EP0669006A1 - Radar-abstandsmessgerät - Google Patents

Radar-abstandsmessgerät

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Publication number
EP0669006A1
EP0669006A1 EP94928334A EP94928334A EP0669006A1 EP 0669006 A1 EP0669006 A1 EP 0669006A1 EP 94928334 A EP94928334 A EP 94928334A EP 94928334 A EP94928334 A EP 94928334A EP 0669006 A1 EP0669006 A1 EP 0669006A1
Authority
EP
European Patent Office
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frequency
connection
antenna
radar module
measuring device
Prior art date
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Application number
EP94928334A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Burger
Johanngeorg Otto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE4331353A external-priority patent/DE4331353C2/de
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP0669006A1 publication Critical patent/EP0669006A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03D—DEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
    • H03D9/00—Demodulation or transference of modulation of modulated electromagnetic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03D—DEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
    • H03D9/00—Demodulation or transference of modulation of modulated electromagnetic waves
    • H03D9/06—Transference of modulation using distributed inductance and capacitance
    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/34—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal

Definitions

  • the invention relates to a radar distance measuring device, in particular a fill level measuring device, and to a frequency conversion circuit for use in the radar distance measuring device.
  • the pulse radar and the frequency modulation continuous wave radar are known in particular for non-contact distance measurement with microwaves.
  • pulse radar short microwave transmission pulses are periodically emitted, which are reflected by the object to be measured and are received again as an echo signal after a distance-dependent transit time.
  • the temporal position of the echo signal within each transmission / reception period in the case of pulse radar corresponds directly to the distance of the object to be measured.
  • FMCW radar a continuous microwave is emitted, which is periodically linearly frequency-modulated, for example according to a sawtooth function.
  • the frequency of each received echo signal therefore has a frequency difference compared to the instantaneous frequency that the transmission signal has at the time of reception, which depends on the transit time of the echo signal.
  • the frequency difference between the transmission signal and the received signal which can be obtained by mixing the two signals and evaluating the Fourier spectrum of the mixed signal, thus corresponds to the distance between the reflecting surface of the object and the transmitting / receiving antenna.
  • the aim is to be able to resolve a plurality of objects which are arranged one behind the other in the path of propagation of the microwaves and which have approximately the same reflectivity, in order to be able to distinguish the object to be measured, in particular the fill level surface, from tank internals or the like.
  • the length of the transmission pulses with a pulse radar may not exceed 1 ns.
  • the frequency of the transmitted signal must be able to be changed by at least 1 GHz for the same distance resolution, for example from 4.8 GHz to 5.8 GHz.
  • Higher transmission frequencies of, for example, 24 GHz are advantageous in that the improved bundling in smaller or narrower containers makes it possible to measure, a higher gain is achieved with smaller antennas and the high-frequency implementation on containers with high internal pressure is simplified.
  • the associated increased effort speaks against the use of increased transmission frequencies.
  • there are applications in which the use of a lower transmission frequency is more favorable, for example in the case of liquid surfaces which tend to foam. There is therefore a need for radar distance measuring devices which can work with an increased transmission frequency; at the same time, however, there is still a need for radar distance measuring devices which operate with a comparatively low transmission frequency of, for example, 5.8 GHz.
  • the available level gauges are each designed for a specific frequency range. Their possible uses are restricted by the predetermined frequency range of conventional distance measuring devices.
  • the starting point is a radar distance measuring device with a radar module which has, for example, a generator for generating microwaves in a relatively low frequency range, a beam splitter, a mixer, a coupler and an evaluation circuit.
  • the beam splitter has an input connected to the output of the generator and two outputs.
  • the mixer has an output and two inputs, the first of which is connected to one of the outputs of the beam splitter and the second to one of the three connections of the coupler.
  • the other output of the beam splitter is connected to a further connection of the coupler.
  • the third connection of the coupler forms an antenna connection to which a transmit / receive antenna can be connected, which is designed for the relatively low frequency range, for example 5.8 GHz.
  • a transmit / receive antenna By means of this transmission / reception antenna, transmission waves with a frequency lying within this frequency range can be transmitted to the surface of an object whose distance from the antenna is to be measured. The echo waves reflected on the surface of the object are received via the same antenna.
  • the evaluation circuit of the radar module is connected to the output of the mixer, which uses the signals emitted there to determine the transit time of the microwaves to the surface of the object and to determine the distance therefrom.
  • the invention provides a frequency conversion circuit which can be inserted between the antenna connection of the unchanged radar module and a transmit / receive antenna which is preferably designed for the higher frequency range.
  • This frequency conversion circuit contains a bidirectional signal path between an input / output connection which can be connected to the antenna connection of the radar module and its own antenna connection, as well as a local oscillator and a mixer which both controls the frequency fi of the signals at the input / output connection Mix with the frequency f2 of the local oscillator into the higher frequency f3 with which the signals are emitted at the own antenna connection, and also the frequency f3 of the signals received at this antenna connection by mixing with the frequency f2 of the local oscillator in converts the frequency fi with which the signals are output to the input / output connection.
  • the frequency conversion circuit contains only a local oscillator, a mixer, preferably a low-pass filter and, if necessary, a high-pass filter.
