DE102021103543A1 - Winkelauflösendes Füllstandsmessgerät - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein bildgebendes Füllstandsmessgerät (1) auf Radar-Basis. Erfindungsgemäß umfasst das Füllstandsmessgerät (1) einen integrierten Reflektor (12), welcher zu Kalibrations-Zwecken ausgehend von der Antennen-Anordnung (11) gen Füllgut (2) herabgelassen werden kann, sofern das Füllstandsmessgerät (1) am Einsatzort installiert ist. Somit muss das Füllstandsmessgerät (1) zu Kalibrations-Zwecken nicht vom Behälter (3) bzw. vom Einsatzort entfernt werden. Nach der Kalibrationsmessung wird der Reflektor (12) wieder bis mindestens auf Höhe der Antennen-Anordnung (11) eingezogen, so dass sich der Reflektor (12) außerhalb des Sichtbereiches der Antennen-Anordnung (11) befindet, damit die Füllstands-Messungen fortgesetzt werden können.

Description

• Die Erfindung betrifft ein rekalibrierbares, bildgebendes Füllstandsmessgerät sowie ein Verfahren zur Kalibration des Messgerätes.
• In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der jeweiligen Prozessparameter sind in den entsprechenden Feldgeräten daher geeignete Messprinzipien implementiert, um als Prozessparameter, etwa einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, eine Temperatur, einen pH-Wert, ein Redoxpotential oder eine Leitfähigkeit zu erfassen. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen werden von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
• Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Radar-basierte Abstands-Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz).
• Ein etabliertes, radarbasiertes Abstands-Messverfahren bildet FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“). Das zugrundeliegende Messprinzip beruht darauf, ein kontinuierliches Radar-Signal mit einer modulierten Frequenz auszusenden. Kennzeichnend für FMCW ist hierbei, dass die Sende-Frequenz periodisch innerhalb eines definierten Frequenzbandes geändert wird. Unter Berücksichtigung der regulatorischen Vorschriften kommen mit fortschreitender Entwicklung verbreitet höhere Frequenzbänder im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz zum Einsatz: Neben dem 6 GHz-Band, dem 26 GHz-Band oder dem 79 GHz-Band sind mittlerweile Frequenz von über 100 GHz implementiert. Vorteilhaft an hohen Frequenzen ist, dass dort eine größere absolute Bandbreite (bspw. 4 GHz beim 100 GHz-Frequenzband) genutzt werden kann. Dadurch wird wiederum eine höhere Auflösung bzw. eine höhere Genauigkeit der Füllstandsmessung erreicht.
• Die zeitliche Änderung der Frequenz innerhalb des Frequenzbandes ist standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise DreiecksForm auf. Auch eine Sinus-förmige Änderung kann prinzipiell implementiert sein. Die Entfernung bzw. der Füllstand wird beim FMCW-Verfahren auf Basis der momentanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen Radar-Signal nach Reflexion am Messobjekt, und dem momentan vom Messgerät ausgesendeten Radar-Signal bestimmt. Beschrieben wird das FMCW-basierte Füllstands-Messverfahren beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 490 A1 .
• Durch Radar-basierte Abstands-Messverfahren ist es möglich, den Abstand bzw. den Füllstand punktuell zu messen. Dabei richtet sich der Punkt, an dem der Füllstand gemessen wird, nach der Ausrichtung der Sende- /Empfangs-Antenne bzw. nach der Richtung ihrer Hauptabstrahlkeule (aufgrund der allgemein reziproken Eigenschaften von Antennen ist die Charakteristik bzw. der Strahlwinkel der Hauptabstrahlkeule der jeweiligen Antenne unabhängig davon, ob sie sendet oder empfängt. Bei dem Begriff „Winkel“ oder „Strahlwinkel“ handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung um denjenigen Winkel, unter dem die Hauptabstrahlkeule ihre maximale Sende-Intensität bzw. Empfangs-Empfindlichkeit aufweist.
