EP3928119A1

EP3928119A1 - Radarsensor für die fabrik- und logistikautomation

Info

Publication number: EP3928119A1
Application number: EP20705964.3A
Authority: EP
Inventors: Roland Welle; Daniel Schultheiss
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2019-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2021-12-29
Also published as: KR20210127127A; WO2020169598A1; US20220075047A1; DE102019202144A1; CN112840223A

Abstract

Radarsensor für die Fabrik- und Logistikautomation mit einer Radar-Schaltungsanordnung, die einen Radarchip zum Erzeugen, Abstrahlen, Empfangen und Auswerten von Radar-Messsignalen mit einem Öffnungswinkel von weniger als 5° aufweist. Der Radarchip weist eine Querschnittsfläche von weniger als 1 cm² auf und erzeugt Radar-Messsignale mit einer Frequenz von über 200 GHz.

Description

Radarsensor für die Fabrik- und Logistikautomation

Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr.

10 2019 202 144.1 , eingereicht am 18. Februar 2019, die in vollem Umfang durch

Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Fabrik- und Logistikautomation. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Radarsensor für die Fabrik- und Logistikautomation, die Verwendung eines derartigen Radarsensors zum Ersetzen eines optischen Sensors im Bereich der Fabrik- und

Logistikautomation und die Verwendung eines derartigen Radarsensors zum Ersetzen eines Lichtschrankenlasersensors.

Hintergrund

In der Fabrik- und Logistikautomation werden optische Sensoren verwendet, um beispielsweise Distanz- oder Winke Iwerte zu messen. Weitere Anwendungsbeispiele sind Drehratengeber oder Sensoren zur Präsenzerkennung von Personal. Diese optischen Sensoren können beispielsweise in Form einer Lichtschranke ausgeführt sein, um zu erkennen, ob sich eine Person einem Gefahrenbereich nähert.

Zusammenfassung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Alternative zu bekannten optischen Sensoren, und insbesondere zu Lichtschranken, bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.

Ein erster Aspekt betrifft einen Radarsensor für die Fabrik- und Logistikautomation. Der Radarsensor weist eine Radar-Schaltungsanordnung mit einem Radarchip auf, eingerichtet zum Erzeugen, Abstrahlen, Empfangen und Auswerten von Radar-Messsignalen. Es ist ein Gehäuse vorgesehen, in welchem die Radar-Schaltungsanordnung angeordnet ist, wobei der Radarchip eine Querschnittsfläche von weniger als 1 cm² aufweist und die erzeugten Radar-Messsignale eine Frequenz von über 160 GHz, insbesondere von über 200 GHz aufweisen und derart fokussiert sind, dass der resultierende Strahlöffnungswinkel weniger als 5°, oder zumindest weniger als 10°, insbesondere sogar weniger als 3° beträgt.

Beispielsweise weist der Radarchip eine Querschnittsfläche von weniger als 0,25 cm² auf.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse eine Breite von 2 cm, oder weniger, eine Höhe von 5 cm, oder weniger, und eine Tiefe von 5 cm, oder weniger, auf. Die Gehäusehöhe verläuft hierbei in Messrichtung, also in der Richtung, in welcher der Radarsensor sein Messsignal abstrahlt.

Beispielsweise weist das Gehäuse ein Einschraubgewinde auf mit einem Durchmesser von höchstens 1 ,91 cm oder 0,75 Zoll. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Gehäuse ein Einschraubgewinde mit einem Durchmesser von höchstens 1 ,27 cm oder 0,5 Zoll aufweist. Beispielsweise ist das Gehäuse zylindrisch ausgeführt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt die Modulationsbandbreite für die Modulation der von der Radar-Schaltungsanordnung erzeugten Radar-Messsignale bei über 4 GHz, insbesondere bei über 10 GHz, insbesondere bei 19,5 GHz oder 31 ,5 GHz.

Der Radarsensor ist, gemäß einer Ausführungsform, eingerichtet, ein FMCW-Signal (Frequency Modulated Continuous Wave Signal) zu erzeugen und auszusenden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegen die Frequenzen der erzeugten Radar- Messsignale zwischen 231 ,5 GHz und 250 GHz. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse eine Linse auf (oder zwei oder mehrere hintereinander geschaltete Linsen), die eingerichtet ist zum Fokussieren der abgestrahlten und/oder empfangenen Radar-Messsignale.

Die Linse weist beispielsweise einen Durchmesser von 20 mm oder weniger als 20 mm auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist (alternativ oder zusätzlich zur Gehäuselinse) die Radar-Schaltungsanordnung eine (weitere) Linse auf, eingerichtet zum Fokussieren der abgestrahlten Radar-Messsignale, bevor die auf die Gehäuselinse treffen.

