DE102022103341A1 - Kombinierte Füllstands- und Temperaturmessung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messgerät (1) zur berührungslosen Bestimmung von sowohl dem Füllstand (L), als auch der Temperatur eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3). Hierzu umfasst das Messgerät (1) zumindest eine Antenne (11), um zur Füllgut-Messung Radar-Signale (SHF) gen Füllgut (2) auszusenden und nach Reflektion der Radar-Signale (SHF) an der Füllgut-Oberfläche entsprechende Empfangs-Signale (RHF) zu empfangen. Außerdem können über die Antenne (11) Wärmestrahlung (SIR), welche dem Füllgut (2) zuordbar ist, empfangen werden, um die Temperatur des Füllgutes (2) zu bestimmen. Eine Hochfrequenz-Einheit (12) des Messgerätes (1) generiert die auszusendenden Radar-Signale (SHF) und erzeugt anhand der eingehenden Empfangs-Signale (RHF) ein erstes Auswertungs-Signal (SZF), so dass der Füllstand (L) bestimmbar ist. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Messgerät (1) durch eine integrierte Radiometer-Einheit (14) aus, welche anhand der empfangenen Wärmestrahlung (SIR) ein zweites Auswertungs-Signal (stemp) generiert, so dass zudem die Temperatur des Füllgutes (2) bestimmbar ist, und zwar wiederum berührungslos.

