EP3631492A1 - Hochfrequenz-erzeugungseinheit - Google Patents

Hochfrequenz-erzeugungseinheit

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Publication number
EP3631492A1
EP3631492A1 EP18717034.5A EP18717034A EP3631492A1 EP 3631492 A1 EP3631492 A1 EP 3631492A1 EP 18717034 A EP18717034 A EP 18717034A EP 3631492 A1 EP3631492 A1 EP 3631492A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
signal
digital
clock
shf
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18717034.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Winfried Mayer
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP3631492A1 publication Critical patent/EP3631492A1/de
Pending 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
    • G01S7/032—Constructional details for solid-state radar subsystems
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a high-frequency generating unit for an FMCW radar-based level gauge.
  • sensors are used, for example, in level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices or
  • Conductivity meters are used. They record the corresponding process variables, such as level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity in the respective process plant. For influencing
  • Process variables are actuators, such as valves or pumps that allow the flow rate of a fluid in a conduit section or the level in a reservoir to be changed.
  • actuators such as valves or pumps that allow the flow rate of a fluid in a conduit section or the level in a reservoir to be changed.
  • a large number of these field devices are manufactured and sold by Endress + Hauser.
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • radar also known as continuous wave radar
  • high frequency and radar refer to signals or Electromagnetic waves with frequencies between 0.3 GHz and 300 GHz.
  • FMCW-based distance or velocity measurement there are already technically mature solutions for frequencies up to approximately 79 GHz for generating a high-frequency electrical signal by means of corresponding high-frequency generating units
  • a transmission / reception antenna whereby the resulting microwave-based transmission signal is generated and radiated, Accordingly, the frequency of the transmission signal is determined by the high-frequency generating unit.
  • Suitable high-frequency generating units for generating high-frequency signals for FMCW radar are already known.
  • a typical high-frequency generation unit according to the prior art is shown:
  • Core of the local high-frequency generating unit is a voltage-controlled high-frequency oscillator (this is usually a VCO, ie a "Voltage Controlled Oscillator” used), which generates a corresponding high-frequency signal whose frequency is variable by the control voltage typical
  • VCO Voltage Controlled Oscillator
  • Sawtooth-shaped frequency change of the electrical high-frequency signal is impressed by the fact that the oscillator via a feedback circuit, also known as “phase locked loop” or PLL ("Phase Locked Loop”), regulated.
  • PLL Phase Locked Loop
  • the feedback is realized by the high frequency signal of the
  • a control signal is diverted. This is supplied to a phase comparator, which compares the instantaneous phase position with that of a frequency-constant clock signal.
  • the frequency of the clock signal is in the range of preferably 10 MHz to 100 MHz and can be generated by means of a corresponding quartz oscillator.
  • the phase comparator controls the VCO via an analog DC signal, wherein the voltage value of the DC signal depends on the instantaneous phase position at the inputs of the phase comparator. As the name implies, the frequency of the VCO depends on the voltage at its input.
  • Sensitivity with which small or poorly reflecting measurement objects can be detected, especially at long distances, drastically decreases.
  • the invention is therefore based on the object, a simple and robust
  • a high-frequency generating unit for an FMCW radar-based fill level measuring device which comprises at least the following components: A clock unit configured to generate a clock signal having a predetermined clock frequency;
  • a digital switching device clocked by the clock signal (for example as an arbitrary generator or a circuit operating according to direct digital synthesis) which is designed to generate a digital output signal, ie discrete-time and / or discrete-value signal;
  • a digital / analogue converter which converts the digital output signal of the digital switching device into an analogue high frequency signal.
  • Rear derailleur so that the digital output signal with a variable frequency, in particular a within a predetermined frequency band linearly changing frequency, is generated.
  • the digital switching mechanism is preferably designed so that the frequency of the output signal is at most half as high as the clock frequency of
  • the digital switching mechanism is also preferably designed so that it generates the digital output signal with a frequency (or in a frequency band) at least 1 GHz, in particular 6 GHz. Even applications at 26 GHz or even 79 GHz, which represent further typical areas for radar-based level measurement, would be conceivable.
  • the digital / analogue converter is to be adapted to the digital output signal of the digital switching mechanism (in particular its level and pulse width or frequency range). On the output side, the digital / analog converter is dependent on the further processing of the high-frequency signal in
  • the digital / analog converter shall be designed to produce the analog high frequency signal either as a current-based signal or as a voltage-based signal ,
  • the high-frequency generating unit additionally comprises a filter which is designed to handle the
  • the filter (which is preferably designed as a low-pass or bandpass) at least for the frequency of
  • Output signal permeable In particular, if the frequency of the output signal is at most half as high as the clock frequency of the clock signal, the use of a low-pass filter is necessary to smooth the discrete-time output signal of the digital / analog converter.
  • a very compact design of the high-frequency generating unit according to the invention can be achieved if at least the clock unit, the digital switching mechanism and the digital / analog converter are constructed in the form of an integrated monolithic circuit.
  • the integrated circuit also comprises the clock unit, there is a particularly favorable embodiment variant in that the clock unit is realized as an acoustic surface resonator.
  • the reference source it is preferable for the reference source to have a reference frequency which is equal to or corresponds to an integer divisor of the clock frequency.