Diese Linse weist beispielsweise einen Durchmesser von 10 mm oder weniger als 10 mm auf. Beispielsweise ist sie direkt auf das Strahlerelement der Radar-Schaltungsanordnung aufgesetzt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Gehäuselinse einen Abstand zwischen 5 mm bis 50 mm, insbesondere von 30 mm oder weniger zum Radarchip und/oder der weiteren Linse auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Radar-

Schaltungsanordnung einen Radarchip mit einer darin integrierten Antenne auf, auf die dann, falls vorgesehen, die Linse aufgesetzt ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Radarsensor eine

Kommunikationsschaltung auf, wobei der Radarsensor eingerichtet ist, Änderungen der physikalischen Messgröße, die von dem Radarsensor gemessen wird, in Echtzeit zu erfassen und über die Kommunikationsschaltung abzusetzen, also beispielsweise an ein entferntes Steuergerät zu übertragen.

Unter„Echtzeit“ ist im Rahmen der Offenbarung zu verstehen, dass die Änderungen der physikalischen Messgröße zuverlässig innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne erfasst und abgesetzt werden. In diesem Zusammenhang kann man auch von einer weichen

Echtzeitanforderung sprechen. Durch die Hardware und die Software muss sichergestellt werden, dass keine unbilligen Verzögerungen auftreten, welche beispielsweise die

Einhaltung der Echtzeitbedingung verhindern könnten. Die Verarbeitung der Daten muss dabei nicht beliebig schnell erfolgen; sie muss jedoch garantiert schnell genug für die jeweilige Anwendung erfolgen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Radarsensor mehrere unabhängige Sende-/Empfangskanäle und/oder mehrere Radarchips auf, um eine Redundanz für sicherheitskritische Anwendungen bereitzustellen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Radarsensor eine 4 bis 20 mA

Zweileiterschnittstelle auf, die eingerichtet ist zur Übertragung der Messwerte an ein externes Prozessleitsystem und zum Empfangen der für den Betrieb des Radarsensors erforderlichen Energie.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der ist der Radarsensor als Füllstandradar eingerichtet. Insbesondere kann der Radarsensor einen Steckverbinder aufweisen, eingerichtet zur Ringschlüsselmontage des Radarsensors in einer mit einem Innengewinde versehenen Öffnung eines Behälters (in dem sich das Füllgut befindet).

Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen Radarsensors zum Ersetzen eines optischen Sensors im Bereich der Fabrik- und

Logistikautomation, insbesondere in einem sicherheitskritischen Bereich, wie dem automatisierten Notabschalten von Maschinen oder Anlagen.

Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen Radarsensors zum Ersatz eines Lichtschrankenlasersensors.

Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt eine Werksanlage mit Radarsensoren gemäß einer Ausführungsform. Fig. 2 zeigt eine Anlage der Logistikautomation gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 3 zeigt die Verwendung eines Radarsensors im Bereich der Fabrikautomation und der Sicherheitstechnik.

Fig. 4 zeigt ein Radarmessgerät einer Sortieranlage. Fig. 5 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Radarsensors gemäß einer Ausführungsform.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Radarsensors.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Radarsensors.

Fig. 8 zeigt eine weitere Verwendung eines Radarsensors. Fig. 9 zeigt die Verwendung eines Radarsensors zur Fabrik- und/oder

Logistikautomatisierung.

Fig. 10A zeigt einen Radarsensor in zylindrischer Ausführung gemäß einer

Ausführungsform.

Fig. 10B zeigt einen Radarsensor in zylindrischer Ausführung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 11 zeigt einen Radarsensor in zylindrischer Ausführung gemäß einer weiteren

Ausführungsform.

Fig. 12A zeigt einen Radarsensor mit quaderförmigem Gehäuse.

Fig.12B zeigt den Radarsensor der Fig. 12A in Seitenansicht. Fig. 13A zeigt ein Radar-Sicherheitsgitter gemäß einer Ausführungsform.

Fig. 13B zeigt den kaskadierten Aufbau eines Radar-Sicherheitsgitters aus Einzelmodulen.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt eine Werksanlage mit zwei Radarsensoren 102, 103 gemäß einer

Ausführungsform. Durch den Übergang zu Radarfrequenzen oberhalb von 200 GHz und die Integration der Antennen auf den Radarchip kann ein miniaturisiertes, kostengünstiges Messsystem bereitgestellt werden, welches alle Anforderungen der Fabrik- und/oder Logistikautomation erfüllen kann, und somit bestehende optische Sensoren mit ihren bekannten Nachteilen ersetzen kann.

Es wird insbesondere ein radarbasierendes Messgerät 102, 103 bereitgestellt, welches in der Lage ist, einen Großteil der bislang im Bereich der Fabrik- und Logistikautomation verwendeten optischen Sensoren zu ersetzen. Das Messgerät kann hierzu insbesondere ausgestaltet sein, Distanz- oder Winke Iwerte bereitzustellen. Es kann auch als

Drehratengeber, als Sensor zur Präsenzerkennung oder als Radarfüllstandmessgerät ausgestaltet sein.

Durch die Verringerung der Wellenlänge des Radarsignals durch den Einsatz höherer Frequenzen wird es ermöglicht, den Aufbau des Radarmessgerätes durch das Einbinden zumindest eines Primärstrahlers auf dem Radarchip zu vereinfachen. Konnten bislang radarbasierende Messverfahren aufgrund der Antennengröße und der

Größe der Schaltkreise nur im Bereich der Prozessautomation verwendet werden, so wird es durch Anwendung der hier vorgeschlagenen Vorrichtungen zukünftig möglich, kleine und leistungsfähige Radarsensoren für den Einsatz im Bereich der Fabrikautomation und/oder der Logistikautomation bereitzustellen.

