DE10392903T5

DE10392903T5 - Schaltung für Mehrfrequenzbereichsradar-Füllstandsmeßgerät

Info

Publication number: DE10392903T5
Application number: DE10392903T
Authority: DE
Inventors: Anders Jirskog
Original assignee: Saab Rosemount Tank Radar AB
Current assignee: Rosemount Tank Radar AB
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2005-08-11
Also published as: US20060012512A1; AU2003281416A1; US7053630B2; WO2004005960A1; US7589664B2; WO2004005959A1; DE10392902T5; AU2003247299A1; US20040080324A1

Abstract

Schaltung für ein Radar-Füllstandsmessgerät zum Messen des Füllstands der Oberfläche (6) eines Produkts (2), das in einem Behälter (1) aufbewahrt wird, wobei das Füllstandsmessgerät ein Radar (3) zum Senden von Mikrowellensignalen von einer Mehrbandantenneneinheit (5) auf die Oberfläche (6) zum Empfangen von Mikrowellensignalen, die von der Oberfläche reflektiert wurden, durch dieselbe Antenneneinheit und zum Ermitteln des Füllstands auf Grundlage einer Bewertung der Zeit beinhaltet, die zwischen den empfangenen und gesendeten Signalen verstrichen ist, und das Radar (3) auf mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeitet, wobei die Schaltung beinhaltet
ein erstes Mikrowellen-Bereitstellungs-Mittel zum Bereitstellen eines Mikrowellensignals eines ersten Frequenzbereichs, der eine erste Mittenfrequenz aufweist,
ein zweites Mikrowellen-Bereitstellungs-Mittel zum Bereitstellen eines Mikrowellensignals eines zweiten Frequenzbereichs, der eine zweite Mittenfrequenz aufweist, wobei das Verhältnis zwischen der zweiten und der ersten Mittenfrequenz mit mindestens größer als 1,5:1 und vorzugsweise größer als 2:1 quantifiziert wird, und
Schalter, die mittels eines Steuersignals zum Umschalten...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft die Füllstandsmessung in industriellen Prozessen, wobei die Erfindung zur Messung eines Produktfüllstands mithilfe eines Mikrowellen-Füllstandsmessgeräts in einem Aufbewahrungstank der Art verwendet wird, der in industriellen Anwendungen verwendet wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltung zum Bereitstellen des Radar-Füllstandsmessgeräts mit Mikrowellen, die optional in mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten, und ein Verfahren zur Erzeugung der unterschiedlichen Mikrowellen-Frequenzbereiche.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK UND VERWANDTE TECHNIK
Das Messen des Füllstands der Oberfläche eines Produkts, das in einem Tank aufbewahrt wird, mittels eines Radar-Füllstandsmessgeräts ist auf dem Fachgebiet bekannt. Derartige Geräte sind in einer Reihe von Dokumenten beschrieben. Als ein Beispiel für ein solches Dokument wird hier auf das Patentdokument U.S. 4 665 403 verwiesen.
Radar-Füllstandsmessgeräte zur Verwendung beispielsweise innerhalb der verarbeitenden Industrie müssen unter sehr unterschiedlichen Bedingungen funktionieren können. Bei dem aufbewahrten Produkt kann es sich um eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte handeln, wie z.B. um Mineralölverarbeitungsprodukte, Flüssiggase und andere chemische Verbindungen. Dies bringt es mit sich, dass solche Parameter wie Temperatur und Druck stark schwankende Werte zeigen können. Auch sind innerhalb des Tanks störende Strukturen vorhanden. Solche sind beispielsweise Geräte wie Rührwerke, Schaum usw., wodurch das Messen sich als schwieriger erweist und fehlschlagen kann.
Daraus sind drei technische Probleme zu erkennen: 1. erzeugen verschiedene Strukturen innerhalb des Tanks störende Radarechos, 2. ist es wünschenswert, über eine Antenne zu verfügen, die einen schmalen Antennenstrahl erzeugt (unter anderem, um störende Echos zu unterdrücken), 3. können verschiedene Ausbreitungseinflüsse (Verschmutzung auf der Antenne, Schaum auf der Oberfläche eines flüssigen Produkts usw.) das wünschenswerte Echo erheblich reduzieren, im schlimmsten Fall sogar die störenden Echos belassen. Diese Probleme sind in der Geschichte des Radars teilweise bekannt (siehe zum Beispiel Merill I Skolniks drei Bücher "Radar Systems" (Radarsysteme), 1962, "Radar Hbk" (Radar-Handbuch), 1970 und "Radar-Hbk" (Radar-Handbuch) 1990, sämtlich bei McGraw Hill). Typischerweise werden niedrige Radarfrequenzen (bis 3 GHz) für Fernüberwachungssysteme (100 km und mehr) benutzt, während hohe Radarfrequenzen (10 GHz und darüber), bei denen Regen usw. den Messbereich einschränken kann, für Präzisionsnavigation, Feuerkontrolle usw. auf eher kürzere Entfernungen (einige km) verwendet werden.
