal to the container wall. A ratio of up to 4: 1 between the parallel expansion and the orthogonal expansion of the cross-section is also conceivable. In the context of the invention, it is not firmly specified which cross-sectional shape the horizontal cross-section of the main radiation lobe has. In order to achieve the desired ratio between the parallel propagation and the orthogonal propagation, the aperture can be designed, for example, in such a way that the horizontal cross section of the main radiation lobe of the emitted radar signal has an approximately elliptical or rectangular shape in the attached state. An approximately semicircular, horizontal cross section is also conceivable.

Durch die asymmetrische Apertur kann die Antennen-Anordnung vergleichsweise schmal ausgelegt werden, ohne dass die Hauptabstrahlkeule insgesamt zu schmal wird und somit das Risiko besteht, dass das reflektierte Radar-Signal nicht empfangen wird. Dazu kann die Antennen-Anordnung insbesondere stabförmig ausgebildet werden und die Apertur kann derart konzipiert werden, dass die zur Behälterwand maximale orthogonale Ausbreitung des Querschnittes der Hauptabstrahlkeule parallel zur Stab-Achse verläuft. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät zudem auch an entsprechend schmalen, seitlichen Behälter-Anschlüssen angeordnet werden.Due to the asymmetrical aperture, the antenna arrangement can be designed to be comparatively narrow without the main radiation lobe becoming too narrow overall and without the risk that the reflected radar signal will not be received. For this purpose, the antenna arrangement can be designed in the form of a rod, in particular, and the aperture can be designed in such a way that the maximum orthogonal spread of the cross section of the main radiation lobe to the container wall runs parallel to the rod axis. As a result, the fill level measuring device according to the invention can also be arranged on correspondingly narrow, lateral container connections.

Je nach technischer Auslegung der asymmetrischen Apertur, beispielsweise im Falle einer Gruppen-Antenne, kann diese als Teil der Signalerzeugungs-Einheit so ausgelegt sein, dass das Radar-Signal in einem Brennpunkt der Apertur erzeugt wird. Vorteilhaft hieran ist, dass das Radar-Signal nicht separat entlang der Antennen-Anordnung geführt werden muss, wodurch Signalverluste vermieden werden. Sofern die Signalerzeugungs-Einheit andernfalls in einem Gehäusebereich angeordnet ist, der sich im befestigten Zustand außerhalb der Behälterwand befindet, oder sofern die Signalerzeugungs-Einheit innerhalb der Antennen-Anordnung abseits der Apertur angeordnet ist, kann das Radar-Signal beispielsweise mittels eines Hohlleiters oder eines dielektrischen Wellenleiters gen Apertur geführt werden.Depending on the technical design of the asymmetrical aperture, for example in the case of a group antenna, this can be designed as part of the signal generation unit in such a way that the radar signal is generated in a focal point of the aperture. The advantage here is that the radar signal does not have to be routed separately along the antenna arrangement, as a result of which signal losses are avoided. If the signal generation unit is otherwise arranged in a housing area which is located outside the container wall in the fastened state, or if the signal generation unit is arranged within the antenna arrangement away from the aperture, the radar signal can, for example, by means of a waveguide or a dielectric waveguide to be guided towards the aperture.

Zum Schutz der Apertur gegenüber Kontamination durch das Füllgut kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät dahingehend erweitert werden, dass die Antennen-Anordnung ein für die Radar-Signale transparentes Radom umfasst, welches zumindest die Apertur oder die gesamte Antennen-Anordnung abdeckt.To protect the aperture from contamination by the filling material, the fill level measuring device according to the invention can be extended to the effect that the antenna arrangement comprises a radome which is transparent to the radar signals and which covers at least the aperture or the entire antenna arrangement.