  • the mixer is connected to the output of the local oscillator, the second to one connection of the low-pass filter and the third to the one connection of the high-pass filter.
  • the second connection of the low-pass filter is connected to the antenna connection of the radar module, and the transmit / receive antenna is applied to the second connection of the high-pass filter, which forms the antenna connection of the interposed frequency conversion circuit.
  • the cut-off frequency of the low-pass filter is preferably at the upper end of the low frequency range, and that of the high-pass filter is preferably at the lower end of the higher frequency range.
  • the existing distance measuring device "sees" only signals within the first frequency range, and the transmit / receive antenna is only operated with signals within the second frequency range.
  • the frequency ranges around 5.8 GHz and 24.125 GHz are industrial bands with the possibility of operating radar level measuring devices outside of closed metallic containers. Therefore, versions are advantageous in which the radar module operates at the frequency of 5.8 GHz and the frequency conversion circuit converts this value to an increased transmission frequency of approximately 24 GHz.
  • Figure 1 shows the principle of a level measuring device working with microwaves.
  • Fig. 2 shows the block diagram of a level measuring device according to the invention.
  • FIG. 1 shows as a preferred application the measurement of the fill level in a container 10 which is filled to a height H with a filling material 12.
  • an antenna 14 is attached above the container 10, with which an electromagnetic wave can be sent to the surface of the filling material 12 and the echo wave reflected on this surface can be received.
  • the emitted electromagnetic wave is generated by a transmission circuit 16, the output of which is connected both to a frequency mixer 18 and to a circulator 19 to which the antenna 14 is connected.
  • the frequency mixer 18 is also connected to the circulator 19 and to a receiving and Evaluation circuit 20 connected, which determines the distance E between the antenna 14 and the surface of the filling material 12 from the transmission signal supplied to the antenna 14 by the transmission circuit 16 and the reception signal supplied by the antenna 14. Since the distance D of the antenna 14 from the bottom of the container 10 is known, the difference between this distance D and the measured distance E gives the desired fill level H.
  • the antenna 14 is of course designed for the transmission and reception of such short waves; it is equipped with a horn, for example, as indicated in FIG. 1.
  • any method known from radar technology can be used to measure the distance E. All of these methods are based on measuring the propagation time of the electromagnetic waves from the antenna to the reflecting surface and back to the antenna. Since the propagation speed of the electromagnetic waves is known, the distance traveled can be calculated from the measured transit time.
  • a known radar method is pulse radar, in which short transmission pulses are transmitted periodically and in a reception phase following each transmission of a transmission pulse, the echo signals are detected at the frequency of the transmission pulse.
  • the signal amplitude received over time in the course of each reception phase directly represents the echo function.
  • Each value of this echo function corresponds to the amplitude of an echo reflected at a certain distance from the antenna. The position of the useful echo in the echo function therefore shows the distance to be measured directly.
  • FMCW method frequency modulation continuous wave method
  • a continuous microwave is emitted, which is periodically linearly frequency-modulated, for example according to a sawtooth function.
  • the frequency of each received echo signal therefore has a frequency difference compared to the instantaneous frequency that the transmission signal has at the time of reception, which depends on the transit time of the echo signal.
  • the frequency difference between the transmitted signal and the received signal which is obtained by mixing the two signals and evaluating the Fourier spectrum of the mixed signal can be obtained, thus corresponds to the distance of the reflecting surface from the antenna.
  • a radar module 1 of conventional construction is shown within a frame.
  • the radar module 1 can be constructed from individual components, but is preferably implemented as an overall circuit on a substrate.
  • a generator is provided for generating microwaves of the frequency fi, which lies within a first frequency range and is, for example, 5.8 GHz.
  • the radar module 1 is provided with an antenna connection A, to which a transmitting / receiving antenna suitable for the frequency fi can be connected in a conventional manner and if required.
  • the measured values emitted by the radar module 1 are available at an output 9 of the radar module 1.
  • the arrangement described so far forms a conventional fill level measuring device, provided that a transmit / receive antenna designed for the frequency fi is applied to the antenna connection A of the radar module 1.
  • a frequency conversion circuit 2 to the antenna connection A of the radar module 1 instead of the transmit / receive antenna designed for the frequency fi, which in turn excludes one for a much higher frequency range ⁇ placed transmit / receive antenna 7, which in turn is shown as a horn antenna.
  • the object, whose distance S from this antenna 7 is to be measured, is shown symbolically opposite the horn opening and is designated by 8. With a level meter. the surface of the object 8 is formed by the surface of the filling material (Fig. 1).
  • the frequency f3 with which the transmit / receive antenna 7 is operated can be more than three times the frequency fi and is preferably around 24 GHz.
  • the frequency conversion circuit 2 can be constructed very simply. In the preferred embodiment shown in FIG. 2, it consists of a mixer 4, a local oscillator 5, a low-pass filter 3 and a high-pass filter 6.
  • the low-pass filter 3, whose cut-off frequency is somewhat higher than the frequency fl, for example at 7 GHz, is on its first connection is connected to an input / output connection C, which can be connected to the antenna connection A of the radar module 1, and at its second connection to one of the three connections conclusions of the mixer 4 is connected.