Description

• Die Erfindung betrifft kombinierte Füllstands- und Temperaturmessung auf Basis von Radar.
• 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 Feldgeräte-Typen werden von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
• Bei der Auslegung von Feldgeräten ist es unter anderem das Ziel, den Prozess bei der Messung des jeweiligen Prozessparameters möglichst nicht zu beeinflussen. Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich dementsprechend berührungslose Messverfahren etabliert. 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 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). Dabei ist prinzipiell eine umso höhere Mess-Auflösung erreichbar, je höher die Frequenz ist. Als Messverfahren haben sich das Pulslaufzeit-Verfahren und FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) etabliert. Näher beschrieben wird Radar-basierte Füllstandsmessung beispielsweise in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000“.
• Zusätzlich zum Füllstand ist bei vielen Prozessen gleichzeitig die Temperatur zu überwachen, beispielsweise wenn chemisch exotherme Reaktionen durch Zuführen entsprechender Edukte gesteuert wird. Temperaturmessung erfolgt im Rahmen der Prozessautomatisierungstechnik bis dato jedoch nicht berührungslos, da entsprechende Feldgeräte standardmäßig auf dem robusten, resistiven Messprinzip basieren. Entsprechend dieses Messprinzips ändert sich der Wert spezifischer elektrischer Widerstände, wie beispielsweise pT100-Elementen, definiert mit der Temperatur.
• Prozesse, bei denen sowohl die Temperatur, als auch der Füllstand zu überwachen sind, laufen außerdem häufig in räumlich beengten Behältern ab, wodurch es gegebenenfalls schwierig bis unmöglich ist, dort beide Feldgeräte funktionsgemäß anzubringen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät zu entwickeln, mittels dem sowohl die Temperatur, als auch der Füllstand bestimmbar ist, und zwar jeweils berührungslos.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Messgerät zur Bestimmung eines Füllstandes und einer Temperatur eines Füllgutes in einem Behälter, das folgende Komponenten umfasst:
• - Zumindest eine Antenne, mittels welcher
  • ◯ in einem definierten Frequenzbereich Radar-Signale gen Füllgut aussendbar sind und
  • ◯ nach Reflektion der Radar-Signale an der Füllgut-Oberfläche entsprechende Empfangs-Signale empfangbar sind, und/oder
  • ◯ Wärmestrahlung, welche dem Füllgut zuordbar ist, empfangbar ist, und
• - eine Hochfrequenz-Einheit, die ausgelegt ist,
  • ◯ die auszusendenden Radar-Signale zu generieren und
  • ◯ anhand der eingehenden Empfangs-Signale ein erstes Auswertungs-Signal zu erzeugen, anhand dessen der Füllstand bestimmbar ist.
• Das Messgerät zeichnet sich erfindungsgemäß durch eine zusätzliche Radiometer-Einheit aus, welche anhand der empfangenen Wärmestrahlung ein zweites Auswertungs-Signal generieren kann, so dass mittels des zweiten Auswertungs-Signals die Temperatur des Füllgutes bestimmbar ist. Hierdurch wird der Effekt ausgenutzt, wonach Wärmestrahlung, die durch die Temperatur des Füllgutes hervorgerufen wird, aus dem Infrarot-Bereich bis in den Radar-Frequenzbereich herunterreicht und daher in typischen Betriebsfrequenzbereichen von Radar-basierten Füllstandsmessgeräten liegt. Somit lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Messgerätes sowohl der Füllstand, als auch die Temperatur des Füllgutes bestimmen.
• Die Hochfrequenz-Einheit ist idealerweise so auszulegen, dass sie die Radar-Signale in einem Frequenzbereich oberhalb von 100 GHz, insbesondere zwischen 180 GHz und 1 THz erzeugt bzw. verarbeitet werden, wodurch die Wärmestrahlung mit einem zunehmenden Anteil im Frequenzbereich der ausgesendeten Radar-Signale liegt. Die Radiometer-Einheit muss korrespondierend hierzu ausgelegt sein, um die Wärmestrahlung des entsprechenden Frequenzbereichs zu verarbeiten. Hierdurch lässt sich insgesamt die Empfindlichkeit der Temperatur-Messung optimieren und auch die Auflösung der Füllstandmessung wird prinzipiell erhöht. Die Radiometer-Einheit kann beispielsweise als geschalteter Radiometer-Empfänger gemäß des Dicke-Prinzips ausgelegt werden. Zur Erhöhung der Messempfindlichkeit kann die Radiometer-Einheit außerdem mittels eines Peltier-Kühlelementes gekühlt werden.
• Die Radar-basierte Füllstands-Messung lässt sich vorteilhafter Wiese außerdem dazu nutzen, um die Temperatur-Messung im Vergleich zu reinen Radiometer-basierten Temperaturmessgeräten zu verbessern bzw. zu vereinfachen: Um mittels des Radiometer-Prinzips die Temperatur an der Füllgut-Oberfläche hochgenau bestimmen zu können, muss der entsprechenden Auswerte-Einheit neben dem zweiten Auswertungs-Signal und einem etwaigen Referenz-Signal außerdem der Emissionsgrad, mit welchem der jeweilige Füllgut-Typ die Wärmestrahlung im konkreten Frequenzbereich ausstrahlt, vorliegen. Dieser muss bisher für jeden Füllgut-Typ bekannt sein und dementsprechend in der Auswerte-Einheit manuell voreingestellt werden. Diese Voreinstellung kann im Rahmen der Erfindung automatisiert werden, sofern die Hochfrequenz-Einheit ausgelegt ist, anhand der eingehenden Empfangs-Signale neben dem Füllstand außerdem den Emissions-Grad der Füllgut-Oberfläche zu bestimmen. Somit kann die Auswerte-Einheit die Temperatur, die durch die Radiometer-Einheit ermittelt ist, anhand des gewonnenen Reflexions-Grades korrigieren. Möglich ist dies, da der Emissions-Grad äquivalent zum Reflexions-Grad der Radar-Signale an der Füllgut-Oberfläche ist. Dadurch kann die Hochfrequenz-Einheit den Reflexions- bzw. Emissions-Grad also beispielsweise anhand der Leistung der empfangenen Radar-Signale ermitteln.