In Verbindung mit Füllstandsmessungen in Tanks kann es eine nennenswerte Zahl störender Echos geben. Störende Echos von der Umgebung, sei es, dass sie von Strukturen in einem Tank oder, im Bereich der Flugverkehrskontrolle, von Bodenechos stammen, die sich einem Echo von einem Luftfahrzeug überlagern, schränken die Fähigkeit ein, das erwünschte Echo unter den vielen unerwünschten zu erkennen oder zu messen. Eine Standardlösung zur Verminderung des Einflusses derart unerwünschter Überlagerungen besteht beispielsweise für ein Impulsradar darin, die Sendefrequenz innerhalb eines Frequenzbereichs von wenigen 100 MHz bis über 1 GHz umherspringen zu lassen. Die Verwendung dieser kleinen Frequenzsprünge innerhalb eines Radar-Frequenzbereichs wird nor malerweise „Frequenzagilität" genannt (siehe Kapitel 9.7 in Skolniks "Radar Hbk", 1990 oder DK Bartons Buch "Frequency agility and diversity" (Frequenzagilität und -diversität), Artech House, 1977). Mehrere Frequenzen werden auch in CW-Radarsystemen sowohl in Form eines frequenzmodulierten CW-Radars (FMCW-Radar, verwendet einen Bereich von Frequenzen) als auch eines Mehrfrequenz-CW-Radars verwendet (MFCW, beschrieben zum Beispiel in Skolniks Buch "Radar Systems", 1962). MFCW-Radar wurde auch für die Flüssigkeits-Füllstandsmessung beschrieben („Microwave surface level monitor", Mikrowellen-Oberflächenfüllstandsüberwachung, von Stanley Stuchley, IEEE trans. on industrial electronics, August 1971 und in Patentdokument NO 831198). Ein Frequenzagilitäts-Impulsradar zur Füllstandsmessung wird im offengelegten Patentdokument US 2002/0020216 vorgeschlagen.
Die Situation eines Radar-Füllstandsmessgerätes, das in einem Tank verwendet wird, unterscheidet sich in vielfacher Weise von einem außen eingesetzten Radar, und die folgenden Bedingungen bedürfen besonderer Erwähnung.

A) Tankgeometrie und -struktur können viele störende Echos verursachen, weshalb normalerweise ein schmaler Strahl wünschenswert ist, andererseits aber beschränken die Anbringungsmöglichkeiten im Tank (die Größe der bereits vorhandenen Montageöffnung) im Allgemeinen den verfügbaren Raum für die Antenne, die vorzugsweise groß sein sollte, um von der Antenne einen schmalen Mikrowellenstrahl zu erhalten.
B) Ein weiterer wichtiger Faktor ist der, dass viele Flüssigkeiten oder Tankbedingungen eine Schaumschicht auf der Flüssigkeit oder eine Verschmutzungsschicht auf der Antenne erzeugen. Wegen der speziellen dielektrischen Eigenschaften von Wasser kann insbesondere feuchter Schmutz zu verheerenden Beschränkungen der Ausbreitung bereits bei wenigen Zehntelmillimetern feuchten Schmutzes oder einer Schaumschicht mit entsprechendem Wassergehalt führen.
C) Die für die Füllstandsmessung verwendeten Frequenzbereiche liegen vorübergehend um 6 GHz (im Zusammenhang mit dem ISM-Frequenzbereich bei 5,8 GHz, ISM = Industry, Science and Medicine, Industrie, Wissenschaft und Medizin), um 10 GHz und um 25 GHz (im Zusammenhang mit dem ISM-Frequenzbereich bei 24,5 GHz). Nahezu alle Radar-Füllstandsmessgeräte werden in geschlossenen metallischen Tanks und mit geringer Leistung betrieben, sodass die Streuung elektromagnetischer Leistung trotz der Notwendigkeit einer, verglichen mit zum Beispiel der Breite der ISM-Bänder, ziemlich großen Bandbreite im Rahmen der gültigen Vorschriften gehalten werden kann.
D) Typisch für ein Radar-Füllstandsmessgerät ist ferner, dass sich die Oberfläche nicht ständig bewegt. Das Oberflächenecho kann daher mit festen Echos von Tankstrukturen gemischt sein, und eine mögliche destruktive Überlagerung auf bestimmten Frequenzen kann über lange Zeit anhalten. Bei einem Impulsradar besteht eine Möglichkeit zur Verminderung derartiger Effekte in der Verwendung mehr als einer Frequenz, ein Grund, der der Verwendung von Frequenzagilität in Standard-Radarsystemen eng verwandt ist. Als Vergleich dazu überstreicht ein FMCW-Radar einen Bereich von Frequenzen und vermeidet dadurch das genannte Problem.

Die Installationsbedingungen (wie z.B. Schaumbildungsstatus usw.) sind in vielen Fällen nicht gut bekannt, da der Tank alt sein oder möglicherweise wegen hohen Drucks oder extremer Temperaturen im Tank, giftigen Inhalts usw. nicht geöffnet werden kann.
