DE102024103670A1 - Level measuring device - Google Patents

Level measuring device

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DE102024103670A1
DE102024103670A1 DE102024103670.2A DE102024103670A DE102024103670A1 DE 102024103670 A1 DE102024103670 A1 DE 102024103670A1 DE 102024103670 A DE102024103670 A DE 102024103670A DE 102024103670 A1 DE102024103670 A1 DE 102024103670A1
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Thomas Galler
Philipp Hügler
Nico Riese
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Endress and Hauser SE and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter (14) für ein multifrequentes Radar-Füllstandsmessgerät (1), das zur Bestimmung zumindest eines Füllstandswertes (L1,2,3) eines Füllgutes (2) dient und mindestens in zwei deutlich voneinander abweichenden Frequenzbändern (f1,2,3) arbeiten kann. Der Wellenleiter (14) verläuft in einem Gehäusehals (15), der dazu dient, die Hochfrequenz-Einheiten (10, 11, 12) des Füllstandsmessgerätes (1) für Hochtemperatur-Anwendungen von der passiven Sende-/Empfangs-Struktur (13) zu beabstanden. Dabei weist der Wellenleiter (14) entlang der Leiter-Achse (x) erfindungsgemäß einen Querschnitt auf, über den sich der Dielektrizitätswert verändert. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Radar-Signale (S, RHF1,2,3) aller Frequenzbänder (f1,2,3) effizient zwischen den Hochfrequenz-Einheiten (10, 11, 12) und der Sende-/Empfangs-Struktur (13) transmittiert werden.
The invention relates to a waveguide (14) for a multifrequency radar level measuring device (1) which is used to determine at least one level value (L 1,2,3 ) of a filling material (2) and can operate in at least two significantly different frequency bands (f 1,2,3 ). The waveguide (14) runs in a housing neck (15) which serves to space the high-frequency units (10, 11, 12) of the level measuring device (1) for high-temperature applications from the passive transmitting/receiving structure (13). According to the invention, the waveguide (14) has a cross-section along the guide axis (x) over which the dielectric value changes. This ensures that the radar signals (S, R HF1,2,3 ) of all frequency bands (f 1,2,3 ) are efficiently transmitted between the high-frequency units (10, 11, 12) and the transmit/receive structure (13).

Description

Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät, das an unterschiedlichste Anwendungsgebiete anpassbar ist, sowie einen dielektrischen Wellenleiter für ein solches Füllstandsmessgerät.The invention relates to a radar-based level measuring device that can be adapted to a wide variety of applications, as well as to a dielectric waveguide for such a level measuring device.

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.In process automation technology, appropriate field devices are used to record relevant process parameters. To record the respective process parameters, suitable measurement principles are implemented in the corresponding field devices to record process parameters such as level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential, or conductivity. The Endress + Hauser Group manufactures and distributes a wide variety of field device types.

Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. 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. Dabei bezieht sich der Begriff „Radar“ im Kontext dieser Erfindung auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz. Prinzipbedingt ist eine umso höhere Mess-Auflösung erreichbar, je höher die absolute Bandbreite ist bzw. 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 “.Non-contact measuring methods have become established for level measurement of filling materials in containers because they are robust and low-maintenance. A further advantage of non-contact measuring methods is the ability to measure the level virtually continuously. Therefore, radar-based measuring methods are predominantly used in the field of continuous level measurement. The term "radar" in the context of this invention refers to signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz. Due to the principle, the higher the absolute bandwidth or frequency, the higher the measurement resolution can be achieved. The pulse transit time method and FMCW ("Frequency Modulated Continuous Wave") have become established measuring methods. Radar-based level measurement is described in more detail, for example, in " Radar Level Detection, Peter Devine, 2000 “.

Typische Frequenzbänder, die für Radar-basierte Füllstandsmessung zugelassen sind, liegen bei 26 GHz, 60 GHz, 80 GHz und 120 GHz, sowie vermehrt auch 180 GHz und 240 GHz. Dabei sind höhere Frequenzbänder für viele Anwendungsgebiete vorteilhaft, da bei gegebenen Antennenabmessungen eine höhere Strahlbündelung erreicht wird und in der Regel mehr Bandbreite zur Verfügung steht, die für eine größere Entfernungsauflösung eingesetzt werden kann. Ein solches Anwendungsgebiet stellt beispielsweise die hochgenaue Füllstandsmessung in Raffinerie-Tanks dar.Typical frequency bands approved for radar-based level measurement are 26 GHz, 60 GHz, 80 GHz, and 120 GHz, and increasingly also 180 GHz and 240 GHz. Higher frequency bands are advantageous for many applications because, for given antenna dimensions, greater beam focusing is achieved and generally more bandwidth is available, which can be used for greater distance resolution. One such application area is, for example, high-precision level measurement in refinery tanks.

Es sind jedoch auch verschiedene Nachteile bei Radar-Signalen mit höheren Frequenzen bzw. in höheren Frequenzbändern bekannt, die in einzelnen Anwendungsgebieten zu Beeinträchtigungen oder sogar zum Ausfallen des Füllstandmesswerts führen können. Diese Nachteile finden sich größtenteils in Wechselwirkungen der Radarmessung mit den zu messenden Füllgütern, den Atmosphären über den Füllgütern und teilweise auch in Behälterformen, Umwelt- und Einbaubedingungen sowie behördlichen Vorschriften. Unter anderem die Füllstandsmessung in Getreidesilos stellt ein Einsatzgebiet dar, bei welcher ein breiter Strahlkegel bzw. ein niedriges Frequenzband vorteilhaft ist: Aufgrund der dort körnigen Beschaffenheit des Füllgutes kann dies zu einer diffusen Reflektion des Radar-Signals führen, wodurch bei einem schmalen Strahlkegel bzw. einem hohen Frequenzbad das reflektierte Empfangs-Signal derart stark aus der Vertikalen abgelenkt werden kann, dass es von der Antenne bzw. Sende-/Empfangs-Struktur des Füllstandsmessgerätes nicht empfangen wird.However, there are also various disadvantages associated with radar signals with higher frequencies or in higher frequency bands, which can lead to impairments or even failure of the level measurement in certain applications. These disadvantages are largely due to interactions between the radar measurement and the materials to be measured, the atmosphere above the materials, and sometimes also container shapes, environmental and installation conditions, and official regulations. Level measurement in grain silos, among others, is one application where a wide beam cone or a low frequency band is advantageous: Due to the granular nature of the material in these areas, this can lead to diffuse reflection of the radar signal. With a narrow beam cone or a high frequency band, the reflected received signal can be deflected so strongly from the vertical that it is not received by the antenna or transmit/receive structure of the level measuring device.