  • the second connection of the mixer 4 is connected to the first connection of the high-pass filter 6, the cut-off frequency of which is somewhat lower than the frequency f3, for example at 23 GHz.
  • the second connection of the high-pass filter 6 forms the antenna connection B for the transmit / receive antenna 7.
  • the third connection of the mixer 4 is finally fed by the local oscillator 5 with a frequency, the value of which determines the ratio of the frequencies fi and f3 to one another. If the frequency fi is 5.8 GHz and the frequency f3 is 24 GHz, the frequency of the local oscillator 5 must be 18.2 GHz.
  • the signal of frequency fi arriving at an output terminal C of the frequency conversion circuit 2 passes through the low-pass filter 3 to the mixer 4 and is mixed with the frequency f2 of the local oscillator 5, as a result of which the frequencies are known
  • the mixer 4 must be designed for the bandwidth required in each case.
  • the frequency conversion circuit 2 forms a bidirectional signal path between the input / output connection C and the antenna connection B. In a reciprocal manner, the signals reflected by the surface of the object 8 pass from the antenna connection B and via the high-pass filter 6 with the frequency f3 to the mixer 4 and are converted with the frequency f2 of the local oscillator 5 by mixing, the frequencies
  • the microwave signal of the frequency fi output at the antenna connection A of the radar module 1 is converted into the frequency f3 by the frequency conversion circuit 2 and is emitted by the transmitting / receiving antenna 7 against the surface of the object 8.
  • the echo signal R reflected back from the surface of the object 8 is received by the transmitting / receiving antenna 7 and transformed back into the frequency fi by the frequency conversion circuit 2. It appears at the antenna connection A of the radar module 1 and is fed to the further processing in its evaluation circuit.
  • This evaluation circuit determines, in particular from the temporal position of the echo signal within each transmit / receive phase, the transit time of the microwaves between a reference point of the transmit / receive antenna 7 and the surface of the object 8, from the transit time via the known propagation speed the microwaves to determine the distance S or, based on the level measurement according to FIG. 1, the level H.
  • the frequency fß coincides with the frequency fi, as can be easily verified by inserting into the above equation for iß.
  • the radar module 1 thus “sees” only signals of the frequency fj, while the transmit / receive antenna 7 is only operated with microwave signals of the frequency f3.
  • the described embodiment of the distance measuring device is operated using the pulse method.
  • a conventional radar module can be used, which operates according to the frequency modulation continuous wave method (FMCW), or any other radar module, which has a common send / receive connection.
  • FMCW frequency modulation continuous wave method
  • the specified frequency values are particularly useful for level measurements, other frequency values can be considered depending on the intended application.
  • the high-pass filter 6 of the frequency conversion circuit 2 is unnecessary, since a waveguide system has a high-pass character.

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Abstract

Ein herkömmliches Radarmodul (1) für Füllstandsmessungen ist für den Betrieb innerhalb eines bestimmten, eng begrenzten Frequenzbereichs ausgelegt. Um ohne jeden Eingriff in dieses bestehende Radarmodul (1) Füllstandsmessungen bei einer wesentlich höheren Frequenz durchführen zu können, wird zwischen der für diese höhere Frequenz ausgelegten Sende/Empfangs-Antenne (7) und dem Antennenanschluss (A) des Radarmoduls (1) eine Frequenzumsetzungsschaltung (2) eingefügt. Diese mit geringem Aufwand zu verwirklichende Frequenzumsetzungsschaltung (2) setzt in Richtung vom Radarmodul (1) zur Antenne (7) die niedrigere in die hohe und in entgegengesetzter Richtung die hohe in die niedrigere Frequenz um.

Description

Radar-Abstandsmeßgerät
Die Erfindung betrifft ein Radar-Abstandsmeßgerät, insbesondere Füllstands¬ meßgerät, sowie eine Frequenzumsetzungsschaltung zur Verwendung in dem Radar- Abstandsmeßgerät.