Die breit gefächerten Notwendigkeiten haben auf dem Markt zur Schaffung einer Anzahl unterschiedlicher Radar-Füllstandsmessgeräte geführt, darunter 3 Gruppen von Massge räten, die Frequenzen um 6, 10 und 25 GHz benutzen. In allen drei Fällen wird typischerweise 10 % Bandbreite sowohl im Falle eines FMCW-Systems als auch eines Impulssystems benutzt (in welchem Fall die Bandbreite durch die Impulslänge bestimmt ist). Um den Bereich der Unterschiede zu veranschaulichen, ist die Keulenweite für denselben Antennendurchmesser bei 6 GHz im Vergleich zu 25 GHz viermal größer, während die Dämpfung durch dieselbe Schmutz- oder Schaumschicht bei 6 GHz verglichen mit 25 GHz einem viermal längeren Messabstand entspricht, dieselbe Empfindlichkeit vorausgesetzt. Bei derselben Messung beträgt der mögliche Bereich bei 6 GHz etwa das Zweifache des Bereiches bei 6 GHz, dieselbe Schmutzschicht und dieselbe Antennengröße vorausgesetzt. Ein 25-GHz-Radar-Füllstandsmessgerät ist in Fällen, die in der Praxis vorkommen, in Kombination mit Schmutz und Schaum nicht verwendbar. Die tatsächlichen Bedingungen in Fällen, die in der Praxis vorkommen, können im Voraus kaum bekannt sein, weshalb der Austausch des Messgeräts gegen eines, das eine andere Frequenz verwendet, häufig vorkommt.
Die erwähnten Probleme können durch Verwenden mehr als eines Radar-Füllstandsmessgeräts kompensiert werden, von denen jedes in einem unterschiedlichen Frequenzbereich messen kann. Eine derartige Lösung wird natürlich nicht gewünscht, da sie das System verteuert und ein Einbau in einem Tank vielfach nicht möglich ist.
Dokument US 5 659 321 zeigt ein Beispiel eines Radar-Füllstandsmesssystems, das Füllstandsmessungen auf zwei unterschiedlichen Mikrowellenfrequenzen ermöglicht. Erreicht wird dies durch die Verwendung eines Radar-Füllstandsmoduls und eines Frequenzumsetzers, der es gestattet, dasselbe Radar-Füllstandsmodul auch mit der höheren Frequenz zu benutzen. Die Wahl des Frequenzbereichs erfolgt beim Einbau des Radar-Füllstandsmessgeräts in den Tank und macht es möglich, die Radareigenschaften an die im Tank herrschenden Bedingungen anzupassen, die vom Typ des Tanks oder der Art des Materials abhängt, das im Tank aufbewahrt wird. Der Typ der Antenne wird an die gewählte Frequenz angepasst. Es ist nicht möglich, mittels des beschriebenen Systems die Frequenz kontinuierlich zu ändern oder die Frequenz in Abhängigkeit veränderlicher Bedingungen im Tank während des normalen Betriebs des Radar-Füllstandsmesssystems zu ändern.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Radar-Füllstandsmessgerät mit Zweileitungsversorgung vorgelegt, das die Merkmale des unabhängigen Geräteanspruchs aufweist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Radar-Füllstandsmessung vorgelegt, das die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs aufweist.
Die Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist einfach und vorteilhaft in einem FMCW-Radar zu benutzen. Es ist einfach, die gewünschte Frequenz abzugreifen.
Es ist möglich, Schaltungen zu benutzen, bei denen mit einer Mikrowellenquelle begonnen wird, die ein Signal niedriger Frequenz aufweist, wobei das Signal auf höhere Frequenzen umgesetzt wird. Dieses Verfahren ergibt ein niedriges Phasenrauschen, aber eine ziemlich schmale Bandbreite.
Eine andere Möglichkeit, zu mehreren Mikrowellenfrequenzen zu gelangen, ist es, mit einem hochfrequenten Mikrowellensignal zu beginnen, wobei dieses Signal in einem oder mehreren Schritten abwärts umgesetzt wird. Dieses Verfahren erzielt ein höheres Phasenrauschen, aber eine bessere Bandbreite als das erwähnte Verfahren des Umsetzens des Signals auf höhere Frequenzen.
Gemäß der Erfindung wird somit ein Radar-Füllstandsmessgerät zum Messen des Füllstands einer Oberfläche eines Produkts, das in einem Tank aufbewahrt wird, mithilfe eines Radars bereitgestellt, wobei das Radar Mikrowellen auf die Oberfläche zu sendet und Mikrowellen empfängt, die von der Oberfläche reflektiert werden, und wobei das Radar ausgeführt ist, die Mikrowellen innerhalb zweier weit voneinander getrennter Frequenzbereiche zu senden und zu empfangen. Weit voneinander getrennte Frequenzbereiche sind gewählt, um die Unterschiede in der Dämpfung durch Schaum auf der Oberfläche und die Unterschiede in der Strahlbreite oder andere Störungen zu nutzen. Das Verhältnis zwischen dem Mittenfrequenzen der beiden Frequenzbereiche kann mit mindestens größer als 1:1,5 oder vorzugsweise größer als 1:2 quantifiziert werden.
Immer noch gemäß der Erfindung ist das Radar-Füllstandsmessgerät mit einer Mehrbandantenne gekoppelt. Bei dieser Antenne kann es sich um eine beliebige Antenne handeln, die Breitband-Eigenschaften aufweist. Bevorzugte Antennen sind jene aus der Gruppe, die sich zusammensetzt aus einer Breitband-Hornantenne, einer Wendelantenne, einer Streifenleiter-Mehrbandantenne.