Analog zum erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein entsprechendes MessVerfahren gelöst. Dabei umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:

  • - Erzeugen eines elektrischen Hochfrequenz-Signals,
  • - In etwa senkrechtes Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals als Radar-Signal gen Füllgut, wobei das Radar-Signal mit einer zur Behälterwand hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird, und
  • - Empfang eines entsprechenden Empfangssignals nach Reflektion des Radar-Signals an der Füllgut-Oberfläche, und
  • - Bestimmung des Füllstandes anhand zumindest des Empfangssignals.
Analogously to the fill level measuring device according to the invention, the object on which the invention is based is also achieved by a corresponding measuring method. The process includes the following process steps:
  • - Generating a high-frequency electrical signal,
  • - Approximately vertical transmission of the electrical high-frequency signal as a radar signal towards the product, the radar signal being transmitted with a main radiation lobe flattened towards the container wall, and
  • - Reception of a corresponding received signal after reflection of the radar signal on the product surface, and
  • - Determination of the fill level using at least the received signal.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1: Eine schematische Anordnung eines radar-basierten Füllstandsmessgerätes nach dem Stand der Technik an der Oberseite eines Behälters,
  • 2: eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen radar-basierten Füllstandsmessgerätes an der seitlichen Behälterwand, und
  • 3: eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes.
The invention is explained in more detail with the aid of the following figures. It shows:
  • 1 : A schematic arrangement of a radar-based level measuring device according to the state of the art on the top of a container,
  • 2 : a schematic arrangement of a radar-based fill level measuring device according to the invention on the side container wall, and
  • 3 : a detailed view of the fill level measuring device according to the invention.

Zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung ist in 1 ein frei abstrahlendes, Radar-basiertes Füllstandsmessgerät 1' gezeigt, das nach dem Stand der Technik an der Oberseite eines Behälter 3 angeordnet ist. Dabei befindet sich in dem Behälter 3 ein Füllgut 2, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1' zu bestimmen ist.For a basic understanding of the invention is in 1 a freely radiating, radar-based level measuring device 1' shown the prior art at the top of a container 3 is arranged. It is in the container 3 a filling good 2 , its level L. through the level measuring device 1' is to be determined.

In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1' über ein Bussystem, wie etwa „Ethernet“, „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem oder einer dezentralen Datenbank verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1' kommuniziert werden. Über das Bussystem können jedoch auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter 3 vorhandene Zu- oder Abflüsse zu steuern.Usually the level gauge is 1' via a bus system such as "Ethernet", "PROFIBUS", "HART" or "Wireless HART" with a higher-level unit 4th , for example connected to a process control system or a decentralized database. On the one hand, this can be used to provide information about the operating status of the level measuring device 1' communicated. However, information about the fill level can also be sent via the bus system L. be transmitted to the container if necessary 3 to control existing inflows or outflows.

Zur Bestimmung des Füllstandes L ist das Füllstandsmessgerät 1' oberhalb des Behälters 3 an einem hierfür vorgesehenen Flanschanschluss angebracht. Unabhängig vom implementierten Messprinzip ist eine entsprechende Signalerzeugungs-Einheit 12 des Füllstandsmessgerätes 1' so konzipiert, dass z. B. gemäß dem FMCW-Prinzip oder dem Pulslaufzeit-Prinzip ein entsprechendes Radar-Signal SHF vertikal in Richtung des Füllgutes 2 ausgesendet wird. An der Oberfläche des Füllgutes 2 wird das Radar-Signal SHF reflektiert und nach einer korrespondierenden Signallaufzeit vom Füllstandsmessgerät 1' entsprechend als Empfangssignal EHF empfangen. Hierbei hängt die Signallaufzeit des Radar-Signals SHF , EHF vom Abstand d = h - L des Füllstandsmessgerätes 1' zur Füllgut-Oberfläche ab. Eine entsprechende Auswertungs-Einheit 14 des Füllstandsmessgerätes 1' kann anhand des Empfangs-Signals EHF die Signallaufzeit und darauf basierend den Füllstand L bestimmen.To determine the fill level L. is the level measuring device 1' above the container 3 attached to a flange connection provided for this purpose. A corresponding signal generation unit is independent of the measuring principle implemented 12th of the level measuring device 1' designed so that z. B. according to the FMCW principle or the pulse delay principle, a corresponding radar signal S HF vertically in the direction of the product 2 is sent out. On the surface of the product 2 becomes the radar signal S HF reflected and after a corresponding signal delay from the level measuring device 1' accordingly as a received signal E HF receive. The signal propagation time of the radar signal depends on this S HF , E HF from the distance d = h - L of the level measuring device 1' towards the product surface. A corresponding evaluation unit 14th of the level measuring device 1' can based on the received signal E HF the signal propagation time and, based on this, the level L. determine.