• Im Falle von flüssigen Füllgütern, deren Füllstand homogen ist, ist eine punktuelle Füllstandsmessung ausreichend. In diesen Fällen ist das Füllstandsmessgerät so ausgerichtet, dass die Hauptabstrahlkeule der Antenne in etwa senkrecht nach unten gen Füllgut gerichtet ist und die Entfernung zum Füllgut bestimmt. Bei feststoffartigen Füllgütern wie Kies oder Getreide kann der Füllstand beispielsweise aufgrund von Schüttgutkegeln jedoch inhomogen sein, so dass der vom Füllstandsmessgerät ermittelte Füllstandswert nur bedingt aussagekräftig ist. Speziell in solchen Fällen ist es daher erstrebenswert, die Entfernung bzw. den Füllstand in Form eines zwei- oder dreidimensionalen Profils bestimmen zu können.
• Um dies zu ermöglichen, muss das Füllstandsmessgerät ausgelegt sein, eingehende Radar-Signale einem zugehörigen Raumwinkel zuordnen zu können. Erreicht werden kann dies mit digitalen Strahlformungs-Methoden („Digital Beamforming“), wie beispielsweise mittels des MIMO-Prinzips („Multiple Input Multiple Output“). Diesem Prinzip liegt eine Antennen-Anordnung zugrunde, die aus einer Vielzahl an Sende- und Empfangs-Antennen besteht. Dabei sendet jede Sende-Antenne ein zu den anderen Sende-Antennen orthogonales Radar-Signal aus, welches von jeder Empfangsantenne empfangen und ggf. digitalisiert, um anschließend einer gemeinsamen Radarsignalverarbeitung unterzogen zu werden. Aus einer Antennen-Anordnung mit N Sende-Antennen und K Empfangs-Antennen entsteht dadurch rechnerisch eine virtuelle Antennen-Anordnung von K*N Antennen mit einer stark vergrößerten virtuellen Apertur.
• Sofern alle Sende- und Empfangsantennen in etwa am gleichen Ort bzw. einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, so dass sie denselben Raumwinkelbereich abdecken, wird dies als „Colocated MIMO“ bezeichnet. In einer möglichen Ausführungsform hiervon sind die Sende-Antennen entlang einer Spalte angeordnet, während die Empfangs-Antennen innerhalb der Antennen-Anordnung entlang einer Reihe angeordnet sind. Die Sende- und Empfangs-Antennen sind also jeweils in einem definierten Abstand entlang einer Geraden angeordnet, wobei die Geraden in etwa rechtwinklig zueinander verlaufen und somit ein Raster mit K*N Punkten aufspannen, welches die Orte der virtuellen Antennen repräsentiert. Um die resultierenden Messkurven den einzelnen Punkten, bzw. den einzelnen Antennen zuordnen zu können, sind verschiedene Techniken zur Ansteuerung der Sende-Antennen bzw. zur Auswertung der Empfangs-Antennen bekannt. Diesbezüglich wird bevorzugt „TDMA (Time Division Multiple Access)“ implementiert, wonach die Sende-Antennen gemäß des Zeitmultiplex-Verfahren entlang ihrer Anordnung nacheinander aktiv geschaltet werden.
• Nach dem Stand der Technik kann die gesamte, zur Umsetzung des MIMO-Prinzips erforderliche Hardware bereits so kompakt als monolithische Einheit integriert werden, dass die Sende- und Empfangs-Antennen als Patch-Antennen zusammen mit demjenigen Halbleiterbauteil, das die Steuerungs-Einheit umfasst, auf einer gemeinsamen Leiterplatte bzw. sogar als gemeinsam gekapselter IC („Integrated Circuit“) untergebracht sind. Näher beschrieben werden MIMO-basierte Radar-Systeme beispielsweise in „MIMO Radar Signal Processing“ (Jian Li), 2009.
• Im Falle von digitalen Strahlformungsmethoden ergibt sich die Winkelauflösung nachträglich durch eine rechnerische Strahlsteuerung. Hierzu werden die jeweiligen Empfangssignale aufgezeichnet und rechnerisch zu gewünschten Hauptabstrahlkeulen kombiniert, so dass keine zusätzlichen Hardware-Einheiten zur elektronischen Amplituden- und Phasensteuerung an den einzelnen Antennen erforderlich sind. Allerdings setzt digitale Strahlformung im Allgemeinen konstante und bekannte Laufzeit-, Phasen- und Amplitudenbezüge (im Folgenden unter dem Begriff „Kohärenzwerte“ zusammengefasst) zwischen den empfangenen Radar-Signalen voraus. Da diese in der Praxis aus den Entwurfsdaten der eingesetzten Hardware-Einheiten nicht bekannt sind, müssen die Kohärenzwerte durch eine geeignete Kalibration ermittelt werden.
• Die bevorzugte Kalibrations-Methode zur Ermittlung des entsprechenden Kalibrations-Datensatzes besteht in einer Radarmessung an einem reflexionstechnisch möglichst idealem Einzel-Ziel in einer ansonsten reflexionsfreien Umgebung. Hierzu werden