Zur berührungslosen Abstandsmessung mit Mikrowellen sind besonders das Pulsra¬ dar und das Frequenzmodulation-Dauerstrichradar (FMCW-Radar) bekannt. Beim Pulsradar werden periodisch kurze Mikrowellen-Sendeimpulse ausgesendet, die von dem zu messenden Objekt reflektiert und nach einer abstandsabhängigen Laufzeit als Echosignal wieder empfangen werden. Die zeitliche Lage des Echo¬ signals innerhalb jeder Sende/Empfangs-Periode entspricht beim Pulsradar un¬ mittelbar dem Abstand des zu messenden Objekts. Bei dem FMCW-Radar wird eine kontinuierliche Mikrowelle ausgesendet, die periodisch linear frequenzmodu¬ liert ist, beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion. Die Frequenz jedes emp¬ fangenen Echosignals weist daher gegenüber der Augenblicksfrequenz, die das Sendesignal im Zeitpunkt des Empfangs hat, eine Frequenzdifferenz auf, die von der Laufzeit des Echosignals abhängt. Die Frequenzdifferenz zwischen Sendesi¬ gnal und Empfangssignal, die durch Mischung beider Signale und Auswertung des Fourierspektrums des Mischsignals gewonnen werden kann, entspricht somit dem Abstand der reflektierenden Oberfläche des Objekts von der Sende/Empfangs- Antenne. Bei der Abstandsmessung mit Radar wird angestrebt, mehrere im Ausbreitungsweg der Mikrowellen in kurzem Abstand hintereinander angeordnete Objekte, die etwa gleiches Reflexionsvermögen aufweisen, auflösen zu können, um das zu messende Objekt, insbesondere die Füllstandsoberfläche, von Behältereinbauten oder der¬ gleichen unterscheiden zu können. Für eine geforderte Abstandsauflösung von 15 cm darf die Länge der Sendeimpulse bei einem Pulsradar höchstens 1 ns be¬ tragen. Bei Anwendung des FMCW- Verfahrens muß für dieselbe Abstandsauflösung die Frequenz des Sendesignals um mindestens 1 GHz verändert werden können, z.B. von 4,8 GHz auf 5,8 GHz. Höhere Sendefrequenzen von beispielsweise 24 GHz sind insofern vorteilhaft, als durch die verbesserte Bündelung in kleineren oder schmaleren Behältern gemessen werden kann, ein höherer Gewinn mit klei¬ neren Antennen erzielt wird und die Hochfrequenzdurchführung an Behältern mit hohem Innendruck vereinfacht wird. Gegen die Anwendung erhöhter Sendefrequen¬ zen spricht allerdings der damit verbundene erhöhte Aufwand. Ferner gibt es Anwendungen, bei denen die Verwendung einer niedrigeren Sendefrequenz günsti¬ ger ist, beispielsweise bei zur Schaumbildung neigenden Flüssigkeitsoberflä¬ chen. Es besteht somit ein Bedarf für Radar-Abstandsmeßgeräte, die mit erhöh¬ ter Sendefrequenz arbeiten können; zugleich besteht aber weiterhin der Bedarf für Radar-Abstandsmeßgeräte, die mit vergleichsweise niedriger Sendefrequenz von beispielsweise 5,8 GHz arbeiten.
Die verfügbaren Füllstandsmeßgeräte sind jedoch jeweils für einen bestimmten Frequenzbereich ausgelegt. Durch den vorgegebenen Frequenzbereich herkömmli¬ cher Abstandsmeßgeräte werden ihre Einsatzmöglichkeiten eingeschränkt.
Durch die Erfindung wird es nun durch mäßigen Aufwand erreicht, den Einsatzbe¬ reich vorhandener Radar-Abstandsmeßgeräte, insbesondere Füllstandsmeßgeräte, zu wesentlich höheren Frequenzen hin zu erweitern. Ausgegangen wird von einem Radar-Abstandsmeßgerät, mit einem Radarmodul, das z.B. einen Generator zur Erzeugung von Mikrowellen in einem relativ niedrigen Frequenzbereich, einen Strahlteiler, einen Mischer, einen Koppler und eine Auswerte-Schaltung auf¬ weist. Der Strahlteiler besitzt einen mit dem Ausgang des Generators verbunde¬ nen Eingang und zwei Ausgänge. Der Mischer weist einen Ausgang und zwei Ein¬ gänge auf, von denen der erste mit einem der Ausgänge des Strahlteilers und der zweite mit einem der drei Anschlüsse des Kopplers verbunden ist. Der ande¬ re Ausgang des Strahlteilers ist mit einem weiteren Anschluß des Kopplers ver¬ bunden. Der dritte Anschluß des Kopplers bildet einen Antennenanschluß, an den eine Sende/Empfangs-Antenne angeschlossen werden kann, die für den relativ niedrigen Frequenzbereich, beispielsweise 5,8 GHz, ausgelegt ist. Mittels dieser Sende/Empfangs-Antenne können Sendewellen mit einer innerhalb dieses Frequenzbereichs liegenden Frequenz zur Oberfläche eines Gegenstandes ausge¬ sendet werden, dessen Abstand von der Antenne gemessen werden soll. Über die¬ selbe Antenne werden die an der Oberfläche des Gegenstandes reflektierten Echowellen empfangen. An den Ausgang des Mischers ist schließlich die Auswer- te-Schaltung des Radarmoduls angeschlossen, die aus den dort abgegebenen Si¬ gnalen die Laufzeit der Mikrowellen zur Oberfläche des Gegengstandes ermittelt und daraus deren Abstand bestimmt.