Auch das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 arbeitet nach dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Radar-Prinzip. Gemäß der Erfindung kann der Füllstand L jedoch von einer Seitenwand 31 des Behälters 3 aus bestimmt werden. Wie in 2 dargestellt ist, ist das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 daher an einem seitlichen Flanschanschluss 11 des Behälters 3 befestigt, wobei eine stabförmige Antennen-Anordnung 13 des Füllstandsmessgerätes 1 hierzu in das Behälter-Innere hineinragt, während ein Gehäusebereich mit etwaigen Schnittstellen und Elektronik-Komponenten außerhalb des Behälters 3 verbleibt.Also the fill level measuring device according to the invention 1 works according to the in connection with 1 described radar principle. According to the invention, the level L. but from a side wall 31 of the container 3 can be determined from. As in 2 is shown is the level measuring device according to the invention 1 therefore on a side flange connection 11 of the container 3 attached, with a rod-shaped antenna arrangement 13th of the level measuring device 1 for this purpose protrudes into the interior of the container, while a housing area with any interfaces and electronic components outside the container 3 remains.

Ausgehend von der Antennen-Anordnung 11, die orthogonal von der Behälterwand 31 nach Innen absteht und somit horizontal ausgerichtet ist, verläuft die Achse der Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals SHF senkrecht gen Füllgut 2. Wie aus dem Vergleich der Frontalansicht und der Seitenansicht des Füllstandsmessgerätes 1 in 2 hervorgeht, ist die Hauptabstrahlkeule dabei asymmetrisch: Die zur Behälterwand 31 maximal parallele Ausbreitung ap des horizontalen Querschnittes der Hauptabstrahlkeule ist ca. 3 mal so groß wie die zur Behälterwand 31 maximale orthogonale Ausbreitung ao des Strahl-Querschnittes, so dass die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals SHF zur Behälterwand 31 hin entsprechend abgeflacht ist.Based on the antenna arrangement 11 that are orthogonal to the container wall 31 protrudes inwards and is thus aligned horizontally, the axis of the main radiation lobe of the radar signal runs S HF perpendicular to the product 2 . As from the comparison of the front view and the side view of the level measuring device 1 in 2 As can be seen, the main radiation lobe is asymmetrical: that to the container wall 31 maximum parallel propagation a p of the horizontal cross-section of the main radiation lobe is approx. 3 times as large as that of the container wall 31 maximum orthogonal spread a o of the beam cross-section, so that the main radiation lobe of the radar signal S HF to the container wall 31 is flattened out accordingly.

Die asymmetrische Hauptabstrahlkeule wird durch eine entsprechende Apertur 131 bewirkt, die innerhalb der Antennen-Anordnung 13 angeordnet ist. Näher dargestellt ist dies in 3: Die stabförmige Antennen-Anordnung 13 des dortigen erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 zeigt schematisch zwei Ausführungsvarianten der Apertur 131, eine elliptische und eine rechteckige. Dabei zeichnet sich die Apertur 131 in beiden Fällen durch eine definierte Apertur-Länge a'o, die parallel zur Stabachse 132 verläuft, und eine Apertur-Breite a'p, die orthogonal zur Stabachse 132 verläuft, aus. Somit entspricht das Verhältnis zwischen der zur Stabachse 132 parallelen Apertur-Länge a'o und der zur Stabachse orthogonalen Apertur-Breite a'p dem Verhältnis zwischen der zur Behälterwand 31 maximalen parallelen Ausbreitung ap und der zur Behälterwand 31 maximalen orthogonalen Ausbreitung a'o des horizontalen Querschnitts der Hauptabstrahlkeule gemäß a o a p = a ' o a ' p