Füllstandmessgeräte auf Basis von Radar haben aufgrund vielfältiger Vorteile der

Radarmesstechnik in den vergangenen Jahren im Bereich der Prozessautomatisierung eine große Verbreitung gefunden. Wrd mit dem Begriff Automatisierungstechnik das Teilgebiet der Technik verstanden, welches alle Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet, so kann das Teilgebiet der

Prozessautomatisierung als niedrigster Grad der Automatisierung verstanden werden. Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel der Komponenten einer ganzen Werksanlage in den Bereichen Chemie, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu sind eine Vielzahl an Sensoren bekannt, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie (mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extreme Temperaturen, extreme Drücke) angepasst worden sind. Die Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.

Figur 1 zeigt ein Beispiel einer solchen Anlage 101. Die beiden exemplarisch dargestellten Prozessmessgeräte 102, 103 erfassen unter Verwendung von Radarsignalen den Füllstand der Behälter 104, 105. Die erfassten Messwerte werden unter Verwendung von speziellen Kommunikationsverbindungen 106, 107 an eine Leitwarte 108 übermittelt. Für die Übermittlung der Messwerte über die Verbindungen 106, 107 werden sowohl drahtgebundene als auch drahtlose Kommunikationsstandards verwendet, die auf die spezifischen Anforderungen der Prozessmesstechnik (Robustheit der Signalübertragung gegenüber Störungen, große Distanzen, niedrige Datenraten, niedrige Energiedichte aufgrund Anforderungen des Explosionsschutzes) hin optimiert wurden.

Die Messgeräte 102, 103 beinhalten aus diesem Grund zumindest eine

Kommunikationseinheit zur Unterstützung prozessindustrietauglicher

Kommunikationsstandards. Beispiele für solche Kommunikationsstandards sind rein analoge Standards wie die 4. 20mA Schnittstelle oder aber auch digitale Standards wie HART, Wireless HART oder PROFIBUS.

In der Leitwarte 108 werden die ankommenden Daten vom Prozessleitsystem 1 10 verarbeitet und auf einem Monitoring - System 109 visuell dargestellt. Das

Prozessleitsystem 1 10 oder aber auch ein Benutzer 111 kann auf Basis der Daten

Veränderungen der Einstellungen vornehmen, die den Betrieb der ganzen Anlage 101 optimieren können. Im einfachsten Fall wird bei drohendem Leerlauf eines Behälters 104,

105 ein Belieferungsauftrag bei einem externen Lieferanten ausgelöst. Da die Kosten für die Sensoren 102, 103 im Bereich der Prozessindustrie im Vergleich zu der ganzen Anlage 101 von untergeordneter Bedeutung sind, können zur optimalen Umsetzung der Anforderungen wie Temperaturbeständigkeit oder auch mechanischer Robustheit höhere Kosten in Kauf genommen werden. Die Sensoren 102, 103 verfügen daher über preisintensive Komponenten wie Radarantennen 112 aus Edelstahl. Der übliche Preis eines prozesstauglichen Sensors 102, 103 liegt daher üblicherweise im Bereich von mehreren tausend Euro. Die bislang bekannten Radarmessgeräte 102, 103 der

Prozessindustrie verwenden zur Messung Radarsignale im Bereich von 6 GHz, 24 GHz oder auch 80 GHz, wobei die Radarsignale nach dem FMCW-Verfahren im Bereich der zuvor dargestellten Mittenfrequenzen frequenzmoduliert werden. Technisch schwierig ist die Anpassung der Antennen 112 an messtechnisch erwünschte, höhere

Modulationsbandbreiten. Aktuell lassen sich unter Verwendung von prozesstauglichen Antennenbauformen 112 Bandbreiten bis hin zu 4 GHz realisieren.

Ein ganz anderes Teilgebiet der Automatisierungstechnik betrifft die Logistikautomation. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung

(Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine

Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Bekannte Radarsysteme sind bislang nicht in der Lage, die Anforderungen hierbei zu erfüllen, weshalb im bekannten Stand der Technik unterschiedliche Sensoren auf Basis optischer Prinzipien (Laser, LED, Kameras, ToF Kameras) verwendet werden.

