DE102022127132A1

DE102022127132A1 - Adaptives SFC-Filter für Füllstandsensoren

Info

Publication number: DE102022127132A1
Application number: DE102022127132.3A
Authority: DE
Inventors: Christian Hoferer; Manuel Kaufmann; Christoph Müller
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2024-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen FMCW-Füllstandsensor (100), insbesondere eine adaptive Dynamikbegrenzungsschaltung (180), die zur Dynamikbegrenzung von empfangenen Messwerten (114) des FMCW-Füllstandsensors (100) eingerichtet ist. Die Dynamikbegrenzungsschaltung (180) weist ein FMCW-Modul (140) auf, eingerichtet zum Umwandeln der Messwerte (114) des FMCW-Füllstandsensors (100) in Zwischenfrequenz-Messwerte (145); einen A/D-Wandler (160), eingerichtet zur Digitalisierung der Zwischenfrequenz-Messwerte (145); ein adaptives Filter (150), das zwischen dem FMCW-Modul (140) und dem A/D Wandler (160) angeordnet ist, wobei das adaptive Filter (150) Schaltungskomponenten (511 - 517), die zur Beeinflussung einer Übertragungsfunktion H(ω) des adaptiven Filters (150) eingerichtet sind, und Schalter (501 - 507), die parallel und/oder in Serie zu zumindest einigen der Schaltungskomponenten (511 - 517) angeordnet sind, aufweist; und ein Steuergerät (152), das zur Betätigung der Schalter (501 - 507) des adaptiven Filters (150), eingerichtet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen FMCW-Füllstandsensor, insbesondere eine adaptive Dynamikbegrenzungsschaltung, die zur Dynamikbegrenzung von Messwerten des FMCW-Füllstandsensors eingerichtet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Füllstandmessgerät, ein Verfahren, ein Programmelement, ein computerlesbares Medium und eine Verwendung.
Hintergrund
Füllstandmessgeräte, insbesondere FMCW-Füllstandradargeräte (FMCW: Frequency Modulated Continuous Wave), sollten eine große Dynamik aufweisen. Denn bei einem FMCW-Füllstandmessgerät werden Echosignale empfangen, die sowohl von sehr nahen als auch von sehr fernen Objekten reflektiert werden können. Darüber hinaus können Füllstandmessgeräte für verschiedene Typen von Behältern eingesetzt werden. Beispielsweise können Füllstandmessgeräte sowohl für Behälter mit Füllhöhen von z.B. 1 bis 2 m eingesetzt werden, aber auch für Tanks mit Füllhöhen von bis zu 100 m oder darüber. Also sollte, neben der Fähigkeit zur Verarbeitung von sehr kleinen Echosignalen, auch der Empfänger des Füllstandmessgeräts durch sehr große Echosignale nicht übersteuert werden. Weiterhin sollte ein Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler), der die empfangenen Messwerte des FMCW-Füllstandsensors digitalisiert, preisgünstig sein; dies erfordert (unter anderem), dass der A/D-Wandler keine sehr hohe Auflösung (Bitbreite) aufweisen muss.
Zusammenfassung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine große Dynamik von FMCW-Füllstandradargeräten unterstützt. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
Ein Aspekt betrifft ein adaptive Dynamikbegrenzungsschaltung, eingerichtet zur Dynamikbegrenzung von empfangenen Messwerten eines FMCW-Füllstandsensors. Die Dynamikbegrenzungsschaltung weist auf:

ein FMCW-Modul, eingerichtet zum Umwandeln der Messwerte des FMCW-Füllstandsensors in Zwischenfrequenz-Messwerte;
einen A/D-Wandler, eingerichtet zur Digitalisierung der Zwischenfrequenz-Messwerte;
ein adaptives Filter, das zwischen dem FMCW-Modul und dem A/D Wandler angeordnet ist, wobei das adaptive Filter Schaltungskomponenten, die zur Beeinflussung einer Übertragungsfunktion H(w) des adaptiven Filters eingerichtet sind, und Schalter, die parallel zu zumindest einigen der Schaltungskomponenten angeordnet sind, aufweist; und ein Steuergerät, das zur Betätigung der Schalter eingerichtet ist.

Um die widerstrebenden Anforderungen „große Dynamik vs. keine sehr hohe Auflösung des A/D-Wandlers“ erfüllen zu können, wird eine Dynamikbegrenzungsschaltung in dem FMCW-Füllstandsensor verwendet. Um den Füllstandsensor für eine Vielzahl von Anforderungsprofilen einsetzbar zu gestalten, ist die Dynamikbegrenzungsschaltung adaptiv ausgelegt. Dabei können die Anforderungsprofile beispielsweise eine Vielzahl von Füllstandmessgeräten umfassen - z.B. für große und für kleine Behälter -, als auch z.B. die Realisierung einer Anpassung an veränderte Messsituationen, wie z.B. das Entstehen von Anhaftungen. Dabei kann der Behälter z.B. ein Gefäß oder ein Messtank, Prozesstank, Lagertank, ein Großpackmittel (Intermediate Bulk Container, IBC) oder ein Silo von beliebiger Form sein. Der Behälter kann auch ein Gerinne, beispielsweise ein Bach- oder Flussbett, sein.