Figure DE102020106020A1_0001
The asymmetrical main radiation lobe is through a corresponding aperture 131 causes within the antenna arrangement 13th is arranged. This is shown in more detail in 3 : The rod-shaped antenna arrangement 13th of the fill level measuring device according to the invention there 1 shows schematically two design variants of the aperture 131 , one elliptical and one rectangular. The aperture stands out 131 in both cases by a defined aperture length a ' o , which is parallel to the rod axis 132 and an aperture width a ' p which is orthogonal to the rod axis 132 runs out. Thus the relationship between the axis and the member corresponds to 132 parallel aperture length a ' o and the aperture width a' p orthogonal to the rod axis is the ratio between that to the container wall 31 maximum parallel propagation a p and the one to the container wall 31 maximum orthogonal propagation a ' o of the horizontal cross section of the main radiation lobe according to a O a p = a ' O a ' p
Figure DE102020106020A1_0001

Im gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht dieses Verhältnis ca. 3 zu 1. Realisiert werden kann die Apertur 131 bspw. in Form einer entsprechend ausgelegten quasioptischen Linse, einer insbesondere planaren Gruppen-Antenne, oder als entsprechend asymmetrischer quasioptischer Spiegel. Durch die stabförmige Auslegung der Antennen-Einheit 13 ist es möglich, die Antennen-Anordnung 13 bei vorgegeben quasioptischen Eigenschaften der Apertur 131 mit minimalen Abmessungen zu realisieren, so dass das Füllstandsmessgerät 1 auch an möglichst kleinen, seitlichen Behälteröffnungen montierbar ist. In diesem Zusammenhang ist es im Gegensatz zu der gezeigten Ausführungsvariante außerdem möglich, die Antennen-Anordnung 13 beispielsweise mittels eines entsprechenden Kugelgelenkes in Bezug zur Behälterwand 31 derart beweglich auszulegen, dass die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals SHF in einem gewissen Winkelbereich verschwenkbar ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Radar-Signal SHF auch bei leicht geneigter Behälterwand 31 senkrecht gen Füllgut 2 ausgesendet wird.In the exemplary embodiment shown, this ratio corresponds to approximately 3 to 1. The aperture can be implemented 131 For example in the form of an appropriately designed quasi-optical lens, an in particular planar group antenna, or as a correspondingly asymmetrical quasi-optical mirror. Due to the rod-shaped design of the antenna unit 13th it is possible to arrange the antenna 13th given the quasi-optical properties of the aperture 131 to realize with minimal dimensions, so that the level meter 1 can also be mounted on the smallest possible side container openings. In this context, in contrast to the variant embodiment shown, it is also possible to use the antenna arrangement 13th for example by means of a corresponding ball joint in relation to the container wall 31 designed to be movable in such a way that the main radiation lobe of the radar signal S HF is pivotable in a certain angular range. This ensures that the radar signal S HF even with a slightly inclined container wall 31 perpendicular to the product 2 is sent out.

Die Signal-Erzeugungs-Einheit 12 zur Erzeugung des Radar-Signals SHF sowie die Auswertungs-Einheit 14, die anhand des Empfangs-Signals EHF den Füllstand L bestimmt, sind bei der in 3 dargestellten Ausführungs-Variante in dem Gehäusebereich des Füllstandsmessgerätes 1 angeordnet, das sich nach Befestigung des Füllstandsmessgerätes 1 außerhalb des Behälters 3 befindet. Dementsprechend sind diese elektronischen Komponenten 12, 14 über einen dielektrischen Wellenleiter oder einen Hohlleiter mit der Apertur 131 zu verbinden. Vorteilhaft hieran ist, dass das Füllstandsmessgerät 1 leichter etwaige Explosionsschutz-Vorgaben einhalten kann. Eine direkte Anbringung der Signalerzeugungs-Einheit 12 im Brennpunkt f der Apertur 131 bietet im Gegensatz dazu den Vorteil verringerter Signalverluste.The signal generation unit 12th for generating the radar signal S HF as well as the evaluation unit 14th based on the received signal E HF the level L. are determined by the in 3 embodiment variant shown in the housing area of the level measuring device 1 arranged, which is after attachment of the level measuring device 1 outside the container 3 is located. Accordingly, these are electronic components 12th , 14th via a dielectric waveguide or a waveguide with the aperture 131 connect to. The advantage here is that the level measuring device 1 can more easily comply with any explosion protection requirements. A direct attachment of the signal generation unit 12th in the spotlight f the aperture 131 in contrast, offers the advantage of reduced signal loss.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1, 1'1, 1 '
FüllstandsmessgerätLevel measuring device
22
FüllgutFilling material
33
BehälterwandContainer wall
44th
Übergeordnete EinheitParent unit
1111
BefestigungsmittelFasteners
1212th
Signalerzeugungs-EinheitSignal generation unit
1313th
Antennen-AnordnungAntenna arrangement
1414th
Auswertungs-EinheitEvaluation unit
3131
BehälterwandContainer wall
131131
AperturAperture
132132
StabachseBar axis
apap
Zur Behälterwand parallele Ausbreitung des Strahl-QuerschnittesThe beam cross-section spreads parallel to the container wall
a'pa'p
Apertur-BreiteAperture width
aoao
Zur Wand orthogonale Ausbreitung des Strahl-QuerschnittesThe beam cross-section is orthogonal to the wall
a'oa'o
Apertur-LängeAperture length
dd
Abstanddistance
EHFEHF
Empfangenes Radar-SignalReceived radar signal
ff
BrennpunktFocus
hH
EinbauhöheInstallation height
LL.
FüllstandLevel
SHFSHF
Radar-SignalRadar signal
xx
Entfernungdistance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