Ein Vorteil besteht beim Füllstandsmessgerät gemäß der Erfindung darin, dass es möglich ist, den Oberflächenfüllstand eines Produkts zu messen, indem das Umschalten zwischen unterschiedlichen Frequenzbereichen benutzt wird. Somit ist es nicht erforderlich, die Füllstandsmesseinrichtung, die in einem bestimmten Frequenzbereich arbeitet, gegen eine andere Füllstandsmesseinrichtung auszutauschen, die auf einem anderen Frequenzbereich arbeitet, der besser für die Bedingungen geeignet ist, die im Tank herrschen. Außerdem ist es möglich, die Füllstandsmessung anhand von Messungen in mehr als einem Frequenzbereich für dasselbe Produkt im Tank vorzunehmen. Dies kann durch eine automatische Umschaltung zwischen den verfügbaren Frequenzbereichen erfolgen, wonach die Ergebnisse der Messungen, die in unterschiedlichen Frequenzbereichen erfolgten, für eine Ermittlung des genauesten Wertes des Füllstandes der Oberfläche des Produktes innerhalb des Tanks verglichen und analysiert werden können.
Ein weiterer Vorteil besteht bei einem Radar-Füllstandsmessgerät gemäß dem Erfindungsaspekt darin, dass ein Signal, das vom Radar empfangen wird, mittels eines Vergleichs unterschiedlicher Spektren höherwertiger gemacht und analysiert werden kann. Durch die vorliegende Erfindung werden Beurteilungen verfügbar gemacht, welches Echo von der Oberfläche des Produkts im Tank das genaueste ist und welche Echos als Störungsechos vernachlässigt werden können.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Tanks, in dem ein Produkt aufbewahrt wird und wobei ein Radar-Füllstandsmessgerät am Dach des Tanks zur Messung des Füllstands der Oberfläche des Produkts angeordnet ist.
2 zeigt eine Ansicht einer Anordnung eines Radar-Füllstandsmessgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Beispiels eines FMCW-Radarsystems für den Betrieb in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Reihe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Unterstützung durch die beiliegenden Figuren beschrieben.
Eine Anwendung eines Radar-Füllstandsmessgeräts ist in 1 gezeigt. Ein Tank 1 dient zum Aufbewahren eines Produkts 2. Bei dem Produkt kann es sich etwa um Öl, raffinierte Produkte, Chemikalien und Flüssiggas oder um ein Material in Pulverform handeln. Ein Radar 3 ist am Dach 4 des Tanks 1 angebracht. Ein Mikrowellenstrahl wird vom Radar über eine Antenne 5 am Inneren des Tanks gesendet. Der gesendete Strahl wird von der Oberfläche 6 des Produkts reflektiert und von der Antenne 5 empfangen. Mittels eines Vergleichs und einer Beurteilung des Zeitraums zwischen gesendetem und reflektiertem Strahl in einer Mess- und Steuereinheit erfolgt in bekannter Weise eine Bestimmung des Füllstands der Produktoberfläche 6. Die Mikrowelle kann von der Antenne als frei abgestrahlter Strahl oder über einen (nicht gezeigten) Wellenleiter gesendet werden, der mit dem Produkt in Verbindung steht. Das Radar-Füllstandsmessgerät, wie in 1 gezeigt, dient lediglich als Beispiel.
Gemäß der Erfindung wird ein Füllstandsmessgerät beschrieben, das auf einer Vielzahl von Frequenzen arbeitet. Ein Beispiel eines Radar-Füllstandsmessgeräts (10) gemäß der Erfindung ist schematisch in 2 dargestellt. Das Füllstandsmessgerät der 2 setzt sich aus Bausteinen zusammen, die unten beschrieben werden.
Eine Steuereinheit 11 steuert ein HF-Modul 12. Die Steuereinheit 10 steuert somit die Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Frequenzen, auf denen das HF-Modul arbeiten kann.
Das HF-Modul 12 generiert das Mikrowellensignal zum Senden und Empfangen der Mikrowellen in den und vom Tank, wie beschrieben. Das empfangene Signal wird in ein Signal niedriger Frequenz umgewandelt, das digitalisiert und in einer Signalanalysatoreinheit 13 analysiert wird. Im Signalanalysator 13 wird das empfangene Signal auf den Frequenzen analysiert, auf denen das Füllstandsmessgerät sendet. Anhand der Analyse wird anschließend im Signalanalysator entschieden, auf welchen Frequenzen das Füllstandsmessgerät betrieben wird. Ein Steuersignal mit Angaben zur gewählten Frequenz wird vom Signalanalysator 13 zur Steuereinheit 11 gesendet, welche die Frequenzumschaltung des HF-Moduls 12 steuert. Im Signalanalysator 13 gibt es auch eine Bewertungseinheit zur Berechnung des Produktoberflächenfüllstands 6 auf herkömmliche Weise. Die unterschiedlichen Echospektren, die von den mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen empfangen werden, werden in dieser Bewertungseinheit analysiert, um den Füllstand der Oberfläche im Tank zu ermitteln und als Grundlage der Analyse zu dienen, welcher berechnete Wert der genaueste ist, wie oben beschrieben. Auf diese Analyse hin passt die Bewertungseinheit das Füllstandsmesssystem an, um nur einen der Frequenzbereiche zur Ermittlung des genauen Werts zu benutzen oder unter Verwendung eines beliebigen Mittelungsverfahrens die Werte von den mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen zu benutzen.