  • an FMCW radar-based level measuring device which is used to measure a level of a filling material located in a container, has
  • a high-frequency generation unit according to one of the previously described embodiments,
  • a transmitting / receiving antenna which emits the analog high frequency signal as an electromagnetic transmission signal in the direction of the contents and / or the reflected signal after reflection on the surface of the contents receives (a separate transmitting and receiving antenna would also be used), a Control / evaluation unit, which determines the level according to the FMCW method by means of the measured frequency difference between the electromagnetic transmission signal and the reflected signal.
  • FIG. 1 shows a general representation of an FMCW radar-based level gauge on a container
  • Fig. 2 a characteristic of FMCW radar frequency characteristic of the electrical
  • Fig. 3 a high-frequency generation unit for FMCW radar according to the prior art
  • FIG. 4 shows a high-frequency generation unit according to the invention.
  • FIG. 1 shows a typical arrangement of a fill level measuring device 1 operating according to the FMCW radar principle on a container 2.
  • a filling material 3 the level of which L is to be determined by the level gauge 1.
  • L the level of which L is to be determined by the level gauge 1.
  • Level gauge 1 via an internal control evaluation unit 15 and a
  • a corresponding bus system such as "PROFIBUS", "HART” or “Wireless HART” is connected to a higher-level unit 4, for example a process control system, which can be used to communicate information about the operating state of the fill level measuring device 1.
  • Information about the fill level L can also be communicated be transmitted to optionally control on the container 2 existing inflows and / or outflows.
  • the level gauge 1 is mounted in a known installation height h above the filling material 3 on the container 2.
  • the container 2 depending on the application can be up to more than 30 m high.
  • the level gauge 1 is arranged on the container 2 so that it emits an electromagnetic transmission signal SHF in the direction of the surface of the filling material 3. After reflection at the Gregut- surface receives the level gauge 1, the reflected signal EHF in
  • the difference frequency ie the difference between the instantaneous frequency IHF of the transmission signal SHF and the frequency of the reflected signal EHF currently received by the level measuring device 1
  • the difference frequency changes linearly with the distance d to the product surface
  • the transmission signal SHF not at a constant frequency fHF but at a frequency fHF that varies with time within a fixed frequency band Af.
  • Common frequency bands are in the field of level measurement at 6 GHz, 26 GHz or even at 79 GHz.
  • the width of the respective frequency band Af is approximately between 5% and 20% of the absolute frequency.
  • Frequency change ie a time linearly increasing frequency implemented (a linearly decreasing frequency change would be equally applicable), wherein the frequency change within the frequency band Af cyclically repeats with a preset repetition rate r.
  • a transceiver antenna 13 for example, a horn antenna as shown in FIG.
  • a common high-frequency generating unit 1 1 ' according to the prior art is shown in Fig. 3: It is based on a voltage controlled oscillator 1 13 for generating the high-frequency electrical signal SHF. In this case, its oscillation frequency can be adjusted by an applicable DC voltage value Sdc.
  • phase comparator within the ramp generator 1 12, wherein the phase comparator the instantaneous phase position with a
  • the generation of the clock signal s C iock is effected by means of a clock unit 1 1 1, which is implemented for example as a quartz oscillator, which clocks the ramp generator 1 13 here in a frequency of 10 MHz to 100 MHz.
  • a clock unit 1 1 1 which is implemented for example as a quartz oscillator, which clocks the ramp generator 1 13 here in a frequency of 10 MHz to 100 MHz.
  • the ramp generator 1 12 is also the frequency fHF or the
  • This control signal Sf can cause the frequency change, for example, by changing the divider values of the frequency divider in the ramp generator 112.
  • the high-frequency electrical signal SHF via a transmitting / receiving switch 12 of the transmitting / receiving antenna 13 of the
  • Level meter 1 is supplied to emit for purposes of level measurement, the electrical high frequency signal SHF as electromagnetic transmission signal SHF.
  • the electromagnetic signal EHF which is reflected by the surface of the filling material 3, is received via the transmitting / receiving antenna 13. Subsequently, the received electromagnetic signal EHF is supplied via the transmitting / receiving switch 12 to a mixer 14 and through the mixer 14 with the electric
  • Radio frequency signal SHF for this purpose between the voltage controlled oscillator 1 13 and the transmitting / receiving switch 12, for example by means of a corresponding
  • Signal divider to be branched off.
  • an intermediate frequency signal ezF is formed as known in FMCW. Due to the sawtooth-shaped frequency change of the electrical high-frequency signal SHF, the so-called difference frequency of the intermediate frequency signal ezF changes approximately linearly to the distance d between the level measuring device 1 and the surface of the filling material 3.
  • Intermediate frequency ezF the level L can be determined. This can be achieved, for example, by means of the corresponding designed control / evaluation unit 15 of the level measuring device 1, in particular by processing the
  • the high-frequency generating unit 1 V according to the prior art described with reference to FIG. 3 has several characteristics which have a disadvantageous effect especially in the level measurement: In addition to the complex and thus fault-prone circuit construction, a central disadvantage is that the oscillator 1 13 a comparatively high power consumption and a strong noise and a strong temperature dependence. A high power consumption of the
  • Level gauge 1 makes it difficult to comply with explosion protection regulations.