Ein FMCW-Füllstandsensor weist dabei eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne auf; Die Sendeantenne und die Empfangsantenne können dabei als getrennte Vorrichtungen realisiert sein oder als eine gemeinsame Antenne, z.B. als Hornantenne, Planarantenne und/oder als ein anderer Typ von Antenne, der zum Senden bzw. zum Empfangen von Radarsignalen bzw. Radarwellen geeignet und/oder eingerichtet ist. Die Radarwellen umfassen einen Frequenzbereich von 1 bis 500 GHz oder auch darüber, beispielsweise von 50 bis 300 GHz, insbesondere von 80 bis 88 GHz. Die empfangenen Messwerte des FMCW-Füllstandsensors werden in vielen Fällen als sogenannte Echokurve dargestellt, bei der eine Amplitude der empfangenen Messwerte über einer Entfernung (z.B. von der Antenne) angetragen ist. Typisch für einen FMCW-Füllstandsensor ist insbesondere, dass während einer Messung die Sendefrequenz verändert wird, also von einer tieferen Frequenz, zu Beginn der Messung, zu einer höheren Frequenz hin verändert wird. Diese Art der Frequenzänderung wird auch Wobbeln oder Sweep genannt.
Die empfangenen Messwerte werden, mittels eines FMCW-Moduls, z.B. durch eine Kombination von Sende- und Empfangswelle mittels eines Mischers, in Zwischenfrequenz-Messwerte (ZF-Messwerte) umgewandelt. Das Umwandeln in ZF-Messwerte hat den Vorteil, dass z.B. Filter und/oder andere Teile einer Hochfrequenzschaltung nur auf ein schmales Frequenzband - um die ZF-Basisfrequenz herum - ausgelegt werden können; die ZF-Basisfrequenz ändert sich während der Messung nicht. Die ZF-Basisfrequenz ist in der Regel niedriger, insbesondere deutlich niedriger, als die Frequenzen der empfangenen Messwerte. Die ZF-Messwerte weisen die Phasen und die Amplituden - insbesondere die große Dynamik der Amplituden - der empfangenen Messwerte auf.
Der Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) ist zur Digitalisierung der Zwischenfrequenz-Messwerte eingerichtet. Dabei kann jeder geeignete Typ von A/D-Wandlern verwendet werden. In der Regel sind - insbesondere für hohe Frequenzen - A/D-Wandler mit geringer Bitbreite preisgünstiger als A/D-Wandler mit hoher Bitbreite. Das adaptive Filter, das vor dem A/D-Wandler angeordnet ist, kann dazu beitragen, dass A/D-Wandler mit geringerer Bitbreite verwendet werden können als ohne dieses Filter. Das adaptive Filter kann ein wesentliches Element der adaptiven Dynamikbegrenzungsschaltung sein.
Das adaptive Filter ist zwischen dem FMCW-Modul und dem A/D Wandler angeordnet. Das adaptive Filter weist Schaltungskomponenten auf, die zur Beeinflussung einer Übertragungsfunktion H(w) des adaptiven Filters eingerichtet sind. Die Übertragungsfunktion H(w) stellt eine Sprungantwort des Filters im Frequenzbereich dar (Kreisfrequenz ω=2π·f). Die Übertragungsfunktion des Filters H(w) kann auch als Filterfunktion bezeichnet werden; sie gibt die Dämpfung des SFC-Filters in Abhängigkeit von der Frequenz des ihn durchlaufenden Signals wieder. Die Schaltungskomponenten können beispielsweise Kondensatoren, Induktoren, Widerstände, etc. sein. Die Schaltungskomponenten können als rein passive Elemente realisiert sein, und/oder als „aktive Elemente“ mittels Halbleitern, z.B. als Kapazitätsdioden, Widerstandsarray, Operationsverstärker, usw. Das adaptive Filter weist weiterhin Schalter auf, die parallel und/oder in Serie zu zumindest einigen der Schaltungskomponenten angeordnet sind. Dementsprechend kann je einer dieser Schalter eine oder mehrere Schaltungskomponenten überbrücken (durch Schließen des Schalters parallel zu der Schaltungskomponente oder Teilschaltung) oder hinzufügen (durch Schließen des Schalters seriell zu der Schaltungskomponente oder Teilschaltung). Die Schalter können beispielsweise durch Transistoren realisiert sein, z.B. durch bipolare Transistoren und/oder durch FETs (Feldeffekttransistoren). Die Schalter können auch innerhalb eines Bauteils realisiert sein, um die Widerstands-, Kapazitäts- und/oder Induktionswerte des Bauteils selbst zu verändern. Als Beispiel sei ein digitales Potentiometer genannt, das keinen expliziten Schalter aufweist, sondern quasi-kontinuierlich veränderlich ist. Das Filter kann eine laufzeitabhängige - und so eine entfernungsabhängige - Dämpfung der empfangenen Messwerte bewirken und dadurch eine Dynamikbegrenzung des Signals bewirken, das von dem A/D-Wandler abgetastet wird. In zumindest einigen Ausführungsformen können bestimmte Frequenzbereiche (z.B. hohe Frequenzen) sogar verstärkt werden. Die Dynamikbegrenzung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Sweep von niedrigen zu höheren Frequenzen durchgeführt wird und das Filter als Hochpass realisiert wird. Bei einem Sweep von hohen zu niedrigeren Frequenzen wäre das Filter entsprechend als Tiefpass zu realisieren.