Unter Verwendung desselben, unveränderten Radarmoduls, das für eine relativ niedrige Sendefrequenz ausgelegt ist, wird es nun durch die Erfindung ermög¬ licht, bedarfsweise bei einer deutlich höheren Sendefrequenz zu arbeiten. Durch die Erfindung wird eine Frequenzumsetzungsschaltung geschaffen, die zwi¬ schen dem Antennenanschluß des unveränderten Radarmoduls und einer vorzugs¬ weise für den höheren Frequenzbereich ausgelegten Sende/Empfangs-Antenne ein¬ gefügt werden kann. Diese Frequenzumsetzungsschaltung enthält einen bidirek¬ tionalen Signalweg zwischen einem an den Antennenanschluß des Radarmoduls an¬ schließbaren Ein/Ausgangs-Anschluß und einem eigenen Antennenanschluß sowie einen Lokaloszillator und einen Mischer, der sowohl die Frequenz fi der Signa¬ le am Ein/ Ausgangs-Anschluß durch Mischung mit der Frequenz f2 des Lokaloszil¬ lators in die höhere Frequenz f3 umsetzt, mit der die Signale am eigenen An¬ tennenanschluß abgegeben werden, als auch die Frequenz f3 der an diesem An¬ tennenanschluß empfangenen Signale durch Mischung mit der Frequenz f2 des Lokaloszillators in die Frequenz fi umsetzt, mit der die Signale an den Ein/ Ausgangs-Anschluß abgegeben werden. Obwohl die Sendewellen, mit denen die Ab¬ standsmessung erfolgt, in einem Frequenzbereich liegen, der um ein Mehrfaches höher liegt als die Arbeitsfrequenz des Radarmoduls, werden in diesem Radar¬ modul nur Signale mit seiner Arbeitsfrequenz verarbeitet. Es sind daher kei¬ nerlei Änderungen dieses Radarmoduls erforderlich. Der Aufwand zur Realisie¬ rung der Frequenzumsetzungsschaltung ist erheblich geringer als der für eine Neukonzeption des gesamten Abstandsmeßgeräts. Er ist auch geringer als bei einer allenfalls in Betracht kommenden Anwendung einer Frequenzumsetzung innerhalb einer bestehenden Gesamtkonzeption des Abstandsmeßgeräts. So enthält die Frequenzumsetzungsschaltung nach einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung lediglich einen Lokaloszillator, einen Mischer, vorzugsweise ein Tiefpaßfilter und bei Bedarf ein Hochpaßfilter. Von den drei Anschlüssen des Mischers ist der erste mit dem Ausgang des Lokaloszillators, der zweite mit dem einen Anschluß des Tiefpaßfilters und der dritte mit dem einen Anschluß des Hochpaßfilters verbunden. Der zweite Anschluß des Tiefpaßfilters wird mit dem Antennenanschluß des Radarmoduls verbunden, und die Sende/Empfangs-Antenne wird an den zweiten Anschluß des Hochpaßfilters angelegt, der den Antennenan¬ schluß der zwischengefügten Frequenzumsetzungsschaltung bildet. Die Grenzfre¬ quenz des Tiefpaßfilters liegt vorzugsweise am oberen Ende des niedrigen Fre¬ quenzbereichs, und die des Hochpaßfilters vorzugsweise am unteren Ende des höheren Frequenzbereichs. Bei dieser Ausführung "sieht" das vorhandene Ab¬ standsmeßgerät nur Signale innerhalb des ersten Frequenzbereichs, und die Sende/Empfangs-Antenne wird nur mit Signalen innerhalb des zweiten Frequenz¬ bereichs betrieben.
Die Frequenzbereiche um 5,8 GHz und 24,125 GHz sind Industriebänder, bei denen die Möglichkeit besteht, Radar-Füllstandsmeßgeräte außerhalb von geschlossenen metallischen Behältern zu betreiben. Vorteilhaft sind daher Ausführungen, bei denen das Radarmodul mit der Frequenz von 5,8 GHz arbeitet und die Frequenzum¬ setzungsschaltung diesen Wert auf eine erhöhte Sendefrequenz von etwa 24 GHz umsetzt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be¬ schreibung einer vorteilhaften Ausführungsform anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 das Prinzip eines mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgerätes; und
Fig. 2 das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerätes.
Fig. 1 zeigt als bevorzugte Anwendung die Messung des Füllstandes in einem Be¬ hälter 10, der bis zu einer Höhe H mit einem Füllgut 12 gefüllt ist.
Zur Messung des Füllstands H ist oberhalb des Behälters 10 eine Antenne 14 an¬ gebracht, mit der eine elektromagnetische Welle zur Oberfläche des Füllguts 12 gesendet und die an dieser Oberfläche reflektierte Echowelle empfangen werden kann. Die ausgesendete elektromagnetische Welle wird durch eine Sendeschaltung 16 erzeugt, deren Ausgang sowohl mit einem Frequenzmischer 18 als auch mit einem Zirkulator 19 verbunden ist, an den die Antenne 14 angeschlossen ist. Der Fre¬ quenzmischer 18 ist ferner mit dem Zirkulator 19 und mit einer Empfangs- und Auswerte-Schaltung 20 verbunden, die aus dem der Antenne 14 von der Sende¬ schaltung 16 zugeführten Sendesignal und dem von der Antenne 14 gelieferten Empfangssignal die Entfernung E zwischen der Antenne 14 und der Oberfläche des Füllguts 12 ermittelt. Da der Abstand D der Antenne 14 vom Boden des Behälters 10 bekannt ist, ergibt die Differenz zwischen diesem Abstand D und der gemes¬ senen Entfernung E den gesuchten Füllstand H.
