-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft die Radarmesstechnik. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Radarsensor mit Spülfunktion, ein Verfahren zum Spülen einer Antenne eines Radarsensors, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
-
Technischer Hintergrund
-
Im Gebiet der Prozessmesstechnik im industriellen oder privaten Umfeld werden Radarsensoren eingesetzt, die ein Radar-Messsignal über eine Antenne abstrahlen und das beispielsweise an einer Füllgutoberfläche reflektierte Messsignal wieder empfangen. Aus der Laufzeit des Messsignals während seines Weges von der Antenne zum Reflektor und wieder zurück zur Antenne kann der Abstand zum Reflektor bestimmt werden.
-
Insbesondere wenn der Radarsensor in einen Behälter eingebaut ist, kann es zu Anhaftungen in der Antenne kommen, welche das Messsignal negativ beeinflussen können, sodass die Messgenauigkeit abnimmt.
-
DE 10 2005 049 243 A1 beschreibt eine Parabolantenne mit einem Spülanschluss, so dass der Erreger mit Spülmittel umspült und gereinigt werden kann.
-
DE 10 2004 060 117 A1 beschreibt ein Messgerät der Prozessmesstechnik mit einer Antenne, das eine In-Situ-Reinigung der Antenne im Behälter ermöglicht, um so die Antenne vor Verunreinigungen zu befreien.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Messqualität zu erhöhen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
-
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Radarsensor mit einer Spülfunktion. Der Radarsensor weist eine Antenne auf, die eingerichtet ist zum Abstrahlen eines Radar-Messsignals.
-
Zwischen der Hochfrequenzelektronik des Radarsensors, die das Radar-Messsignal erzeugt, und der Antenne kann, gemäß einer Ausführungsform, ein Wellenleiter vorgesehen sein, der eingerichtet ist zum Leiten des abzustrahlenden Radar-Messsignals an die Antenne. Alternativ oder zusätzlich zum Wellenleiter kann eine Planarantenne verwendet werden.
-
Vor der Antenne, und im Falle der Verwendung eines Wellenleiters zwischen dem Wellenleiter und der Antenne, ist ein bewegliches, ventilartiges Anpasselement angeordnet und es ist ein Druckmittel-Zuführungskanal vorgesehen, der eingerichtet ist zur Aufnahme eines Druckmittels, um das Anpasselement von einer geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung zu bewegen, sodass das Druckmittel in die Antenne strömen kann.
-
In anderen Worten ist das Anpasselement derart eingerichtet, dass es die Funktion eines Ventils einnimmt, welches den Druckmittel-Zuführungskanal wahlweise öffnet und verschließt. Weitere Steuerleitungen für die Betätigung des Ventils sind nicht erforderlich, da das Anpasselement als Ventil selbst ausgeführt ist.
-
Das Anpasselement ist typischerweise aus einem dielektrischen Material gefertigt, welches das Radar-Messsignal durchlässt und in die Antenne einkoppelt.
-
In anderen Worten nimmt das Anpasselement eine Doppelfunktion ein: Einerseits die Einkopplung des Radar-Messsignals in die Antenne und andererseits die Ventilfunktion, die durch seine wechselseitige Auf- und Abbewegung erfüllt wird.
-
Somit ist es möglich, dass der Radarsensor die Prozessseite der Antenne selbstständig reinigt. Insbesondere kann die Antenne als Antennenhorn ausgebildet sein, in welches Spülfluid eingeblasen wird, wodurch grobe Verschmutzungen, Stäube und Hitze ferngehalten werden können. Bei dem Spülfluid handelt es sich um Spülluft, Spülflüssigkeit oder eine Mischung aus beidem.
-
Der Radarsensor kann zur Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld ausgeführt sein. Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches alle Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
-
Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird.