Der oder die Schalter des adaptiven Filters können mittels eines Steuergerätes betätigt, d.h. jeweils ein- oder ausgeschaltet werden, um so das Überbrücken oder das Hinzufügen einer Schaltungskomponente oder Teilschaltung zu realisieren. Das Steuergerät kann beispielsweise manuell bedient werden, z.B. über eine Konsole, und/oder mittels eines Algorithmus, der Veränderungen der empfangenen Messwerte während des Betriebs des FMCW-Füllstandsensors berücksichtigen kann. Der Zugriff zu dem Steuergerät kann reglementiert werden. So kann z.B. nur autorisierten Geräten und/oder Personen ein Zugriff zu dem Steuergerät erlaubt werden; dies kann z.B. mittels kryptographischer Methoden realisiert werden.
Mittels einer derartigen Dynamikbegrenzungsschaltung kann vorteilhafterweise einerseits eine hohe Sensitivität des FMCW-Füllstandsensors bei empfangenen Messwerten erreicht werden, die von entfernten Objekten reflektiert werden. Andererseits kann ein Übersteuern durch Signale (empfangene Messwerte) vermieden werden, die von nahen Objekten (z.B. von der Antenne oder von Anhaftungen) reflektiert werden. Eine Übersteuerung des A/D-Wandlers kann zur Folge haben, dass das gewandelte ZF-Signal nicht mehr vollständig abgebildet wird und es dadurch zu Fehlern in der Signalverarbeitungskette bei der Auswertung der Messsignale (z.B. durch Bildung der Echokurve) kommt. Weiterhin kann durch die adaptive Dynamikbegrenzungsschaltung eine Anpassung des FMCW-Füllstandsensors an verschiedene Messcharakteristika erreicht werden. So kann zum Beispiel derselbe FMCW-Füllstandsensor für Messungen in einem kleinen Behälter, in einem großen Tank und/oder auf einer Halde und somit im Freifeld eingesetzt werden. Auch kann derselbe FMCW-Füllstandsensor für eine Vielzahl von Antennentypen eingesetzt werden, insbesondere sowohl für Antennen mit hohem Antennengewinn als auch für Antennen mit niedrigem Antennengewinn. Auch weitere Randbedingungen des FMCW-Füllstandsensors können berücksichtigt werden, zum Beispiel eine unterschiedliche Sendeleistung des Messsignals aufgrund zulassungsrelevanter Forderungen, und/oder HF-Eigenschaften des Messsignals wie z.B. die Bandbreite des Frequenz-Hubs des FMCW-Systems. Ferner kann während des Betriebs des FMCW-Füllstandsensors beispielsweise eine Antennenverschmutzung, die z.B. durch Anhaftungen verursacht wurde, und/oder eine Alterung der Bauelemente des Füllstandsensors berücksichtigt werden.
In zahlreichen Ausführungsformen ist das adaptive Filter ein Sensitivity Frequency Control-Filter, SFC-Filter. Ein derartiges SFC-Filter findet vorteilhafterweise vor allem bei Radar- und/oder Hochfrequenz-Sensoren Verwendung.
In zahlreichen Ausführungsformen ist das adaptive Filter als passives adaptives Filter und/oder als aktives adaptives Filter ausgeführt. Wie auch weiter unten exemplarisch und im Detail erläutert, können Schalter verwendet werden, um passive und/oder aktive Schaltungskomponenten abzuschalten oder hinzuzufügen, so dass durch eine - gegebenenfalls kaskadierte - Parallel- und/oder Serienschaltung der Schaltungskomponenten eine breite Variation der kapazitiven, induktiven und/oder resistiven Anteile an der Übertragungsfunktion H(ω) möglich wird. In einer Ausführungsform kann der oder können die Schalter auch als Teil einer Komponente realisiert sein oder nur implizit vorhanden sein, wie z.B. bei einem digitalen Potentiometer.
In einigen Ausführungsformen ist das adaptives Filter als ein veränderlicher Hochpass ausgebildet. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Sweep von niedrigen zu höheren Frequenzen durchgeführt wird.
In einigen Ausführungsformen verändert das adaptive Filter nur niedrige Frequenzen der Übertragungsfunktion H(ω). Höhere Frequenz der empfangenen Messwerte - die schwächer sind - werden nicht gedämpft oder können in zumindest einigen Ausführungsformen sogar verstärkt werden.
