EP4136414A1 - Radarsensor mit kugelförmigem sensorgehäuse - Google Patents

Radarsensor mit kugelförmigem sensorgehäuse

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Publication number
EP4136414A1
EP4136414A1 EP20719427.5A EP20719427A EP4136414A1 EP 4136414 A1 EP4136414 A1 EP 4136414A1 EP 20719427 A EP20719427 A EP 20719427A EP 4136414 A1 EP4136414 A1 EP 4136414A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
fastening device
radar sensor
housing
radar
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
EP20719427.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Laun
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.)
Vega Grieshaber KG
Original Assignee
Vega Grieshaber 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 Vega Grieshaber KG filed Critical Vega Grieshaber KG
Publication of EP4136414A1 publication Critical patent/EP4136414A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/225—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles used in level-measurement devices, e.g. for level gauge measurement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/42—Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome
    • 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
    • G01S7/027—Constructional details of housings, e.g. form, type, material or ruggedness
    • 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

Definitions

  • the invention relates to radar sensors for use in an industrial environment.
  • the invention relates to a radar sensor with a sensor housing which can be rotatably mounted, a fastening device for rotatably mounting such a sensor, and the use of such a sensor
  • Fastening device for fastening a sensor, a container with a fastening device attached thereto, and a method for fastening a sensor to a container.
  • Sensors in the industrial environment can be set up for level measurement, point level detection, flow measurement, pressure measurement, level and flow velocity measurement and for temperature measurement.
  • Such sensors can be designed for attachment to or in an opening of a container. Fastening takes place either by means of a flange fastening or a screw-in fastening.
  • the senor for example a level measuring device or a limit level sensor, has a plate-shaped flange which surrounds the antenna neck of the device in a flange-like manner in order to be screwed to a corresponding counter flange in the region of the opening of the container.
  • the antenna neck itself is equipped with an external thread so that the sensor can be screwed into a corresponding internal thread in a container opening via the external thread.
  • a first aspect of the present disclosure relates to a radar sensor set up to measure a fill level or a limit level of a fill substance in a container.
  • the radar sensor has a sensor housing, an electronics unit and an antenna unit.
  • the sensor housing has an outer contour which, at least in a first partial area of the sensor housing, has the shape of a spherical segment which is designed to rotatably mount the radar sensor in a corresponding hollow spherical segment of a fastening device.
  • the electronics unit is set up to generate a measurement signal and the antenna unit is set up to emit the measurement signal and to receive the measurement signal reflected on a product surface.
  • the electronics unit and antenna unit are arranged in the housing. For example, the outer contour of the sensor housing is completely or almost completely spherical.
  • the sensor housing is completely closed.
  • the sensor housing is not completely closed and can, for example, only be provided in the area in which it is mounted in the hollow spherical segment.
  • the hollow ball segment is thus a joint socket.
  • the sensor housing is made of plastic, at least in the area of the antenna unit, so that the measurement signal can be emitted through the sensor housing.
  • the antenna unit is therefore located inside the sensor housing and is protected by it.
  • the sensor housing can be made entirely of plastic, or partially. Other areas of the housing can also consist of other materials, for example metal.
  • the sensor housing cannot be opened non-destructively.
  • it is manufactured using an injection molding process, so that the electronics unit and the antenna unit are cast in, for example.
  • the radar sensor is designed as an autarkic radar sensor (AuRa sensor) with its own internal energy supply, for example in the form of a battery.
  • AuRa sensor autarkic radar sensor
  • the radar sensor has a radio interface set up for wireless transmission of the radar sensor data that the sensor detects or calculates to an external receiver, for example a mobile phone or a server.
  • the center of gravity of the radar sensor is located below the center point of the spherical segment, so that the radar sensor can align itself perpendicular to the product surface by means of gravity by rotating it into the measuring position.
  • weights can be provided in the lower area of the sensor, for example in the form of a metal ring that runs in the sensor housing, in order to facilitate the independent alignment of the sensor by means of gravity.
  • a second partial area of the sensor housing consists of a light-permeable material, so that a display of the radar sensor can be read through the sensor housing.
  • the radar sensor is designed for contactless measurement of the fill level or limit level.
  • Another aspect of the present disclosure relates to a fastening device which has a hollow ball or at least one hollow ball segment which is set up for the rotatable mounting of a radar sensor described above and below.
  • the fastening device is designed as a closed hollow sphere. It can be made entirely of plastic.
  • At least the hollow spherical segment consists of opaque plastic.
  • the hollow sphere or the fastening device consists at least partially of a light-permeable material, so that a display of the radar sensor can be read through the hollow sphere.
  • the fastening device has a fastening flange for attachment to the opening of a container.
  • the fastening device can be made in one piece.
  • the fastening device has a holding arm and / or an internal thread for attaching a holding arm.
  • the fastening device has a locking element configured to fix the sensor in the fastening device.
  • the fastening device has an alignment element configured to align the sensor in the