• - die Radar-Signale über die Sende-Antennen gen Einzel-Ziel ausgesandt,
• - nach Reflexion über die Empfangs-Antennen die Radar-Signale empfangen, und
• - für alle Kombinationen aus Sende- und Empfangs-Antennen die korrespondierenden Kohärenzwerte als entsprechender Kalibrations-Datensatz aufgezeichnet.
• Typischerweise handelt es sich bei dem idealisierten Einzel-Ziel um einen Eckreflektor, auch bekannt als Corner- oder Winkel-Reflektor. Als reflexionsfreie Umgebung dient ein Absorber-Raum. Aus den in dieser idealisierten Umgebung aufgezeichneten Radar-Signalen lassen sich in direkter komplexer Rückrechnung die Kohärenzwerte für alle Sende-/Empfangswege ermitteln, welche die Kalibrier-Daten des Kalibrations-Datensatzes bilden.
• Bei Frequenzen im Radar-Bereich verhindern Toleranzen der Schaltungsteile und der Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Verkopplungseffekte durch enge Packungsdichten reproduzierbare und von Exemplar zu Exemplar konstante Kohärenzwerte. Je nach Aufbau ist daher schon ab niedrigen Radar-Frequenzen eine individuelle Kalibrierung notwendig. Die in der Kalibrierung ermittelten Kohärenzwerte für jeden Sende- und Empfangskanal bzw. der entsprechende Kalibrations-Datensatz muss jedoch auch im späteren Messbeitrieb bei sich ändernden Umweltbedingungen und trotz Alterung konstant bleiben. Denn bereits kleine Veränderungen in den Kohärenzwerten führen zu Fehlern in der Winkelmessung und zur Reduktion von Winkelauflösung und Zieldynamik. Somit muss das Füllstandsmessgerät nach einer gewissen Zeit im Messbetrieb zwischenzeitlich wieder ausgebaut werden, um erneut in einer Kalibrations-Umgebung rekalibriert werden zu können.
• Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, ein bildgebendes Füllstandsmessgerät bereitzustellen, welches rekalibriert werden kann, ohne aus der Messumgebung entfernt werden zu müssen.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Bestimmung eines dreidimensionalen Füllstands-Profils eines Füllguts in einem definierten Raumwinkelbereich. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät folgende Komponenten:
• - Eine Antennen-Anordnung mit
  • ◯ einer definierten Anzahl an Sende-Antennen, um Radar-Signale gen Füllgut auszusenden, und mit
  • ◯ einer definierten Anzahl an Empfangs-Antennen, um die Radar-Signale nach Reflexion an der Füllgut-Oberfläche zu empfangen,
• - eine Steuerungs-Einheit, die ausgelegt ist, um
  • ◯ die Radar-Signal zu erzeugen und gemäß einer definierten Strahlformungs-Methode, wie beispielsweise dem MIMO-Prinzip, in die Sende-Antennen der Antennen-Anordnung einzukoppeln,
  • ◯ um gemäß der Strahlformungs-Methode anhand zumindest der an den Empfangs-Antennen empfangenen Radar-Signale und anhand eines vorliegenden Kalibrations-Datensatzes das Raumwinkel-abhängige Füllstands-Profil zu erstellen.
• Erfindungsgemäß zeichnet sich das Füllstandsmessgerät aus, durch:
• - Einen Reflektor zur Reflexion der ausgesendeten Radar-Signale, und
• - eine Aktuator-Einheit, die ausgelegt ist, den Reflektor ausgehend von der Antennen-Anordnung derart gen Füllgut herabzulassen und von dort einzuziehen,
  • ◯ dass sich der Reflektor im herabgelassenen Zustand innerhalb des Raumwinkelbereichs in einem definierten Abstand zur Antennen-Anordnung befindet und gen Antennen-Anordnung ausgerichtet ist, und
  • ◯ dass sich der Reflektor im eingezogenen Zustand außerhalb des Raumwinkelbereichs, also außerhalb des Sichtbereichs der Antennen-Anordnung befindet.
• Die Steuerungs-Einheit ist dementsprechend ausgelegt,
• ◯ um das Herablassen und Einziehen des Reflektors an der Aktuator-Einheit zu steuern, und
• ◯ um im herabgelassenen Zustand des Reflektors mittels einer Kalibration den Kalibrations-Datensatz zu erstellen.
• Die Erfindung basiert also darauf, das Füllstandsmessgerät mit einem eigenem Reflektor auszustatten, der zur (Re-) Kalbration direkt am Einsatzort eingesetzt werden kann. Somit muss das Füllstandsmessgerät zu Kalibrations-Zwecken nicht vom Behälter bzw. vom Einsatzort entfernt werden.
• Unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung bzw. Hardware 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 ein FPGA oder 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 Messgerätes im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
• Idealerweise ist die Aktuator-Einheit derart ausgelegt, dass der Reflektor im herabgelassenen Zustand auf demjenigen Vektor, entlang dessen das Intensitäts-Maximum der Hauptabstrahlkeule der Antennen-Anordnung verläuft, angeordnet ist. Hierdurch wird bei der Kalibrationsmessung eine maximal mögliche Reflexion sichergesellt. Außerdem ist die Aktuator-Einheit vorzugsweise ausgelegt, den Abstand des Reflektors im herabgelassenen Zustand zumindest in einem definierten Abstandsbereich stufenlos oder stufenweise einzustellen. Hierdurch ist es möglich, den Kalibrations-Datensatz jeweils bei zumindest zwei verschieden Abständen des Reflektors zu ermitteln, um eine genauere Kalibration zu erzielen. Für die Kalibration ist es auch vorteilhaft, wenn der Reflektor möglichst ein punktuelles Einzel-Ziel darstellt. Dementsprechend ist der Reflektor vorzugsweise als Winkel-Reflektor, bzw. Corner- oder Eck-Reflektor auszulegen. Als Punktziel ist jedoch auch ein kugelförmiger Reflektor denkbar.
• Die Auslegung der Aktuator-Einheit ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgegeben. Beispielsweise kann die Aktuator-Einheit auf einer Rolle mit einem auf- bzw. abwickelbaren Seil basieren, so dass der Reflektor an einem Seilende herablassbar und einziehbar ist. Alternativ kann die Aktuator-Einheit zum Herablassen und Einziehen des Reflektors auch eine Teleskopstange umfassen.
• Korrespondierend zum erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein entsprechendes Verfahren zur Kalibration des Füllstandsmessgerätes gelöst. Demnach umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
• - Herablassen des Reflektors,
• - Aussenden der Radar-Signale über die Sende-Antennen gen Reflektor,
• - Empfang der Radar-Signale nach Reflexion am Reflektor,
• - Erstellung des Kalibrations-Datensatzes anhand zumindest der empfangenen Radar-Signale, und
• - Einziehen des Reflektors, um mit dem Messbetrieb fortfahren zu können.
• Dabei ist es zu einer möglichst vollständigen Kalbration vorteilhaft, wenn aus den empfangenen Radar-Signalen die jeweiligen Kohärenzwerte aller möglichen Kombinationen aus Sende-Antennen und Empfangs-Antennen als Kalibrationsdaten des Kalibrations-Datensatzes ermittelt werden.
• Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
• 1:Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät an einem Behälter, und
• 2: eine Draufsicht auf eine mögliche Ausführungsform der Antennen-Anordnung des Füllstandsmessgerätes.
• Zum Verständnis der Erfindung ist in 1 ein Behälter 3 mit einem Füllgut 2 gezeigt, dessen Füllstand L in Form eines dreidimensionalen Füllstands-Profils L(α, β) zu erfassen ist. Hierzu ist das Füllstandsmessgerät 1 in einer bekannten Einbauhöhe h oberhalb des Füllgutes 2 am Behälter 3 angebracht. Dabei kann der Behälter 3 je nach Art und Einsatzgebiet bis zu mehr als 100 m hoch sein. Das Füllstandsmessgerät 1 ist so am Behälter 3 befestigt, dass es über eine Antennen-Anordnung 11 kontinuierlich, zyklisch oder auch azyklisch Radar-Signale S_HF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 aussendet. Dementsprechend ist die Antennen-Anordnung 11 im eingebauten Zustand des Füllstandsmessgerätes 1 derart ausgerichtet, dass die resultierende Hauptabstrahlkeule der Antennen-Anordnung 11 ungefähr vertikal nach unten gen Füllgut 2 zeigt.
• Angesteuert wird die Antennen-Anordnung 11 von einer Steuerungs-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1. Sofern als Abstands-Messverfahren FMCW implementiert ist, werden die Sende-Antennen 111 der Antennen-Anordnung 11 derart angesteuert, dass sie das Radar-Signal S_HF an der einzelnen Sende-Antenne 111 jeweils gemäß $$ƒ=c*{\lambda }^{-1}$$