  • the disadvantageous effect of noise on the distance or level measurement is that the sensitivity with which poorly reflecting contents 3 can be detected, especially at long distances or low level L, drastically decreases. Accordingly, not only the resolution or the
  • a high-frequency generating unit 1 1 according to the invention for an FMCW-based level measuring device 1 which has a structure, as shown in Fig. 4:
  • the digital switching mechanism 14 serves to generate a digital, periodic output signal Sd and accordingly can be implemented, for example, as an arbitrary generator (also known by the term “Arbitrary Waveform Generator") or a circuit operating according to direct digital synthesis
  • the frequency fHF or the sawtooth-shaped frequency change of the high-frequency signal SHF (and thus also the frequency of the transmission signal SHF, which is in the microwave range) is also produced via the digital switching mechanism 14
  • the clocking of the digital switching mechanism 1 14 is in turn effected by a separate clock unit 1 1 1.
  • the clock unit 1 1 1 The clock unit
  • 1 1 1 is here preferably designed to generate the clock signal s c iock with a clock frequency fdock which is at least twice as high as the frequency fHF of the
  • the high-frequency generating unit 11 comprises a digital / analog converter 15, which purely optimally inputs the digital output signal Sd of the digital switching mechanism 1 14 into the desired analog high-frequency signal SHF
  • the digital / analog converter 1 15 may be designed to output the high-frequency signal SHF either as a voltage-based or as a current-based signal.
  • the high-frequency electrical signal SHF can be realized without a voltage-controlled oscillator and with substantially reduced circuit complexity compared with the prior art.
  • the setting of a wide frequency band Af and a high repetition rate r is also possible with the aid of the high-frequency generation unit 1 according to the invention, which in turn results in a higher accuracy in the measurement of the fill level L.
  • a further advantage of the high-frequency generation unit 1 1 according to the invention is that the entire circuit or at least the clock unit 11, the digital switching unit 114 and the digital / analog converter 15 can potentially be realized in a very compact manner in a single integrated circuit ,
  • the clock unit 1 1 1 could also be integrated as an acoustic surface resonator within the monolithic circuit.
  • the filter 1 16 it is optionally possible to filter the high-frequency signal SHF by means of a corresponding filter 16, so as to filter out any interference frequencies from the high-frequency signal SHF.
  • the filter 1 16 but at least for the Frequency f H F of the output signal SHF be permeable.
  • the filter 1 16 can be designed for example as a low-pass or bandpass.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine eine Hochfrequenz-Erzeugungseinheit (11) für ein FMCW- Radar basiertes Füllstandsmessgerät (1), das erfindungsgemäß folgende Komponenten umfasst: Eine Takteinheit (111) zur Erzeugung eines Taktsignals (sCiock), ein durch das Taktsignal (sCiock) getaktetes digitales Schaltwerk (114) zur Erzeugung eines digitalen Ausgangssignals (Sd), und einen Digital-/Analog-Wandler (115), der das digitale Ausgangssignal (Sd) des digitalen Schaltwerkes (114) in ein analoges Hochfrequenzsignal (SHF) wandelt. Durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau kann eine Hochfrequenz- Erzeugungseinheit (11) für FMCW-basierte Füllstandsmessung realisiert werden, die insbesondere ohne einen nach dem Stand der Technik erforderlichen spannungsgesteuerten Oszillator und eine damit verbundene, empfindliche Regelschleife auskommt. Dies führt zu einem wesentlich reduzierten Schaltungsaufwand, so dass die Hochfrequenz-Erzeugungseinheit (11) sehr kompakt, gegebenenfalls in einer einzigen monolithisch intergierten Schaltung, realisiert werden kann. Hinsichtlich der Füllstandsmessung ermöglicht die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Erzeugungseinheit (11) aufgrund ihrer störungsärmeren Signalerzeugung eine genauere und zuverlässigere Bestimmung des Füllstandes (L).

Description

Hochfrequenz-Erzeugungseinheit
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Erzeugungseinheit für ein FMCW-Radar basiertes Füllstandsmessgerät.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisie-rungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten oder
Leitfähigkeitsmessgeräten zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit in der jeweiligen Prozessanlage. Zur Beeinflussung von
Prozessvariablen dienen Aktoren, wie unter Anderem Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose
Messverfahren etabliert, da sie verschleiß- und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich, also mit einer hohen
Auflösung messen zu können. Daher werden Im Bereich der kontinuierlichen
Füllstandsmessung vorwiegend Radar-basierte Distanz-Messverfahren eingesetzt. Hierzu wird vorzugsweise das so genannte FMCW Verfahren („Frequency Modulated Continuos Wave", auch bekannt als Dauerstrichradar) angewandt, welches innerhalb von vordefinierten Radar-Frequenzbändern arbeitet (im Rahmen dieser Erfindung beziehen sich die Begriffe„Hochfrequenz" und„Radar" auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.3 GHz und 300 GHz). Bei FMCW-basierter Distanz- bzw. Geschwindigkeitsmessung gibt es für Frequenzen bis ungefähr 79 GHz bereits schaltungstechnisch ausgereifte Lösungen zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenzsignals mittels entsprechender Hochfrequenz- Erzeugungseinheiten. Die Hochfrequenz-Erzeugungseinheit speist hierbei eine Sende- /Empfangs-Antenne, wodurch das resultierende, mikrowellenbasierte Sendesignal erzeugt und abgestrahlt wird. Dementsprechend wird die Frequenz des Sendesignals durch die Hochfrequenz-Erzeugungseinheit festgelegt.