Figur 2 zeigt ein Beispiel einer Anlage der Logistikautomation. Innerhalb einer

Paketsortieranlage 201 sollen Pakete 202, 203 mit Hilfe eines Sortierkrans 204 sortiert werden. Die Pakete laufen hierbei auf einem Förderband 205 in die Sortieranlage ein. Mit Hilfe eines oder mehrerer Lasersensoren 206 und/oder Kamerasensoren 206 wird sowohl die Lage als auch die Größe des Paketes 203 berührungslos ermittelt, und mit Hilfe schneller Datenleitungen 207 an eine Steuerung 208, beispielsweise eines SPS 208 übermittelt, welche üblicherweise Teil der Anlage 201 ist. Da die Übermittlung der

Messwerte über die Leitungen 207 zeitkritisch ist, die zu überbrückenden Distanzen aber eher im Bereich weniger Meter liegen, kommen als Übertragungsstandards auf den Kommunikationskanälen 207 üblicherweise schnelle digitale Protokolle wie Profinet oder Ethercat zum Einsatz, welche im Gegensatz zu den bekannten Protokollen der

Prozessautomatisierung eine Echtzeitfähigkeit aufweisen, d.h. eine garantierte Übermittlung der Daten in einer vorgebbaren Zeit. Diese Echtzeitfähigkeit der Datenübermittlung, welche sowohl mit drahtgebundenen als auch mit drahtlosen Kommunikationsstandards erreicht werden kann, ist Grundlage für die Steuerung des Sortierkrans 204 über eine Steuerleitung 209. Im Gegensatz zu bekannten Radarmessgeräten ermöglichen optische Sensoren 206 eine exakte Bestimmung der Größe und Lage eines Objektes 203, da der Aufbau miniaturisierter Sensoren mit extrem kleinem Stahlöffnungswinkel im Bereich der Optik technisch kein Problem darstellt. Darüber hinaus können solche Systeme im Vergleich zu Prozessmessgeräten auch sehr preisgünstig hergestellt werden.

Ein drittes Teilgebiet der Automatisierungstechnik betrifft die Fabrikautomation.

Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie

Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d.h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar. Üblicherweise werden daher auch im Bereich der Fabrikautomation im großen Stil Sensoren auf Basis optischer Messverfahren eingesetzt.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für optische Sensoren betrifft die Sicherheitstechnik, welche sowohl Anwendungen im Bereich der Logistikautomation als auch im Bereich der

Fabrikautomation beinhaltet. Figur 3 zeigt ein entsprechendes Beispiel. Sobald im Bereich voll- oder teilautomatisch ablaufende Fertigungs- oder Sortieranlagen mit menschlicher Interaktion zu rechnen ist, wird von Seiten des Gesetzgebers der Einbau geeigneter Schutzvorrichtungen zum automatisierten Abschalten von Maschinen und Anlagen vorgesehen. Die Stanzmaschine 301 stanzt im vorliegenden Beispiel runde Formteile 302 aus einem Blechmaterial 303 aus. Ein Arbeiter 304 ist dafür verantwortlich, den Vorgang zu überwachen. Damit der Arbeiter beim Eingriff in die Maschine 301 sich nicht verletzen kann, weist die Maschine 301 eine Sicherheitslichtschranke 305 oder einen

Sicherheitslichtvorhang 305 auf, welcher über eine Kommunikationsleitung 306 mit der Maschine 301 verbunden ist. Die Sicherheitslichtschranke 305 misst den Abstand d1 , d2 zum darunter liegenden Objekt, und kann bei ein Herunterfahren des Stempels 307 sowohl beim Fehlen eines Bleches 303 als auch bei einem unbeabsichtigten Eingriff des Benutzers 304 in den Stempelbereich verhindern. Eine der Grundvoraussetzungen für den sicheren Betrieb der Anlage ist, dass der Sensor 305 den Abstand mit einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit in Verbindung mit einer extrem kurzen Messzeit ermitteln kann, um

Gefahrensituationen zuverlässig zu erkennen.

Sowohl im Bereich der Logistikautomation, als auch im Bereich der Fabrikautomation und der Sicherheitstechnik dominieren bislang optische Sensoren. Diese sind schnell und preisgünstig, und können die Lage und/oder den Abstand zu einem Objekt aufgrund der relativ einfach fokussierbaren optischen Strahlung, welche der Messung zu Grunde liegt, zuverlässig ermitteln. Ein bedeutender Nachteil optischer Sensoren ist aber deren erhöhter Wartungsbedarf, da auch in den zuvor aufgezählten Bereichen nach einigen tausend Betriebsstunden ein Verschmutzen des Sensors zu beobachten ist, welches die Messung massiv beeinträchtigt. Zudem kann speziell beim Einsatz in Fertigungslinien die Messung durch Öldämpfe oder andere Aerosole mit Nebelbildung beeinträchtigt werden, und zu einer zusätzlichen Verschmutzung optischer Sensoren führen. Die zuvor genannten Nachteile können durch den Einsatz radarbasierender Messgeräte überwunden werden. Bevor auf die Ausführungsformen im Einzelnen eingegangen wird, fasst Fig. 4 nochmals die durch die vorliegende Offenbarung zu lösenden Probleme zusammen.