  

  mit der für FMCW charakteristischen, sägezahnförmig modulierten Frequenz f aussenden. Die Steuerungs-Einheit kann dazu beispielsweise einen phasengesteuerten Regelkreis (auch bekannt als PLL, „Phase Locked Loop“) umfassen.
• Nach Reflexion des Radar-Signals S_HF an der Füllgut-Oberfläche empfängt die Steuerungs-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 die reflektierten Radar-Signale R_HF über die Empfangs-Antennen 111' der Antennen-Anordnung 11 nach einer definierten Signallaufzeit, wobei die Signallaufzeit vom Abstand d des Füllstandsmessgerätes 1 zur Füllgut-Oberfläche abhängt. Da die Steuerungs-Einheit die Signallaufzeit messen und dem Abstand d zuordnen kann, ist es dem Füllstandsmessgerät 1 möglich, den Füllstand L gemäß $$d=h-L$$

  

  zu ermitteln, sofern die Einbauhöhe h des Füllstandsmessgerätes 1 über der Behälter-Sole in der Steuerungs-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 hinterlegt ist.
• 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 Füllstand 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.
• Nach dem Stand der Technik ist es mittels entsprechender Radar-basierter Abstands-Messverfahren, wie FMCW- oder dem Pulslaufzeit-Verfahren bereits möglich, den Füllstand L bei Idealbedingungen (gut reflektierendem Füllgut 2, planarer Füllgut-Oberfläche, keine Hindernisse wie Rührwerke oder sonstige Einbauten im Signalpfad des Radar-Signals S_HF) punktuell mit einer Genauigkeit im Sub-Mikrometer-Bereich aufzulösen. Selbst bei rauen bzw. welligen Füllgut-Oberflächen oder staubhaltiger Atmosphäre ist mittels dem FMCW-Verfahren eine zuverlässige Messung des Füllstandes L an einem Punkt der Füllgut-Oberfläche möglich. Im Falle einer planaren Füllgut-Oberfläche lässt sich bei bekannter Behälter-Geometrie aus dem FüllstandsWert zudem unmittelbar das Füllvolumen des Füllgutes 2 im Behälter 3 bestimmen.
• Die punktuelle Messung des Füllstandes L bzw. des Füllvolumens stößt allerdings an seine Grenzen, wenn die Oberfläche des Füllgutes 2, wie in 1 dargestellt wird, nicht planar ist. Dies kann insbesondere bei Schüttgutartigen Füllgütern 2 eintreten, bspw. wenn sich beim Befüllen des Behälters 3 Schüttkegel bilden. Daneben kann es beim Abpumpen des Füllgutes 2 zu Vertiefungstrichtern an der Füllgut-Oberfläche kommen. Sofern das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L lediglich punktuell an einer Stelle der Oberfläche des Füllgutes 2 bestimmen würde, könnte dies zu einer fehlerhaften Interpretation des Füllstandes L bzw. des Füllvolumens führen.
• So könnte zum Beispiel ein Entleerungsvorgang gestoppt werden, wenn durch das Füllstandsmessgerät 1 ein leerer Behälter 3 ermittelt wurde, obwohl am Rand des Behälter-Inneren nach wie vor Füllgut 2 vorhanden ist. Im entgegengesetzten Fall könnte es bei vollem Behälter 3 vorkommen, dass ein Befüll-Vorgang nicht angehalten wird, obwohl ein Maximalfüllstand an einer Stelle der Füllgut-Oberfläche bereits überschritten ist, da dies durch das Füllstandsmessgerät 1 nicht erkannt wird.
• Aus diesem Grund ist das Füllstandsmessgerät 1, wie in 1 angedeutet ist, in der Lage, den Füllstand L - in Bezug zur Antennen-Anordnung 11 - innerhalb eines definierten Raumwinkelbereichs [α; β] als dreidimensionales Füllstands-Profil L(α, β) zu bestimmen. Dabei beziehen sich die senkrecht zueinander verlaufenden Winkel α, β des Raumwinkelbereichs [α; β] jeweils auf das Lot. Dementsprechend wird das Füllstands-Profil L(α, β) in Bezug zu einem Polar-Koordinatensystem erstellt. Zur Erstellung eines dreidimensionalen Füllstands-Profils L(x, y) im kartesischen KoordinatenSystem kann der jeweilige Winkel α, β (da dieser wie auch die jeweils gemessene Entfernung d(α, β) bekannt ist) mittels der Sinusfunktion zu einem korrespondierenden lateralen Wert x, y der in Bezug zum Behälterquerschnitt steht, umgerechnet werden. Es erfolgt also eine entsprechende Umwandlung von einem Polar-Koordinatensystem in ein kartesisches Koordinatensystem.
• Zur Umsetzung des MIMO-Prinzips führt die Steuerungs-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 das Radar-Signal S_HF den Sende-Antennen 111 der Antennen-Anordnung 11 entsprechend codiert oder gemäß des TDMA-Prinzips der Anordnungsreihenfolge i = 1, 2, .... nach zeitlich versetzt zu. Zur korrekten Ermittlung des Füllstands-Profils L(α, β) muss das Füllstandsmessgerät 1 hinsichtlich des Abstandes d bzw. hinsichtlich der Winkel α, β außerdem entsprechend kalibriert sein. Das heißt, die Steuerungs-Einheit im Füllstandsmessgerät 1 muss die an der Antennen-Anordnung 11 empfangenen Radar-Signale R_HF hinsichtlich ihrer Kohärenzwerte mit entsprechenden Werten eines Kalibrations-Datensatzes [σ_i,j] abgleichen, um aus empfangenen Radar-Signalen R_HF nach Abgleich die korrekten Abstands-Information d(α, β) bzw. die korrespondierenden Winkel α, β zu erhalten. Dabei bezieht sich der Begriff „Abgleich“ im Rahmen der Erfindung bezüglich der Winkel α, β insbesondere auf eine komplexe Multiplikation. Bezüglich des Abstandes d bezieht sich dieser Begriff vorzugsweise auf eine Subtraktion. Dementsprechend muss der Kalibrations-Datensatz [σ_i,j] für jede Sende-Antenne 111 in Kombination mit jeder Empfangs-Antenne 111' der Antennen-Anordnung 11 die entsprechenden Soll-Kohärenzwerte (Phasenverschiebung, Amplituden-Differenz und/oder Laufzeit) umfassen. Somit kann die Steuerungs-Einheit mittels der abgeglichenen Abstands-Information d(α, β) im Messbetrieb gemäß $$\text{d}\left(\mathrm{\alpha }\mathrm{,\beta }\right)=\text{h}-\text{L}\left(\mathrm{\alpha }\mathrm{,\beta }\right)$$

