DE112018002913T5 - Radar-Füllstandsmessgerät zum Messen des Volumens von Massengütern in Behältern - Google Patents

Radar-Füllstandsmessgerät zum Messen des Volumens von Massengütern in Behältern Download PDF

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Abstract

Ein Radar-Füllstandsmessgerät zum Messen des Volumens von Massenprodukten in Behältern umfasst einen Füllstandsniveausensor, eine Primärantenne, ein Mikrowellenmodul, ein Softwaremodul, einen Schnittstellenkonverter und eine Steuereinheit, und umfasst weiter zumindest zwei ergänzende Antennen mit Mikrowellenmodulen; zwei Schalter, die mit der Primärantenne und dem Mikrowellenmodul in ein Multikanal-Transceivermodul (TRM) strukturell zusammengeführt sind, mit einer mit dem Füllstandsniveausensor verbundenen Signalausgabe, und einer mit einer Eingabe der Steuereinheit verbundenen Überwachungsausgabe, wobei eine Steuereingabe und eine Kanalnummernauswahleingabe des Multikanal TRM mit entsprechenden Ausgaben der Steuereinheit verbunden sind.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Überwachen und die Messung des Volumens von Massengütern in Behältern und kann in der Chemie-, Bergbau-, Bauindustrie und bei Unternehmen verwendet werden, die mit Massengütern gefüllte Behälter verwenden.
  • Grund der Erfindung
  • Patent R 2575185 C2 (veröffentlicht am 27. Januar 2014) beschreibt ein Verfahren zum Messen des Füllstands von Massenmaterialien in Behältern und ein Radar für Füllstandsmessgeräte zum Umsetzen des Verfahrens. Eine Antenne des Radar-Füllstandsmessgeräts umfasst eine gedruckte Mikrostreifenantenne mit einem elektrischen Abtasten des Abstrahlungsmuster im Inneren des Behälters. Die Antenne ist an der geforderten Position angebracht, zu der das Abstrahlungsmuster relativ gesteuert wird, durch Phasenlenken des Abtastsignals, das durch unterschiedliche Sätze von Abstrahlelementen erregt wird. Der Nachteil dieses Verfahrens zum Steuern des Antennenmusters liegt darin, dass die Antennenverstärkung mit zunehmendem Winkel einer Abweichung von dem Abstrahlungsmuster relativ zu der senkrechten der Ebene, in welcher die Abstrahlungselemente angeordnet sind, abnimmt. Dieses Phänomen kann zu einem vollständigen Verlust des reflektierten Signals führen, wenn eine Anzahl von negativen Faktoren zusammenfallen, beispielsweise die Notwendigkeit mit einem großen Abweichungswinkel des Abstellungsmusters zu arbeiten (Behälter mit einer niedrigen Höhe und einem großen Durchmesser) und die Verwendung eines nur geringen reflektierenden Produkts wie beispielsweise Zement oder trockenes Getreide.
  • Der der Erfindung am nächsten kommende Stand der Technik ist ein kontaktloses Radar-Füllstandsmessgerät, das einen Füllstandsniveausensor mit einer getrennten Transceiverantenne in Kombination mit dessen Orientierungsvorrichtung umfasst, basierend auf einem mechanischen Antrieb, der an einem Flansch angebracht ist (siehe beispielsweise US 2013/0269414 A1 , die am 17. Oktober 2013 veröffentlicht wurde).
  • Ein Sensor des Radar-Füllstandsmessgerät zusammen mit der Orientierungsvorrichtung ist an der Oberseite des Behälters angebracht. Der Sensor ist durch Verbolzen an einem Flansch der Orientierungsvorrichtung an dem Gegenflansch des Behälterrohrs angebracht. Somit ist der Flansch der Orientierungsvorrichtung fest mit dem Rohrflansch verbunden. Eine unabhängige Transceiverantenne des Radar-Füllstandsmessgeräts ist in dem Behälterinneren untergebracht und mit dem Sensor über die Orientierungsvorrichtung gekoppelt. Der Winkel der Antenne innerhalb des Behälters wird ferngesteuert verändert, unter Verwendung eines mechanischen Antriebs der Orientierungsvorrichtung. Die Notwendigkeit zum Messen bei unterschiedlichen Einfallwinkeln der Antenne liegt an der spezifischen Form der Oberfläche von Massengütern innerhalb des Behälters. Das tatsächliche Füllstandsniveau des Massenmaterials kann wesentlich bei unterschiedlichen Punkten auf der Oberfläche schwanken, insbesondere bei den Punkten eines Befüllens und Entleerens. Daher, um die Genauigkeit von Messungen des Produktvolumens in dem Behälter zu erhöhen, werden Messungen an unterschiedlichen Punkten auf der Oberfläche genommen.