Zur Erzielung von geringeren Störreflexionen muß mit relativ kurzen Wellen ge¬ arbeitet werden, die im Mikrowellenbereich liegen. Die Antenne 14 ist natür¬ lich für die Aussendung und den Empfang von so kurzen Wellen ausgebildet; sie ist beispielsweise mit einem Hornstrahler ausgestattet, wie in Fig. 1 angedeu¬ tet ist.
Für die Messung der Entfernung E kann jedes aus der Radartechnik bekannte Ver¬ fahren angewendet werden. Alle diese Verfahren beruhen darauf, die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen von der Antenne zur reflektierenden Oberfläche und zurück zur Antenne zu messen. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elek¬ tromagnetischen Wellen bekannt ist, kann aus der gemessenen Laufzeit die zu¬ rückgelegte Strecke berechnet werden.
Ein bekanntes Radarverfahren ist das Pulsradar, bei dem periodisch kurze Sen¬ deimpulse ausgesendet werden und in einer sich an jede Aussendung eines Sende¬ impulses anschließenden Empfangsphase die Echosignale mit der Frequenz des Sendeimpulses erfaßt werden. In diesem Fall stellt die im Verlauf jeder Emp¬ fangsphase empfangene Signalamplitude über der Zeit unmittelbar die Echofunk¬ tion dar. Jeder Wert dieser Echofunktion entspricht der Amplitude eines in ei¬ nem bestimmten Abstand von der Antenne reflektierten Echos. Die Lage des Nutz¬ echos in der Echofunktion zeigt daher unmittelbar die zu messende Entfernung an.
Die direkte Messung der Laufzeit wird bei dem Frequenzmodulations-Dauerstrich- verfahren (FMCW- Verfahren) vermieden. Bei diesem Verfahren wird eine kontinu¬ ierliche Mikrowelle ausgesendet, die periodisch linear frequenzmoduliert ist, beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion. Die Frequenz jedes empfangenen Echosignals weist daher gegenüber der Augenblicksfrequenz, die das Sendesignal im Zeitpunkt des Empfangs hat, eine Frequenzdifferenz auf, die von der Lauf¬ zeit des Echosignals abhängt. Die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal, die durch Mischung beider Signale und Auswertung des Fourier- spektrums des Mischsignals gewonnen werden kann, entspricht somit dem Abstand der reflektierenden Fläche von der Antenne.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Blockschaltbild ist innerhalb einer Umrahmung ein Radarmodul 1 von herkömmlicher Bauart dargestellt. Das Radarmodul 1 kann aus Einzelkomponenten aufgebaut sein, ist jedoch vorzugsweise als Gesamtschaltung auf einem Substrat realisiert. Im Inneren des Radarmoduls 1 ist ein Generator zur Erzeugung von Mikrowellen der Frequenz fi vorgesehen, die innerhalb ei¬ nes ersten Frequenzbereichs liegt und beispielsweise 5,8 GHz beträgt.
Das Radarmodul 1 ist mit einem Antennenanschluß A versehen, an den in herkömm¬ licher Weise und bei Bedarf eine für die Frequenz fi geeignete Sende/Empfangs- Antenne angeschlossen werden kann. An einem Ausgang 9 des Radarmoduls 1 sind die von diesem abgegebenen Meßwerte verfügbar.
Die bisher beschriebene Anordnung bildet unter der Voraussetzung, daß an den Antennenanschluß A des Radarmoduls 1 eine für die Frequenz fi ausgelegte Sende/Empfangs-Antenne angelegt ist, ein herkömmliches Füllstandsmeßgerät.
Gemäß der in Fig. 2 veranschaulichten Erfindung ist aber vorgesehen, am Anten¬ nenanschluß A des Radarmoduls 1 anstelle der für die Frequenz fi ausgelegten Sende/Empfangs-Antenne bei Bedarf eine Frequenzumsetzungsschaltung 2 anzu¬ schließen, die ihrerseits eine für einen weitaus höheren Frequenzbereich aus¬ gelegte Sende/Empfangs-Antenne 7 speist, die wiederum als Hornantenne darge¬ stellt ist. Der Gegenstand, dessen Abstand S von dieser Antenne 7 gemessen werden soll, ist symbolisch gegenüber der Hornöffnung dargestellt und mit 8 bezeichnet. Bei einem Füllstandsmeßgerät ist . die Oberfläche des Gegenstandes 8 durch die Oberfläche des Füllgutes gebildet (Fig. 1). Die Frequenz f3, mit der die Sende/Empfangs- Antenne 7 betrieben wird, kann mehr als das Dreifache der Frequenz fi betragen und liegt vorzugsweise bei etwa 24 GHz.