• Gemäß des Stand der Technik im Bereich der Radar-basierten Füllstandsmessung kann die Hochfrequenz-Einheit das auszusendende Radar-Signal beispielsweise mittels des FMCW- oder Pulslaufzeit-Verfahrens generieren bzw. das erste Auswertungs-Signal gemäß des entsprechenden Verfahrens zu erzeugen, um den Füllstand zu bestimmen. Da beide Verfahren sowie Radiometer-basierte Schaltungen gemäß des Dicke-Prinzips jeweils eine Taktung erfordern, kann das erfindungsgemäße Messgerät daher vorzugsweise eine gemeinsame Taktgeber-Einheit umfassen, welche sowohl die Hochfrequenz-Einheit als auch die Radiometer-Einheit mittels eines gemeinsamen Takt-Signals taktet. Hierdurch lässt sich die Anzahl an Komponenten reduzieren.
• Allgemein bietet das erfindungsgemäße Messgerät den Vorteil, dass es mit einer sehr hohen Integrationsdichte und somit sehr kompakt ausgelegt werden kann. Hierzu können die Hochfrequenz-Einheit und die Radiometer-Einheit beispielsweise als integraler Bestandteil einer gemeinsamen, integrierten Halbleiterschaltung ausgelegt werden.
• Sofern das erfindungsgemäße Messgerät lediglich die erste Antenne umfasst, ist der ersten Antenne und der Hochfrequenz-Einheit bzw. der Radiometer-Einheit eine steuerbare Signalweiche wie beispielsweise ein elektronischer Signalschalter oder ein Multiplexer, oder eine nicht-steuerbare Signalweiche wie zum Beispiel ein Diplexer, zwischenzuschalten. Denkbar ist in diesem Zusammenhang auch, die Signalweich auf Basis von Frequenztrennung oder Polarisation zu realisieren.
• Alternativ zu einer Signalweiche kann das Messgerät auch eine zweite Antenne umfassen, die ausschließlich zum Empfang der Wärmestrahlung dient. In diesem Fall werden die Radar-Signale mittels der ersten Antenne ausgesandt bzw. empfangen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der ersten Antenne und der zweiten Antenne eine gemeinsame Bündelungs-Vorrichtung, also bspw. eine Sammel-Linse, vorgeschaltet sind.
• Unabhängig davon, ob das Messgerät eine oder mehrere Antennen umfasst, kann/können diese in kompakter Weise als Planar-Antenne ausgelegt werden. In dem Frequenz-Bereich um 100 GHz bieten sich hierzu beispielsweise Patch- oder Fraktal-Antennen an, die als integraler Bestandteil der Hochfrequenz- bzw. Radiometer-Einheit ausgeführt sind.
• Unter dem Begriff „Einheit” wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell eine separate Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen verstanden, die für einen konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Hochfrequenz-Signalverarbeitung oder als Schnittstelle, vorgesehen sind. Die jeweilige Einheit kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale umfassen. Die Einheit kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGA's, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene Einheiten im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Außerdem ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb einer Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.
• Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
• 1: Ein erfindungsgemäßes Messgerät an einem Behälter,
• 2: ein Blockschaltbild des Messgerätes, und
• 3 ein Blockschaltbild der Radiometer-Einheit des Messgerätes.
• Zum prinzipiellen Verständnis der Erfindung ist in 1 ein Behälter 3 mit einem Füllgut 2 gezeigt, dessen Füllstand L und Temperatur beispielsweise im Rahmen eines chemischen Prozesses zu bestimmen sind. Dabei kann der Behälter 3 je nach Art des Füllgutes 2 und je nach Einsatzgebiet bis zu mehr als 100 m hoch sein. Von der Art des Füllgutes 2 und dem Prozess hängen auch die Bedingungen im Behälter 3 ab. So kann es im Falle von exothermen Reaktionen beispielsweise zu hoher Temperatur- und Druckbelastung kommen, wobei etwaige Edukte/Produkte über entsprechende Leitungen zu- bzw. abführbar sind. Zur thermischen Isolation ist der Behälter 3 bei der in 1 gezeigten Ausführungsvariante an dessen Innenwand vollflächig mit einer thermischen Isolation 31, die beispielsweise auf einem Kunststoff-basierten Schaumstoff oder eine Mineralwolle basiert, ausgekleidet.
• Um den Füllstand L und die Temperatur des Füllgutes 2 berührungslos zu ermitteln, ist ein erfindungsgemäßes Messgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in einer bekannten Einbauhöhe h über der Sole des Behälters 3 angebracht. Dabei ist das Messgerät 1 derart Druck- und Mediendicht an einer entsprechenden Öffnung des Behälters 3 befestigt bzw. ausgerichtet, dass lediglich eine Antenne 11 des Messgerätes 1 in den Behälter 3 hinein vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist, während deren weiteren Komponenten außerhalb des Behälters 3 angeordnet sind. Da Schaumstoffe und Mineralwolle weitestgehend transparent für Radar-Signale S_HF, R_HF bzw. Wärmestrahlung S_IR im entsprechenden Frequenzbereich sind, ist es nicht hindernd, dass die Antenne 11 in Bezug zum Füllgut 2 außerhalb der thermischen Isolation 31 angeordnet ist.
• Über eine separate Schnittstellen-Einheit, wie etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ kann das Messgerät 1 mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden werden. Hierüber kann der gemessene Füllstandswert L oder die Füllgut-Temperatur übermittelt werden, beispielsweise um die etwaigen Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern.
• Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Messgerätes 1 kommuniziert werden.
• Den Füllstand L bestimmt das Messgerät 1, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist: Demnach sendet das Messgerät 1 über die Antenne 11 Radar-Signale S_HF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 aus. Nach Reflektion der Radar-Signale S_HF an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Messgerät 1 die reflektierten Radar-Signale R_HF wiederum über die Antenne 11. Dabei ist die Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals S_HF, R_HF gemäß $$t=\frac{2\ast d}{c}$$