Die Verteilung des Mikrowellensignals zwischen dem HF-Modul 12 und der Antenne 4 wird mittels einer Übertragungsleitung 14 erreicht. Die Übertragungsleitung kann mittels eines Koaxialkabels oder durch einen Wellenleiter beliebigen Typs bereitgestellt werden. Besonders zur Verwendung als Wellenleiter geeignet ist ein Steghohlleiter, da ein derartiger Wellenleiter die Bandbreite aufweist, die in diesem Anwendungsfall benötigt wird. Ein herkömmlicher Steghohlleiter kann ohne strukturelle Änderungen nicht verwendet werden, da er zur Verwendung in einem Tank abgedichtet werden muss. Also wird in dieser Ausführungsform der Steghohlleiter an die Füllstandsmessungs-Anforderungen durch Abdichten des Wellenleiters angepasst, um Druckunterschieden zwischen der Innen- und der Außenseite einer Tankwandung zu widerstehen. Ferner können die Oberflächen des Steghohlleiters innerhalb der Tankwandung mit Oberflächenschichten versehen werden, die möglicher Verunreinigung standhalten können. Eine bevorzugte Oberflächenschicht ist poliertes PTFE, das schwierig zu benetzen ist.
Das HF-Modul zur Generierung von Mikrowellen kann gemäß einem beliebigen Radarprinzip zur Abstandsmessung betrieben werden, wie z.B. dem FMCW-Modulationsprinzip oder gemäß einem beliebigen Impulssystem. Die Generierung von Mikrowellen kann für 2 Frequenzbereiche oder für eine beliebige Zahl n von Frequenzbereichen vorgesehen werden.
Als Antenne 4 kann eine beliebige Breitbandantenne für Mikrowellen verwendet werden, aber viele herkömmliche Breitbandtyp-Antennen sind für die Benutzung in der rauen Tankumgebung mit ihren Abdichtungsanforderungen, Schmutzproblemen usw. nicht geeignet. Die Antenne muss über eine Durchführung in der Tankwandung montiert werden. Breitband-Hornantennen können in beliebiger unterschiedlicher Konstruktion verwendet werden, entweder als normale Koppelstiftzuleitungs-Hörner oder, wie erwähnt, als so genannte Steghohlleiter, die extrem große Bandbreite aufweisen. Ferner kann ein Steghohlleiter so angeordnet sein, dass er in einer oder beiden Polarisierungen arbeitet. Ein derartiges Horn kann mit dem HF-Modul 12 über einen Anschluss für den Steghohlleiter im HF-Modul verbunden werden. Dies ist ein Vorteil, da innerhalb des Wellenleiters eine gute Abdichtung für den Tank bereitgestellt werden kann. Ferner kann in dem Gehäuse für die Elektronik eine explosionsdichte Beschichtung vorgesehen werden. Eine andere Alternative besteht darin, die Hornantenne mit dem HF-Modul über eine Mikrostrip-Zuleitung oder eine TEM-Leitung beliebiger Art zu verbinden, die einer Koaxialleitung entspricht (TEM ist eine gängige Bezeichnung für alle Kabel mit zwei oder mehr Leitern ungeachtet des Querschnitts der Kabel).
Die Antenne ist eine typische und sehr kritische Komponente in einem Mehrbandradar-Füllstandsmesssystem. Neben der normalen Antennenfunktion (wie in der Antennen-Literatur beschrieben) muss sie sämtliche der folgenden drei Anforderungen erfüllen: Druckabdichtung, Versiegelung der Oberfläche, um Schmutzschichten, Kondensation usw. widerstehen zu können, und Verwendbarkeit in den zwei oder mehr Frequenzbereichen, die im vorliegenden beschriebenen System typisch sind. Ein Beispiel einer typischen Antenne für diesen Zweck ist eine Steg-Hornantenne, die (verglichen mit ihrem standardmäßigen Gegenstück) mit einer dielektrischen Abdichtung wie z. B. PTFE gefüllt und abgedichtet und in Richtung der Tankatmosphäre so gestaltet ist, dass zerstörende Kondensation vermieden wird, also mit grundsätzlich konischer Kontur, die poliert ist.
Ein weiterer Typ von Antennen, die für den Zweck verwendet werden können, ist der der Wendelantennen, da diese Antennen frequenzunabhängig sind. Eine logarithmisch-periodische Antenne oder eine Yagi-Antenne kommt ebenfalls als Kandidat in Frage, wobei die logarithmisch-periodische Antenne typischerweise mehrere Frequenzbereiche abdeckt. Noch ein weiterer Typ von Antennen, die für den Zweck verwendet werden können, ist der der Streifenleiterantennen für mehrere Frequenzbereiche. Eine Antenne dieses Typs kann so konstruiert sein, dass zwei Frequenzbereiche mit zwei unterschiedlichen Mittenfrequenzen realisiert werden.