  • Das mechanische Verfahren zum Verändern des Antenneneinfallwinkels in dem Behälterinneren weist wesentliche Probleme auf, wenn Messungen in Behältern mit Massenprodukten ausgeführt werden. Bei Bedingungen mit einem hohen Staubinhalt in den Behältern mit Massenprodukten reduziert das Vorhandensein von einem mechanischen Antrieb die Zuverlässigkeit der Orientierungsvorrichtung und die Genauigkeit einer Einstellung der Antenne bei der geforderten Position wesentlich.
  • Durch das Radarverfahren an der Oberfläche von Massenmaterialien genommene Messungen haben ihre eigenen Besonderheiten im Vergleich zu flüssigen Produkten. Dies ist mit der Tatsache verknüpft, dass die Oberfläche von Massenprodukten uneben ist und in manchen Fällen eine nicht reguläre Struktur aufweisen kann, daher gibt es keine Spiegelreflexion des durch die Antenne emittierten Signals und manchmal kann das Signal teilweise oder vollständig verloren gehen. In diesem Fall kann eine Variation in der Antennenposition zu dem Auftauchen eines nützlichen Signals beitragen. Es wird ebenso drauf hingewiesen, dass mechanische Antriebseinheiten, die in einer staubigen Umgebung arbeiten, eine regelmäßige Wartung erfordern, wodurch Betriebskosten des Radar-Füllstandsmessgeräts als Ganzes erhöht werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Radar-Füllstandsmessgerät zum Messen des Volumens von Massenprodukten in Behältern bereitzustellen, welche eine höhere Zuverlässigkeit und Genauigkeit von Messungen des Volumens eines Produkts in dem Behälter sicherstellen würde, ohne dem Erfordernis, dass Betriebspersonal eine Wartung während des Betriebs ausführen muss.
  • Die Aufgabe wird durch ein Radar-Füllstandsmessgerät gelöst, das einen Füllstandsniveausensor, eine Primärantenne, ein Mikrowellenmodul, ein Softwaremodul, einen Schnittstellenkonverter und eine Steuereinheit umfasst und weiter umfasst zumindest zwei ergänzende Antennen mit Mikrowellenmodulen; zwei Schalter, die strukturell mit der Primärantenne und dem Mikrowellenmodul in ein Multikanal-Transceivermodul (TRM) zusammengefügt ist, mit einer mit dem Füllstandsniveausensor verbundenen Signalausgabe, und einer mit einer Eingabe der Steuereinheit verbundenen Überwachungsausgabe, wobei eine Steuereingabe und eine Kanalnummernauswahleingabe des Multikanal TRM mit entsprechenden Ausgaben der Steuereinheit verbunden sind.
  • Vorzugsweise umfasst das Multikanal-Transceivermodul (TRM) fünf Antennen, fünf Mikrowellenmodule und zwei Schalter.
  • Vorzugsweise sind alle Antennen in dem Multikanal-TRM-Gehäuse untergebracht und ist eine Abstrahlungsseite der Antennen in Richtung der untersuchten Oberfläche orientiert.
  • Vorzugsweise sind die ergänzenden Antennen in einem gleichen Abstand von der Mitte des TRM und bei dem gleichen Abstand über den Umfang beabstandet.
  • Vorzugsweise bilden alle Antennen einen Satz von Mikrostreifen-Abstrahlelementen und ist eine Fokussierlinse unterhalb jedem Mikrostreifen-Abstrahlelement angebracht.
  • Vorzugsweise sind die ergänzenden Antennen bei einem bestimmten festen Winkel mit Bezug zu den Behälterwänden angebracht und ist eine Position des Abstrahlungsmusters der in der Mitte angeordneten Primärantenne parallel zu den Behälterwänden ausgerichtet.
  • Vorzugsweise sind die Mikrowellenmodule oberhalb der Fokussierlinse bei einem festen Abstand davon angeordnet.
  • Vorzugsweise bilden das Mikrowellenmodul und die Fokussierlinse eine integrale Struktur.
  • Vorzugsweise ist das Mikrowellenmodul in der Form einer gedruckten Schaltkreisplatine ausgebildet, die eine Schaltung des Moduls und des Satzes von Mikrostreifen-Abstrahlelementen ausbildet, die zusammen mit der Fokussierlinse eine Antenne bilden.