  

  das Raumwinkel-abhängige Füllstands-Profil L(α, β) erstellen.
• Da der Kalibrations-Datensatz [σ_i,j] vor Inbetriebnahme des Füllstandsmessgerätes 1 zu erstellen ist, erfolgt die Kalibration in der Praxis bereits im Werk an einem Einzel-Reflektor in einem entsprechenden Absorber-Raum. Hierbei werden die Radar-Signale S_HF über die Sende-Antennen 111 gen Reflektor ausgesendet und der Kalibrations-Datensatz [σ_i,j] wird anhand der empfangenen Radar-Signale R_HF erstellt, nachdem die Radar-Signale R_HF am Reflektor reflektiert wurden. Dabei kann die Kalbration beispielsweise als 2dB-bildgebende Kalibration unter bekannten Raumwinkeln α, β durchgeführt werden. Als Raumwinkel α, β, unter dem der Reflektor in Bezug zur Hauptabstrahlkeule bzw. zur Antennen-Anordnung 11 angeordnet ist, wird hierbei zweckmäßigerweise jeweils 0° gewählt, damit der Reflektor im Maximum der Hauptabstrahlkeule der Antennen-Anordnung platziert ist und somit eine maximale Reflexionsintensität erzielt. Insbesondere durch Alterung innerhalb der Steuerungs-Einheit muss der Kalibrations-Datensatz [α_i,j] jedoch nach einer gewissen Betriebsdauer aktualisiert werden, damit das aktuelle Füllstands-Profil L(α, β) nach wie vor korrekt erfasst werden kann.
• Wie in 1 dargestellt ist, umfasst das Füllstandsmessgerät 1 einen eigenen Reflektor 12, welcher von der Antennen-Anordnung 11 ausgehendend vertikal in den Behälter 3 hinabgelassen werden kann, sofern das Füllstandsmessgerät 1 für den Messbetrieb am Behälter 3 montiert ist. Erfindungsgemäß kann hierdurch vor Ort eine Kalibration an dem herabgelassenen und gen Antennen-Anordnung 11 gerichteten Reflektor 12 durchgeführt werden, ohne das Füllstandsmessgerät 1 hierfür vom Behälter 3 demontieren zu müssen. Dabei kann die Kalibration am Behälter 3 vom Ablauf analog zu der zuvor beschriebenen, werksseitigen Kalibration durchgeführt werden. Nach Abschluss der Kalibration kann der Reflektor 12 wieder in das Füllstandsmessgerät 1 eingezogen werden, so dass sich der Reflektor 12 hinter der Antennen-Anordnung 11 bzw. außerhalb des erfassbaren Raumwinkelbereichs [α; β] der Antennen-Anordnung 11 befindet, um mit dem Messbetrieb, also mit der Bestimmung des Füllstands-Profils L(α, β) fortzufahren.
• Wie in 2 gezeigt ist, kann das Füllstandsmessgerät 1 als Aktuator-Einheit 13 zum Herablassen und Einziehen des Reflektors 12 beispielsweise eine integrierte Seileinzugsvorrichtung umfassen. In diesem Fall ist der Reflektor 12 an einem Seilende befestigt, so dass der Reflektor 12 beim Abwickeln des Seils von einer entsprechenden Rolle herabgelassen wird. Beim Aufwickeln des Seils auf die Rolle wird der Reflektor 12 zumindest bis auf Höhe der Antennen-Anordnung 11 eingezogen. Dabei wird die Seileinzugsvorrichtung entsprechend von der Steuerungs-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 gesteuert. Alternativ zu einer Seileinzugsvorrichtung ist es ebenfalls denkbar, eine steuerbare Teleskopstange als Aktuator-Einheit zu implementieren. Allerdings ist