Um die Vorteile bei verschiedenen Frequenzen bzw. in verschiedenen Frequenzbändern nutzen zu können, wird in der Veröffentlichungsschrift WO 2023099269 A1 ein Füllstandsmessgerät beschrieben, das je nach Situation bzw. Anwendung in mehreren, jeweils deutlich voneinander abgegrenzten Frequenzbändern jeweils den Füllstand bestimmen kann. Problematisch ist hierbei jedoch, dass die Abstrahlung bzw. der Empfang der Radar-Signale bei allen Frequenzbändern sichergestellt sein muss. Vor allem bei Hochtemperatur-Anwendungen ist dies relevant, da in diesen Fällen die Antenne bzw. als passive Sende-/Empfangs-Struktur durch einen Gehäusehals von den Bauteilen der Hochfrequenz-Bauteilen beabstandet wird, um diese vor dem Temperatur-Einfluss aus dem Behälter-Inneren zu schützen. Da der im Gehäusehals angeordnete Wellenleiter zur signaltechnischen Überbrückung lediglich auf ein einziges Frequenzband auslegbar ist, vermindert dies die Übertragungs-Effizienz bei allen anderen Frequenzbändern. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Problematik zu überwinden.In order to be able to use the advantages at different frequencies or in different frequency bands, the publication WO 2023099269 A1 A level measuring device is described that can determine the level in several, clearly defined frequency bands depending on the situation or application. The problem here, however, is that the radiation and reception of the radar signals must be ensured in all frequency bands. This is particularly relevant for high-temperature applications, since in these cases the antenna or, as a passive transmit/receive structure, is spaced from the components of the high-frequency components by a housing neck in order to protect them from the temperature influences from the interior of the container. Since the waveguide arranged in the housing neck for signal bridging can only be designed for a single frequency band, this reduces the transmission efficiency in all other frequency bands. The invention is therefore based on the object of overcoming this problem.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen dielektrischen Wellenleiter, mittels dem Radar-Signale entlang einer insbesondere geradlinigen Leiter-Achse führbar sind, mit:

  • - Einem ersten Endbereich, in welchen die Radar-Signale ein bzw. auskoppelbar sind, und
  • - einem gegenüberliegenden, zweiten Endbereich zur Ein- und Auskopplung der Radar-Signale.
The invention solves this problem by a dielectric waveguide by means of which radar signals can be guided along a particularly straight conductor axis, with:
  • - A first end region into which the radar signals can be coupled or decoupled, and
  • - an opposite, second end area for coupling and decoupling the radar signals.

Dabei zeichnet sich der erfindungsgemäße Wellenleiter in Bezug zur Leiter-Achse durch einen Querschnitt aus, über den sich Dielektrizitätswert verändert. Durch den sich ergebenden Dielektrizitätswert-Gradient in der Ebene des Querschnittes ist der Wellenleiter in seiner Übertragungsfähigkeit nicht lediglich auf ein einziges Frequenzband beschränkt.The waveguide according to the invention is characterized by a cross-section relative to the guide axis, across which the dielectric value varies. Due to the resulting dielectric value gradient in the plane of the cross-section, the waveguide's transmission capability is not limited to a single frequency band.

Im Rahmen der Erfindung ist es allgemein nicht fest vorgegeben, wie der sich ändernde Dielektrizitätswert realisiert wird. Wesentliche Einflussgrößen sind hierbei die Lage und die Anzahl der im Füllstandsmessgerät implementierten Frequenzbänder. Beispielsweise kann der Querschnitt im Falle von zwei Frequenzbändern in zumindest

  • - ein erstes Segment mit einem ersten Dielektrizitätswert und
  • - ein zweites Segment mit einem zweiten Dielektrizitätswert gegliedert werden.
Within the scope of the invention, it is generally not predetermined how the changing dielectric value is realized. The key influencing factors are the position and number of frequency bands implemented in the level measuring device. For example, in the case of two frequency bands, the cross section can be divided into at least
  • - a first segment having a first dielectric value and
  • - a second segment with a second dielectric value.

In diesem Fall ist es vorteilhaft, das zweite Segment insbesondere koaxial um das erste Segment herum auszubilden. Dabei können die Segmente beispielsweise eine rechteckige, elliptische oder eine Kreis-Form aufweisen. Bei solch zentrischer Auslegung der Segmente umeinander herum ist es essenziell, dass der Dielektrizitätswert in Bezug zur Leiter-Achse von innen nach außen abnimmt. Dies bedeutet, dass der erste Dielektrizitätswert des inneren, ersten Segmentes höher als der zweite Dielektrizitätswert im äußeren, zweiten Segment ist. Diese Auslegung bewirkt, dass das innere Segment auch zur Übertragung des tiefen Frequenzbandes mitbeiträgt, da hier die HE11-Grundmode aller Frequenzbänder ausbreitungsfähig ist.In this case, it is advantageous to form the second segment, particularly coaxially around the first segment. The segments can, for example, have a rectangular, elliptical, or circular shape. With such a central design of the segments around each other, it is essential that the dielectric value decreases from the inside to the outside relative to the conductor axis. This means that the first dielectric value of the inner, first segment is higher than the second dielectric value in the outer, second segment. This design ensures that the inner segment also contributes to the transmission of the low frequency band, since the HE11 fundamental mode of all frequency bands is capable of propagation here.

Dementsprechend ist es vorteilhaft, die Querschnitts-Abmessungen (Radius r bzw. die längste Kantenlänge r) der Segmente insbesondere gemäß des physikalisch allgemeinen Zusammenhanges zwischen Cut-off Frequenz und Abmessung auszulegen: f 1,2 1.84 c 2 π r s e g e m e n t (kreisförmige Querschnittsform). Im Falle einer rechteckigen Querschnittsform sind dessen Abmessungen entsprechend gemäß f 1 c 2 r s e g e m e n t auf das entsprechende Frequenzband (f1,2) auszulegen. Dabei ist c die Material- bzw. Dielektrizitätswert-abhängige Signal-Ausbreitungsgeschwindigkeit.Accordingly, it is advantageous to design the cross-sectional dimensions (radius r or the longest edge length r) of the segments in particular according to the general physical relationship between cut-off frequency and dimension: f 1,2 1.84 c 2 π r s e g e m e n t (circular cross-sectional shape). In case of a rectangular cross-sectional shape, its dimensions shall be as per f 1 c 2 r s e g e m e n t to the corresponding frequency band (f 1,2 ). Where c is the material- or dielectric-dependent signal propagation velocity.

Um in den Segmenten verschiedene Dielektrizitätswerte zu realisieren, können die Segmente beispielsweise aus jeweils verschiedenen Materialien mit verschiedenen Dielektrizitätswerten gefertigt sein. Als Materialien bieten sich hier einerseits PEEK, PTFE, HDPE, PEI oder PFA an. Fertigen lässt sich der Wellenleiter im Falle verschiedener Materialien beispielsweise durch Segment-weises Gießen, Laminieren oder per Extrusion. Denkbar ist jedoch auch, den Wellenleiter aus einem monolithischen Material zu fertigen und gegebenenfalls nachträglich zu bearbeiten, so dass sich der Dielektrizitätswert über den Querschnitt verändert. Ein Realisierungsmöglichkeit besteht in diesem Zusammenhang darin, dass das Material über den Querschnitt eine entsprechend unterschiedliche Porosität und/oder Dichte aufweist. Fertigungstechnisch realisieren lässt sich dies insbesondere mittels 3D-Druck. Denkbar ist jedoch auch Laser-Bohren oder Ätzen.In order to achieve different dielectric values in the segments, the segments can be made from different materials, each with different dielectric values. Suitable materials for this purpose include PEEK, PTFE, HDPE, PEI, or PFA. If the waveguide is made from different materials, it can be manufactured, for example, by segment-by-segment casting, lamination, or extrusion. However, it is also conceivable to manufacture the waveguide from a monolithic material and, if necessary, subsequently process it so that the dielectric value changes across the cross-section. One possible implementation in this context is for the material to have a correspondingly different porosity and/or density across the cross-section. This can be achieved in particular using 3D printing. Laser drilling or etching are also conceivable.

