DE102024103670A1 - Level measuring device - Google Patents
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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 „
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
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.
- - 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.
- - 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:
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.
- - 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.
-
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
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
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
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
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
Wie in der Detailansicht von
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
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
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
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]
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| DE102024103670.2A DE102024103670A1 (en) | 2024-02-09 | 2024-02-09 | Level measuring device |
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160240907A1 (en) * | 2015-02-12 | 2016-08-18 | Texas Instruments Incorporated | Dielectric Waveguide Radar Signal Distribution |
| DE102016105647A1 (en) * | 2016-03-28 | 2017-09-28 | Krohne Messtechnik Gmbh | Guide element for an antenna and method for producing such a guide element |
| DE102017112894A1 (en) * | 2017-06-12 | 2018-12-13 | Silicon Radar GmbH | High-frequency component, in particular for radar applications |
| DE102018117166A1 (en) * | 2018-07-16 | 2020-01-16 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Radio-frequency module |
| DE102018213435A1 (en) * | 2018-08-09 | 2020-02-13 | Vega Grieshaber Kg | Multi-band radar antenna system |
| US20230411817A1 (en) * | 2022-06-20 | 2023-12-21 | Vega Grieshaber Kg | Waveguide with two waveguide sections |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008020036B4 (en) * | 2008-04-21 | 2010-04-01 | Krohne Meßtechnik GmbH & Co KG | Dielectric antenna |
| DE102011112045A1 (en) * | 2011-09-01 | 2013-03-07 | Krohne Messtechnik Gmbh | Microwave transmitter with potting |
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-
2024
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-
2025
- 2025-01-16 WO PCT/EP2025/050975 patent/WO2025168310A1/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160240907A1 (en) * | 2015-02-12 | 2016-08-18 | Texas Instruments Incorporated | Dielectric Waveguide Radar Signal Distribution |
| DE102016105647A1 (en) * | 2016-03-28 | 2017-09-28 | Krohne Messtechnik Gmbh | Guide element for an antenna and method for producing such a guide element |
| DE102017112894A1 (en) * | 2017-06-12 | 2018-12-13 | Silicon Radar GmbH | High-frequency component, in particular for radar applications |
| DE102018117166A1 (en) * | 2018-07-16 | 2020-01-16 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Radio-frequency module |
| DE102018213435A1 (en) * | 2018-08-09 | 2020-02-13 | Vega Grieshaber Kg | Multi-band radar antenna system |
| US20230411817A1 (en) * | 2022-06-20 | 2023-12-21 | Vega Grieshaber Kg | Waveguide with two waveguide sections |
Also Published As
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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