-
Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
-
Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Spülfluid erhitzt wird, um den Spülvorgang zu erleichtern. Das bewegliche, ventilartige Anpasselement befindet sich im Anfangsbereich der Antenne, und insbesondere innerhalb der Antenne, und wird durch das Spülfluid selbst angesteuert (betätigt). Ab einem festgelegten Druck wird beispielsweise ein Bypass freigegeben, welcher in das Antennenhorn führt. Falls der Prozessdruck größer als der Druck des Spülfluids ist, bleibt das Ventil geschlossen und dichtet zum Prozess hin ab.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Ventil so angesteuert wird, dass es in schneller Abfolge öffnet und schließt, wodurch Erschütterungen ausgelöst werden, welche die Stäube und Anhaftungen abklopfen. Auch kann vorgesehen sein, den Hohlleiter des Radarsensors als Spülbohrung mit zu nutzen. Insbesondere in diesem Fall kann das Anpasselement als Ventil selbst ausgeführt sein und die Konstruktion verschlankt werden. Durch die Bewegung des Anpasselements können sehr effektiv Verschmutzungen an diesem Element „abgeklopft“ werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Radarsensor einen Druckmittel-Weiterführungskanal auf, der eingerichtet ist zum Leiten des Druckmittels vom Druckmittel-Zuführungskanal in die Antenne, wenn sich das Anpasselement in der geöffneten Stellung befindet, sodass es den Einlass zum Druckmittel-Weiterführungskanal freigibt.
-
In der geschlossenen Stellung ist das Anpasselement über den Einlass des Druckmittel-Weiterführungskanals geschoben, sodass es diesen abdichtet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform mündet der Druckmittel-Weiterführungskanal in den Anfangsbereich der Antenne, in welchem das Anpasselement angeordnet ist, wobei er auf das Anpasselement gerichtet ist, um das in die Antenne strömende Druckmittel in Richtung Anpasselement strömen zu lassen. Auf diese Weise kann das Anpasselement abgeblasen oder abgespritzt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Luft gleichzeitig auf das Anpasselement und auf das Antennenhorn oder nur in das Antennenhorn geleitet wird.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist nicht nur ein Druckmittel-Weiterführungskanal vorgesehen, sondern eine Mehrzahl davon, wobei die Mündungen der Kanäle um das Anpasselement herum und auf dieses gerichtet angeordnet sind.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Anpasselement in der geöffneten Stellung in Abstrahlrichtung des Radar-Messsignals nach vorne verschoben, wohingegen es in der geschlossenen Stellung in Abstrahlrichtung des Radar-Messsignals nach hinten verschoben ist.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Bereich des Druckmittel-Zuführungskanals im Wellenleiter angeordnet bzw. wird von diesem ausgebildet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Bereich des Druckmittel-Zuführungskanals neben dem Wellenleiter in dessen Wandung angeordnet, beispielsweise zumindest abschnittsweise parallel zum Wellenleiter.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Anpasselement hülsenartig ausgebildet und umschließt einen Endbereich des Wellenleiters, sodass der Wellenleiter gegenüber dem Inneren der Antenne abgedichtet ist.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Anpasselement zum Einkoppeln des Radar-Messsignals in die Antenne eingerichtet.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Druckmittel um ein Spül-Fluid, welches eingerichtet ist, das Anpasselement zu reinigen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Radarsensor ein Federelement (oder mehrere Federelemente) auf, das eingerichtet ist, das Anpasselement von der geöffneten Stellung in die geschlossene Stellung zu bewegen. Sinkt somit der Druck im Druckmittel-Zuführungskanal unter einen bestimmten Wert, schließt sich das Anpasselement automatisch. Durch das mehrmalige Öffnen und Schließen kann ein Rütteln hervorgerufen werden, welches zum Reinigungseffekt beitragen kann. Auch kann eine Vibrationseinheit vorgesehen sein, welche die Einkopplung und/oder die Antenne bzw. das Antennenhorn zum Schwingen bringt. Die Ansteuerung der Vibrationseinheit kann zeitlich so eingestellt sein, dass sie gleichzeitig mit der Einspritzung des Spül-Fluids aktiviert wird.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Radarsensor als ein Füllstandradarsensor, ein Grenzstandsensor oder eine Mikrowellenschranke ausgeführt, im letzteren Fall insbesondere in Form einer Reflexionsmikrowellenschranke.