Auf Basis des erfindungsgemäßen Wellenleiters lässt sich ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät realisieren, das für verschiedene Anwendungen zur Füllstands-Bestimmung von Füllgütern auf zumindest zwei verschiedene Frequenzbänder zurückreifen kann. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät folgende Komponenten:

  • - Eine erste Hochfrequenz-Einheit, die ausgelegt ist, um innerhalb des ersten Frequenzbandes ein erstes Radar-Signal zu erzeugen und ein entsprechendes, erstes Empfangs-Signal zu empfangen,
  • - eine zweite Hochfrequenz-Einheit, die ausgelegt ist, um innerhalb des zweiten Frequenzbandes ein zweites Radar-Signal zu erzeugen und ein entsprechendes, zweites Empfangs-Signal zu empfangen, wobei das zweite Frequenzband deutlich niedriger als das erste Frequenzband ist,
  • - eine passive Sende-/Empfangs-Struktur, wie eine fokussierende Radar-Linse oder eine Hornantenne, über welche die Radar-Signale beider Hochfrequenz-Einheiten gen Füllgut aussendbar und nach Reflexion an der Füllgut-Oberfläche als entsprechende Empfangs-Signale empfangbar sind, und
  • - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, anhand zumindest einer der Empfangs-Signale einen Füllstandswert zu bestimmen.
  • - Der erfindungsgemäße Wellenleiter dient zur Führung der Radar-Signale beider Frequenzbänder. Hierzu sind die Hochfrequenz-Einheiten über dessen ersten Endbereich mit dem Wellenleiter verbunden. Am zweiten, geneüberliegenden Endbereich ist die Sende-/Empfangs-Struktur angekoppelt.
Based on the waveguide according to the invention, a radar-based level gauge can be realized that can access at least two different frequency bands for various applications for determining the level of filling materials. For this purpose, the level gauge comprises the following components:
  • - A first radio frequency unit designed to generate a first radar signal within the first frequency band and to receive a corresponding first reception signal,
  • - a second radio frequency unit designed to generate a second radar signal within the second frequency band and to receive a corresponding second reception signal, wherein the second frequency band is significantly lower than the first frequency band,
  • - a passive transmitting/receiving structure, such as a focusing radar lens or a horn antenna, via which the radar signals of both high-frequency units can be transmitted towards the filling material and, after reflection at the filling material surface, can be received as corresponding reception signals, and
  • - an evaluation unit designed to determine a fill level value based on at least one of the received signals.
  • The waveguide according to the invention serves to guide radar signals of both frequency bands. For this purpose, the radio-frequency units are connected to the waveguide via its first end region. The transmit/receive structure is coupled to the second, opposite end region.

Dieser erfindungsgemäße Aufbau des Füllstandsmessgerätes wirkt sich besonders vorteilhaft bei Hochtemperaturanwendungen aus, bei denen die passive Sende-/Empfangs-Struktur durch einen Gehäusehals von den aktiven und dementsprechend temperaturanfälligen Hochfrequenz-Einheiten beabstandet ist. In diesem Fall verläuft der Wellenleiter durch den Gehäusehals, so dass die Sende-/Empfangs-Struktur trotz Beabstandung mit den Hochfrequenz-Einheiten hochfrequenztechnisch verbunden ist.This inventive design of the level measuring device is particularly advantageous in high-temperature applications, where the passive transmitting/receiving structure is separated from the active and correspondingly temperature-sensitive radio-frequency units by a housing neck. In this case, the waveguide runs through the housing neck, so that the transmitting/receiving structure can transmit signals from the radio-frequency units despite the separation. frequency units are connected via high frequency technology.

Im Sinne der Erfindung sind die Frequenzbänder immer dann deutlich voneinander abgegrenzt, wenn deren Mittenfrequenzen mindestens um Faktor zwei auseinanderliegen und deren Bandbreite jeweils schmaler als ein Fünftel ihrer Mittenfrequenz ist. Eine deutliche Abgrenzung ist im Sinne der Erfindung auch dann gegeben, wenn die Mittenfrequenzen der Frequenzbänder mindestens um einen Faktor vier auseinanderliegen und deren Bandbreite jeweils schmaler als die Hälfte ihrer Mittenfrequenz ist. Die Mittenfrequenz eines Frequenzbandes definiert sich dabei als diejenige Frequenz, welche sich genau mittig innerhalb des Frequenzbandes befindet. Gemäß dieser Definition erstreckt sich beispielsweise ein Frequenzband bei einer Mittenfrequenz von 26 GHz und einer Bandbreite von 2 GHz entsprechend von 25 GHz bis 27 GHz.For the purposes of the invention, the frequency bands are always clearly demarcated from one another if their center frequencies are at least a factor of two apart and their bandwidth is each narrower than a fifth of their center frequency. A clear demarcation also exists for the purposes of the invention if the center frequencies of the frequency bands are at least a factor of four apart and their bandwidth is each narrower than half of their center frequency. The center frequency of a frequency band is defined as the frequency that is exactly in the middle within the frequency band. According to this definition, for example, a frequency band with a center frequency of 26 GHz and a bandwidth of 2 GHz extends from 25 GHz to 27 GHz.

Prinzipiell ist die erfindungsgemäße Auslegung des Wellenleiters bzw. des Füllstandsmessgerätes nicht nur auf zwei unterschiedliche Frequenzbänder anwendbar, sondern theoretisch auf beliebig viele. Im Falle von drei Frequenzbändern umfasst der Wellenleiter dementsprechend beispielsweise ein drittes Segment mit einem dritten Dielektrizitätswert, wobei in diesem Fall außerdem eine dritte Hochfrequenz-Einheit zur Erzeugung/Verarbeitung von Radar-Signalen im dritten Frequenzband erforderlich ist.In principle, the inventive design of the waveguide or level gauge is applicable not only to two different frequency bands, but theoretically to any number. In the case of three frequency bands, the waveguide accordingly comprises, for example, a third segment with a third dielectric value, in which case a third radio-frequency unit is also required for generating/processing radar signals in the third frequency band.

Vorteilhaft an Multifrequenz-fähigen Füllstandsmessgeräten ist insgesamt, dass je nach Anwendungsgebiet das hierzu besser geeignetere der möglichen Frequenzbänder gewählt bzw. am Füllstandsmessgerät eingestellt werden kann. Dabei kann das Füllstandsmessgerät so ausgelegt werden, dass es das passende Frequenzband selbständig einstellt, beispielsweise in Abhängigkeit davon, in welchem Frequenzband der Füllstandswert am zuverlässigsten oder am genauesten ermittelbar ist.The advantage of multi-frequency level measuring devices is that, depending on the application, the most suitable frequency band can be selected or set on the level measuring device. The level measuring device can be designed to automatically set the appropriate frequency band, for example, depending on which frequency band the level value can be determined most reliably or accurately.