  • the sensor and mounting can be designed in such a way that the sensor aligns itself via gravity so that it always radiates vertically downwards, or, alternatively, vertically, regardless of the orientation of the fastening device.
  • the fastening device has an alignment element configured to align the sensor in the
  • the fastening device has a sensor arranged therein, which is rotatably mounted therein.
  • the fastening device is the housing of the radar sensor. So one would z. B. provide spherical sensor that includes an alignment mechanism inside, without further housing inside. But it would of course also be possible to provide a radar sensor with its own housing and an additional mounting ball.
  • the sensor is a level measuring device, for example a level radar device, a limit level sensor, a pressure sensor or a flow sensor.
  • Another aspect of the present disclosure relates to the use of a fastening device described above and below for fastening a sensor, for example a sensor described above and below, optionally on a side wall of a container or the ceiling of the container.
  • Another aspect of the present disclosure relates to a container with a fastening device, as described above and below, attached thereto.
  • Another aspect of the present disclosure relates to a method of attaching a sensor to a container. First, the sensor is arranged in a completely closed fastening device or in an at least partially closed fastening device. The fastening device is then fastened to or in the vicinity of a container. At the same time or afterwards, the sensor is aligned. For example, the alignment of the sensor takes place by means of gravity, that is, independently and without the help of a user.
  • the radar sensor can be designed for process automation in an industrial environment. It can be used in agriculture to monitor mobile drinking water or feed containers.
  • process automation in an industrial environment can be understood as a sub-area of technology that includes all measures for operating machines and systems without human involvement.
  • One goal of process automation is to automate the interaction of individual components in a plant, for example in the chemical, food, pharmaceutical, petroleum, paper, cement, shipping or mining sectors. You can do this a large number of sensors are used, which are particularly adapted to the specific requirements of the process industry, such as mechanical stability, insensitivity to contamination, extreme temperatures and extreme pressures. Measured values from these sensors are usually transmitted to a control room, in which process parameters such as level, limit level, flow rate, pressure or density can be monitored and settings for the entire plant can be changed manually or automatically.
  • a sub-area of process automation in the industrial environment relates to logistics automation.
  • processes within a building or within a single logistics system are automated in the field of logistics automation.
  • Typical applications are, for example, systems for logistics automation in the area of baggage and freight handling at airports, in the area of traffic monitoring (toll systems), in trade, parcel distribution or in the area of building security (access control).
  • ToF time of flight principle
  • factory / production automation Another sub-area of process automation in the industrial environment concerns factory / production automation. Applications for this can be found in a wide variety of industries such as automobile production, food production, the pharmaceutical industry or in general in the field of packaging.
  • the aim of factory automation is to automate the production of goods using machines, production lines and / or robots, ie to let them run without human involvement.
  • the sensors used here and specific requirements with regard to the measurement accuracy when recording the position and size of an object are comparable to those in the previous example of logistics automation. Further embodiments are described below with reference to the figures.
  • the representations in the figures are schematic and not to scale. If the same reference numerals are used in the following description of the figures, they denote the same or similar elements.
  • 1 shows a measurement setup according to a first embodiment.
  • 2 shows a measurement setup according to a further embodiment.
  • FIG. 3 shows a flow diagram of a method according to an embodiment.
  • FIG. 4 shows a section of a radar sensor with a fastening device in the area of the sensor mounting.
  • the measurement structure has a radar sensor 100 which is mounted in a fastening device 300 in such a way that it can rotate in all spatial directions.
  • the fastening device 300 is attached to the opening of the container 200, for example by means of a flange fastening 313.
  • a flange fastening 313 can also be provided and the invention is not limited to a flange fastening.
  • the radar sensor 100 is rotatably mounted in the housing of the fastening device 300.
  • the radar sensor which is set up to measure the fill level or limit level of the fill material 201, has a sensor housing 101, an electronics unit 105 and an antenna unit 106.
  • the sensor housing 101 can be made spherical or, alternatively, have a portion which has the shape of a spherical segment.
  • the embodiment in FIG. 1 is a solid sphere made of plastic, in which the electronics unit 105, the antenna unit 106, the energy store 110 and a wireless communication module 107 are located.
  • the wireless communication module 107 can also be referred to as a radio interface.
  • a display 109 can also be provided, which is located, for example, near the top of the housing so that it can be read through the housing wall.
  • the upper, second sub-area 108 of the housing is made of translucent material, for example a transparent plastic. Since the spherical electronics unit 100 is completely contained in the outer sphere 300, the partial area 108 can be saved and the electronics can be placed openly in the outer sphere 300 without an additional housing.
  • first partial area 102 can also be made of plastic. However, this sub-area does not have to be translucent; the permeability for radar beams which are emitted by the antenna unit 106 in the direction of the filling material is sufficient.