  • Vorzugsweise sind die Schalter in dem Gehäuse des Fünf-Kanal-TRM untergebracht und an einer getrennten gedruckten Schaltkreisplatine angebracht.
  • Das Multikanal-TRM ermöglicht eine schnelle Variation, ohne mechanische Mittel, der Abstrahlungsmusterposition des Radar-Füllstandsmessgeräts innerhalb des untersuchten Volumens entsprechend einem bestimmten Algorithmus, wobei die Vorteile bereitgestellt werden, wie beispielsweise eine verbesserte Leistungsfähigkeit des Geräts aufgrund einer erhöhten Zuverlässigkeit und Genauigkeit von Messungen des Volumens von Massenmaterialien in Behältern, ohne dass eine Wartung durch Betriebspersonal während eines Betriebs notwendig ist.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird weiter in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform mit Bezug zu den beiliegenden Figuren erläutert, wobei:
    • 1 ein strukturelles Diagramm eines Radar-Füllstandsmessgeräts mittels einem Multikanal-TRM mit fünf Kanälen in der ausgewählten Ausführungsform ist;
    • 2 eine externe Seitenansicht eines Multikanal TRM mit fünf Kanälen ist;
    • 3 eine externe Unteransicht eines Multikanal TRM mit fünf Kanälen ist;
    • 4 eine externe Ansicht eines Behälters mit einem darin angebrachten Füllstandsniveausensor ist.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Ein Radar-Füllstandsmessgerät zum Messen des Volumens von Massenprodukten in Behältern umfasst einen Füllstandsniveausensor 1 (1), ein Softwaremodul 2, gekoppelt mit dem Sensor 1, einen Schnittstellenkonverter 3, verbunden mit einer Ausgabe des Softwaremoduls 2. Ein Multikanal-Transceivermodul (TRM) 4 und eine Steuereinheit 5 sind mit dem Füllstandsniveausensor 1 verbunden.
  • Das Multikanal-TRM 4 umfasst fünf Mikrowellenmodule 6-1, 6-2, 6-3, 6-4, 6-5, fünf Antennen 7-1, 7-2, 7-3, 7-4, 7-5, verbunden mit den entsprechenden Mikrowellenmodulen 6, und zwei Schalter 8 und 9. Jedes Mikrowellenmodul 6 umfasst eine gedruckte Schaltkreisplatine, gebildet aus einem geschichteten Mikrowellenmaterial. Einsatz von Mikrostreifen-Abstrahlelementen ist an der externen Seite der gedruckten Schaltkreisplatine angeordnet, die einer Fokussierlinse 10 gegenüberliegt (2), und bildet zusammen mit der Fokussierlinse 10 eine Antenne 7. Zwei Schalter 8 und 9 sind an einer in den Multikanal-TRM 4 untergebrachten gedruckten Schaltkreisplatine 11 angeordnet.
  • Der Multikanal-TRM 4 ist in einem Metallgehäuse in der Form eines offenseitigen Zylinders 12 untergebracht, der einen Schutzschirm 13 in der Form einer runden Platte aufweist, die aus einem funktransparentem Material gebildet ist. Ergänzende Antennen sind in einem Abstand R (3) von der Mitte des TRM 4 angeordnet und im gleichen Abstand über den Umfang bei einem Winkel von 90° und zusätzlich bei einem Winkel α ( 4) mit Bezug zu einer Behälterwand 14 beabstandet.
  • Der Winkel α bestimmt die Position des Bestrahlungsmusters von vier ergänzenden Antennen 7-2, 7-3, 7-4, 7-5 relativ zu der Behälterwand 14 und wird basierend auf geometrischen Daten des bestimmten Behälters berechnet.
  • Das Radar-Füllstandsmessgerät wird auf die nachstehende Weise betrieben.
  • Der an der Oberseite des Behälters 14 angebrachte Füllstandsniveausensor 1 erzeugt zusammen mit der Steuereinheit 5 und dem Multikanal-TRM 4 ein Abtastsignal, das alternierend durch eine der 5 Antennen 7-1, 7-2, 7-3, 7-4, 7-5 in der Richtung der Oberfläche des Massenmaterials 15 emittiert wird. Ein von der Oberfläche des Massenmaterials 15 reflektiertes Signal kehrt zu dem Füllstandsniveausensor 1 zurück. Eine Frequenz des Abtastsignals wird in einer linearen Weise über eine bestimmte Zeitperiode verändert. Ein Abtastsignals ist ein Frequenzmodulation-Kontinuierliche-Welle (FMCW) Signal. Eine Wechselwirkung des Abtast- und Reflexionssignals in einem von Mischern der Mikrowellenmodule 6-1, 6-2, 6-3, 6, 4, 6-5 erzeugt ein Abstandssignal D, dessen Frequenz eine Information über den Abstand zu der Oberfläche des Massenmaterials 15 trägt und von einer Frequenzabweichung und Dauer und Ausbreitungsgeschwindigkeit des Abtastsignals abhängt. Der Mischer ist eine Standardeinheit des Mikrowellenmoduls.