Geeignete Hochfrequenz-Erzeugungseinheiten zur Erzeugung von Hochfrequenzsignalen für FMCW-Radar sind bereits bekannt. In diesem Zusammenhang sei exemplarisch die Veröffentlichungsschrift DE 10 2013 105 A1 genannt. Dort ist eine typischerweise eingesetzte Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach dem Stand der Technik gezeigt:
Kern der dortigen Hochfrequenz-Erzeugungseinheit ist ein spannungsgesteuerter Hochfrequenz-Oszillator (in der Regel wird hierfür ein VCO, also ein„Voltage Controlled Oscillator" eingesetzt), der ein entsprechendes Hochfrequenz-Signal erzeugt, dessen Frequenz durch die Steuerspannung veränderbar ist. Die für FMCW typische
sägezahnförmige Frequenzänderung des elektrischen Hochfrequenzsignals wird dadurch eingeprägt, dass der Oszillator über eine Rückkopplungsschaltung, auch unter dem Namen„Phasenregelkreis" oder PLL („Phase Locked Loop") bekannt, geregelt wird.
Dabei wird die Rückkopplung realisiert, indem aus dem Hochfrequenzsignal des
Oszillators gegebenenfalls über einen Frequenzteiler ein Regelsignal abgezweigt wird. Dieses wird einem Phasenkomparator zugeführt, welcher die momentane Phasenlage mit der eines frequenzkonstanten Taktsignals vergleicht. Die Frequenz des Taktsignals liegt dabei in Bereichen von vorzugsweise 10 MHz bis 100 MHz und kann mittels eines entsprechenden Quarzoszillators erzeugt werden. Der Phasenkomparator steuert den VCO über ein analoges DC-Signal, wobei sich der Spannungswert des DC-Signals nach der momentanen Phasenlage an den Eingängen des Phasenkomparators richtet. Wie der Name bereits sagt, ist die Frequenz des VCO's wiederum abhängig vom Spannungswert an dessen Eingang.
Wie aus dieser Beschreibung hervorgeht, erfordert eine solche Hochfrequenz- Erzeugungseinheit nach dem Stand der Technik einen vergleichsweise aufwändigen Schaltungsaufbau. Neben dem komplexen Schaltungsaufbau besteht ein weiterer Nachteil darin, dass der spannungsgesteuerte Oszillator sowie der Frequenzteiler einen hohen Leistungsverbrauch und ein starkes Rauschen aufweisen. Der nachteilige Effekt von Rauschen auf die Distanz- bzw. Füllstands-Messung ist jedoch, dass die
Empfindlichkeit, mit der kleine oder schlecht reflektierende Messobjekte insbesondere bei weiten Entfernungen detektiert werden können, drastisch abnimmt. Durch hohen
Leistungsverbrauch wird es erschwert, das Füllstandsmessgerät so auszulegen, dass es gängige Explosionsschutzvorschriften einhält.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache und robuste
Hochfrequenz-Erzeugungseinheit für ein FMCW-basiertes Füllstandsmessgerät bereitzustellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Hochfrequenz-Erzeugungseinheit für ein FMCW-Radar basiertes Füllstandsmessgerät, das zumindest folgende Komponenten umfasst: Eine Takteinheit, die ausgestaltet ist, um ein Taktsignal mit einer vorbestimmten Taktfrequenz zu erzeugen,
ein durch das Taktsignal getaktetes, digitales Schaltwerk (beispielsweise als Arbiträrgenerator oder ein nach der direkten digitalen Synthese arbeitender Schaltkreis), welches ausgestaltet ist, um ein digitales, also zeit- und/oder wertdiskretes Ausgangssignal zu erzeugen,
einen Digital-/Analog-Wandler, der das digitale Ausgangssignal des digitalen Schaltwerkes in ein analoges Hochfrequenzsignal wandelt. Durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau kann eine Hochfrequenz-Erzeugungseinheit für FMCW-basierte Füllstandsmessung realisiert werden, die insbesondere ohne einen spannungsgesteuerten Oszillator und eine damit verbundene, anfällige Regelschleife auskommt. Dies führt zu einem wesentlich reduzierten Schaltungsaufwand, so dass die Hochfrequenz-Erzeugungseinheit sehr kompakt, gegebenenfalls in einer einzigen monolithisch intergierten Schaltung, realisiert werden kann.
Zur Anwendung bei FMCW-Radar basierter Füllstandsmessung ist das digitale
Schaltwerk so auszugestalten, dass das digitale Ausgangssignal mit einer veränderlichen Frequenz, insbesondere einer sich innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes linear ändernden Frequenz, erzeugt wird.
Darüber hinaus ist das digitale Schaltwerk vorzugsweise so auszulegen, dass die Frequenz des Ausgangssignals maximal halb so hoch wie die Taktfrequenz des
Taktsignals ist, um dem Abtasttheorem zu genügen. Zum Einsatz bei FMCW-Radar basierter Füllstandsmessung ist das digitale Schaltwerk außerdem vorzugsweise so auszulegen, dass es das digitale Ausgangssignal mit einer Frequenz (bzw. in einem Frequenzband) bei mindestens einem 1 GHz, insbesondere 6 GHz, erzeugt. Auch Anwendungen bei 26 GHz oder sogar 79 GHz, welches weitere typische Bereiche für Radar-basierte Füllstandsmessung darstellen, wären denkbar.