In Bezug zu dem erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät wird unter dem Begriff „Einheit“ prinzipiell jegliche Schaltungsgruppe verstanden, die für einen konkreten Einsatzzweck vorgesehen ist, bspw. als Schnittstelle oder zur Hochfrequenz-Signalverarbeitung. Die jeweilige Einheit kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. In relation to the level measuring device according to the invention, the term "unit" is understood to mean any circuit group intended for a specific application, e.g., as an interface or for high-frequency signal processing. Depending on the application, the respective unit can therefore contain corresponding analog circuits for generating or processing signals.

Verarbeitung entsprechender analoger Signale umfassen. Die jeweilige Einheit kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGAs, 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 elektronische Schaltungen der Einheit im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Dabei ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb der Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.Processing of corresponding analog signals. However, the respective unit can also comprise digital circuits, such as FPGAs, microcontrollers, or storage media in conjunction with corresponding programs. The program is designed to carry out the required method steps or apply the necessary computing operations. In this context, various electronic circuits of the unit within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit. It is irrelevant whether various electronic circuits within the unit are arranged on a common circuit board or on several connected circuit boards.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren. Es zeigt:

  • 1: Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät an einem Behälter,
  • 2: eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes, und
  • 3: eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Wellenleiters.
The invention is explained in more detail with reference to the following figures. They show:
  • 1 : A radar-based level gauge on a container,
  • 2 : a detailed view of the level measuring device according to the invention, and
  • 3 : a cross-sectional view of the waveguide according to the invention.

Zum prinzipiellen Verständnis der Erfindung ist in 1 ein Behälter 3 mit einem Füllgut 2 gezeigt, dessen Füllstand L durch ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Dabei kann der Behälter 3 je nach Art des Füllgutes 2 und je nach Anwendungsgebiet bis zu 100 m hoch sein. Von der Art des Füllgutes 2 bzw. dem Anwendungsgebiet hängt auch das optimale Frequenzband f1,2,3 ab, in welchem das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L ermittelt: Im Falle eines grobkörnigen Füllgutes 2 und entsprechend diffuser Reflexion eignet sich tendenziell ein vergleichsweise niedriges Frequenzband f1,2,3 bei beispielsweise 6 GHz. Auch bei schäumenden Füllgütern 2 bieten sich eher niedrige Frequenzbänder, da in diesem Fall der Schaum nicht reflektierend wirkt. Im Falle eines Raffinerie-Tanks als Behälter 3 ist aufgrund der ebenen Füllgut-Oberfläche wiederum ein möglichst hohes Frequenzband f1,2,3 vorteilhaft, da dies prinzipbedingt eine potenziell höhere Entfernungs-Auflösung erlaubt.For a basic understanding of the invention, 1 a container 3 with a filling material 2 is shown, the fill level L of which is to be determined by a radar-based level measuring device 1. Depending on the type of filling material 2 and the area of application, the container 3 can be up to 100 m high. The type of filling material 2 and the area of application also determines the optimal frequency band f 1,2,3 in which the level measuring device 1 determines the fill level L: In the case of a coarse-grained filling material 2 and correspondingly diffuse reflection, a comparatively low frequency band f 1,2,3 at, for example, 6 GHz is generally suitable. Low frequency bands are also more suitable for foaming filling materials 2, since in this case the foam does not have a reflective effect. In the case of a refinery tank as the container 3, the highest possible frequency band f 1,2,3 is advantageous due to the flat filling material surface, since this essentially allows for a potentially higher distance resolution.

In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine separate Schnittstellen-Einheit, in der etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ implementiert ist, mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden. Hierüber kann der gemessene Füllstandswert L bzw. der reine Abstandswert d übermittelt werden, beispielsweise um Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Zur Ermittlung des Füllstandes L ist das Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in einer bekannten Einbauhöhe h über der Sole des Behälters 3 angebracht. Dabei ist das Füllstandsmessgerät 1 derart Druck- und Mediendicht an einer entsprechenden Öffnung des Behälters 3 befestigt und ausgerichtet, dass lediglich eine elektrisch passive Sende-/Empfangs-Struktur 13 des Füllstandsmessgerätes 1 in den Behälter 3 hinein vertikal nach unten in Richtung Füllgut 2 gerichtet ist. Die Sende-/Empfangs-Struktur 13 kann beispielweise auf einer fokussierenden Radar-Linse basieren, wie in 1 angedeutet ist. Prinzipiell möglich ist auch, als Sende-/Empfangs-Struktur eine Antenne, wie beispielsweise eine Hornantenne, einzusetzen. Die aktiven Komponenten 10, 11, 12 des Füllstandsmessgerätes 1 befinden sich außerhalb des Behälters 3 in einem separaten Gehäuse, das beispielsweise über einen Flansch an der Öffnung des Behälters 3 befestigt ist.As a rule, the level measuring device 1 is connected to a higher-level unit 4, such as a local process control system or a decentralized server system, via a separate interface unit in which, for example, "4-20 mA", "PROFIBUS", "HART", or "Ethernet" is implemented. The measured level value L or the pure distance value d can be transmitted via this, for example to control inflows or outflows of the container 3. However, other information about the general operating status of the level measuring device 1 can also be communicated. To determine the level L, the level measuring device 1 is mounted above the filling material 2 at a known installation height h above the brine of the container 3. The level measuring device 1 is mounted in such a way that it is pressure- and media-tight at a suitable corresponding opening of the container 3 and aligned so that only an electrically passive transmitting/receiving structure 13 of the level measuring device 1 is directed vertically downwards into the container 3 in the direction of the filling material 2. The transmitting/receiving structure 13 can, for example, be based on a focusing radar lens, as in 1 is indicated. In principle, it is also possible to use an antenna, such as a horn antenna, as the transmit/receive structure. The active components 10, 11, 12 of the level measuring device 1 are located outside the container 3 in a separate housing, which is attached, for example, to the opening of the container 3 via a flange.