Würde ein bekanntes Radarmessgerät 102 beispielsweise in einer Sortieranlage 201 an Stelle eines optischen Sensors 206 eingebaut, so erfasst dessen Radarsignal 401 aufgrund des großen Öffnungswinkels 402 von typischerweise 8° oder mehr in einigen Metern Entfernung beide auf dem Förderband 205 befindlichen Pakete 202, 203 gleichzeitig. Die erfassten Reflexionen der Pakete werden vom Radarmessgerät 102 nach bekannten Verfahren in eine Echokurve 403 umgesetzt. Arbeitet das Radarmessgerät 102

beispielsweise mit einer Frequenz von 23.5GHz bis 24.5GHz, so beträgt die Breite dRR 404 eines einzelnen Echos 405 bereits 15 cm. Beträgt der Abstand dP 406 der beiden Pakete 202, 203 weniger als die Radarauflösung 404 des Messgerätes 102, so kann messtechnisch nicht mehr erkannt werden, dass es sich um zwei Pakete handelt. Es sei darauf hingewiesen, dass dieses Problem durch den verbreiterten Erfassungsbereich 402 in Kombination mit der reduzierten Radarauflösung 404 entsteht. Letztendlich würde der Einsatz des Radarmessgerätes 102 in der Sortieranlage auch unter Vernachlässigung der vorgenannten Probleme spätestens daran scheitern, dass die Kommunikationseinrichtung 407 des Messgerätes 102 nicht in der Lage ist, den Messwert über den

Kommunikationskanal 410 in Echtzeit zu übertagen. Die zuvor genannten Nachteile treten in gleicher weise beim Versuch eines Einsatzes im Bereich der Sicherheitstechnik (Fig. 3) zu Tage. Die oben und im Folgenden beschriebenen Radarsensoren stellen eine hohe

Radarauflösung und eine sehr gute Strahlfokussierung in Verbindung mit einer

echtzeitfähigen Kommunikationseinrichtung in miniaturisierter Bauweise zu einem moderaten Preis bereit. Figur 5 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Radarsystems, welches für den Einsatz in der Fabrik- und/oder Logistikautomation oder der Sicherheitstechnik geeignet ist. Das Radarmessgerät 501 weist ein Gehäuse 510 auf, welches eine Kommunikationseinheit 502, einen Prozessor 504 sowie eine Hochfrequenzeinheit 505 beinhaltet. Die

Hochfrequenzeinheit 505 weist zumindest einen integrierten Radarchip 506 auf, welcher Hochfrequenzsignale mit einer Frequenz von mehr als 200 GHz erzeugen und abstrahlen kann. Die Radarsignale durchdringen das Gehäuse des Radarsensors 501 an einer vordefinierten Stelle 507, wobei das Gehäuse des Sensors 501 zumindest im Bereich der Durchdringung für elektromagnetische Wellen oberhalb 200 GHz durchdringbar ausgeführt ist. Die Radarsignale 508 werden durch fokussierende Elemente bzw. Linsen 512, 513 auf dem integrierten Radarchip 506 und/oder im Bereich der Durchdringung 507 und oder im Bereich zwischen dem Radarchip und der Durchdringung derart fokussiert, dass der resultierende Strahlöffnungswinkel 509 sehr klein wird, beispielsweise kleiner als 5°. Die vom Messgerät ermittelten Messwerte werden über einen drahtgebundenen oder drahtlosen Datenübertragungskanal 503 mit einer hohen Datenrate an einen lokalen Schaltschrank 208 oder eine Maschine 301 übertragen. Es kann optional vorgesehen sein, diese

Datenübertragung derart auszuführen, dass diese echtzeitfähig ist, und somit das rechtzeitige Beeinflussen beispielsweise einer Fertigungslinie oder einer Sortiereinrichtung oder auch das rechtzeitige Abschalten einer Maschine vor Gefährdung eines Menschen zu erreichen. Hierbei können Standards wie Profinet, Power over Ethernet, Ethernet, Ethercat oder IO-Link Anwendung finden.

Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors 501 im Detail. Der

Mikroprozessor 504 steuert eine ganzzahlig oder vorzugsweise gebrochenzahlig teilende PLL 601 an. Die PLL wiederum ist mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 602 verbunden, welcher im Zusammenspiel mit der PLL an seinem Ausgang 603 ein frequenzmoduliertes Signal mit einer Mittenfrequenz von im Bereich von 10GHz bis 60Ghz und einer Bandbreite zwischen 5GHz und 10GHz ausgibt. Die zuvor genannten Parameter können während der Betriebsphase des Messgerätes verändert werden. Das vom VCO erzeugte Signal 603 wird einem Frequenzumsetzer 604 zugeleitet, welcher das

Eingangssignal in einen Zielfrequenzbereich von größer 200GHz umsetzt. Hierbei werden üblicherweise mehrere U msetzungssch ritte in einer Kaskade vollzogen, d.h. das Signal wird über zumindest zwei Teilschritte durch Verdopplungsschaltungen in seiner Frequenz erhöht.

Es kann aber auch vorgesehen sein, das Signal im Frequenzkonverter durch ein- oder mehrstufiges Mischen auf den Zielfrequenzbereich oberhalb 200 GHz zu übertragen. Das resultierende Signal 605 liegt vorzugsweise in einem Bereich oberhalb 200 GHz, besonders vorteilhaft haben sich Frequenzen im Bereich zwischen 230GHz und 250GHz erwiesen. Das Signal wird anschließend einem Teilerbaustein 606 zugeführt, woraufhin ein Teil der Hochfrequenzsignale über einen Primärstrahler 607 in Richtung der Durchdringung 507 nach außen hin abgestrahlt wird. Mit Hilfe einer Empfangsantenne 608 werden die in der jeweiligen Anwendung reflektierten Radarsignale wieder erfasst, und in einem

Mischerbaustein 609 in einen niederfrequenten Bereich umgesetzt. Das Analogfilter 610 und der Analog-Digital-Konverter 611 erfassen die Signale und führen sie zur weiteren

Verarbeitung dem Prozessor 504 zu.