Entsprechend dem digitalen Schaltwerk ist der Digital-/Analog-Wandler an das digitale Ausgangssignal des digitalen Schaltwerkes (insbesondere dessen Pegel und Pulsweite bzw. Frequenzbereich) anzupassen. Ausgangsseitig ist der Digital-/Analog-Wandler in Abhängigkeit der weiteren Verarbeitung des Hochfrequenzsignals im
Füllstandsmessgerät auszulegen: Abhängig von den nachgeschalteten Komponenten, wie etwaiger Sende-Empfangsweichen oder Sende-/Empfangs-Antennen, ist der Digital- /Analog-Wandler so zu konzipieren, dass das analoge Hochfrequenzsignal entweder als ein strombasiertes Signal oder als ein spannungsbasiertes Signal erzeugt wird. 1 1 1 Hinsichtlich der Filterung etwaiger Stör- oder Rausch-Signale, die das elektrische Hochfrequenzsignal überlagern, ist es vorteilhaft, wenn die Hochfrequenz- Erzeugungseinheit zusätzlich einen Filter umfasst, der ausgestaltet ist, um das
Hochfrequenzsignal vor Einkopplung in die Sende-/Empfangs-Antenne des
Füllstandsmessgerätes entsprechend zu filtern. Hierbei ist der Filter (der vorzugsweise als Tiefpass oder Bandpass ausgelegt ist) zumindest für die Frequenz des
Ausgangssignals durchlässig. Insbesondere, wenn die Frequenz des Ausgangssignals maximal halb so hoch wie die Taktfrequenz des Taktsignals ist, ist die Verwendung eines Tiefpasses notwendig, um das zeitdiskrete Ausgangssignal des Digital-/Analog-Wandlers zu glätten.
Eine sehr kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Erzeugungseinheit kann erreicht werden, wenn zumindest die Takteinheit, das digitale Schaltwerk und der Digital-/Analog-Wandler in Form einer intergierten monolithischen Schaltung aufgebaut sind. Nicht zuletzt für den Fall, dass die integrierte Schaltung außerdem die Takteinheit umfasst, besteht eine besonders günstige Ausgestaltungsvariante darin, dass die Takteinheit als akustischer Oberflächenresonator realisiert ist.
Zudem bietet es sich an, wenn die Takteinheit mittels einer Phasenregelschleife mit einer Referenzquelle synchronisierbar ausgeführt wird. Hierdurch ist es möglich, dass die
Erzeugung des Hochfrequenzsignals und die Abtastung des empfangenen Messsignals den gleichen Taktbezug haben und damit besonders störunempfindlich sind. Außerdem kann so eine Takteinheit eingespart werden. Hierbei ist es vorzuziehen, dass die Referenzquelle eine Referenzfrequenz aufweist, die gleich hoch ist oder einem ganzzahligen Teiler der Taktfrequenz entspricht.
Bei einer Implementierung der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Erzeugungs-Einheit in einem FMCW-Radar basierten Füllstandsmessgerät, welches zur Messung eines Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes, dient, weist das
Füllstandsmessgerät entsprechend folgende Komponenten auf:
Eine Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten,
eine Sende-/Empfangs-Antenne, die das analoge Hochfrequenzsignal als ein elektromagnetisches Sendesignal in Richtung des Füllgutes aussendet und/oder das reflektierte Signal nach Reflektion an der Oberfläche des Füllgutes empfängt (eine separate Sende- und Empfangs-Antenne wären ebenso einsetzbar), eine Steuer-/Auswerte-Einheit, die gemäß dem FMCW Verfahren mittels der gemessenen Frequenzdifferenz zwischen dem elektromagnetisches Sendesignal und dem reflektierten Signal den Füllstand bestimmt. Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Eine allgemeine Darstellung eines FMCW-Radar basierten Füllstandsmessgerätes an einem Behälter,
Fig. 2: ein bei FMCW-Radar charakteristischer Frequenzverlauf des elektrischen
Hochfrequenzsignals,
Fig. 3: eine Hochfrequenz-Erzeugungseinheit für FMCW-Radar nach dem Stand der Technik, und
Fig. 4: eine erfindungsgemäße Hochfrequenz-Erzeugungseinheit.
Zu einem grundsätzlichen Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 eine typische Anordnung eines nach dem FMCW-Radar Prinzip arbeitenden Füllstandsmessgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. In dem Behälter 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. In der Regel ist das
Füllstandsmessgerät 1 über eine interne Steuer-Auswerte-Einheit 15 und ein
entsprechendes Bussystem, etwa„PROFIBUS",„HART" oder„Wireless HART" mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Es können auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter 2 vorhandene Zuflüsse und/oder Abflüsse zu steuern.
Zur Bestimmung des Füllstandes L ist das Füllstandsmessgerät 1 in einer vorbekannten Einbauhöhe h oberhalb des Füllgutes 3 am Behälter 2 angebracht. Hierbei kann der Behälter 2 je nach Anwendung bis zu mehr als 30 m hoch sein. Das Füllstandsmessgerät 1 ist so am Behälter 2 angeordnet, dass es ein elektromagnetisches Sendesignal SHF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 3 aussendet. Nach Reflektion an der Füllgut- Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 das reflektierte Signal EHF in
Abhängigkeit der Entfernung d = h - L zur Füllgut-Oberfläche. Hierbei wird gemäß dem FMCW-Prinzip der Effekt genutzt, dass sich Differenzfrequenz (also die Differenz zwischen der momentanen Frequenz IHF des Sendesignals SHF und der Frequenz des momentan vom Füllstandsmessgerät 1 empfangenen, reflektierten Signals EHF) linear mit der Entfernung d zur Füllgut-Oberfläche ändert.