Die Frequenzumsetzungsschaltung 2 kann sehr einfach aufgebaut sein. Bei der bevorzugten, in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform besteht sie aus einem Mischer 4, einem Lokaloszillator 5, einem Tiefpaßfilter 3 sowie einem Hochpaßfilter 6. Das Tiefpaßfilter 3, dessen Grenzfrequenz etwas höher liegt als die Frequenz fl, beispielsweise bei 7 GHz, wird an seinem ersten Anschluß mit einem Ein/ Ausgangs-Anschluß C verbunden, der mit dem Antennenanschluß A des Radarmoduls 1 verbunden werden kann, und an seinem zweiten Anschluß mit einem der drei An- schlüsse des Mischers 4 verbunden ist. Der zweite Anschluß des Mischers 4 ist mit dem ersten Anschluß des Hochpaßfilters 6 verbunden, dessen Grenzfrequenz etwas niedriger als die Frequenz f3 liegt, beispielsweise bei 23 GHz. Der zweite Anschluß des Hochpaßfilters 6 bildet den Antennenanschluß B für die Sende/Empfangs-Antenne 7. Der dritte Anschluß des Mischers 4 wird schließlich durch den Lokaloszillator 5 mit einer Frequenz gespeist, deren Wert das Verhältnis der Frequenzen fi und f3 zueinander bestimmt. Wenn die Frequenz fi 5,8 GHz und die Frequenz f3 24 GHz beträgt, so muß die Frequenz des Lokal¬ oszillators 5 18,2 GHz betragen.
Das am Ein Ausgangs-Anschluß C der Frequenzumsetzungsschaltung 2 ankommende Signal der Frequenz fi gelangt über den Tiefpaß 3 zu dem Mischer 4 und wird mit der Frequenz f2 des Lokaloszillators 5 gemischt, wodurch in bekannter Weise die Frequenzen
f3 = f2 + fl und f4 = f2 - f 1
entstehen. Der Mischer 4 muß für die jeweils benötigte Bandbreite ausgelegt sein. Die Frequenzumsetzungsschaltung 2 bildet einen bidirektionalen Signalweg zwischen dem Ein/ Ausgangs-Anschluß C und dem Antennenanschluß B. In reziproker Weise gelangen die von der Oberfläche des Gegenstands 8 reflektierten Signale vom Antennenanschluß B und über das Hochpaßfilter 6 mit der Frequenz f3 zu dem Mischer 4 und werden mit der Frequenz f2 des Lokaloszillators 5 durch Mischung umgesetzt, wobei die Frequenzen
f5 = 3 + f2 und f6 = 3 - f2
entstehen.
Es wird nun die Arbeitsweise des Füllstandsmeßgerätes beschrieben. Das am Antennenanschluß A des Radarmoduls 1 abgegebene Mikrowellensignal der Frequenz fi wird durch die Frequenzumsetzungsschaltung 2 in die Frequenz f3 umgesetzt und von der Sende/Empfangs-Antenne 7 gegen die Oberfläche des Gegen¬ stands 8 abgestrahlt. Das von der Oberfläche des Gegenstands 8 zurückreflek¬ tierte Echosignal R wird von der Sende/Empfangs-Antenne 7 aufgenommen und durch die Frequenzumsetzungsschaltung 2 in die Frequenz fi zurücktransfor- miert. Es erscheint am Antennenanschluß A des Radarmoduls 1 und wird der wei¬ teren Verarbeitung in dessen Auswerte-Schalrung zugeführt. Diese Auswerte- Schaltung ermittelt insbesondere aus der zeitlichen Lage des Echosignals in¬ nerhalb jeder Sende/Empfangs-Phase die Laufzeit der Mikrowellen zwischen einem Bezugspunkt der Sende/Empfangs-Antenne 7 und der Oberfläche des Gegenstandes 8, um aus der Laufzeit über die bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mi¬ krowellen den Abstand S bzw. - bezogen auf die Füllstandsmessung nach Fig. 1 - den Füllstand H zu bestimmen.
In der Frequenzumsetzungsschaltung 2 bildet der Mischer 4 für den Sendevorgang durch additive Mischung die Frequenz f3 = 2 + fl- Die gleichzeitig erzeugte Frequenz f4 = f2 - fl wird durch das Hochpaßfilter 6 unterdrückt, das nur die Frequenz f3 zur Sende/Empfangs-Antenne 7 durchläßt. Die von dieser Antenne 7 empfangenen Echosignale R der Frequenz f3 durchlaufen das Hochpaßfilter 6 unbehindert und gelangen zum Mischer 4, der sie auf die Frequenz 6 = f3 - f2 heruntermischt. Die Frequenz fß stimmt mit der Frequenz fi überein, wie durch Einsetzen in die vorstehende Gleichung für iß leicht verifiziert werden kann. Die auf die Frequenz fi heruntergemischten Echosignale durchlaufen nun un¬ behindert das Tiefpaßfilter 3, welches alle höheren Frequenzen vom Antennenan¬ schluß A des Radarmoduls 1 fernhält. Der Radarmodul 1 "sieht" also nur Signale der Frequenz fj, während die Sende/Empfangs- Antenne 7 nur mit Mikrowellensi¬ gnalen der Frequenz f3 betrieben wird.
Es ist somit ersichtlich, daß keinerlei Veränderungen des vorhandenen Radar¬ moduls 1 erforderlich sind, um mit diesem eine Füllstandsmessung bei einer wesentlich höheren Frequenz auszuführen als diejenige, für die es konzipiert wurde.