Ein Kerngedanke der vorliegenden Offenbarung ist es, dass eine erhöhte Radarauflösung 404 nur durch eine Verringerung der Breite der Echos 405 zu erreichen ist. Durch eine

Erhöhung der Modulationsbandbreite auf mehr als 4 GHz, vorzugsweise mehr als 10 GHz oder besonders vorteilhaft auf 19.5 GHz kann erreicht werden, dass die Breite der Echos in den Millimeterbereich reduziert werden kann. Somit können auch eng beieinanderliegende Reflektoren 202, 203, wie sie in der Fabrik- und Logistikautomation auftreten können, messtechnisch sicher erfasst werden. Schaltungstechnisch ist die Umsetzung dieser erhöhten Modulationsbandbreiten nur dann preisgünstig zu beherrschen, wenn die

Grundfrequenz des Radarsignals hoch, vorzugsweise oberhalb 200 GHz liegt. Da die Wellenlänge der Radarsignale auf einem Halbleiterchip dann ebenfalls in den Millimeteroder Submillimeterbereich wandert, können gängige Designs für Kopplerstrukturen oder den Primärstrahler 607 oder die Empfangsantenne 608 direkt auf dem Halbleitersubstrat 612 des integrierten Radarchips 613 realisiert werden, was einen kostengünstigen Aufbau ermöglicht. Ergänzend kann vorgesehen sein, die abgestrahlten oder empfangenen Radarsignale im Bereich der Antennen 607, 608 durch strahlbeeinflussende Linsenelemente 614, 615 zu bündeln, um einen reduzierten Öffnungswinkel 509 der Radarsignale zu erreichen.

Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Radargerätes für den Einsatz in der Fabrik- und/oder Logistikautomation oder der Sicherheitstechnik. Das vorgeschlagene Messgerät 701 unterscheidet sich vom zuvor vorgestellten Aufbau durch den Einsatz einer kombinierten Sende- und Empfangsantenne 703, welche aufgrund der hohen

Arbeitsfrequenz von mehr als 200 GHz vorzugsweise auf dem Halbleitersubstrat 612 des integrierten Radarchips realisiert wird. Eine zusätzliche Sende- / Empfangsweiche 702, welche ebenfalls auf dem Chip 612 integriert ist, dient der Trennung der Signale. Optional kann auch in diesem Fall eine Verkleinerung des Öffnungswinkels 509 des Messgerätes erreicht werden, wenn direkt auf dem Chip im Bereich des Primärstrahlers 703 ein strahlbeeinflussendes Linsenelement 704 aufgebracht wird. Im vorliegenden Beispiel wird zudem vorgesehen, auch die PLL 601 , den ADC 611 sowie das Analogfilter 610 mit in den Radarchip 705 zu integrieren, beispielsweise durch Bonden der unterschiedlichen

Baugruppen in einem gemeinsamen Package 705. Es kann auch vorgesehen sein, die zuvor genannten Baugruppen direkt auf einem einzigen Halbleitersubstrat 612 zu integrieren. Die zuletzt genannten Ausführungsformen führen zu einer drastischen Reduktion der Kosten beim Aufbau eines solchen Systems.

Figur 8 verdeutlicht die Vorteile beim Einsatz im Bereich der Sicherheitstechnik. Das Radarmessgerät 701 mit den zuvor genannten Merkmalen überwacht den Gefahrenbereich unterhalb der Stanzmaschine 301. Aufgrund der extrem hohen Radarauflösung von wenigen Millimetern wird es nun erstmals möglich, beim Eindringen einer Hand des Benutzers 304 in den Gefahrenbereich eine entsprechende Reflektion 801 in der vom Messgerät 701 erfassten Echokurve 803 zu erfassen, und diese sicher von der Reflektion 802 des

Blechmaterials 303 zu unterscheiden. Das Messgerät 701 kann in einer weiteren

Ausführungsform durch Implementierung einer geeigneten Sicherheitsfunktion,

beispielsweise im Prozessor 704, derart ausgerüstet sein, dass es zumindest einen parametrierbaren Gefahrenbereich SAFE 804 überwacht, und bei Detektion eines Objektes im Bereich eine zielgerichtete, echtzeitkritische Sicherheitsreaktion auszulösen. Dies kann durch Übermittlung eines entsprechenden Signals über die Kommunikationseinrichtung 503 direkt an die Maschine erfolgen. Es kann aber auch vorgesehen sein, direkt im Messgerät 701 entsprechende Schaltelemente, beispielsweise zwangsgeführte Relais zu integrieren. In Abhängigkeit vom zu erreichenden Sicherheitsniveau kann auch vorgesehen sein, die Radarmessung mehrkanalig redundant auszuführen, beispielsweise durch den Einbau mehrerer Radarchips in das Messgerät 701.