Über die Sende-/Empfangs-Struktur 13 werden innerhalb vordefinierter Frequenzbänder Radar-Signale SHF1,2,3 in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 ausgesendet. Nach Reflexion der Radar-Signale SHF1,2,3 an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Empfangs-Signale RHF1,2,3 wiederum über die Sende-/Empfangs-Struktur 13. Dabei ist die Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals S, RHF1,2,3 gemäß t = 2 d c proportional zur Entfernung d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und dem Füllgut 2, wobei c die medienabhängige und in der Regel zumindest grob bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit des jeweiligen Radar-Signals S, RHF1,2,3 darstellt. Die Signallaufzeit t kann vom Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise mittels des FMCW- oder mittels des Pulslaufzeit-Verfahrens bestimmt werden. Im Falle von FMCW repräsentiert die Frequenz fZF1,2,3 desjenigen Zwischenfrequenz-Signals ZF1,2,3, das jeweils nach Empfang und Mischen des Radar-Signals S, RHF1,2,3 erhalten wird, gemäß t = f Z F 1,2,3 f ' 1,2,3 die Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang. Bei f'1,2,3 handelt es sich um die jeweils voreingestellte und dementsprechend bekannte Frequenzänderungsrate des ausgesandten Radar-Signals SHF1,2,3. Dabei kann die Frequenz fZF1,2,3 des Zwischenfrequenz-Signals ZF1,2,3 beispielsweise durch dessen Fouriertransformation ermittelt werden. Dadurch kann das Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise auf Basis einer entsprechenden Kalibration die gemessene Laufzeit t der jeweiligen Entfernung d zuordnen. Hierüber kann das Füllstandsmessgerät 1 gemäß d = h L wiederum den Füllstand L bestimmen, sofern die Einbauhöhe h im Füllstandsmessgerät 1 bzw. in der übergeordneten Einheit 4 hinterlegt wird.Radar signals S HF1,2,3 are transmitted within predefined frequency bands towards the surface of the filling material 2 via the transmitting/receiving structure 13. After reflection of the radar signals S HF1,2,3 at the filling material surface, the level measuring device 1 receives the reflected reception signals R HF1,2,3 again via the transmitting/receiving structure 13. The signal propagation time t between transmission and reception of the respective radar signal S, R HF1,2,3 is according to t = 2 d c proportional to the distance d between the level measuring device 1 and the filling material 2, where c represents the media-dependent and usually at least roughly known propagation speed of the respective radar signal S, R HF1,2,3 . The signal propagation time t can be determined by the level measuring device 1, for example, using the FMCW or the pulse propagation time method. In the case of FMCW, the frequency f ZF1,2,3 represents the intermediate frequency signal ZF 1,2,3 , which is obtained after receiving and mixing the radar signal S, R HF1,2,3 , according to t = f Z F 1,2,3 f ' 1,2,3 the signal propagation time t between transmission and reception. f' 1,2,3 is the respective preset and accordingly known frequency change rate of the transmitted radar signal S HF1,2,3 . The frequency f ZF1,2,3 of the intermediate frequency signal ZF 1,2,3 can be determined, for example, by its Fourier transformation. This allows the level measuring device 1 to assign the measured propagation time t to the respective distance d, for example based on a corresponding calibration. The level measuring device 1 can then, according to d = h L in turn determine the fill level L, provided that the installation height h is stored in the level measuring device 1 or in the higher-level unit 4.

Zur Bestimmung der Signallaufzeit t bzw. des korrespondierenden Füllstandswertes L anhand des niederfrequenten Zwischenfrequenz-Signals ZF1,2,3 umfasst das Füllstandsmessgerät 1 eine entsprechend ausgelegte Auswerte-Einheit, in welcher das FMCW- oder Pulslaufzeit-Messprinzip implementiert ist. Zur Erzeugung des jeweils auszusendenden Radar-Signals SHF1,2,3 und zur Erstellung des entsprechenden Zwischenfrequenz-Signals ZF1,2,3 dient im Füllstandsmessgerät 1 jeweils eine Hochfrequenz-Einheit 10, 11, 12. Dabei kann die entsprechende Hochfrequenz-Einheit 10, 11, 12 für den Fall, dass das FMCW-Verfahren implementiert ist, sendeseitig beispielsweise jeweils eine entsprechend ausgelegte, phasengesteuerte Regelschleife (im Englischen als „PLL bzw. Phase Locked Loop“ bekannt) umfassen. Auf Empfangsseite kommt in der Auswerte-Einheit in diesem Fall jeweils ein Mischer und eine anschließende Fouriertransformations- Logik zum Einsatz, um die zur Entfernung d korrespondierende Frequenz fZF1,2,3 des Zwischenfrequenz-Signals ZF1,2,3 zu erfassen.To determine the signal propagation time t or the corresponding fill level value L based on the low-frequency intermediate frequency signal ZF 1,2,3 , the fill level measuring device 1 comprises a correspondingly designed evaluation unit in which the FMCW or pulse propagation time measuring principle is implemented. A high-frequency unit 10, 11, 12 is used in the fill level measuring device 1 to generate the radar signal S HF1,2,3 to be transmitted and to create the corresponding intermediate frequency signal ZF 1,2,3. In this case, the corresponding high-frequency unit 10, 11, 12 can, for example, each comprise a correspondingly designed phase-locked loop (PLL) on the transmit side if the FMCW method is implemented. On the receiving side, a mixer and a subsequent Fourier transformation logic are used in the evaluation unit in this case to detect the frequency f ZF1,2,3 of the intermediate frequency signal ZF 1,2,3 corresponding to the distance d.

Wie in 1 dargestellt wird, ist die Sende-/Empfangs-Struktur 13 im Inneren des Behälters 3 angeordnet, während die Hochfrequenz-Einheiten 10, 11, 12 in einem separaten Gehäuse außerhalb des Behälters 3 angeordnet sind. Um die Hochfrequenz-Einheiten 10, 11, 12 vor etwaigen thermische Belastungen aus dem Behälter-Inneren zu schützen, bzw. um das Behälter-Innere Explosionsschutz-konform von den Hochfrequenz-Einheiten 10, 11, 12 zu trennen, ist das Gehäuse dementsprechend durch einen Gehäusehals 15 von der Sende-/Empfangs-Struktur 13 beabstandet. Hierzu ist der Gehäusehals 15 entsprechend lang ausgelegt.As in 1 As shown, the transmitting/receiving structure 13 is arranged inside the container 3, while the high-frequency units 10, 11, 12 are arranged in a separate housing outside the container 3. In order to protect the high-frequency units 10, 11, 12 from any thermal stresses from the container interior, or to separate the container interior from the high-frequency units 10, 11, 12 in accordance with explosion protection regulations, the housing is spaced from the transmitting/receiving structure 13 by a housing neck 15. For this purpose, the housing neck 15 is designed to be correspondingly long.

Die Mittenfrequenz bzw. das Frequenzband f1,2,3 des Radar-Signals SHF1,2,3 ist maßgeblich in Abhängigkeit des Einsatzgebietes bzw. insbesondere in Abhängigkeit des Typs an Füllgut 2 zu wählen: Für eine hochgenaue Füllstandsmessung, wie beispielsweise in Öl-Lagertanks ist prinzipbedingt ein möglichst hohes Frequenzband f1,2,3 vorteilhaft, während bei einer unebenen oder welligen Füllgut-Oberfläche ein möglichst bereiter Abstrahlwinkel der Sende-/Empfangs-Struktur 13 und somit eine vergleichsweise niedriges Frequenzband f1,2,3 vorteilhaft ist. Dabei handelt es sich bei dem Begriff „Abstrahlwinkel“ im Rahmen der vorliegenden Erfindung um denjenigen Raumwinkel, unter dem die Sende-/Empfangs-Struktur 13 eine definierte, gleiche Sende-Intensität bzw. Empfangs-Empfindlichkeit von bspw. -3dB aufweist.The center frequency or frequency band f 1,2,3 of the radar signal S HF1,2,3 is to be selected depending on the area of application and in particular depending on the type of filling material 2: For highly accurate level measurement, such as in oil storage tanks, a frequency band f 1,2,3 that is as high as possible is advantageous, whereas for an uneven or wavy filling material surface, the widest possible radiation angle of the transmit/receive structure 13 and thus a comparatively low frequency band f 1,2,3 is advantageous. In the context of the present invention, the term "radiation angle" refers to the solid angle under which the transmit/receive structure 13 has a defined, equal transmission intensity or reception sensitivity of, for example, -3 dB.