Die beschriebene Ausfuhrungsform des Abstandsmeßgeräts wird im Puls-Verfahren betrieben. Anstelle des für diese Betriebsart ausgelegten Radarmoduls 1 kann ein herkömmliches Radarmodul verwendet werden, das nach dem Frequenzmodula- tions-Dauerstrichverfahren (FMCW) arbeitet, oder auch jedes andere Radarmodul, das über einen gemeinsamen Sende/Empfangs-Anschluß verfügt. Die angegebenen Frequenzwerte sind zwar für Füllstandsmessungen besonders zweckmäßig, jedoch kommen je nach beabsichtigter Anwendung andere Frequenzwerte in Betracht.
Bei Verwendung eines Hohlleitersystems mit Homantenne erübrigt sich das Hoch¬ paßfilter 6 der Frequenzumsetzungsschaltung 2, da ein Hohlleitersystem Hoch¬ paßcharakter besitzt.

Claims

Patentansprüche
1. Radar-Abstandsmeßgerät, insbesondere Füllstandsmeßgerät, mit einem Radarmodul (1), das einen Anschluß (A) für eine Sende/Empfangs-Antenne zur Aussendung von Sendewellen zur Oberfläche eines Gegenstandes (8), dessen Abstand von der Antenne gemessen werden soll, und zum Empfang der an der Oberfläche reflektierten Echowellen sowie eine Auswerteschaltung enthält, die aus der Laufzeit der Mikrowellen zur Oberfläche des Gegenstandes und zurück deren Abstand bestimmt;
dadurch gekennzeichnet, daß an den Anschluß (A) des Radarmoduls (1) eine Frequenzumsetzungsschaltung (2) angeschlossen ist, die einen Lokaloszillator (5), einen Mischer (4) und einen Antennenanschluß (B) aufweist und die Frequenz fi der von dem Radarmodul (1) empfangenen Signale durch Mischung mit der Frequenz f2 des Lokaloszillators (5) in eine höhere Frequenz f3 umsetzt, mit der die Sendesignale am Antennenanschluß (B) abgegeben werden, und die Frequenz f3 der am Antennenanschluß (B) empfangenen Echosignale (R) durch Mischung mit der Frequenz f2 des Lokaloszillators (5) in die Frequenz fi umsetzt, mit der die Empfangssignale an den Anschluß (A) des Radarmoduls (1) abgegeben werden.
2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (4) drei Anschlüsse aufweist, von denen der erste mit dem Ausgang des Lokaloszillators (5), der zweite mit einem der zwei Anschlüsse eines Tiefpaßfilters (3), dessen anderer Anschluß mit dem Anschluß (A) des Radarmoduls (1) verbunden ist, und der dritte mit dem Antennenanschluß (B) verbunden ist.
3. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Anschluß des Mischers (4) über ein Hochpaßfilter (6) mit dem Antennenanschluß (B) verbunden ist.
4. Meßgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenz- frequenz des Tiefpaßfilters (3) am oberen Ende eines ersten Frequenzbereichs in der Nähe der Frequenz fi liegt, mit dem das Radarmodul (1) arbeitet.
5. Meßgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters (6) am unteren Ende eines zweiten Frequenzbereichs in der Nähe der Frequenz f3 liegt.
6. Meßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des zweiten Frequenzbereichs mindestens etwa den doppelten Wert der Frequenz des ersten Frequenzbereichs aufweist.
7. Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz fi am Anschluß (A) des Radarmoduls (1) etwa 5,8 GHz und die Frequenz f3 am Antennenanschluß (B) etwa 24 GHz beträgt.
8. Frequenzumsetzungsschaltung zur Verwendung in einem Radar-Abstandsmeßgerät, insbesondere Füllstandsmeßgerät, das ein Radarmodul (1) mit einem Antennen¬ anschluß (A) für eine Sende/Empfangsantenne aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen bidirektionalen Signalweg zwischen einem an den Antennenanschluß (A) des Radarmoduls (1) anschließbaren Ein/ Ausgangs- Anschluß (C) und einem eigenen Antennenanschluß (B) sowie einen Lokaloszillator (5) und einen Mischer (4) aufweist, der sowohl die Frequenz fi der Signale am Ein/Ausgangs-Anschluß (C) durch Mischung mit der Frequenz f2 des Lokaloszillators (5) in eine höhere Frequenz f"3 umsetzt, mit der die Signale am eigenen Antennenanschluß (B) ab¬ gegeben werden, als auch die Frequenz f3 der an diesem Antennenanschluß (B) empfangenen Signale (R) durch Mischung mit der Frequenz f2 des Lokaloszil¬ lators (5) in die Frequenz fi umsetzt, mit der die Signale an den Ein/Aus¬ gangs-Anschluß (C) abgegeben werden.
9. Frequenzumsetzungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (4) drei Anschlüsse aufweist, von denen der erste mit dem Ausgang des Lokaloszillators (5), der zweite mit einem der zwei Anschlüsse eines Tiefpaßfilters (3), dessen anderer Anschluß mit dem Ein/ Ausgangs- Anschluß (C) verbunden ist, und der dritte mit dem eigenen Antennenanschluß (B) verbunden ist.
10. Frequenzumsetzungsschaltung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich¬ net, daß der dritte Anschluß des Mischers (4) über ein Hochpaßfilter (6) mit dem eigenen Antennenanschluß (B) verbunden ist.
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