  

  proportional zum Abstand d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und dem Füllgut 2, wobei c der Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit gemäß Lichtgeschwindigkeit entspricht. Die Signallaufzeit t kann vom Messgerät 1 beispielsweise mittels des FMCW- oder mittels des Pulslaufzeit-Verfahrens bestimmt werden. Hierdurch kann das Messgerät 1 beispielsweise auf Basis einer entsprechenden Kalibration die gemessene Laufzeit t dem jeweiligen Abstand d zuordnen. Darüber kann das Messgerät 1 gemäß $$d=h-L$$

  

  wiederum den Füllstand L bestimmen, sofern die Einbauhöhe h im Messgerät 1 hinterlegt wird. Zur Bestimmung der Signallaufzeit t bzw. des Füllstandes L anhand des eingehenden Empfangs-Signals R_HF dient eine entsprechend ausgelegte Hochfrequenz-Einheit 12 des Messgerätes 1, in welcher beispielsweise das FMCW- oder Pulslaufzeit-Messprinzip implementiert ist. Korrespondierend hierzu dient die Hochfrequenz-Einheit 12 zur Erzeugung des auszusendenden Radar-Signals S_HF.
• Im Falle des Pulslaufzeit-Prinzips basiert die Hochfrequenz-Einheit 12 auf dem Prinzip der Unterabtastung der nach Aussenden empfangenen Hochfrequenzpulse R_HF . Dahingegen sendet die Hochfrequenz-Einheit 12 im Falle des FMCW- Prinzips das Radar-Signal S_HF Frequenz-moduliert aus und mischt die beiden Signale S_HF, R_HF nach Wiederempfang signaltechnisch miteinander. Wie anhand des Blockschaltbildes des Messgerätes 1 in 2 gezeigt ist, generiert die Hochfrequenz-Einheit 12 sowohl im Falle von FMCW, als auch beim Pulslaufzeit-Verfahren ein analoges erstes Auswertungs-Signal S_ZF, anhand dessen Frequenz-Charakteristik eine entsprechend ausgelegte Auswerte-Einheit 15 den Füllstand L ermitteln kann.
• Wie aus 2 hervorgeht, umfasst das Messgerät 1 neben der Hochfrequenz-Einheit 12 erfindungsgemäß zudem eine Radiometer-Einheit 14, mittels welcher auf Basis des Radiometer-Prinzips die Temperatur des Füllgutes 2 bestimmbar ist. Dementsprechend sind beide Einheiten 12, 14 über eine Signalweiche 13 mit der Antenne 11 verbunden. Hierdurch werden die Radar-Signale S_HF, R_HF von der Hochfrequenz-Einheit 12 zur Antenne 11 hin bzw. von dort zurückgeleitet, während eingehende Wärmestrahlung S_IR zur Radiometer-Einheit 14 geleitet wird, um hieraus die Temperatur des Füllgutes 2 ableiten zu können.
• Erfindungsgemäß wird sich also die Erkenntnis zunutze gemacht, dass die vom Füllgut 2 ausgehende Wärmestrahlung S_IR zumindest anteilig per se in demjenigen Frequenzbereich vorliegt, auf welchen auch Radar-basierte Füllstandsmessgeräte ausgelegt sind. Dementsprechend sind die Hochfrequenz-Einheit 12, die Antenne 11 und die Radiometer-Einheit 14 idealerweise auf denselben Frequenzbereich auszulegen. Dabei ist es sowohl für die Füllstandsmessung, als auch für die Temperaturmessung umso vorteilhafter, auf je höhere Signal-Frequenzen das Messgerät 1 ausgelegt ist: Hinsichtlich der Füllstandsmessung können hierdurch prinzipbedingt höhere Mess-Auflösungen erzielt werden. Aufgrund der mit der Frequenz steigenden Strahlungsintensität der Wärmestrahlung S_IR erhöht sich bezüglich der Temperaturmessung wiederum deren Empfindlichkeit. Unter diesen Aspekten ist es also vorteilhaft, wenn die