-
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spülen einer Antenne eines Radarsensors mit einem Druckmittel, bei dem ein Druck (durch das Druckmittel) auf ein bewegliches, ventilartiges Anpasselement aufgebaut wird, das zwischen einem Wellenleiter und der Antenne angeordnet ist. Übersteigt der Druck einen voreingestellten Grenzdruck, bewegt sich das Anpasselement von seiner geschlossenen Stellung in seine geöffnete Stellung, sodass das Druckmittel in die Antenne strömen kann, um diese zu reinigen.
-
Wird nun der Druck aufgrund des Strömens des Druckmittels in die Antenne abgebaut, bewegt sich, gemäß einer Ausführungsform, das Anpasselement zurück in die geschlossene Stellung.
-
Auf diese Weise wird erreicht, dass sich das Ventil schnell hintereinander öffnet und schließt, wodurch Verschmutzungen oder Kondensat vom Anpasselement abgeschüttelt werden können.
-
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einer Steuereinheit eines Radarsensors ausgeführt wird, den Radarsensor dazu veranlasst, die oben und im Folgenden beschriebenen Schritte durchzuführen.
-
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein oben beschriebenes Programmelement gespeichert ist.
-
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
-
Kurze Beschreibung der Figuren
-
- 1 zeigt eine Schnittansicht eines Teilbereichs eines Radarsensors gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt eine Schnittansicht eines Teilbereichs eines Radarsensors gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Radarsensors.
- 4 zeigt ein Flussdiagramm gemäß einer Ausführungsform.
-
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
-
1 zeigt eine Schnittansicht eines Teilbereichs eines Radarsensors 100, in welcher die Antenne 101 und der zuführende Wellenleiter 102 zu sehen sind. Zwischen der Antenne 101 und dem Wellenleiter 102 befindet sich ein bewegliches, ventilartiges Anpasselement 103, das als Anpasskegel ausgeführt sein kann und welches einerseits dafür sorgt, dass das Radar-Messsignal, das sich von der Hochfrequenzelektronik durch den Wellenleiter 102 in Richtung Antenne 101 bewegt, in die Antenne 101 eingekoppelt wird. Andererseits übernimmt das Anpasselement 103 eine Ventilfunktion, durch welche sich der Druckmittel-Weiterführungskanal 105 öffnen und schließen lässt. Dieser Druckmittel-Weiterführungskanal 105 befindet sich im Antennengehäuse und schafft eine Verbindung zwischen dem Inneren der Antenne 101 und dem Druckmittel-Zuführungskanal 104. Im Ausgangsbeispiel der 1 befindet sich dieser Kanal 104 größtenteils im Hohlleiter 102. Der Eingang des Kanals ist an eine Druckfluidquelle angeschlossen. Der Ausgang des Druckmittel-Weiterführungskanals 105 ist auf das Anpasselement 103 gerichtet, sodass dieses freigeblasen oder freigespült werden kann, wenn das Druckmittel herausströmt.
-
Zur Abdichtung in Richtung Elektronik ist ein Glasfenster 107 oder, allgemeiner, ein mikrowellendurchlässiges Fenster vorgesehen, welches sich oberhalb des Druckmittel-Zuführungskanals 104 im Wellenleiter 102 befindet.
-
Die Rückbewegung des Anpasselements 103 von der geöffneten Position zurück in die geschlossene Position wird durch eines oder mehrere Federelemente 106 ermöglicht, welche auf das Anpasselement 103 eine Federkraft ausüben, die das Anpasselement in der geschlossenen Stellung hält, falls der Druck in dem Kanal 104 unter einem bestimmten Schwellwert liegt.
-
An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Anpasselement 103 nicht kegelförmig ausgeführt sein muss. Wird der Druckmittel-Zuführungskanal 104 unter Druck gesetzt, sammelt sich Druckmittel im vorderen Bereich im Inneren des Anpasselements 103 und drückt das Anpasselement 103 nach unten. Sobald die Hinterkante 109 des Anpasselements 103 unterhalb des Eingangs des Druckmittel-Weiterführungskanals 105 gewandert ist, kann Druckmittel vom vorderen Bereich des Anpasselements 103 durch einen ringartigen Spalt 108, der auch als Ringluftspalt bezeichnet werden kann, und der beispielsweise eine Breite von mehreren Zehntelmillimetern aufweist, und/oder durch einen oder mehrere hierfür vorgesehene eingefräste Kanäle in den Druckmittel-Weiterführungskanal 105 und von dort in die Antenne 101 strömen.