Zur Schaffung einer Mehrbandradarlösung zur Verwendung in den Anwendungsfällen, wie sie in der Erfindung beschrieben sind, können unterschiedliche Radartechniken benutzt werden. Ein FMCW-Radar könnte ebenso wie ein Impulsradarsystem benutzt werden, da es zwischen diesen Systemen im Hinblick auf die vorliegende Anwendung prinzipiell keiner lei Unterschiede gibt. Nachstehend ist ein Beispiel eines Radars beschrieben, das gemäß der vorliegenden Erfindung ein FMCW-Radarsystem für den Betrieb in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen benutzt. Ein Blockschaltbild, das das beschriebene Beispiel zeigt und auf das hierin anhand der Bezugszeichen verwiesen wird, ist in 3 beigefügt. Das beigefügte Beispiel beschreibt ein Radar zur Verwendung in den Frequenzbereichen 6 und 24 GHz. Es wird lediglich als veranschaulichendes Beispiel gezeigt und darf nicht als irgendeine Einschränkung für die Verwendung jedweden anderen Verfahrens zur Zusammensetzung der Blöcke eines Radarsystems, zur Benutzung verfügbarer Frequenzbereiche und zur Benutzung unterschiedlicher Radartechniken angesehen werden.
Eine ausführliche Beschreibung der zugehörigen Elektronikblöcke erfolgt hier nicht, da die Verwendung der Blöcke auf dem Fachgebiet bekannt ist.
In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Schaltung gemäß der Erfindung beschrieben. Eine Mikrowellenfrequenzquelle ist mittels der Blöcke 20 bis 25 eingerichtet. Bei diesen Blöcken bezeichnet die Nummer 20 einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO). Der VCO generiert eine Mikrowellenfrequenz mit einer Bandbreite am Ausgang im Bereich von 2900 MHz–3350 MHz. Das Signal am Ausgang von VCO 20 wird in einem ersten Dämpfungsglied 21 gedämpft. Nach der Dämpfung wird das Signal an einen Richtkoppler 22 weitergeleitet, wo ein Anteil des Signals in einer Schleife zurückreflektiert wird, die eine eingerastete Phasenregelschleife 23 enthält. Die eingerastete Phasenregelschleife (PLL) 23 ist ein Frequenzregelkreissystem, dessen Funktion auf einer phasensensitiven Detektion der Phasendifferenz zwischen einem Eingangssignal von einem festen Oszillator 25 und dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 20 basiert. In der Schleife ist ein Tiefpass 24 inbegriffen.
Das Signal vom Ausgang der Mikrowellenquelle wird an einen ersten Vervielfacher 26 gesendet, in dem die Frequenz der Mikrowelle in diesem speziellen Beispiel mit 2 multipliziert wird, d.h., dass die verfügbare Frequenz jetzt im 6-GHz-Band liegt. Die Mikrowelle wird anschließend in einem zweiten Dämpfungsglied 27 weiter gedämpft und an einen ersten Schalter 28 weitergeleitet. Die Funktion der Schaltung wird hier zuerst mit der Schalterstellung der Schaltung für die Benutzung des 6-GHz-Bandes beschrieben. Um dies zu erreichen, sind die Schalter auf die in der Figur mit a) angegebenen Stellungen eingestellt. Das Mikrowellensignal vom ersten Schalter wird an einen ersten Leistungsteiler 29 geleitet, in dem ein Anteil des Signals (S) unter Durchlaufen eines zweiten Schalters 34 zur Sendeantenne 39 geführt wird. Ein zweiter Anteil des Mikrowellensignals (E) wird vom ersten Leistungsteiler 29 an einen ersten Mischer 37 geleitet. Ein Echosignal wird von der Empfangsantenne 40 empfangen und durch einen dritten Schalter 36 an den ersten Mischer geführt, wobei man gemäß bekannter Theorien ein Zwischenfrequenzsignal ZF erhält. Das ZF-Signal wird in einem ZF-Verstärker 38 verstärkt. Anschließend wird das ZF-Signal zum Analysator 13 geleitet, der, wie beschrieben, Analysator- und Bewertungseinheiten umfasst.
Sind die Schalter der Schaltung auf die Stellung b) gesetzt, arbeitet die komplette Schaltung auf einer zweiten Frequenz. In diesem Fall wird das Mikrowellensignal wiederum nach dem Verlassen des Dämpfungsglieds 27 zu einem Vervielfacher – einem zweiten Vervielfacher 30 – geführt, wobei in diesem speziellen Beispiel die Frequenz des Mikrowellensignals mit zwei multipliziert wird, wodurch eine Mikrowelle im 12-GHz-Frequenzbereich am Ausgang des zweiten Vervielfachers 30 bereitgestellt wird. Nach Dämpfung des Signals in einem dritten Dämpfungsglied 31 wird das Signal ein drittes Mal zu einem Vervielfacher 32 geleitet, der nunmehr die Frequenz des Mikrowellensignals hoch auf 24 GHz bringt, wodurch das Radar jetzt im 24-GHz-Band arbeitet.