Zur Nutzung dieses Effektes ist es entsprechend dem FMCW-Prinzip notwendig, das Sendesignal SHF nicht mit einer konstanten Frequenz fHF, sondern mit einer Frequenz fHF, die sich innerhalb eines festgelegten Frequenzbandes Af zeitlich ändert, auszusenden. Gängige Frequenzbänder liegen im Bereich der Füllstandsmesstechnik bei 6 GHz, 26 GHz oder auch bereits bei 79 GHz. Die Breite des jeweiligen Frequenzbandes Af beträgt hierbei in etwa zwischen 5 % und 20 % der absoluten Frequenz.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird typischerweise eine sägezahnförmige
Frequenzänderung, also eine zeitlich linear ansteigende Frequenz implementiert (eine linear abfallende Frequenzänderung wäre gleichermaßen einsetzbar), wobei sich die Frequenzänderung innerhalb des Frequenzbandes Af zyklisch mit einer voreingestellten Wiederholrate r wiederholt. Um das elektromagnetische Sendesignal SHF mit dieser Charakteristik über eine entsprechende Sende-Empfangs-Antenne 13 (beispielsweise eine Hornantenne, wie in Fig. 1 dargestellt) auszusenden, muss eine geeignete
Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1 1 , 1 1 ' des Füllstandsmessgerätes 1 ein
entsprechendes elektrisches Hochfrequenzsignal SHF erzeugen, welches ebenfalls eine sägezahnförmige Frequenzcharakteristik aufzuweisen hat. Eine gängige Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1 1 ' nach dem Stand der Technik ist in Fig. 3 dargestellt: Sie basiert auf einem spannungsgesteuerten Oszillator 1 13 zur Erzeugung des elektrischen Hochfrequenzsignals SHF. Hierbei ist dessen Oszillations- Frequenz durch einen anlegbaren Gleichspannungswert Sdc einstallbar. Im Fall der in Fig. 3 dargestellten Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1 1 ' erfolgt die
Einstellung des geforderten Gleichspannungswertes Sdc durch einen Rampengenerator 1 12, der standardmäßig als phasengesteuerter Regelkreis (auch bekannt als„Phase Locked Loop") mit dem spannungsgesteuerten Oszillator 1 13 rückgekoppelt ist. Dabei wird aus dem Hochfrequenzsignal SHF des Oszillators 1 13 (gegebenenfalls über einen zusätzlichen Frequenzteiler, in Fig. 3 nicht dargestellt) ein Regelsignal abgezweigt.
Dieses wird einem Phasenkomparator innerhalb des Rampengenerators 1 12 zugeführt, wobei der Phasenkomparator die momentane Phasenlage mit der eines
frequenzkonstanten Taktsignals sCiock vergleicht. Die Erzeugung des Taktsignals sCiock erfolgt mittels einer Takteinheit 1 1 1 , die beispielsweise als Schwingquarz realisiert ist, die den Rampengenerator 1 13 hierbei in einer Frequenz von 10 MHz bis 100 MHz taktet. Über den Rampengenerator 1 12 wird außerdem die Frequenz fHF bzw. die
sägezahnförmige Frequenzänderung des im Mikrowellenbereich liegenden Sendesignals SHF mittels eines entsprechenden Steuersignals Sf eingestellt. Dieses Steuersignal Sf kann beispielsweise dadurch die Frequenzänderung bewirken, dass es die Teilerwerte der Frequenzteiler im Rampengenerator 1 12 verändert.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, wird das elektrische Hochfrequenzsignal SHF über eine Sende-/Empfangsweiche 12 der Sende-/Empfangs-Antenne 13 des
Füllstandsmessgerätes 1 zugeführt, um zwecks Füllstandsmessung das elektrische Hochfrequenzsignal SHF als elektromagnetisches Sendesignal SHF auszusenden. Außerdem wird über die Sende-/Empfangs-Antenne 13 das elektromagnetische Signal EHF, das von der Oberfläche des Füllgutes 3 reflektiert wird, empfangen. Anschließend wird das empfangene elektromagnetische Signal EHF über die Sende-/Empfangsweiche 12 einem Mischer 14 zugeführt und durch den Mischer 14 mit dem elektrischen
Hochfrequenzsignal SHF gemischt. Wie in Fig. 3 angedeutet ist, kann das elektrische
Hochfrequenzsignal SHF hierzu zwischen dem spannungsgesteuerten Oszillator 1 13 und der Sende-/Empfangsweiche 12, beispielsweise mittels eines entsprechenden
Signalteilers, abgezweigt werden. Durch das Mischen mit dem elektrischen Hochfrequenzsignal SHF wird, wie bei FMCW bekannt, ein Zwischenfrequenzsignal ezF gebildet. Aufgrund der sägezahnförmigen Frequenzänderung des elektrischen Hochfrequenzsignals SHF ändert sich die so genannte Differenzfrequenz des Zwischenfrequenzsignals ezF in etwa linear zum Abstand d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und der Oberfläche des Füllgutes 3.