Figur 9 zeigt die Anwendung eines oben beschriebenen Messgerätes zur Fabrik- und/oder Logistikautomatisierung. Durch den Einsatz zumindest zweier fokussierender Elemente 904, 905 wird das vom Messgerät 503 erzeugte Radarsignal derart fokussiert, dass es einen Öffnungswinkel 509 von wenigen Grad aufweist. Hierdurch kann das Gerät durch entsprechende Ausrichtung in die Lage versetzt werden, die Lage eines Paketes 203 entlang seiner Strahlrichtung 510 exakt zu bestimmen. Durch den Einsatz mehrerer Sensoren 701 oder durch den Einsatz strahlablenkender Element lässt sich auch ein erweiterter Bereich des Förderbandes 205 überwachen, und die Position und Lage der Pakete 202, 203 exakt bestimmen. Über die schnelle, echtzeitfähige

Kommunikationseinrichtung 503 kann eine Sortieranlage effizient gesteuert werden. Die vom Messgerät 701 erfasste Echokurve 901 kann aufgrund der hohen Radarauflösung von wenigen Millimetern die reflektierten Signale 902, 903 auch eng benachbarter Pakete 202, 203 sicher trennen. Fig. 10A zeigt einen Radarsensor 1000 mit einem zylindrischen Gehäuse. Am hinteren Ende des Gehäuses 1001 ist ein elektrischer Anschluss vorgesehen, beispielsweise zum

Anschluss an eine 4 bis 20 mA Zweidrahtleitung oder an eine IO-Link Schnittstelle, deren Anschlussstecker beispielsweise auf das hintere Ende des Gehäuses aufgeschraubt wird. Der Mittelteil des Gehäuses 510 weist einen Einschraubsechskant 513 auf, an den sich ein Einschraubanschlag 514 anschließt, gefolgt von einem Einschraubgewinde 511 zum Einschrauben in eine Halterung oder die Öffnung eines Behälters. Das Einschraubgewinde 511 weist einen Durchmesser von einem halben Zoll oder weniger auf. Im

Einschraubgewinde kann sich beispielsweise eine Radarlinse befinden und/oder die Antenne zum Abstrahlen/Empfangen der Messsignale.

Typischerweise beträgt die Länge (bzw.„Höhe“) des Gehäuses maximal 100 mm.

Die Ausführungsform der Fig. 10B entspricht in vielerlei Hinsicht der der Fig. 10A. Allerdings befindet sich das Einschraubgewinde 511 im mittleren Bereich des Gehäuses 510, gefolgt von dem Anschlag 514 und dem Einschraubsechskant 513. In der Ausführungsform gemäß Fig. 11 ist ebenfalls ein Einschraubgewinde 511 im mittleren Bereich des Gehäuses 510 vorgesehen, wobei der Durchmesser des Gehäuses < 22 mm beträgt. Es kann vorgesehen sein, den Radarsensor gemäß Fig. 11 direkt in eine

Gewindeaufnahme einer Maschine einzuschrauben, und mit einer Kontermutter zu sichern. Es kann aber auch vorgesehen sein, den Radarsensor in eine ein Sackloch ausbildende Gewindeaufnahme einer Maschine einzuschrauben. Das vordere Ende des Sensors 511 im Bereich der Radarlinse liegt im eingebauten Zustand plan an einer für Mikrowellensignale durchlässigen Bodenfläche des Sacklochs der Maschine an. Durch Festdrehen des Sensors im Sackloch kann eine sichere Befestigung durch Verspannen gegen die Bodenfläche erreicht werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Sensor 511 eine Sechskantaufnahme aufweist, um das Festdrehen zu vereinfachen.

Fig. 12A zeigt einen Radarsensor 1200 mit einem quaderförmigen Gehäuse 510. Die Höhe des Gehäuses beträgt 5 cm, die Breite 2 cm und die Tiefe ebenfalls 5 cm. Im vorderen Bereich des Gehäuses ist eine Linse 513 angeordnet. Im unteren Bereich befindet sich ein elektrischer Anschluss 1201 . Das Gehäuse besteht beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen. Fig. 13A zeigt ein sogenanntes Radar-Sicherheitsgitter 1300, welches eine Vielzahl an Radarchips 506, 1301 bis 1305 aufweist. Jeder Radarchip weist eine eigene erste, im Bereich des Strahlerelements angeordnete Linse 512 und eine„Gehäuse“-Linse 513 auf, die im Strahlengang der ersten Linse angeordnet ist. Durch die Vielzahl an Radarchips wird eine Redundanz bereitgestellt, welche insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen vorteilhaft sein kann.

Fig. 13B zeigt einen kaskadierten Aufbau eines Radarsensors aus Einzelmodulen. Jedes Einzelmodul weist in dieser Ausführungsform zwei Radarchips 506, 1301 bzw. 1302, 1303 auf, jeweils wieder mit einer ersten Linse 512 und einer zweiten Linse 513 in der

Gehäusewandung. Jedes Modul weist eine Eingangsschnittstelle 1305 und eine

Ausgangsschnittstelle 1306 auf, über welche die Module elektronisch miteinander verbunden werden können.