-
Derartige Spalte und/oder Bohrungen weisen typischerweise einen Durchmesser auf, der kleiner ist als die Wellenlänge des verwendeten Radar-Messsignals, um dieses nicht oder nur geringfügig zu beeinflussen. Zur Prozessabdichtung sind Dichtungsringe 110 vorgesehen.
-
2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der der Druckmittel-Zuführungskanal 104 zumindest teilweise neben dem Wellenleiter 102 und parallel dazu angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass das abzustrahlende Radar-Messsignal nicht in Kontakt zum Druckmittel kommt. Insbesondere in diesem Fall bietet sich auch die Verwendung eines flüssigen Druckmittels an. Ein Fenster 107 ist nicht notwendig.
-
3 zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines Radarsensors 100 mit Spülfunktion. Insbesondere ist in dieser Figur die Steuereinheit 300 zu sehen, welche das Radar-Messsignal erzeugt.
-
Bei aktivem, bedrucktem Spülanschluss betätigt das Spülfluid das ventilartige Anpasselement 103 und gibt den Bypass frei, der in diesem Zusammenhang auch als Druckmittel-Weiterführungskanal 105 bezeichnet wird. Bei nicht aktivem Spülanschluss (kein oder unzureichend hoher Druck in der Leitung) ist das Ventil geschlossen und dichtet gegenüber dem Prozessdruck ab. Die Abdichtung gilt auch für einen höheren Prozessdruck als der Arbeitsdruck des Spülfluids. Insbesondere können Steuerleitungen für das Betätigen des Ventils entfallen. Durch ein intervallartiges Betätigen des Ventils können durch Erschütterungen Stäube und Anhaftungen abgelöst werden. Dies gilt insbesondere, wenn das Anpasselement 103 bewegt wird. Bei Nutzung des Hohlleiters (Wellenleiter 102) als Spülbohrung ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau.
-
Somit wird ein schaltbares Ventil bereitgestellt, welches in der Antenne verbaut ist und durch die Beaufschlagung mit der Spülluft einen Bypass öffnet und die prozessseitige Antenne freibläst oder durch ein intervallartiges Betätigen Anhaftungen abklopft.
-
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 401 wird ein Füllstand gemessen, in dem ein Radar-Messsignal in Richtung Füllgutoberfläche abgestrahlt, von dieser reflektiert und dann wieder von der Antenne empfangen und der Auswerteelektronik ausgewertet wird. In Schritt 402 wird Druck in einer Druckleitung aufgebaut und auf ein bewegliches, ventilartiges Anpasselement 103 ausgeübt, das sich zwischen einem Wellenleiter 102 und der Antenne 101 befindet. In Schritt 403 bewegt sich als Konsequenz das Anpasselement von seiner geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung, sodass das Druckmittel in die Antenne strömen kann. In Schritt 404 baut sich der Druck aufgrund des Strömens des Druckmittels in die Antenne wieder ab, sodass sich das Anpasselement zurück in die geschlossene Stellung bewegt.
-
Dieses Zurückbewegen wird durch eine Federkraft ermöglicht, die von einer oder mehreren Federelementen erzeugt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Messung ausgesetzt wird, während der Spülvorgang erfolgt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass Messergebnisse, die während des Spülvorgangs erhoben werden, nicht zur weiteren Auswertung verwendet werden, da sie durch den Rüttelvorgang, der durch die Auf- und Abbewegung des Anpasselements 103 erfolgt, verfälscht sein können. Auch kann vorgesehen sein, dass der Spülvorgang in regelmäßigen zeitlichen Abständen automatisch ausgelöst wird und/oder dann, wenn Grund für die Annahme besteht, dass sich Anhaftungen in der Antenne gebildet haben. Auf Anhaftungen kann beispielsweise dann geschlossen werden, wenn festgestellt wird, dass sich die Qualität des reflektierten Messsignals verschlechtert oder wenn beispielsweise ein bestimmter Vorgang im Inneren des Behälters stattgefunden hat, beispielsweise eine Befüllung.
-
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