In einigen Ausführungsformen ist das adaptives Filter als ein veränderlicher Bandpass ausgebildet. Ein Bandpass ist bekanntlich eine zusätzliche Einschränkung eines Hochpasses durch einen Tiefpass. Durch den Bandpass kann z.B. ein Anti-Aliasing bei der Abtastung durch den A/D-Wandler (gemäß dem sog. Abtast-Theorem oder Shannon-Nyquist-Theorem) erreicht werden.
In einigen Ausführungsformen weist die Dynamikbegrenzungsschaltung eine Vielzahl von adaptiven Filtern auf, zwischen denen das Steuergerät wechseln kann. Dies kann z.B. durch einen oder mehrere Schaltelemente realisiert werden, die zwischen mindestens zwei Filtern umschalten können.
In einigen Ausführungsformen erfordert die Betätigung der Schalter mittels des Steuergerätes eine Autorisierung. So kann z.B. nur autorisierten Geräten und/oder Personen ein Zugriff zu dem Steuergerät erlaubt werden; dies kann z.B. mittels kryptographischer Methoden realisiert werden, so dass Zustand der Schaltelemente vor Änderungen geschützt werden kann.
Ein Aspekt betrifft ein Füllstandmessgerät, das einen FMCW-Füllstandsensor wie oben und/oder nachfolgend beschrieben aufweist.
Ein Aspekt betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines adaptiven Filters, das Teil einer Dynamikbegrenzungsschaltung wie oben und/oder nachfolgend beschrieben ist. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

Erfassen von Kennwerten der Antenne und/oder der Zwischenfrequenz-Messwerte; und einstellen des adaptiven Filters auf Basis der Kennwerte.

Dabei kann das Erfassen von Kennwerten einen Schritt „Berechnen“ beinhalten. Das Erfassen bzw. Berechnen von Kennwerten kann berücksichtigen, ob die Eigenschaften des SFC-Filters auf die aktuelle Füllstandmessung passen. Ein Kennwert kann z.B. ein Abstand der Maxima und Minima bzw. ein Maximal- und Minimalwert des gewandelten ZF-Signals zu der Grenze des Dynamikbereichs sein.
In einigen Ausführungsformen umfassen die Kennwerte der Antenne eine Antennenverstärkung, ein Klingeln der Antenne (z.B. bei sehr niedrigen Entfernungen), eine Länge von einigen Millimetern (z.B. bei Planarantennen) bis zu vielen Zentimetern (z.B. bei einer Hornantenne), und/oder einen Abstand der Maxima und Minima einer Echokurve, welche mit dem Antennengewinn korrespondieren können. Alternativ oder zusätzlich können die Kennwerte der Antenne länderspezifische regulatorische Aspekte umfassen, zum Beispiel eine maximale Sendeleistung der Antenne und/oder bestimmte Restriktionen bezüglich der verwendbaren Frequenzbereiche bzw. Leistung für einen bestimmten Frequenzbereich.
In einigen Ausführungsformen umfassen die Kennwerte der Zwischenfrequenz-Messwerte eine Bandbreite, einen maximalen Messbereich, eine Steigung eines Sweeps. Damit kann vorteilhafterweise eine Einstellung des Filters auf Basis des digitalen Messsignals und/oder auf Basis der HF-Eigenschaften des Messsignals realisiert werden.
In einigen Ausführungsformen erfolgt das Einstellen des adaptiven Filters unter Verwendung einer Tabelle. Die Tabelle kann eine Liste von als optimal erkannten Filtereinstellungen (z.B. als Schalter-Einstellungen) beinhalten, z.B. abhängig von zumindest einem Kennwert.
Ein Aspekt betrifft ein Programmelement, welches, wenn es auf einem Steuergerät eines FMCW-Füllstandsensors und/oder auf einer anderen Recheneinheit ausgeführt wird, das Steuergerät und/oder die Recheneinheit anweist, das Verfahren wie oben und/oder nachfolgend beschrieben durchzuführen.
Ein Aspekt betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem das hier beschriebene Programmelement gespeichert ist.
Ein Aspekt betrifft eine Verwendung einer adaptiven Dynamikbegrenzungsschaltung wie oben und/oder nachfolgend beschrieben zur Dynamikbegrenzung von Messwerten eines FMCW-Füllstandsensors, wobei der FMCW-Füllstandsensor zur Füllstandmessung und/oder zur Topologiemessung eingerichtet ist. Die Topologiemessung kann beispielsweise für Schüttgut verwendet werden, das keine ebene Oberfläche bildet.
Es sei noch angemerkt, dass die verschiedenen oben und/oder nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können.
Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Dabei zeigt:

1 schematisch ein Füllstandmessgerät gemäß einer Ausführungsform;
2 schematisch einen Teil des Füllstandmessgeräts von 1;
3 schematisch ein Beispiel eines ZF-Signals gemäß einer Ausführungsform;
4 schematisch ein Beispiel einer Übertragungsfunktion H(ω) eines adaptiven Filters gemäß einer Ausführungsform;
5 schematisch ein Beispiel einer Realisierung eines adaptiven Filters gemäß einer Ausführungsform;
6 schematisch ein Beispiel einer Realisierung eines adaptiven Filters gemäß einer Ausführungsform;
7 schematisch ein Beispiel einer Realisierung eines adaptiven Filters gemäß einer Ausführungsform;
8 schematisch ein Beispiel einer Realisierung eines adaptiven Filters gemäß einer Ausführungsform;
9 ein Flussdiagramm mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt schematisch ein Füllstandmessgerät 100 gemäß einer Ausführungsform. Das Füllstandmessgerät 100 ist über einem Behälter 200 angeordnet. Der Behälter 200 weist ein Füllgut 210 auf. Das Füllstandmessgerät 100 sendet, über eine Antenne 110, ein Sendesignal 112 in Richtung des Füllguts 210 aus. Das Füllgut kann beispielsweise eine Flüssigkeit sein, einschließlich einer Emulsion oder Suspension, oder ein Schüttgut, insbesondere ein granuliertes oder pulverförmiges Schüttgut, und/oder eine andere Art von Medium oder Produkt. Das Sendesignal 112 wird an der Oberfläche 215 des Füllguts 210 und/oder an einem Boden 220 des Behälters 200 reflektiert und als Empfangssignal oder empfangener Messwert 114 (bzw. als Vielzahl von empfangenen Messwerten 114) von der Antenne 110 erfasst.
Die Antenne 110 ist schematisch als Hornantenne abgebildet. Diese Darstellung soll aber keine Einschränkung des Antennentyps sein; so kann die Antenne 110 alternativ oder zusätzlich z.B. als Planarantenne, als Antennenarrray und/oder als anderer Antennentyp realisiert sein. Die Sendeantenne und die Empfangsantenne ist hier als eine gemeinsame Antenne dargestellt; die Antennen können aber auch als getrennte Vorrichtungen realisiert sein. Das Füllstandmessgerät 100 weist weiterhin eine Signalverarbeitungseinheit 120 auf, die an die Antenne 110 angeschlossen ist. Die Signalverarbeitungseinheit 120 wandelt die empfangenen Messwerte 114 in ein Ausgangssignal 125 um, das für eine weitere Signalverarbeitung zur Verfügung, wie z.B. Darstellung für eine und Vermessung der Echokurve und/oder für eine Distanzbestimmung der Objekte (z.B. der Füllgutoberfläche 215), an denen das Sendesignal 112 reflektiert wird. Die Signalverarbeitungseinheit 120 kann darüber hinaus ein Signal generieren, dass an die Antenne 110 gesandt wird und von dieser als Sendesignal 112 ausgesandt wird.
2 zeigt schematisch einen Teil des Füllstandmessgeräts 100 von 1. Das Füllstandmessgerät 100 weist eine Signalverarbeitungseinheit 120 mit einer adaptiven Dynamikbegrenzungsschaltung 180 auf. Es wird deutlich, dass die Antenne 110 an ein FMCW-Modul 140 angeschlossen ist. Das FMCW-Modul 140 ist zum Umwandeln der Messwerte 114 des FMCW-Füllstandsensors 100 in Zwischenfrequenz-Messwerte (ZF-Messwerte) 145 eingerichtet. Die Signalverarbeitungseinheit 120 weist einen Oszillator 130 mit veränderlicher Frequenz auf, der als VCO (Voltage-Controlled Oscillator, spannungsgesteuerter Oszillator) ausgebildet sein kann. Der Oszillator 130 kann ein Signal generieren, dass an die Antenne 110 gesandt wird und von dieser als Sendesignal 112 ausgesandt wird. Weiterhin kann der Oszillator 130 - zusammen mit einem Mischer und weiteren Bauelementen (nicht dargestellt) - zur Bildung des ZF-Signals bzw. der Zwischenfrequenz-Messwerte 145 verwendet werden. Die ZF-Messwerte 145 werden an ein adaptives Filter 150 (siehe z.B. 5 bis 8) geleitet, das eine Übertragungsfunktion H(ω) aufweist, eine Dynamikbegrenzung der ZF-Messwerte 145 vornimmt und die gefilterten Messwerte 155 an den Eingang eines Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 160 anlegt. Die Übertragungsfunktion H(ω) des adaptiven Filters 150 kann mittels des Steuergerätes 152 verändert werden. Der A/D-Wandler 160 ist zur Digitalisierung der ZF-Messwerte 145 eingerichtet. Die digitalisierten Messwerte 165 werden an eine Signalprozessoreinheit 170 weitergeleitet, welche die Messwerte 165 so aufbereitet, dass diese vordefinierten Anforderungen an das Ausgangssignal 125 erfüllen. Die Signalprozessoreinheit 170 kann zum Beispiel einen Entzerrer, eine Fensterung, eine FFT-Einheit (FFT: Fast Fourier Transform) und/oder weitere Komponenten und/oder Einheiten zur Signalverarbeitung beinhalten. Beispiele zur Ausgestaltung der Signalprozessoreinheit 170 und/oder insbesondere zu dem FMCW-Modul 140 sind z.B. in der Druckschrift WO 2015 149 850 A1 dargestellt und erläutert.