Um unter diesen verschiedenen Anwendungsbedingungen eingesetzt werden zu können, ist das in 1 dargestellte Füllstandsmessgerät 1 dementsprechend in der Lage, Radar-Signale SHF1, SHF2, SHF3 in drei verschiedenen Frequenzbändern f1,2,3 auszusenden, wobei sich die Frequenzbänder f1,2,3 nicht überlappen, sondern deutlich voneinander abgrenzen. Dabei kann die Wahl desjenigen Frequenzbandes f1,2,3, auf dessen Basis das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstandswert L ermittelt, entweder manuell vorgegeben werden, oder das Füllstandsmessgerät 1 wählt das passendste Frequenzband f1,2,3 selbst. Im zweiten Fall kann das Füllstandsmessgerät 1 so ausgelegt werden, dass es in Abhängigkeit bestimmter Parameter, wie beispielsweise einer etwaigen Änderungsrate des Füllstandswertes L, das zugrundeliegende Frequenzband f1,2,3 selbstständig auswählt. Beschrieben ist dies auch in der Veröffentlichungsschrift DE 10 2021 131 690 A1 .In order to be able to use it under these different application conditions, the 1 The level measuring device 1 shown is accordingly capable of transmitting radar signals S HF1 , S HF2 , S HF3 in three different frequency bands f 1,2,3 , whereby the frequency bands f 1,2,3 do not overlap, but are clearly separated from each other. The choice of the frequency band f 1,2,3 on the basis of which the level measuring device 1 determines the level value L can either be specified manually, or the level measuring device 1 selects the most suitable frequency band f 1,2,3 itself. In the second case, the level measuring device 1 can be designed in such a way that it independently selects the underlying frequency band f 1,2,3 depending on certain parameters, such as a possible rate of change of the level value L. This is also described in the publication DE 10 2021 131 690 A1 .

Wie in der Detailansicht von 2 dargestellt ist, umfasst das Füllstandsmessgerät 1 hierzu drei separate Hochfrequenz-Einheiten 10, 11, 12 die ausgelegt sind, um innerhalb des jeweiligen Frequenzbandes f1,2,3 entsprechende Radar-Signale SHF1,2,3 zu erzeugen und nach Reflexion die jeweils korrespondierenden Empfangs-Signale RHF1,2,3 zu empfangen bzw. zu verarbeiten. Dabei arbeitet die erste Hochfrequenz-Einheit 10 in der illustrierten Ausführungsvariante bspw. bei einer Mittenfrequenz von 180 GHz bzw. in einem entsprechenden, ersten Frequenzband f1. Das zweite Frequenzband f2, in dem das zweite Radar-Signal SHF,2 durch die zweite Hochfrequenz-Einheit 11 generiert wird, liegt beispielsweise bei einer Mittenfrequenz von 80 GHz. Die dritte Hochfrequenz-Einheit 12 erzeugt im niedrigsten der drei Frequenzbänder f1,2,3 das entsprechende dritte Radar-Signal SHF3 mit einer Mittenfrequenz von 26 GHz.As shown in the detailed view of 2 As shown, the level measuring device 1 comprises three separate high-frequency units 10, 11, 12 which are designed to generate corresponding radar signals S HF1,2,3 within the respective frequency band f 1,2,3 and to receive or process the corresponding received signals R HF1,2,3 after reflection. The first high-frequency unit 10 in the illustrated embodiment operates, for example, at a center frequency of 180 GHz or in a corresponding first frequency band f 1 . The second frequency band f 2 , in which the second radar signal S HF,2 is generated by the second high-frequency unit 11, is, for example, at a center frequency of 80 GHz. The third high-frequency unit 12 generates the corresponding third radar signal S HF3 with a center frequency of 26 GHz in the lowest of the three frequency bands f 1,2,3 .

Alle drei Frequenzbänder f1,2,3 bzw. die zugrundeliegenden Radar-Signale S, RHF1,2,3 werden über dieselbe Sende-/Empfangs-Struktur 13 ausgesendet und empfangen. Hierzu sind bei der in 2 gezeigten Variante des Füllstandsmessgerätes 1 die drei Hochfrequenz-Einheiten 10, 11, 12 auf einem gemeinsamen Leiterplattensubstrat 16 angeordnet. Dabei muss zur Transmission der Radar-Signale S, RHF1,2,3 zwischen dem Leiterplattensubstrat 16 und der Sende-/Empfangs-Struktur 13 die Länge des Gehäusehalses 15 überwunden werden. Dafür umfasst das Füllstandsmessgerät 1 einen dielektrischen Wellenleiter 14, der innerhalb des Gehäusehalses 1 zwischen dem Leiterplattensubstrat 16 und der Sende-/Empfangs-Struktur 13 angeordnet ist. Zur Transmission der Radar-Signale S, RHF1,2,3 hierzwischen ist ein erster Endbereich 140 der Wellenleiters 14 signaltechnisch entsprechend mit dem Leiterplattensubstrat 16 bzw. den entsprechenden Hochfrequenz-Pfaden verbunden. Der in Bezug zur Leiter-Achse x gegenüberliegende, zweite Endbereich 141 des dielektrischen Wellenleiters 14 ist an die Sende-/Empfangs-Struktur 13 gekoppelt. Diese ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als fokussierende Radar-Linse ausgelegt.All three frequency bands f 1, 2, 3 or the underlying radar signals S, R HF1, 2, 3 are transmitted and received via the same transmit/receive structure 13. For this purpose, 2 In the variant of the level measuring device 1 shown, the three high-frequency units 10, 11, 12 are arranged on a common printed circuit board substrate 16. For the transmission of the radar signals S, R HF1, 2 , 3 between the printed circuit board substrate 16 and the transmit/receive structure 13, the length of the housing neck 15 must be overcome. For this purpose, the level measuring device 1 comprises a dielectric waveguide 14, which is arranged within the housing neck 1 between the printed circuit board substrate 16 and the transmit/receive structure 13. For the transmission of the radar signals S, R HF1, 2, 3 between them, a first end region 140 of the waveguide 14 is connected in a signal-related manner to the printed circuit board substrate 16 or the corresponding high-frequency paths. The second end region 141 of the dielectric waveguide 14, opposite the guide axis x, is coupled to the transmit/receive structure 13. In the illustrated embodiment, this is designed as a focusing radar lens.