entsprechenden Einheiten 11, 12, 13, 14 auf eine Frequenz von 100 GHz oder mehr ausgelegt sind. Bei diesen Frequenzen ist es außerdem möglich, die Antenne 11 als planare Patch-Antenne auszulegen, welche eine Bündelung ihrer Abstrahlkeule von unter 10° erreicht. Gleichbedeutend hiermit wird mittels des erfindungsgemäßen Messgerätes 1 genau genommen die Temperatur desjenigen Bereichs der Füllgut-Oberfläche ermittelt, welcher durch die Abstrahlkeule der Antenne 11 im entsprechenden Frequenzband ausgeleuchtet wird.
• Die planare Auslegung der Antenne 11 ermöglicht eine sehr hohe Integrationsdichte, wodurch das Messgerät 1 erfindungsgemäß äußerst kompakt ausgelegt werden kann. In diesem Zusammenhang bietet das erfindungsgemäße Messgerät 1 insbesondere den Vorteil, dass möglichst alle aktiven, elektrischen Einheiten 12-17 des Messgerätes 1 als gemeinsames, monolithisches Halbleiterbauteil realisiert werden können.
• Bei der in 2 gezeigten Ausführungsvariante des Messgerätes 1 werden die Hochfrequenz-Einheit 12 und die Radiometer-Einheit 14 durch eine gemeinsame Taktgeber-Einheit 17 getaktet, beispielsweise in Form eines Schwingquarzes. Darüber hinaus werden die Hochfrequenz-Einheit 12, die Signalweiche 13, und die Radiometer-Einheit 14 neben der Auswerte-Einheit 15 durch eine gemeinsame Steuer-Einheit 16 gesteuert, so dass das Messgerät 1 beispielsweise zyklisch abwechselnd die Temperatur und den Füllstand L bestimmen kann. Dementsprechend invertierend sind die Hochfrequenz-Einheit 12 und die Radiometer-Einheit 14 in diesem Fall an- und auszuschalten, und die Signalweiche 13 ist entsprechend zyklisch umzuschalten.
• Eine mögliche Ausführungsvariante der Radiometer-Einheit 14 ist in 3 dargestellt: Das dortige Blockschaltbild der Radiometer-Einheit 14 spiegelt das so genannte „Dicke-Prinzip“ wider: Demnach wird das über die Antenne 11 eingehende Wärmestrahlungs-Signal S_IR zunächst mit einem Referenz-Signal s_ref, das eine definierte Temperatur repräsentiert, verglichen. Hierdurch ist die Temperatur des Füllgutes 2 als absoluter Wert bestimmbar. Das Referenz-Signal s_ref entstammt einem Referenztemperatur-Geber 142, welcher beispielsweise als Widerstand ausgelegt ist und endseitig auf Masse geschaltet ist. Somit dient das Eigenrauschen des Widerstand als Referenz-Signal s_ref. Die dort anliegende Temperatur ist über einen separaten Temperatur-Sensor zu erfassen und der Auswerte-Einheit 15 zuzuführen. Um das Wärmestrahlungs-Signal S_IR und das Referenz-Signal s_ref auswerten zu können, werden diese vor Weiterverarbeitung jeweils durch einen Verstärker 141, 141' mit niedrigem Rauschen (auch bekannt als „Low Noise Amplifier“) verstärkt.
• Der Vergleich der Signale s_ref, S_IR erfolgt mittels eines Schalters 143, welcher zyklisch abwechselnd eines der Signale S_IR, s_ref durschaltet, je nach Änderungsrate der Temperatur mit einer Schaltfrequenz zwischen 1 Hz und 10kHz. Das jeweils durchgeschaltete Signal S_IR, s_ref beinhaltet die Temperatur-Information in Form seiner Rauschleistung N, die es über das entsprechende Frequenzband integriert aufweist. Gemäß des Radiometer-Prinzips wird sich also der physikalische Zusammenhang zunutze gemacht, wonach $$T=\frac{N}{k\ast B}$$