3 zeigt schematisch ein Beispiel eines ZF-Signals 145 gemäß einer Ausführungsform. Dabei ist an der x-Achse des Diagramms die Zeit t und an der y-Achse die Amplitude A (z.B. in Volt) angetragen. Das ZF-Signal 320 ist ein Beispiel eines übersteuerten ZF-Signals. Dieses ZF-Signal 320 wird durch die Grenzen 322 und 324 des Dynamikbereichs des A/D-Wandlers 160 (siehe 2) begrenzt. Es wird deutlich, dass das ZF-Signal 320 nicht mehr korrekt erfasst werden kann. So werden Werte, die außerhalb des Dynamikbereichs des A/D-Wandlers 160 liegen, auf den Maximalwert 324 bzw. Minimalwert 322 des A/D-Wandlers 160 begrenzt und das ZF-Signal dadurch „abgeschnitten“. Demgegenüber zeigt das ZF-Signal 310 vollständig erfasstes ZF-Signal, das sich bei korrekt ausgelegter Dämpfung des ZF-Filters ergibt. Das ZF-Signal 310 ist zwar gedämpft, es kann jedoch von dem A/D-Wandler 160 vollständig und korrekt erfasst werden. Dieses ZF-Signal kann zum Beispiel nach bekannten Verfahren als Grundlage zur Berechnung einer Echokurve verwendet werden.
Damit wird deutlich, wie wichtig es sein kann, das Filter 150 korrekt auf die Messwerte 145 des Füllstandsensors 100 auszulegen. So kann es in der industriellen Fertigung von Vorteil sein, einzelne Baugruppen in großer Anzahl identisch herzustellen. Bei Füllstandsensoren können z.B. Synergieeffekte entstehen, wenn zumindest das FMCW-Modul 140, das Filter 150 und der A/D-Wandler 160 in einer Baugruppe zusammengefasst wird. Es kann jedoch schwierig sein, die Dämpfung des Filters 150 auf unterschiedliche Füllstandsensoren auszulegen, da diese je nach Einsatzort, zu messenden Medien, Antennencharakteristik und HF-Eigenschaften des Messsignals unterschiedliche Anforderungen an die Dämpfung des Filters 150 stellen können. So kann z.B. bei einer Antenne 110 mit großem Antennengewinn eine starke Dämpfung im Nahbereich erforderlich sein, um ein Übersteuern des A/D-Wandlers zu verhindern. Eine derartige starke Dämpfung kann jedoch bei einer Antenne mit kleinem Antennengewinn zu einer extrem starken Verzerrung führen und/oder zu einer eingeschränkten Empfindlichkeit im Wirkungsbereich des Filters, z.B. im Nahbereich der Antenne. Ähnlich kann es sein, wenn mit einem FMCW-Modul aufgrund unterschiedlicher Zulassungen in verschiedenen Ländern oder Anwendungen (Messungen in einem Tank, Messung auf einer Halde und somit im Freifeld) die Sendeleistung oder Bandbreite des Messsignals geändert und somit nicht optimal auf das Filter 150 angepasst ist. Muss z.B. aufgrund von (gesetzlichen) Bestimmungen der Funkzulassung der Sendepegel des Radargerätes mit großen Antennen abgesenkt werden, wäre eine schwächere Auslegung des Filters 150 möglich und vorteilhaft. Die Dynamikbegrenzungsschaltung 180 wie oben und/oder nachfolgend beschrieben kann diesem Mangel begegnen, indem mit Schaltungskomponenten 511 - 517 (siehe z.B. 5 bis 8) die Übertragungsfunktion H(ω) des Filters 150 (siehe 4) je nach Situation geändert werden kann und somit auf den Füllstandsensor angepasst werden kann. Diese Anpassung kann auch während des laufenden Betriebs erfolgen, wenn z.B. durch Verschmutzung der Antenne oder Alterung der Bauelemente sich die Abstrahlcharakteristik des Messsignals ändert.
4 zeigt schematisch ein Beispiel einer Übertragungsfunktion H(ω) eines adaptiven Filters 150 gemäß einer Ausführungsform. Dabei ist an der x-Achse des Diagramms die Kreisfrequenz ω und an der y-Achse die Übertragungsfunktion H(ω) des Filters 150 angetragen, d.h. eine Dämpfung des Filters; das Filter kann auch eine Verstärkung aufweisen. Die durchgezogene Kurve 310 zeigt eine mittlere Filterwirkung. Solch ein Filter könnte beispielsweise in einer Baugruppe mit statischem Filteraufbau eingesetzt werden. Die gepunktete Kurve 320 zeigt einen Filtergang bei geringer Dämpfung, wie sie z.B. bei Antennen mit kleinem Antennengewinn sinnvoll sein kann. Die gestrichelte Kurve 330 zeigt einen Verlauf, der für Antennen mit großem Antennengewinn sinnvoll sein kann. Das Filter 150 kann so ausgelegt sein, dass es nur niedrige Frequenzen der Übertragungsfunktion H(ω) verändert, d.h. dass die Übertragungsfunktion H(ω) für Frequenzen ω > ω_L nicht verändert wird. Es sei noch erwähnt, dass in einer Ausführungsform für Frequenzen ω >> ω_L ein Tiefpass vorgesehen sein kann, so dass das Filter 150 als Bandpass wirkt. Dies kann für ein Anti-Aliasing vorteilhaft sein. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Übertragungsfunktion H(ω) für Frequenzen ω > ω_L unverändert bleiben.