Um die Radar-Signale S, RHF1,2,3 aller drei Frequenzbänder f1,2,3 mit möglichst geringen Verlusten leiten zu können, weist der Wellenleiter 14 eine erfindungsgemäße Struktur auf, die aus 3 näher hervorgeht: Demnach unterteilt sich der Querschnitt des Wellenleiters 14 in drei Segmente 142, 143, 144. Dabei verläuft der Querschnitt jeweils orthogonal zur Leiter-Achse x zwischen den Endbereichen 140, 141.In order to be able to guide the radar signals S, R HF1,2,3 of all three frequency bands f 1,2,3 with the lowest possible losses, the waveguide 14 has a structure according to the invention, which consists of 3 This shows in more detail: The cross-section of the waveguide 14 is divided into three segments 142, 143, 144. The cross-section runs orthogonally to the conductor axis x between the end regions 140, 141.

Alle drei Segmente 142, 143, 144 des Querschnittes weisen im gezeigten Ausführung eine rechteckige Form auf, wobei sich das erste Segment 142 zentrisch innerhalb des zweiten Segmentes 143 befindet. Das zweite Segment 143 wird wiederum vom dritten Segment 144 koaxial umschlossen. Dabei ist das erste Segment 142 aus einem Material mit einem ersten Dielektrizitätswert gefertigt, der höher als der zweite Dielektrizitätswert desjenigen Materials ist, aus dem das zweite Segment 143 besteht. Das dritte Segment 144 ist wiederum auf Basis eines Materials gefertigt, das eine dritten Dielektrizitätswert aufweist, der niedriger als der erste und zweite Dielektrizitätswert ist. Hierdurch ergibt sich in Bezug zum Querschnitt des Wellenleiters 14 ein treppenstufenartiger Gradient des Dielektrizitätswertes nach außen.In the embodiment shown, all three segments 142, 143, 144 of the cross-section have a rectangular shape, with the first segment 142 located centrally within the second segment 143. The second segment 143 is in turn coaxially enclosed by the third segment 144. The first segment 142 is made of a material with a first dielectric value that is higher than the second dielectric value of the material from which the second segment 143 is made. The third segment 144 is in turn made of a material that has a third dielectric value that is lower than the first and second dielectric values. This results in a stair-step-like gradient of the dielectric value outwards in relation to the cross-section of the waveguide 14.

Wie aus 3 hervorgeht, grenzen die einzelnen Segmente 142, 143, 144 spaltfrei aneinander. Fertigungstechnisch realisieren lässt sich dies beispielsweise mittels segmentweisem Gießen der jeweiligen Materialien. Durch den treppenstufenförmigen Dielektrizitätswert-Gradienten nach außen und den spaltfreien Übergang zwischen den Segmenten 142, 143, 144 ergibt sich erfindungsgemäß, dass das Radar-Signal R, SHF,3 des tiefsten Frequenzbandes f3 über den gesamten Querschnitt des Wellenleiters 14 propagiert, während das Radar-Signal R, SHF,2 des mittleren Frequenzbandes f2 lediglich durch das innere, erste Segment 142 und das mittlere, zweite Segment 143 propagiert. Das Radar-Signal R, SHF,1 des ersten, höchsten Frequenzbandes f1 beschränkt sich diesbezüglich auf das innere, erste Segment 142. Um diesen erfindungsgemäßen Effekt zu erreichen, sind die Kantenlängen der jeweils längsten Kante r der einzelnen Segmente 142, 143, 144 gemäß f 1,2,3 c 2 r 142,143,144 auf das jeweilige Frequenzband f1,2,3 abzustimmen, um über alle Frequenzbänder f1,2,3 eine maximale Transmission im Wellenleiter 14 zu erhalten. Im Gegensatz zu der in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsvariante ist es natürlich auch denkbar, dass der Wellenleiter 14 keine geradlinige, sondern je nach Bedarf eine entsprechend gekrümmte Leiter-Achse x aufweist.As from 3 As can be seen, the individual segments 142, 143, 144 adjoin one another without a gap. In terms of manufacturing technology, this can be realized, for example, by casting the respective materials segment by segment. Due to the step-like dielectric value gradient towards the outside and the gap-free transition between the segments 142, 143, 144, the radar signal R, S HF,3 of the lowest frequency band f 3 propagates over the entire cross-section of the waveguide 14, while the radar signal R, S HF,2 of the middle frequency band f 2 propagates only through the inner, first segment 142 and the middle, second segment 143. The radar signal R, S HF,1 of the first, highest frequency band f 1 is limited in this respect to the inner, first segment 142. In order to achieve this inventive effect, the edge lengths of the respective longest edge r of the individual segments 142, 143, 144 are according to f 1,2,3 c 2 r 142,143,144 to the respective frequency band f 1,2,3 in order to achieve a maximum Transmission in the waveguide 14. In contrast to the 1 until 3 In the embodiment shown, it is of course also conceivable that the waveguide 14 does not have a straight line, but rather a curved line axis x as required.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
FüllstandsmessgerätLevel measuring device
22
FüllgutFilling material
33
Behältercontainer
44
Übergeordnete EinheitSuperior unit
1010
Erste Hochfrequenz-EinheitFirst high-frequency unit
1111
Zweite Hochfrequenz-EinheitSecond high-frequency unit
1212
Dritte Hochfrequenz-EinheitThird high-frequency unit
1313
Sende-/Empfangs-StrukturSend/receive structure
1414
Dielektrischer WellenleiterDielectric waveguide
1515
GehäusehalsCase neck
1616
Leiterplattecircuit board
140140
Erster Endbereich des WellenleitersFirst end region of the waveguide
141141
Zweiter Endbereich des WellenleitersSecond end region of the waveguide
142142
Erstes Segment des Wellenleiter-QuerschnittesFirst segment of the waveguide cross-section
143143
Zweites Segment des Wellenleiter-QuerschnittesSecond segment of the waveguide cross-section
144144
Drittes Segment des Wellenleiter-QuerschnittesThird segment of the waveguide cross-section
dd
Entfernungdistance
f1,2,3f1,2,3
FrequenzbänderFrequency bands
hh
EinbauhöheInstallation height
LL
FüllstandFill level
RHF1,2,3RHF1,2,3
Empfangs-SignaleReception signals
rr
Kantenlänge bzw. Radius des Hohlleiter-QuerschnittesEdge length or radius of the waveguide cross-section
SHF1,2,3SHF1,2,3
Radar-SignaleRadar signals
xx
Leiter-AchseLadder axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2023099269 A1 [0006]WO 2023099269 A1 [0006]
  • DE 10 2021 131 690 A1 [0027]DE 10 2021 131 690 A1 [0027]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Radar Level Detection, Peter Devine, 2000 [0003]Radar Level Detection, Peter Devine, 2000 [0003]

Claims (11)