ein Seil prinzipiell dünner bzw. aus reflexionsärmeren Material (bspw. Nylon) auslegbar, um die Kalibrationsmessung möglichst nicht zu beeinflussen. Bei beiden Auslegungs-Varianten der Aktuator-Einheit 13 kann diese den Abstand d des Reflektors 12 im herabgelassenen Zustand quasi stufenlos einstellen. Hierdurch kann die erfindungsgemäße Kalibration auch dahingehend erweitert werden, dass ein Kalibrations-Datensatz [σ_i,j] jeweils bei mehreren unterschiedlichen Abständen d erstellt wird. Dies kann entweder als Redundanz bzw. zur Prüfung der Plausibilität der Kalibrations-Datensätze [σ_i,j] genutzt werden, oder die auf diese Weise ermittelten Kalibrations-Datensätze [σ_i,j] können im Anschluss gemittelt werden, so dass der gemittelte Kalibrations-Datensatz [σ_i,j] zur bildgebenden Füllstands-Messung hinterlegt wird.
• Bei der in 2 als Draufsicht gezeigten Ausführungsvariante der Antennen-Anordnung 11 wird das Seil der Seileinzugs-Vorrichtung 13 bzw. der Reflektor 12 durch eine mittige, kreisrunde Durchführung 14 der ansonsten planar ausgelegten Antennen-Anordnung 11 durchgeführt (die Antennen 111, 111' können dementsprechend beispielsweise in Leiterbahn-Technologie als Patch-Antennen auf einem Leiterplatten-Substrat realisiert sein). Dabei sind die Antennen 111, 111' im gezeigten Ausführungsbeispiel entlang einer quaderförmigen Kontur um die Durchführung 14 herum derart gleichverteilt angeordnet, dass die insgesamt zwölf Sende-Antennen 111 entlang zweier paralleler Geraden der quaderförmigen Kontur angeordnet sind, während die zwölf Empfangs-Antennen 111' auf den zwei orthogonal dazu verlaufenden Geraden der quaderförmigen Kontur platziert sind. Dabei muss die Beabstandung zwischen den einzelnen Antennen 111, 111' Prinzip-bedingt kleiner als die Hälfte der Wellenlänge λ des Radar-Signals S_HF ausgelegt sein. Bei einer Frequenz f des Radar-Signals S_HF, R_HF von 100 GHz entspricht dies gemäß $$\text{c}=\mathrm{\lambda }\ast ƒ$$

  

  in etwa 1,5 mm (c ist hierbei die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum). Durch diese symmetrische Anordnung der Antennen 111, 111' um die runde Durchführung 14 herum wird einerseits gemäß des MIMO-Prinzips eine virtuelle Apertur der Antennen-Anordnung 11 bewirkt, die symmetrisch ist. Andererseits befindet sich der Reflektor 12 aufgrund der - in Bezug zu den Antennen 111, 111'-zentralen Anordnung der Durchführung 14 im herabgelassenen Zustand auf demjenigen Vektor, entlang welchem die maximale Intensität der Hauptabstrahlkeule der Antennen-Anordnung 11 verläuft, so dass die Kalibration aufgrund der Gravitation unter einem bekannten und vorbestimmten Raumwinkel α, β von jeweils 0° durchgeführt wird.
• Bezugszeichenliste

1

Füllstandsmessgerät

2

Füllgut

3

Behälter

4

Übergeordnete Einheit

11

Antennen-Anordnung

12

Reflektor

13

Aktuator-Einheit

14

Durchführung

111

Sende-Antennen

111'

Empfangs-Antennen

d

Entfernung

h

Einbauhöhe

i

Anzahl an Sende-Antennen

j

Anzahl an Empfangs-Antennen

L(α, β)