Ein Anteil des 24-GHz-Mikrowellensignals, das von einem zweiten Leistungsteiler 33 bereitgestellt wird, wird nun zum zweiten Schalter 34 gebracht, und bedingt durch die Stellung b) des zweiten Schalters wird das Mikrowellensignal zur Sender-Antenne 39 geleitet. Der andere Anteil des Signals, das am zweiten Leistungsteiler 33 bereitgestellt wird, wird an einen zweiten Mischer 35 gesendet, wo der andere Anteil des Mikrowellensignals mit dem Echosignal gemischt wird, das von der Empfangsantenne 40 durch den dritten Schalter 36 geführt wird. Aus dem Mischer 35 erhält man eine Zwischenfrequenz-Mikrowelle ZF. Das ZF-Signal wird im ZF-Verstärker 38 verstärkt, wobei das ZF-Signal, wie weiter oben erwähnt, zur Analyse und Bewertung ausgegeben wird.
In der Beschreibung oben wird die Antenneneinheit als eine Sendeantenne 39 bzw. eine Empfangsantenne 40 beschrieben. Diese zwei Funktionen können natürlich in einer Antenneneinheit vereint sein, die sowohl die Sende- als auch die Empfangsfunktionen wahrnimmt.
Ferner ist es natürlich möglich, andere Frequenzen als die beschriebenen von der Schaltung der vorliegenden Erfindung zu benutzen. Als Alternative ist es beispielsweise möglich, das 12-GHz-Mikrowellensignal, das am Ausgang des zweiten Vervielfachers 30 vorliegt, stattdessen oder zur Ergänzung des 24-GHz-Signal zu benutzen. Würde das 12-GHz-Signal als Ergänzung benutzt, müssten ein weiterer Leistungsteiler, Mischer und sonstige Schalter verwendet werden, um das Wählen dreier unterschiedlicher Frequenzen zu gestatten. Falls gewünscht, besteht durch Hinzufügen eines weiteren Vervielfachers oder durch Verwenden von Vervielfachern mit größeren Multiplikatoren die Möglichkeit, zu noch höheren Mikrowellenfrequenzen zu gelangen.
Die Schalter werden durch ein Steuersignal gesteuert, das alle Schalter gleichzeitig schaltet. Das Steuersignal kann von einer Steuerung in einem Kontrollraum beispielsweise auf Veranlassung eines Bedieners gesendet werden, oder es kann programmiert werden, dass es vom oben erwähnten Analysator auf in der Software festgelegte Bedingungen hin gesendet wird.
Ein Impulsradar kann so realisiert werden, dass es eine entsprechende Funktion erhält, indem der VCO und die eingerastete Phasenregelschleife (PLL) 23 durch einen Oszillator mit einer festen Frequenz und Impulsschaltungen ersetzt wird.
Zusammenfassung
Schaltung für ein Radar-Füllstandsmessgerät zum Messen des Füllstands der Oberfläche (6) eines Produkts (2), das in einem Behälter (1) aufbewahrt wird, wobei das Messgerät ein Radar (3) zum Senden von Mikrowellensignalen von einer Mehrbandantenneneinheit (5) auf die Oberfläche (6) zum Empfangen von Mikrowellensignalen, die von der Oberfläche reflektiert wurden, und zum Ermitteln des Füllstands auf Grundlage einer Bewertung der Zeit beinhaltet, die zwischen den empfangenen und gesendeten Signalen verstrichen ist, und das Radar (3) auf mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeitet. Die Schaltung beinhaltet ein erstes Mikrowellen-Bereitstellungs-Mittel zum Bereitstellen eines Mikrowellensignals eines ersten Frequenzbereichs, der eine erste Mittenfrequenz aufweist, ein zweites Mikrowellen-Bereitstellungs-Mittel zum Bereitstellen eines Mikrowellensignals eines zweiten Frequenzbereichs, der eine zweite Mittenfrequenz aufweist. Das Verhältnis zwischen der zweiten und der ersten Mittenfrequenz wird mit mindestens größer als 1,5:1 und vorzugsweise größer als 2:1 quantifiziert. Schalter werden mittels eines Steuersignals zum Umschalten der Schaltung betätigt, um diese im ersten Frequenzbereich oder zweiten Frequenzbereich zu betreiben.