Das adaptive Filter 150 erlaubt also einen Wechsel der Filtercharakteristik, z.B. eine Wahl zwischen den Kurven 310, 320 oder 330, oder - je nach Auslegung der Schaltungskomponenten und Schalter - zwischen weiteren Kurven. Sowohl der Amplituden- als auch der Phasengang kann veränderbar gestaltet werden. Das Steuergerät 152 kann damit für verschiedene Typen von FMCW-Füllstandsensoren und Einsatzbedingungen eine optimierte Übertragungsfunktion H(ω) des Filters 150 wählen.
5 zeigt schematisch ein Beispiel einer Realisierung eines adaptiven Filters 150 gemäß einer Ausführungsform. Das Filter 150 ist ein Viertor, das zwischen das ZF-Signal oder die Zwischenfrequenz-Messwerte 145 und die gefilterten Messwerte 155 eingefügt ist. Das in 5 dargestellte Filter 150 weist eine Vielzahl von Kondensatoren 511 - 514 und eine Vielzahl von Widerständen 515 - 517 auf. Parallel zu den Kondensatoren 511 - 514 und den Widerständen 515 - 517 sind Schalter 505 - 507 bzw. 505 - 507. Es wird deutlich, dass mittels dieser Schaltungskomponenten und Schalter ein RC-Glied (Hochpass) gebildet wird, das - je nach Auslegung - eine breite Variation seiner Übertragungsfunktion H(ω) ermöglicht.
Diese Ausführungsform ist hier bewusst einfach, als passiver adaptiver Hochpass, dargestellt. Es ist jedoch klar, dass bei Verwendung der Idee des adaptiven Filters 150 eine breite Variation der Filterkomponenten und/oder der Übertragungsfunktion H(ω) möglich ist.
So zeigt 6 schematisch ein Beispiel einer Realisierung eines adaptiven Filters 150 gemäß einer weiteren Ausführungsform, nämlich als aktive Stufe. Das Filter besteht aus einer aktiven Komponente 610 (z.B. ein Operationsverstärker) und zusätzlich auch passive Komponenten wie einen Widerstand 620 oder einem Kondensatoren 630. Die Schaltungskomponente 640 ist als bipolarer Transistor ausgeführt. Die Pünktchen 650 symbolisieren die Fortführung des Filters. So können weitere Komponenten ähnlich oder identisch der Verschaltung der Komponenten 610 - 630 und/oder weiterer Schalter an das Filter 150 angefügt werden, um die Einstellmöglichkeiten des adaptiven Filters 150 zu erweitern.
7 zeigt schematisch ein Beispiel einer Realisierung eines adaptiven Filters 150 gemäß einer weiteren Ausführungsform, mit passiven Komponenten. Die Schaltelemente 710 und 720 sind als Transistoren realisiert und bilden mit den Widerständen 730, 740 und den Kondensatoren 750, 760 ein adaptives Filter 150.
8 zeigt schematisch ein Beispiel einer Realisierung eines adaptiven Filters 150 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform werden nicht einzelne Schaltungskomponenten hinzu- oder weggeschalten, sondern vielmehr ein vollständiges Teil-Filter 810 bzw. 820. 830 ist ein Schaltelement, das es erlaubt, zwischen den Teil-Filtern 810 bzw. 820 zu wechseln. Die Filterkomponenten 810 und 820 wiederum können aus aktiven und/oder aus passiven Komponenten bestehen.
9 zeigt ein Flussdiagramm 900 mit einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform. In einem Schritt 902 erfolgt die Berechnung von Kennwerten, die beschreiben, ob die Eigenschaften des adaptiven Filters 150 auf die aktuelle Füllstandmessung passen. Ein Beispiel für einen Kennwert kann z.B. der Abstand der Maxima und Minima bzw. der Maximal- und Minimalwert des gewandelten ZF-Signals 145 zu der Grenze des Dynamikbereichs (siehe 3). Zum Beispiel über eine Tabelle kann in einem Schritt 904 aus den berechneten Kennwerten eine passende Filtereinstellung des adaptiven Filters 150 gewählt werden. Das Steuergerät 152 leitet dann in einem Schritt 906 die Schalter (z.B. 501 - 507) an, das gewünschte Filterverhalten des Filters 150 einzustellen. Die gewählten Filtereigenschaften sind dann für die darauffolgende Messung wirksam. Es ist möglich, die Schritte 902 - 906 zu jeder Messung oder alternativ nur jede z.B. hundertste Messung durchzuführen.