Dementsprechend kann mittels Messung dieser Differenzfrequenz des
Zwischenfrequenzsignals ezF der Füllstand L bestimmt werden. Erfolgen kann dies beispielsweise mittels der entsprechende ausgelegten Steuer-/Auswerte-Einheit 15 des Füllstandsmessgerätes 1 , insbesondere durch Verarbeitung des
Zwischenfrequenzsignals ezF mittels einer„Fast Fourier Transformation".
Die anhand von Fig. 3 beschriebene Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1 V nach dem Stand der Technik weist mehrere Charakteristika auf, die sich insbesondere bei der Füllstandsmessung nachteilig auswirken: Neben dem komplexen und somit störanfälligen Schaltungsaufbau besteht ein zentraler Nachteil darin, dass der Oszillator 1 13 einen vergleichsweise hohen Leistungsverbrauch und ein starkes Rauschen sowie eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist. Ein hoher Leistungsverbrauch des
Füllstandsmessgerätes 1 erschwert das Einhalten von Explosionsschutzvorschriften. Der nachteilige Effekt von Rauschen auf die Distanz- bzw. Füllstands-Messung ist, dass die Empfindlichkeit, mit der schlecht reflektierende Füllgüter 3 insbesondere bei weiten Entfernungen bzw. tiefem Füllstand L detektiert werden können, drastisch abnimmt. Dementsprechend wird hierdurch nicht nur das Auflösungsvermögen bzw. die
Genauigkeit der Füllstandsmessung begrenzt, sondern es erhöht sich auch das Risiko, dass ein etwaiges Störecho vom Füllstandsmessgerät 1 fälschlicherweise als Füllstands- Echo interpretiert wird. Dies gefährdet nicht nur die Sicherheit im Umfeld des Behälters 2, sondern gegebenenfalls auch die Betriebs-Sicherheit in der gesamten Prozessanlage.
Daher wird eine erfindungsgemäße Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1 1 für ein FMCW- basiertes Füllstandsmessgerät 1 vorgeschlagen, die einen Aufbau aufweist, wie es in Fig. 4 gezeigt ist: Anstelle des rückgekoppelten Oszillators 1 13 basiert die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1 1 bei diesem Aufbau auf einem digitalen Schaltwerk 1 14. Das digitale Schaltwerk 1 14 dient in diesem Fall zur Erzeugung eines digitalen, periodischen Ausgangssignals Sd und kann dementsprechend beispielsweise als ein Arbiträrgenerator (auch bekannt unter dem englischen Begriff„Arbitrary Waveform Generator") oder ein nach der direkten digitalen Synthese arbeitender Schaltkreis realisiert sein. Im Sinne der Erfindung ist natürlich auch jeglicher vergleichbare Baustein mit adäquater Funktion einsetzbar. Über das digitale Schaltwerk 1 14 wird zudem die Frequenz fHF bzw. die sägezahnförmige Frequenzänderung des Hochfrequenzsignals SHF (und somit auch die im Mikrowellen-Bereich befindliche Frequenz des Sendesignals SHF) mittels eines entsprechenden Steuersignals Sf eingestellt. Die Taktung des digitalen Schaltwerks 1 14 erfolgt wiederum durch eine separate Takteinheit 1 1 1 . Die Takteinheit
1 1 1 ist hierbei vorzugsweise so ausgelegt, um das Taktsignal sCiock mit einer Taktfrequenz fdock zu erzeugen, die mindestens doppelt so hoch wie die Frequenz fHF des
Ausgangssignals ist. Zudem umfasst die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1 1 einen Digital- /Analog-Wandler 1 15, der das digitale Ausgangssignal Sd des digitalen Schaltwerkes 1 14 in das gewünschte, analoge Hochfrequenzsignal SHF mit optimaler Weise rein
sinusförmigem Verlauf wandelt. Dabei kann der Digital-/Analog-Wandler 1 15 ausgelegt sein, um das Hochfrequenzsignal SHF entweder als spannungsbasiertes- oder als strombasiertes Signal auszugeben.
Somit kann durch die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1 1 das elektrische Hochfrequenzsignal SHF im Vergleich zum Stand der Technik ohne einen spannungsgesteuerten Oszillator und mit wesentlich reduziertem Schaltungsaufwand realisiert werden. Darüber hinaus entfällt eine etwaige Zusatzschaltung zur Kompensation von Temperatureffekten. Durch das Entfallen eines Regelkreises ist mithilfe der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1 1 zudem die Einstellung eines breiten Frequenzbandes Af und einer hohen Wiederholrate r möglich, welches wiederum eine höhere Genauigkeit bei der Messung des Füllstandes L bewirkt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Erzeugungseinheit 1 1 besteht darin, dass die gesamte Schaltung oder zumindest die Takteinheit 1 1 1 , das digitale Schaltwerk 114 und der Digital-/Analog-Wandler 1 15 potentiell sehr kompakt in einer einzigen intergierten Schaltung realisiert werden können. Hierzu könnte außerdem die Takteinheit 1 1 1 als akustischer Oberflächenresonator innerhalb der monolithischen Schaltung integriert werden.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist es optional möglich, das Hochfrequenzsignal SHF mittels eines entsprechenden Filters 1 16 zu filtern, um so jegliche Störfrequenzen aus dem Hochfrequenzsignal SHF auszufiltern. Hierfür muss der Filter 1 16 jedoch zumindest für die Frequenz fHF des Ausgangssignals SHF durchlässig sein. Dazu kann der Filter 1 16 beispielsweise als Tiefpass oder Bandpass ausgelegt werden.