  
• Dabei entspricht B der Bandbreite des Frequenzbandes. Bei k handelt es sich um die Boltzmann-Konstante.
• Zu einer einfacheren Auswertbarkeit der Temperatur-Information wird das Signal S_IR, s_ref bzw. deren Rauschfrequenz im Anschluss an den Schalter 143 in einem Mischer 144 durch das Takt-Signal s_clk der Taktgeber-Einheit 17 frequenztechnisch heruntergemischt. Dabei wird das Takt-Signal s_clk durch einen Frequenz-Multiplikator 145 vorab gegebenenfalls angepasst.
• Ausgehend vom Mischer 144 sind im weiteren Signalpfad ein Bandpass 146 und ein anschließender Verstärker 147 angeordnet. Diese sind auf die Frequenz des heruntergemischten Signals angepasst und dienen gemäß dem Dicke-Fix Prinzips zur weiteren Unterdrückung von Bauteil-bedingtem Rauschen bzw. Störsignalen. Hiernach korrespondiert die Leistung des bis dorthin verarbeiteten Signals der Temperatur des Füllgutes 2. Um ein analoges zweites DC-Auswertungs-Signal s_temp zu erhalten, deren Spannung die Temperatur repräsentiert, ist dem Verstärker 147 abschließend ein entsprechender Leistungsdetektor 148 nachgeschaltet.
• Beide Signale, das resultierende zweite Auswertungs-Signal s_temp und das Referenz-Signal s_ref werden der Auswerte-Einheit 15 des Messgerätes 1 zugeführt, welche durch deren Vergleich die Temperatur des Füllgutes 2 als absoluten Wert bestimmen kann. Dabei kann die Messgenauigkeit der Temperaturmessung erhöht werden, sofern der Auswerte-Einheit 15 der Emissions-Grad, mit welchem der jeweilige Füllgut-Typ die Wärmestrahlung im relevanten Frequenzbereich über dessen Füllgut-Oberfläche abstrahlt, bekannt ist. Dementsprechend kann der Emissions-Grad der Auswerte-Einheit 15 beispielsweise über eine entsprechende Eingabe-Einheit manuell vorgegeben werden.
• Nachteilhaft hieran ist jedoch einerseits, dass der Emissions-Grad des jeweiligen Füllgut-Typs per se bekannt sein muss. Andererseits darf nicht vergessen werden, den Emissions-Grad in der Auswerte-Einheit 15 je nach Situation manuell zu ändern, sofern im Behälter 3 beispielsweise ein neuer Füllgut-Typ vorliegt bzw. der im Behälter 3 stattfindende Prozess abgeändert wird. Um dies zu überwinden, kann das erfindungsgemäße Messgerät 1 derart vorteilhaft weiterentwickelt werden, so dass die zur Füllstandsmessung bestimmte Hochfrequenz-Einheit 12 anhand der eingehenden Radar-Signale R_HF einen Reflexionskoeffizienten ermitteln kann. Dazu müssen bestimmte Systemparameter mit ausreichender Genauigkeit bekannt sein, insbesondere der Antennengewinn, die Sendeleistung und die Entfernung d zum Füllgut 2, welche im Rahmen der Füllstandsmessung erfasst wird. Unter definierten Bedingungen sind diese Systemparameter als typischerweise bekannt.
• Der Reflexionskoeffizient sagt aus, zu welchem Anteil das ausgesendete Radar-Signal S_HF an der Füllgut-Oberfläche leistungsmäßig reflektiert wird. Dabei ist der Reflexionskoeffizient äquivalent zum Emissions-Grad des Füllgutes 2. Bei entsprechender Auslegung kann die Hochfrequenz-Einheit 12 den ermittelten Reflexionskoeffizienten bzw. Emissions-Grad dementsprechend der Auswerte-Einheit 15 übermitteln. Hierdurch kann die Auswerte-Einheit 15 anhand des zweiten Auswertungs-Signals s_temp, des Referenz-Signals s_ref und des Emissions-Grades die Temperatur hochgenau ermitteln, ohne dass der Füllgut-Typ bzw. dessen Emissions-Grad in der Auswerte-Einheit 15 manuell eingegeben werden muss.
• Bezugszeichenliste

1

Messgerät

2

Füllgut

3

Behälter

4

Übergeordnete Einheit

11

Antenne

12

Hochfrequenz-Einheit

13

Erster Umschalter

14

Radiometer-Einheit

15

Auswerte-Einheit

16

Steuer-Einheit

17

Taktgeber-Einheit

31

Thermische Isolation

141, 141'