Mit den beschriebenen Ausführungsformen ist es erstmals möglich, optische Messverfahren im Bereich der Fabrikautomation, der Logistikautomation und der Sicherheitstechnik durch eine radarbasierende Messwerterfassung abzulösen, und somit insbesondere durch die der Radarmesstechnik inhärent zu Gute kommende Unempfindlichkeit gegenüber

Verschmutzungen den Wartungsaufwand zu reduzieren. Durch den Übergang zu

Frequenzen oberhalb 200GHz lassen sich zudem die Größe und die Kosten der Sensoren signifikant verringern, womit ein adäquater Ersatz für optische Sensoren bereitgestellt werden kann.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass„umfassend“ und„aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel„eine“ oder„ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener

Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.

Claims

Patentansprüche

1. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1100, 1200) für die Fabrik- und

Logistikautomation, aufweisend:

eine Radar-Schaltungsanordnung (505) mit einem Radarchip (506), eingerichtet zum

Erzeugen, Abstrahlen, Empfangen und Auswerten von Radar-Messsignalen;

ein Gehäuse (510), in welchem die Radar-Schaltungsanordnung angeordnet ist, und wobei der Radarchip eine Querschnittsfläche von weniger als 1 cm² aufweist;

wobei die Radar-Messsignale eine Frequenz von über 160 GHz aufweisen und derart fokussiert sind, dass der resultierende Strahlöffnungswinkel weniger als 5° beträgt.

2. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1100, 1200) nach Anspruch 1 ,

wobei der Radarchip (506) eine Querschnittsfläche von weniger als 0,25 cm² aufweist.

3. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1100, 1200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (510) eine Breite von maximal 2cm, eine Höhe von maximal 5 cm und eine Tiefe von maximal 5 cm aufweist.

4. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1100, 1200) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche,

wobei das Gehäuse (510) ein Einschraubgewinde (511) mit einem Durchmesser von höchstens 1 ,91 cm oder 0,75 Zoll aufweist. 5. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1100, 1200) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Modulationsbandbreite für die Modulation der von der Radar- Schaltungsanordnung (505) erzeugten Radar-Messsignale bei über 4 GHz, insbesondere bei über 10 GHz, insbesondere bei 19,5 GHz oder 31 ,

5 GHz liegt.

6. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1100, 1200) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Frequenzen der erzeugten Radar-Messsignale zwischen 231 ,5 GHz und 250 GHz liegen.

7. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche,

wobei das Gehäuse (510) eine Linse (507) aufweist, eingerichtet zum Fokussieren der abgestrahlten Radar-Messsignale.

8. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach Anspruch 7,

wobei die Linse (507) einen Durchmesser von 20 mm oder weniger aufweist.

9. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Radar-Schaltungsanordnung (505) eine Linse (512) aufweist, eingerichtet zum Fokussieren der abgestrahlten Radar-Messsignale.

10. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach Anspruch 9,

wobei die Linse (512) einen Durchmesser von 10 mm oder weniger aufweist.

1 1 . Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Linse (512) einen Abstand zwischen 5 mm bis 50 mm, insbesondere von 30 mm oder weniger zum Radarchip (506) und/oder der Linse (507) aufweist.

12. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche,

wobei die Radar-Schaltungsanordnung (505) einen Radarchip (612) mit darin integrierter Antenne (607) aufweist.

13. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche,

aufweisend eine Kommunikationsschaltung (502),

wobei der Radarsensor eingerichtet ist, Änderungen der physikalischen Messgröße in Echtzeit, also zuverlässig innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne, zu erfassen, und über die Kommunikationsschaltung abzusetzen.

14. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, wobei der Radarsensor mehrere unabhängige Sende-/Empfangskanäle und/oder mehrere Radarchips (506. 1301 , 1302, 1303, 1304, 1305, 1306) aufweist, um eine

Redundanz für sicherheitskritische Anwendungen bereitzustellen.

15. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:

eine 4-20 mA Zweileiterschnittstelle (106), eingerichtet zur Übertragung der Messwerte an ein externes Prozessleitsystem (1 10) und zum Empfangen der für den Betrieb des Radarsensors erforderlichen Energie.

16. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, eingerichtet als Füllstandradar.

17. Radarsensor (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach einem der

vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen Steckverbinder (51 1 , 513, 514), eingerichtet zur Ringschlüsselmontage des Radarsensors in einer mit einem Innengewinde versehenen Öffnung eines Behälters.

18. Verwendung eines Radarsensors (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Ersetzen eines optischen Sensors im Bereich der Fabrik- und Logistikautomation, insbesondere in einem sicherheitskritischen Bereich, wie dem automatisierten Notabschalten von Maschinen oder Anlagen.

19. Verwendung eines Radarsensors (100, 102, 103, 501 , 701 , 1000, 1 100, 1200) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Ersatz eines Lichtschrankenlasersensors.