  • Das Verfahren zum Bestimmen des Abstands mit dem FMCW (Frequenzmodulation einer kontinuierlichen Welle) Signal ist nicht Gegenstand der Erfindung, dies ist in zahlreichen Quellen genau beschrieben, beispielsweise in der elektronischen Version von Radartechnologie Enzyklopädie durch D. K. Barton und S. A. Leonov, Artech House (ISBN 089006-893-3), Seite 11, 332 und auf der Webseite des Anmelders www.limaco.ru.
  • Nach einer geeigneten Verarbeitung des Abstandssignals D in dem Füllstandsniveausensor 1 wird der berechnete Abstandswert an das Softwaremodul 2 gesendet, wobei das Volumen des Massenmaterials 15 basierend auf den eingegebenen physikalischen Parametern des Reservoirs 14 bestimmt ist. Das berechnete Volumen V des Massenmaterials 15 wird über den Schnittstellenkonverter 3 an einen Computer, eine Steuereinheit, etc. für eine weitere Verarbeitung und Interpretation übertragen. Der Schnittstellenkonverter 3 ist derart entworfen, um einen Standardanschluss, beispielsweise USB, RS-232, einer Vorrichtung, die Daten von dem Radar-Füllstandsmessgerät empfängt, mit einer RS-485 Schnittstelle des Füllstandsniveausensors 1 zu koppeln. Beispielsweise kann der Schnittstellenkonverter 3 ein UPort 11501 Konverter sein, hergestellt durch Moxa (www.moxa.com).
  • Eine Position des Abstrahlmusters des Multikanal-TRM 4 wird durch alternierendes Einschalten von fünf Kanälen verändert: Mikrowellenmodul 6-1, 6-2, 6-3, 6-4, 6-5-Antenne 7-1, 7-2, 7-3, 7-4, 7-5. Eine Kanalnummer wird durch einen geeigneten Befehl ausgewählt, der an die Schalter 8 und 9 von der Steuereinheit 5 gesendet wird. Der Schalter 8 wird verwendet, um ein Abstandssignal D des gewünschten Kanals auszuwählen, und der Schalter 9 wird verwendet, um entsprechende Überwachungskanäle auszuwählen, um die Steuereinheit 5 mit einem Signal zu versorgen, dessen Frequenz proportional in Bezug auf die aktuelle Frequenz des Abtastsignals P des bestimmten Mikrowellenmodul 6 ist. Ein Überwachungsschaltkreis 16, ein Steuerschaltkreis 17 und ein Datenaustauschbus 18 sind derart entworfen, dass ein Abtastsignal P mit einer sich linear verändernden Frequenz erzeugt wird. Eine Frequenz des Abtastsignals P, das in jedem Kanal erzeugt wird, wird durch einen Steuerschaltkreis 19 gesteuert, der die Steuereinheit 5 mit allen Mikrowellenmodulen 6-1, 6-2, 6-3, 6-4, 6-5 gleichzeitig verbindet.
  • Die obige Struktur des Multikanal-TRM 4 bestimmt die feste Anzahl, gleich fünf, von Winkelpositionen der Abstrahlmuster von Antennen 7-2, 7-3, 7-4, 7-5 in dem Inneren des Behälters 14. Abstrahlmuster der Primär- (mittleren) Antenne 7-1 ist parallel zu Wänden des Behälters 14. Abstrahlmuster der anderen vier ergänzenden Antennen 7-2, 7-3, 7-4, 7-5 sind bei festen Winkeln α ausgerichtet, deren Wert durch die geometrischen Dimensionen und die Form des Behälters 14 bestimmt ist, beispielsweise Durchmesser, Koordinaten der Linie eines Übergangs von einem zylindrischen Teil des Behälters in einen konischen (4).