Liste der Bezugszeichen

100: FMCW-Füllstandsensor
110: Antenne
112: Sendesignal
114: empfangene Messwerte
120: Signalverarbeitungseinheit
125: Ausgangssignal
130: Oszillator
140: FMCW-Modul
145: Zwischenfrequenz-Messwerte (ZF-Messwerte)
150: adaptives Filter
152: Steuergerät
155: gefilterte Messwerte
160: Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler)
165: digitalisierte Messwerte
170: Signalprozessoreinheit
180: adaptive Dynamikbegrenzungsschaltung
200: Behälter
210: Füllgut
215: Füllgutoberfläche
220: Boden des Behälters
310: durchgezogene Kurve
320: gepunktete Kurve
322: Minimalwert des A/D-Wandlers
324: Maximalwert des A/D-Wandlers
330: gestrichelte Kurve
501 - 507: Schalter
511 - 517: Schaltungskomponenten
810, 820: Teil-Filter
900: Flussdiagramm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015149850 A1 [0033]

Claims

Adaptive Dynamikbegrenzungsschaltung (180), eingerichtet zur Dynamikbegrenzung von empfangenen Messwerten (114) eines FMCW-Füllstandsensors (100), die Dynamikbegrenzungsschaltung (180) aufweisend: ein FMCW-Modul (140), eingerichtet zum Umwandeln der Messwerte (114) des FMCW-Füllstandsensors (100) in Zwischenfrequenz-Messwerte (145); einen A/D-Wandler (160), eingerichtet zur Digitalisierung der Zwischenfrequenz-Messwerte (145); ein adaptives Filter (150), das zwischen dem FMCW-Modul (140) und dem A/D-Wandler (160) angeordnet ist, wobei das adaptive Filter (150) Schaltungskomponenten (511 - 517), die zur Beeinflussung einer Übertragungsfunktion H(ω) des adaptiven Filters (150) eingerichtet sind, und Schalter (501 - 507), die parallel und/oder in Serie zu zumindest einigen der Schaltungskomponenten (511 - 517) angeordnet sind, aufweist; und ein Steuergerät (152), das zur Betätigung der Schalter (501 - 507) des adaptiven Filters (150), eingerichtet ist.
Dynamikbegrenzungsschaltung (180) nach Anspruch 1, wobei das adaptive Filter (150) ein Sensitivity Frequency Control-Filter, SFC-Filter, ist, und/oder wobei das adaptive Filter (150) als passives adaptives Filter und/oder als aktives adaptives Filter ausgeführt ist.
Dynamikbegrenzungsschaltung (180) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das adaptives Filter (150) als ein veränderlicher Hochpass ausgebildet ist.
Dynamikbegrenzungsschaltung (180) nach Anspruch 3, wobei das adaptive Filter (150) nur niedrige Frequenzen der Übertragungsfunktion H(ω) verändert.
Dynamikbegrenzungsschaltung (180) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das adaptives Filter (150) als ein veränderlicher Bandpass ausgebildet ist.
Dynamikbegrenzungsschaltung (180) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dynamikbegrenzungsschaltung (180) eine Vielzahl von adaptiven Filtern (610, 620) aufweist, zwischen denen das Steuergerät (152) wechseln kann.
Dynamikbegrenzungsschaltung (180) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Betätigung der Schalter (501 - 507) mittels des Steuergerätes (152) eine Autorisierung erfordert.
Füllstandmessgerät, aufweisend einen FMCW-Füllstandsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Einstellen eines adaptiven Filters (150), das Teil einer Dynamikbegrenzungsschaltung (180) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist, das Verfahren aufweisend die Schritte: erfassen von Kennwerten der Antenne und/oder der Zwischenfrequenz-Messwerte (145); und einstellen des adaptiven Filters (150) auf Basis der Kennwerte.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kennwerte der Antenne eine Antennenverstärkung, Klingeln, Länge, und/oder Abstand der Maxima und Minima eine Echokurve umfassen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Kennwerte der Zwischenfrequenz-Messwerte (145) eine Bandbreite, einen maximalen Messbereich, eine Steigung eines Sweeps umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Einstellen des adaptiven Filters (150) unter Verwendung einer Tabelle erfolgt.
Programmelement, welches, wenn es auf einem Steuergerät (152) eines FMCW-Füllstandsensors (100) und/oder auf einer anderen Recheneinheit ausgeführt wird, das Steuergerät (152) und/oder die Recheneinheit anweist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12 durchzuführen.
Computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist.
Verwendung einer adaptiven Dynamikbegrenzungsschaltung (180) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Dynamikbegrenzung von Messwerten (114) eines FMCW-Füllstandsensors (100), wobei der FMCW-Füllstandsensor (100) zur Füllstandmessung und/oder zur Topologiemessung eingerichtet ist.