Low Noise Amplifier

142

Referenztemperatur-Geber

143

Zweiter Umschalter

144

Mischer

145

Frequenz-Multiplikator

146

Bandpassfilter

147

Verstärker

148

Leistungsdetektor

d

Entfernung

h

Einbauhöhe

L

Füllstand

RHF

Empfangs-Signal

SHF

Radar-Signal

SIR

Wärmestrahlung

SZF

Erstes Auswertungs-Signal

sclk

Takt-Signal

sref

Referenztemperatur-Signal

stemp

Zweites Auswertungs-Signal

Claims (12)

1. Messgerät zur Bestimmung eines Füllstandes (L) und einer Temperatur eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3), folgende Komponenten umfassend: - Zumindest eine Antenne (11), mittels welcher ◯ in einem definierten Frequenzbereich Radar-Signale (S_HF) gen Füllgut (2) aussendbar sind und ◯ nach Reflektion der Radar-Signale (S_HF) an der Füllgut-Oberfläche entsprechende Empfangs-Signale (R_HF) empfangbar sind, und/oder ◯ Wärmestrahlung (S_IR), welche dem Füllgut (2) zuordbar ist, empfangbar ist, und - eine Hochfrequenz-Einheit (12), die ausgelegt ist, o die auszusendenden Radar-Signale (S_HF) zu generieren und ◯ anhand der eingehenden Empfangs-Signale (R_HF) ein erstes Auswertungs-Signal (S_ZF) zu erzeugen, anhand dessen der Füllstand (L) bestimmbar ist, gekennzeichnet durch - eine Radiometer-Einheit (14), welche ausgelegt ist, anhand der empfangenen Wärmestrahlung (S_IR) ein zweites Auswertungs-Signal (s_temp) zu generieren, mittels welchem die Temperatur des Füllgutes (2) bestimmbar ist.
2. Messgerät nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenz-Einheit (12) ausgelegt ist, die Radar-Signale (S_HF, R_HF) in einem Frequenzbereich oberhalb von 100 GHz, insbesondere zwischen 180 GHz und 500 GHz zu erzeugen bzw. zu verarbeiten, und wobei die Radiometer-Einheit (14) ausgelegt ist, die Wärmestrahlung (S_IR) des entsprechenden Frequenzbereichs zu verarbeiten.
3. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei Hochfrequenz-Einheit (12) ausgelegt ist, anhand der eingehenden Empfangs-Signale (R_HF) einen Emissions-Grad der Füllgut-Oberfläche zu bestimmen, so dass die ermittelte Temperatur anhand des Emissions-Grades korrigierbar ist.
4. Messgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Radiometer-Einheit (14) als geschalteter Radiometer-Empfänger gemäß des Dicke-Prinzips ausgelegt ist.
5. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hochfrequenz-Einheit (12) ausgelegt ist, das auszusendende Radar-Signal (S_HF) mittels des FMCW- oder Pulslaufzeit-Verfahrens zu generieren bzw. das erste Auswertungs-Signal (S_ZF) gemäß des entsprechenden Verfahrens zu erzeugen.
6. Messgerät nach Anspruch 4 und 5, umfassend: - eine Taktgeber-Einheit (17), welche die Hochfrequenz-Einheit (12) und die Radiometer-Einheit (14) mittels eines gemeinsamen Takt-Signals (s_clk) taktet.
7. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die Hochfrequenz-Einheit (12) und die Radiometer-Einheit (14) als integraler Bestandteil einer gemeinsamen, integrierten Halbleiterschaltung ausgelegt sind.
8. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: - Eine zweite Antenne, die zum Empfang der Wärmestrahlung (S_IR) ausgelegt ist, wobei die Radar-Signale (S_HF, R_HF) mittels der ersten Antenne (11) ausgesandt bzw. empfangen werden.
9. Messgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Antenne (11) bzw. die zweite Antenne als Planar-Antenne ausgelegt ist/sind.
10. Messgerät nach Anspruch 8 oder 9, wobei der ersten Antenne (11) und der zweiten Antenne eine gemeinsame Bündelungs-Vorrichtung vorgeschaltet sind.
11. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend: - Eine insbesondere steuerbare Signalweiche (13), welche der ersten Antenne (11) und der Hochfrequenz-Einheit (12) bzw. der Radiometer-Einheit (14) zwischengeschaltet ist.
12. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Radiometer-Einheit (14) ein Peltier-Kühlelement umfasst.

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