Dielektrischer Wellenleiter (14), mittels welchem Radar-Signale (S,RHF1,2,3) entlang einer Leiter-Achse (x) führbar sind, umfassend: - Einen ersten Endbereich (140), in welchen die Radar-Signale (S,RHF1,2,3) ein bzw. auskoppelbar sind, - einen zweiten Endbereich (141) zur Ein- und Auskopplung der Radar-Signale (S,RHF1,2,3), welcher dem ersten Endbereich in Bezug zur Leiter-Achse (x) gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (14) entlang der Leiter-Achse (x) einen Querschnitt aufweist, über den sich der Dielektrizitätswert verändert.Dielectric waveguide (14) by means of which radar signals (S,R HF1,2,3 ) can be guided along a guide axis (x), comprising: - a first end region (140) into which the radar signals (S,R HF1,2,3 ) can be coupled in or out, - a second end region (141) for coupling in and out of the radar signals (S,R HF1,2,3 ), which second end region is opposite the first end region in relation to the guide axis (x), characterized in that the waveguide (14) has a cross-section along the guide axis (x) over which the dielectric value changes. Wellenleiter (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt in zumindest - ein erstes Segment (142) mit einem ersten Dielektrizitätswert und - ein zweites Segment (143) mit einem zweiten Dielektrizitätswert gliedert.Waveguide (14) according to Claim 1 , characterized in that the cross section is divided into at least - a first segment (142) with a first dielectric value and - a second segment (143) with a second dielectric value. Wellenleiter (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Segment (143) insbesondere koaxial um das erste Segment (141) herum ausgebildet ist.Waveguide (14) according to Claim 2 , characterized in that the second segment (143) is formed in particular coaxially around the first segment (141). Wellenleiter (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dielektrizitätswert höher als der zweite Dielektrizitätswert ist.Waveguide (14) according to Claim 3 , characterized in that the first dielectric value is higher than the second dielectric value. Wellenleiter (14) nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (142, 143, 144) eine rechteckige, elliptische oder eine runde Form aufweisen.Waveguide (14) according to Claim 2 until 4 , characterized in that the segments (142, 143, 144) have a rectangular, elliptical or round shape. Wellenleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (142, 143, 144) aus jeweils verschiedenen Materialien mit verschiedenen Dielektrizitätswerten gefertigt sind.Waveguide according to one of the Claims 2 until 5 , characterized in that the segments (142, 143, 144) are each made of different materials with different dielectric values. Wellenleiter nach zumindest einem der Ansprüche 1-5, der aus einem monolithischen Material gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material über den Querschnitt eine derart unterschiedliche Porosität aufweist, so dass sich der Dielektrizitätswert über den Querschnitt verändert.Waveguide according to at least one of the Claims 1 - 5 which is made of a monolithic material, characterized in that the material has a porosity that varies over the cross-section so that the dielectric value varies over the cross-section. Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Bestimmung zumindest eines Füllstandswertes (L1,2,3) eines Füllgutes (2), folgende Komponenten umfassend: - Eine erste Hochfrequenz-Einheit (10), die ausgelegt ist, um innerhalb eines ersten Frequenzbandes (f1) ein erstes Radar-Signal (SHF1) zu erzeugen und ein entsprechendes, erstes Empfangs-Signal (RHF1) zu empfangen, - eine zweite Hochfrequenz-Einheit (11), die ausgelegt ist, um innerhalb eines zweiten Frequenzbandes (f2) ein zweites Radar-Signal (SHF2) zu erzeugen und ein entsprechendes, zweites Empfangs-Signal (RHF2) zu empfangen, wobei das zweite Frequenzband (f2) niedriger als das erste Frequenzband (f1) ist, - eine Sende-/Empfangs-Struktur (13), über welche die Radar-Signale (SHF1,2,3) der Hochfrequenz-Einheiten (11, 12) gen Füllgut (2) aussendbar und nach Reflexion an der Füllgut-Oberfläche als entsprechende Empfangs-Signale (RHF1,2,3) empfangbar sind, - einen Wellenleiter (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zur Führung der Radar-Signale (S,RHF1,2,3) über den ersten Endbereich (140) mit den Hochfrequenz-Einheiten (11, 12) und über den zweiten Endbereich mit der Sende-/Empfangs-Struktur (13) verbunden ist, und - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, anhand zumindest einer der Empfangs-Signale (RHF1,2,3) einen Füllstandswert (L1) zu bestimmen. Radar-based level measuring device for determining at least one level value (L 1, 2, 3 ) of a filling material (2), comprising the following components: - a first high-frequency unit (10) which is designed to generate a first radar signal (S HF1 ) within a first frequency band (f 1 ) and to receive a corresponding first received signal (R HF1 ), - a second high-frequency unit (11) which is designed to generate a second radar signal (S HF2 ) within a second frequency band (f 2 ) and to receive a corresponding second received signal (R HF2 ), wherein the second frequency band (f 2 ) is lower than the first frequency band (f 1 ), - a transmitting/receiving structure (13) via which the radar signals (S HF1, 2 , 3 ) of the high-frequency units (11, 12) are transmitted to the filling material (2) can be emitted and, after reflection at the filling material surface, can be received as corresponding received signals (R HF1,2,3 ), - a waveguide (14) according to one of the preceding claims, which is connected to the high-frequency units (11, 12) via the first end region (140) and to the transmitting/receiving structure (13) via the second end region in order to guide the radar signals (S, R HF1,2,3 ), and - an evaluation unit which is designed to determine a filling level value (L 1 ) based on at least one of the received signals (R HF1,2,3 ). Füllstandsmessgerät nach Anspruch 8, umfassend: - Einen Gehäusehals (15), in dem der Wellenleiter (14) verläuft, so dass die Sende-/Empfangs-Struktur (13) von den Hochfrequenz-Einheiten (11, 12) beabstandet ist.Level measuring device according to Claim 8 , comprising: - a housing neck (15) in which the waveguide (14) runs, so that the transmitting/receiving structure (13) is spaced from the radio frequency units (11, 12). Füllstandsmessgerät nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Sende-/Empfangs-Struktur (13) als fokussierende Radar-Linse ausgelegt ist.Level measuring device according to Claim 8 or 9 , wherein the transmitting/receiving structure (13) is designed as a focusing radar lens. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Sende-/Empfangs-Struktur (13) gemäß einem der Ansprüche 5-7 ausgelegt ist, und wobei die Abmessungen des ersten Segmentes (142) im Falle einer kreisförmigen Querschnittsform insbesondere gemäß f 1 1.84 c 2 π r 142 bzw. im Falle einer rechteckigen Querschnittsform gemäß f 1 c 2 r 142 auf das hohe, erste Frequenzband (f1) ausgelegt ist, und/oder wobei die Abmessungen des zweiten Segmentes (143) im Falle einer kreisförmigen Querschnittsform insbesondere gemäß f 2 1.84 c 2 π r 143 bzw. im Falle einer rechteckigen Querschnittsform gemäß f 2 c 2 r 143 auf das zweite, tiefere Frequenzband (f2) ausgelegt ist.Level measuring device according to one of the Claims 8 until 10 , wherein the transmitting/receiving structure (13) is designed according to one of the Claims 5 - 7 and wherein the dimensions of the first segment (142) in the case of a circular cross-sectional shape are in particular according to f 1 1.84 c 2 π r 142 or in the case of a rectangular cross-sectional shape according to f 1 c 2 r 142 is designed for the high, first frequency band (f 1 ), and/or wherein the dimensions of the second segment (143) in the case of a circular cross-sectional shape are in particular according to f 2 1.84 c 2 π r 143 or in the case of a rectangular cross-sectional shape according to f 2 c 2 r 143 designed for the second, lower frequency band (f 2 ).
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