Füllstands-Profil

RHF

Reflektiertes Radar-Signal

SHF

Radar-Signal

[α; β]

Raumwinkelbereich

[σi,j]

Kalibrations-Datensatz

• 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
• DE 102013108490 A1 [0005]

Claims (10)

1. Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Bestimmung eines dreidimensionalen Füllstands-Profils (L(α, β)) eines Füllguts (2) in einem definierten Raumwinkelbereich ([α; β)], folgende Komponenten umfassend: - Eine Antennen-Anordnung (11) mit ◯ einer definierten Anzahl (i) an Sende-Antennen (111), um Radar-Signale (S_HF) gen Füllgut (2) auszusenden, und mit ◯ einer definierten Anzahl (j) an Empfangs-Antennen (111'), um die Radar-Signale (R_HF) nach Reflexion an der Füllgut-Oberfläche zu empfangen, - eine Steuerungs-Einheit, die ausgelegt ist, um ◯ die Radar-Signal (S_HF) zu erzeugen und gemäß einer definierten Strahlformungs-Methode in die Sende-Antennen (111) der Antennen-Anordnung (11) einzukoppeln, ◯ um gemäß der Strahlformungs-Methode anhand zumindest der an den Empfangs-Antennen (111') empfangenen Radar-Signale (R_HF) und anhand eines vorliegenden Kalibrations-Datensatzes ([σ_i,j]) das Raumwinkel-abhängige Füllstands-Profil (L(α, β)) zu erstellen. gekennzeichnet durch - einen Reflektor (12) zur Reflexion der ausgesendeten Radar-Signale (SHF), und - eine Aktuator-Einheit (13), die ausgelegt ist, den Reflektor (12) ausgehend von der Antennen-Anordnung (11) derart gen Füllgut (2) herabzulassen und von dort einzuziehen, ◯ dass sich der Reflektor (12) im herabgelassenen Zustand innerhalb des Raumwinkelbereichs ([α; β]) in einem definierten Abstand (d) zur Antennen-Anordnung (11) befindet und dorthin ausgerichtet ist, und ◯ dass sich der Reflektor (12) im eingezogenen Zustand außerhalb des Raumwinkelbereichs ([α; β]) befindet, wobei die Steuerungs-Einheit ausgelegt ist, ◯ um das Herablassen und Einziehen des Reflektors (12) an der Aktuator-Einheit (13) zu steuern, und ◯ um im herabgelassenen Zustand des Reflektors (12) mittels einer Kalibration den Kalibrations-Datensatz ([σ_i,j]) zu erstellen.
2. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, wobei die Aktuator-Einheit (13) derart ausgelegt ist, dass der Reflektor (12) im herabgelassenen Zustand in einem Intensitäts-Maximum der Hauptabstrahlkeule der Antennen-Anordnung (11) angeordnet ist.
3. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die die Aktuator-Einheit (13) ausgelegt ist, den Abstand (d) des Reflektors (12) im herabgelassenen Zustand zumindest in einem definierten Abstandsbereich (Δd) stufenlos oder stufenweise einzustellen.
4. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei in der Steuerungs-Einheit das MIMO-Prinzip als digitale Strahlformungs-Methode implementiert ist.
5. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reflektor (12) als Winkel-Reflektor ausgelegt ist.
6. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aktuator-Einheit (13) eine Rolle mit einem auf- bzw. abwickelbaren Seil umfasst, mittels dem der Reflektor (12) herablassbar und einziehbar ist.
7. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Aktuator-Einheit (13) zum Herablassen und Einziehen des Reflektors (12) eine Teleskopstange umfasst.
8. Verfahren zur Kalibration des Füllstandsmessgerätes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Herablassen des Reflektors (12), - Aussenden der Radar-Signale (S_HF) über die Sende-Antennen (111) gen Reflektor (12), - Empfang der Radar-Signale (R_HF) nach Reflexion am Reflektor (12), - Erstellung des Kalibrations-Datensatzes ([σ_i,j]) anhand zumindest der empfangenen Radar-Signale (R_HF), und - Einziehen des Reflektors (12).
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei aus den empfangenen Radar-Signalen (R_HF) als Kalibrationsdaten des Kalibrations-Datensatzes ([σ_i,j]) Kohärenzwerte aller Kombinationen aus Sende-Antennen (111) und Empfangs-Antennen (111') ermittelt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Kalibrations-Datensatz ([σ_i,j]) bei jeweils zumindest zwei verschieden Abständen (d) des Reflektors (12) ermittelt wird.

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