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Claims (11)

Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3), umfassend: - ein Befestigungsmittel (11), mittels dem das Füllstandsmessgerät (1) an einer seitlichen Behälterwand (31) befestigbar ist, - Eine Signalerzeugungs-Einheit (12), die ausgelegt ist, ein Radar-Signal (SHF) zu erzeugen, - eine Antennen-Anordnung (13), mittels der das Radar-Signal (SHF) im befestigten Zustand in etwa senkrecht gen Füllgut (2) aussendbar und nach Reflektion an der Oberfläche des Füllgutes (2) als entsprechendes Empfangssignal (EHF) empfangbar ist, mit o einer derart asymmetrischen Apertur (131), so dass das Radar-Signal (SHF) mit einer zur Behälterwand (31) hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird, und - eine Auswertungs-Einheit (14), die ausgelegt ist, um anhand des Empfangssignals (EHF) den Füllstand (L) zu bestimmen.Radar-based fill level measuring device for measuring a fill level (L) of a product (2) in a container (3), comprising: - a fastening means (11) by means of which the fill level measuring device (1) can be fastened to a lateral container wall (31), - A signal generation unit (12) which is designed to generate a radar signal (S HF ), - an antenna arrangement (13), by means of which the radar signal (S HF ) in the attached state is approximately perpendicular to the product (2) can be emitted and, after reflection on the surface of the filling material (2), can be received as a corresponding received signal (E HF ), with o such an asymmetrical aperture (131), so that the radar signal (S HF ) with a to the container wall ( 31) is emitted towards the flattened main radiation lobe, and - an evaluation unit (14) which is designed to determine the level (L) on the basis of the received signal (E HF). Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, wobei die Apertur (131) derart asymmetrisch dimensioniert ist, dass im befestigten Zustand ein horizontaler Querschnitt der Hauptabstrahlkeule eine in Bezug zur Behälterwand (31) maximale parallele Ausbreitung (ap) aufweist, welche größer ist, als die in Bezug zur Behälterwand (31) maximale orthogonale Ausbreitung (ao) des horizontalen Querschnittes.Level measuring device according to Claim 1 , the aperture (131) being asymmetrically dimensioned in such a way that, in the fastened state, a horizontal cross section of the main radiation lobe has a maximum parallel spread (a p ) in relation to the container wall (31) which is greater than that in relation to the container wall (31 ) maximum orthogonal expansion (a o ) of the horizontal cross-section. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 2, wobei die Apertur (131) derart dimensioniert ist, dass die zur Behälterwand (31) maximale parallele Ausbreitung (ap) zumindest doppelt so groß ist, wie die zur Behälterwand (31) maximale orthogonale Ausbreitung (ao) des Querschnittes.Level measuring device according to Claim 2 , wherein the aperture (131) is dimensioned such that the maximum parallel expansion (a p ) to the container wall (31) is at least twice as large as the maximum orthogonal expansion (a o ) of the cross section to the container wall (31). Füllstandsmessgerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Apertur (131) derart ausgelegt ist, dass im befestigten Zustand der horizontale Querschnitt der Hauptabstrahlkeule des ausgesendeten Radar-Signals (SHF) eine in etwa elliptische oder rechteckige Form aufweist.Level measuring device according to Claim 2 or 3 , the aperture (131) being designed in such a way that, in the fastened state, the horizontal cross section of the main radiation lobe of the emitted radar signal (S HF ) has an approximately elliptical or rectangular shape. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Antennen-Anordnung (13) stabförmig ausgelegt ist, und wobei die Apertur (131) derart konzipiert ist, dass die in Bezug zur Behälterwand (31) maximale orthogonale Ausbreitung (ao) des Querschnittes der Hauptabstrahlkeule parallel zur Stab-Achse (132) verläuft.Level measuring device according to one of the Claims 2 until 4th , the antenna arrangement (13) being designed in the shape of a rod, and the aperture (131) being designed in such a way that the maximum orthogonal spread (a o ) of the cross-section of the main radiation lobe parallel to the rod axis (in relation to the container wall (31)) 132) runs. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennen-Anordnung (13) ein für die Radar-Signale (SHF, EHF) transparentes Radom umfasst, welches zumindest die Apertur (131) abdeckt.Filling level measuring device according to at least one of the preceding claims, wherein the antenna arrangement (13) comprises a radome which is transparent for the radar signals (S HF , E HF ) and which covers at least the aperture (131). Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die asymmetrische Apertur (131) in Form einer quasioptischen Linse, einer insbesondere planaren Gruppen-Antenne, oder als entsprechend asymmetrischer quasioptischer Spiegel realisiert ist.Filling level measuring device according to one of the preceding claims, the asymmetrical aperture (131) being implemented in the form of a quasi-optical lens, in particular a planar group antenna, or as a correspondingly asymmetrical quasi-optical mirror. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) ausgelegt ist, das Radar-Signal (SHF) mit einer derart abgestimmten Frequenz zu erzeugen, und wobei die Apertur (131) derart ausgelegt ist, dass die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals (SHF) die Behälterwand (3) in einer Distanz zum Füllstandsmessgerät (1) von mindestens 25 m tangiert.Filling level measuring device according to one of the preceding claims, wherein the signal generation unit (12) is designed to generate the radar signal (S HF ) with such a tuned frequency, and wherein the aperture (131) is designed such that the main radiation lobe of the radar -Signal (S HF ) touches the container wall (3) at a distance from the level measuring device (1) of at least 25 m. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) ausgelegt ist, das Radar-Signal (SHF) in einem Brennpunkt (f) der Apertur (131) zu erzeugen.Filling level measuring device according to at least one of the preceding claims, wherein the signal generation unit (12) is designed to generate the radar signal (S HF ) in a focal point (f) of the aperture (131). Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) einem in Gehäusebereich, der sich im befestigten Zustand außerhalb der Behälterwand (31) befindet, angeordnet ist.Level measuring device according to at least one of the Claims 1 until 8th , wherein the signal generating unit (12) is arranged in a housing area which is located outside the container wall (31) in the fastened state. Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mittels dem Füllstandsmessgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Erzeugen eines elektrischen Hochfrequenz-Signals, - In etwa senkrechtes Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals als Radar-Signal (SHF) gen Füllgut (2), wobei das Radar-Signal (SHF) mit einer zur Behälterwand (31) hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird, und - Empfang eines entsprechenden Empfangssignals (EHF) nach Reflektion des Radar-Signals (SHF) an der Füllgut-Oberfläche, und - Bestimmung des Füllstandes (L) anhand zumindest des Empfangssignals (EHF).Method for measuring the filling level of a filling material in a container by means of the filling level measuring device (1) according to one of the preceding claims, comprising the following method steps: - generating an electrical high-frequency signal, - approximately vertical transmission of the electrical high-frequency signal as a radar signal (p HF ) to the filling material (2), the radar signal (S HF ) being emitted with a main radiation lobe flattened towards the container wall (31), and - reception of a corresponding received signal (E HF ) after reflection of the radar signal (S HF ) on the product surface, and - Determination of the fill level (L) using at least the received signal (EHF).
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