Bezugszeichenliste
1 Füllstandsmessgerät
2 Behälter
3 Füllgut
4 Übergeordnete Einheit
1 1 , 1 1 ' Hochfrequenz-Erzeugungseinheit
12 Sende-/Empfangsweiche
13 Sende-/Empfangs-Antenne
14 Mischer
15 Steuer-/Auswerte-Einheit
1 12 Takteinheit
1 13 Rampengenerator
1 14 Spannungsgesteuerter Oszillator
1 15 Digitales Schaltwerk
1 16 Digital-/Analog-Wandler
1 17 Tiefpass
EHF Reflektiertes elektromagnetisches Signal ezF Zwischenfrequenzsignal
fHF Frequenz des Hochfrequenzsignals fciock Taktfrequenz des Taktsignals
r Wiederholrate
Sf Steuersignal zur Steuerung der Frequenz
SHF Elektromagnetisches Sendesignal
Sdc Gleichspannungswert
SHF Hochfrequenzsignal
Sdock Taktsignal
Af Frequenzband

Claims

Patentansprüche
1 . Hochfrequenz-Erzeugungseinheit für ein FMCW-Radar basiertes Füllstandsmessgerät (1 ), folgende Komponenten umfassend:
- Eine Takteinheit (1 1 1 ), die ausgestaltet ist, um ein Taktsignal (sCiock) mit einer vorbestimmten Taktfrequenz (fciock) zu erzeugen,
ein durch das Taktsignal (sCiock) getaktetes, digitales Schaltwerk (1 14), welches ausgestaltet ist, um ein digitales, periodisches Ausgangssignal (Sd) zu erzeugen, einen Digital-/Analog-Wandler (1 1 5), der das digitale Ausgangssignal (Sd) des digitalen Schaltwerkes (1 14) in ein analoges Hochfrequenzsignal (SHF) wandelt.
2. Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach Anspruch 1 , wobei das digitale Schaltwerk (1 14) ausgestaltet ist, um das digitale Ausgangssignal (Sd) mit einer veränderlichen Frequenz (fHF), insbesondere einer sich innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbandes {AT) linear ändernden Taktfrequenz (^F), ZU erzeugen.
3. Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei das digitale
Schaltwerk (1 14) so ausgelegt ist, dass die Frequenz (^F) des Ausgangssignals (Sd) maximal halb so hoch wie die Taktfrequenz ( ) des Taktsignals (sCiock) ist.
4. Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei das digitale Schaltwerk (1 14) ausgelegt ist, um das digitale Ausgangssignal (Sd) mit einer Frequenz (fHF) von zumindest einem 1 GHz zu erzeugen.
5. Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das digitale Schaltwerk (1 14) als ein Arbiträrgenerator oder ein nach der direkten digitalen Synthese arbeitender Schaltkreis realisiert ist.
6. Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Digital-/Analog-Wandler (1 1 5) ausgelegt ist, um das analoge Hochfrequenzsignal (SHF) als ein strombasiertes Signal oder als ein spannungsbasiertes Signal zu erzeugen.
7. Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend:
Einen Filter (1 16) der ausgestaltet ist, um das Hochfrequenzsignal (SHF) ZU filtern, wobei der Filter (1 16) zumindest für die Frequenz (^F) des Ausgangssignals (SHF) durchlässig ist.
8. Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach Anspruch 7, wobei der Filter (1 1 6) als Tiefpass oder Bandpass ausgelegt ist.
9. Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die Takteinheit (1 1 1 ), das digitale Schaltwerk (1 14) und der Digital-/Analog- Wandler (1 15) als eine intergierte Schaltung aufgebaut sind.
10. Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach Anspruch 9, wobei für den Fall, dass die integrierte Schaltung die Takteinheit (1 1 1 ) umfasst, die Takteinheit (1 1 1 ) als akustischer Oberflächenresonator realisiert ist.
1 1. Hochfrequenz-Erzeugungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Takteinheit (1 1 1 ) mittels einer Phasenregelschleife mit einer Referenzquelle synchronisiert ist, wobei die Referenzquelle eine Referenzfrequenz aufweist, die gleich hoch ist oder einem ganzzahligen Teiler der Taktfrequenz (fciock) entspricht.
FMCW-Radar basiertes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes (L) in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3), mit:
Einer Hochfrequenz-Erzeugungseinheit (1 1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
einer Sende-/Empfangs-Antenne (13), die das analoge Hochfrequenzsignal (SHF) als ein elektromagnetisches Sendesignal (SHF) in Richtung des Füllgutes (3) aussendet und/oder das reflektierte Signal (EHF) nach Reflektion an der
Oberfläche des Füllgutes (3) empfängt,
einer Steuer-/Auswerte-Einheit (15), die mittels einer Frequenzdifferenz zwischen dem elektromagnetisches Sendesignal (SHF) und dem reflektierten Signal (EHF) den Füllstand (L) bestimmt.
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