Claims

Schaltung für ein Radar-Füllstandsmessgerät zum Messen des Füllstands der Oberfläche (6) eines Produkts (2), das in einem Behälter (1) aufbewahrt wird, wobei das Füllstandsmessgerät ein Radar (3) zum Senden von Mikrowellensignalen von einer Mehrbandantenneneinheit (5) auf die Oberfläche (6) zum Empfangen von Mikrowellensignalen, die von der Oberfläche reflektiert wurden, durch dieselbe Antenneneinheit und zum Ermitteln des Füllstands auf Grundlage einer Bewertung der Zeit beinhaltet, die zwischen den empfangenen und gesendeten Signalen verstrichen ist, und das Radar (3) auf mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeitet, wobei die Schaltung beinhaltet ein erstes Mikrowellen-Bereitstellungs-Mittel zum Bereitstellen eines Mikrowellensignals eines ersten Frequenzbereichs, der eine erste Mittenfrequenz aufweist, ein zweites Mikrowellen-Bereitstellungs-Mittel zum Bereitstellen eines Mikrowellensignals eines zweiten Frequenzbereichs, der eine zweite Mittenfrequenz aufweist, wobei das Verhältnis zwischen der zweiten und der ersten Mittenfrequenz mit mindestens größer als 1,5:1 und vorzugsweise größer als 2:1 quantifiziert wird, und Schalter, die mittels eines Steuersignals zum Umschalten der Schaltung betätigt werden, um diese im ersten Frequenzbereich oder zweiten Frequenzbereich zu betreiben.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Schaltung ferner beinhaltet – eine Mikrowellengenerierungsquelle, die auf einer festen Frequenz f₀ arbeitet, – mindestens einen Frequenzvervielfacher (26, 30, 32), der zwischen die Quelle und die Antenneneinheit (39, 40) gekoppelt ist, um am Ausgang des Frequenzvervielfachers eine Vielfachfrequenz mf₀ bereitzustellen, – eine Anzahl erster Schalter (28, 34) zur Wahl einer Betriebsfrequenz (f₀, mf₀), die an die Antenneneinheit (39) zu liefern ist, – eine Anzahl von Mischern (35, 37) zum Mischen des Mikrowellensignals, das von der Antenneneinheit (39, 40) empfangen wird, mit der gewählten Betriebsfrequenz zur Bildung einer Zwischenfrequenz, – eine Anzahl zweiter Schalter (28, 33) zur Leitung der Mikrowellenbetriebsfrequenz an einen Mischer (35, 37), der der Betriebsfrequenz entspricht, und – die Auswahl der Betriebsfrequenz für die Schaltung durch ein Steuersignal erfolgt, das die Schalter (28, 33, 34) steuert.
Schaltung nach Anspruch 2 einschließlich – einer Kette von mindestens zwei Frequenzvervielfachern (26, 30, 32), die in Reihe zwischen die Quelle und die Antenneneinheit (39, 40) gekoppelt sind.
Schaltung nach Anspruch 2 einschließlich – einer Kette von mindestens zwei kaskadierten Frequenzvervielfachern (26, 30, 32), die zwischen die Quelle und die Antenneneinheit gekoppelt sind.
Schaltung nach einem der Ansprüche 3 und 4, beinhaltend, – dass jeder der Vervielfacher (28, 30, 32) die Eingangs-Mikrowellenfrequenz mit einer vorher festgelegten Konstanten multipliziert.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei die Mikrowellengenerierungsquelle einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO (20) beinhaltet.
Schaltung nach Anspruch 6, wobei die Mikrowellengenerierungsquelle eine eingerastete Phasenregelschleife beinhaltet.
Verfahren zur Messung des Füllstands der Oberfläche (6) eines Produkts (2), das in einem Behälter (1) aufbewahrt wird, mittels eines Radar-Füllstandsmessgeräts, wobei das Füllstandsmessgerät ein Radar (3) zum Senden von Mikrowellensignalen von einer Mehrbandantenneneinheit (39, 40) auf die Oberfläche (6) zum Empfangen von Mikrowellensignalen, die von der Oberfläche (6) reflektiert werden, durch dieselbe Antenneneinheit (39, 40) und zum Ermitteln des Füllstands auf Grundlage einer Bewertung der Zeit beinhaltet, die zwischen den empfangenen und gesendeten Signalen verstrichen ist, und das Radar (3) auf mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeitet, umfassend die Schritte des – Bereitstellens eines Mikrowellensignals eines ersten Frequenzbereichs, der eine erste Mittenfrequenz aufweist, in einer Schaltung, – Bereitstellens eines Mikrowellensignals eines zweiten Frequenzbereichs, der eine zweite Mittenfrequenz aufweist, in der Schaltung, wobei das Verhältnis zwischen der zweiten und der ersten Mittenfrequenz mit mindestens größer als 1,5:1 und vorzugsweise größer als 2:1 quantifiziert wird, – Versehens der Schaltung mit Schaltern (28, 33, 34) zum Umschalten der Schaltung, um diese im ersten Frequenzbereich oder zweiten Frequenzbereich zu betreiben, und – Steuerns der Schalter mittels eines Steuersignals.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend die Schritte des – Generierens einer Mikrowelle, die eine feste Frequenz f₀ aufweist, – Multiplizierens der festen Frequenz f₀ in mindestens einem Frequenzvervielfacher (26, 30, 32) mit einem Faktor m, um eine Frequenz mf₀ zu erhalten, die um den Faktor m höher als die feste Frequenz ist, – Auswählens einer Betriebsfrequenz (f₀, mf₀), die an die Antenneneinheit (39, 40) zu liefern ist, mittels Steuerns einer Anzahl erster Schalter (28, 34), – Leitens der Mikrowellenbetriebsfrequenz an einen Mischer (35, 37), der der Betriebsfrequenz entspricht, – Mischens des Mikrowellensignals, das von der Antenneneinheit (39, 40) empfangen wird, mit der gewählten Betriebsfrequenz zur Bildung einer Zwischenfrequenz und – Auswählens einer Betriebsfrequenz für die Schaltung mittels des Steuersignals, das die Schalter (28, 34) steuert.
Radar-Füllstandsmessgerät, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.