  • Der Algorithmus zum Bestimmen des Volumens eines Massenmaterials basierend auf Füllstandsmessungen bei fünf unterschiedlichen Punkten stellt zuverlässige Daten im Vergleich zu dem konventionellen Einzelkanalverfahren bereit. Die Verwendung einer Betriebsfrequenz von ungefähr 130 GHz ermöglicht ein Entwerfen eines kleinen Transceivermoduls 4 mit einem engen Abstrahlungsmuster von Antennen 7. Im Licht davon und ebenso aufgrund dem Abwesendsein von irgendwelchen mechanischen beweglichen Teilen kann das Volumen von Massenprodukten in Behältern genau und zuverlässig gemessen werden, selbst bei staubigen Bedingungen.
  • Berechnungen und Experimente führten zu der Schlussfolgerung, das eine Erhöhung der Anzahl von ergänzenden Antennen über vier hinaus die Hardware des Füllstandsmessgeräts verkomplizieren würde, dessen Größe und Kosten erhöhen würde, allerdings ohne einen signifikanten Einfluss auf dessen technische Eigenschaften, das heißt ohne Verbesserung des erzielten technischen Effekts. Andererseits beeinflusst eine Verminderung der Anzahl von ergänzenden Antennen wesentlich die Zuverlässigkeit von Messungen des Volumens von Massenprodukten in Behältern, das heißt die Ausführungsform mit vier Antennen, ergänzend zu einer einzelnen Primärantenne, ist optimal in Sachen des erzielten technischen Effekt/Radar-Füllstandsmessgerät Kostenverhältnis.
  • Das vorliegende Radar-Füllstandsmessgerät zum Messen des Volumen von Massenprodukten in Behältern kann in der Chemie-, Bergbau-, Bauindustrie und bei Unternehmen verwendet werden, die Behälter betreiben, die mit Massenmaterialien gefüllt sind. Tests des Füllstandsmessgerät haben dessen Effizienz und Vorteile über die bekannten Füllstandsmessgeräte bestätigt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2013/0269414 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Ein Radar-Füllstandsmessgerät zum Messen des Volumens von Massenprodukten in Behältern, umfassend einen Füllstandsniveausensor, eine Primärantenne, ein Mikrowellenmodul, ein Softwaremodul, einen Schnittstellenkonverter und eine Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das Radar-Füllstandsmessgerät umfasst zumindest zwei ergänzende Antennen mit Mikrowellenmodulen; zwei Schalter, die mit der Primärantenne und dem Mikrowellenmodul in ein Multikanal-Transceivermodul (TRM) strukturell zusammengeführt sind, mit einer mit dem Füllstandsniveausensor verbundenen Signalausgabe, und einer mit einer Eingabe der Steuereinheit verbundenen Überwachungsausgabe, wobei eine Steuereingabe und eine Kanalnummernauswahleingabe des Multikanal-MRP mit entsprechenden Ausgaben der Steuereinheit verbunden sind.
  2. Radar-Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Multikanal-TRM fünf Antennen, vier Mikrowellenmodule und zwei Schalter umfasst.
  3. Radar-Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Antennen in dem Multikanal-TRM-Gehäuse enthalten sind und eine Abstrahlseite der Antennen in Richtung der untersuchten Oberfläche orientiert ist.
  4. Radar-Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ergänzenden Antennen in einem gleichen Abstand von der Mitte des TRM angeordnet sind und bei demselben Abstand über den Umfang beabstandet sind.
  5. Radar-Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Antennen als Einsatz von Mikrostreifen-Abstrahlelementen ausgebildet sind und eine Fokussierlinse unter jedem Mikrostreifen-Abstrahlelement angebracht ist.
  6. Radar-Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ergänzenden Antennen bei einem bestimmten festen Winkel mit Bezug zu Wänden des Behälters angebracht sind und eine Abstrahlung der in der Mitte angeordneten Primärantenne parallel zu den Behälterwänden ausgerichtet ist.
  7. Radar-Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenmodule oberhalb der Fokussierlinse bei einem festen Abstand davon angeordnet sind.
  8. Radar-Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellenmodul und die Fokussierlinse eine integrale Struktur bilden.
  9. Radar-Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellenmodul in der Form einer gedruckten Schaltkreisplatine gebildet ist, die eine Schaltung des Moduls und des Satzes von Mikrostreifen-Abstrahlelementen ausbildet, die zusammen mit der Fokussierlinse eine Antenne bilden.
  10. Radar-Füllstandsmessgerät gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter in dem Gehäuse des Fünf-Kanal-TRM untergebracht sind und auf einer getrennten gedruckten Schaltkreisplatine angebracht sind.
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