  • the antenna does not need to be located within a housing. It would already be protected by the outer sphere and could be exposed so that only the outer sphere would have to be measured. In other words, the inner ball can be reduced to a ball segment which is arranged in the joint socket of the fastening device 300.
  • the radar sensor 100 is located completely inside the fastening device 300.
  • the device can thus have two parts, a fastening device 300 and a separate radar sensor 100.
  • the fastening device 300 represents the housing of the radar sensor 100, so that the unit 100 also could be referred to as a spherical or spherical segment-shaped electronics unit without its own housing.
  • the fastening device 300 can be a hollow ball or a hollow ball segment.
  • the housing of the fastening device 300 can also consist of two different materials: On the one hand, a hemisphere that is permeable to radar rays or a hollow spherical segment 301 in the lower area and an upper hollow spherical segment 302 in the upper area, which are detachably or permanently connected to one another .
  • the upper hollow spherical segment 302 can consist of the same material as the lower hollow spherical segment, or of a different material, for example a translucent material such as a transparent plastic.
  • a locking element 311 can be provided, for example in the form of a set screw, which is screwed into a continuous internal thread through the wall of the fastening device 300 in order to clamp the sensor 100.
  • An alignment element 312 can also be provided, by means of which the orientation of the sensor 100 can be set manually, for example magnetically through the plastic wall.
  • the center of gravity of the sensor is in the area of the antenna unit 106, in any case well below the center of the spherical radar sensor 100, so that the mounted “sensor ball” automatically adjusts itself by means of gravity so that the antenna measures in the desired direction (Usually vertical: however, a horizontal measurement or a measurement in a different direction can also be provided).
  • the radar sensor can also have an inclination sensor that detects the current orientation of the sensor. This data can help to record or calculate the fill level more precisely.
  • a fastening of the radar sensor 100 to the container 200 is thus provided which enables the antenna unit 106 to be rotated and pivoted in all directions.
  • the device is inexpensive to manufacture.
  • the fastening device 300 is designed as a two-part hollow sphere.
  • the radar sensor 100 is spherical and can therefore be accommodated in the hollow spherical housing and thus rotated and pivoted in all directions.
  • the spherical radar sensor 100 can be fixed, for example, through the upper half-shell of the hollow sphere.
  • the radar antenna which is part of the electronics, can thus be swiveled and fixed in all possible positions.
  • measurements are made through the outer housing ball 301, 302, which is made of plastic.
  • the fastening device can be placed in any round hole in the container, which is smaller in diameter than the diameter of the ball, and can be glued in place with a silicone bead, for example.
  • the fastening device 300 can be fastened to the container by means of a rod 310 (cf. FIG. 2) or a clamping device, so that the spherical fastening device is located outside the container.
  • the upper hemisphere 302 is made of transparent plastic, a display located inside or an illuminated display can be read out through the housing wall.
  • the radar sensor 100 is merely inserted into the half-shell-like housing part 301, so that it can be easily exchanged.
  • a spherical device housing which contains a spherical electronics cup with an antenna, so that the antenna can be aligned vertically in the spherical housing. If the radar sensor 100, as shown in FIG. 1, is placed with its hollow ball-like fastening device 300 on the container opening, the lower part of the hollow ball protrudes into the container.
  • the electronics with antenna which is also designed as a sphere, are located in this hollow sphere.
  • the upper part of the spherical housing can be made of transparent plastic so that any display inside remains visible.
  • a radio interface (wireless module) 107 which uses Bluetooth, for example, is provided for communication with an external unit and in particular for the transmission of measured values or parameterization.
  • An energy store 110 for example a rechargeable battery, can be used so that the radar sensor can be operated completely independently.
  • the fastening device 300 can also be mounted on the container, for example by means of a rod 310, so that it “floats” over the container (cf. FIG. 2).
  • step 3 shows a flow diagram of a method according to an embodiment.
  • the sensor 100 is arranged in a completely or partially closed fastening device 300.
  • the fastening device is fastened to a container and in step 3 the sensor is aligned so that it sends the measurement signal perpendicular to the product surface. Alignment can be done automatically by means of gravity.
  • step 4 the sensor is locked, whereupon the level measurement takes place.
  • FIG. 4 shows a section of a radar sensor with a fastening device in the area of the sensor mounting.
  • the fastening device represents the “sensor housing” and the electronics of the sensor are movably mounted in the joint socket of the fastening device.

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Abstract

Radarsensor mit einem zumindest abschnittsweise kugelförmigen Sensorgehäuse, welches in einer Befestigungsvorrichtung drehbar gelagert ist. Beispielsweise ist das Sensorgehäuse kugelförmig.

Description

Radarsensor mit kugelförmigem Sensorgehäuse Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Radarsensoren zum Einsatz im industriellen Umfeld. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Radarsensor mit einem Sensorgehäuse, welches sich drehbar lagern lässt, eine Befestigungsvorrichtung zum drehbaren Lagern eines derartigen Sensors, die Verwendung einer solchen
Befestigungsvorrichtung zur Befestigung eines Sensors, einen Behälter mit einer daran angebrachten Befestigungsvorrichtung, sowie ein Verfahren zum Befestigen eines Sensors an einem Behälter. Hintergrund
Sensoren im industriellen Umfeld können zur Füllstandmessung, Grenzstanderfassung, Durchflussmessung, Druckmessung, Pegel- und Strömungsgeschwindigkeitsmessung und zur Temperaturmessung eingerichtet sein. Derartige Sensoren können zur Anbringung an oder in einer Öffnung eines Behälters ausgeführt sein. Die Befestigung erfolgt entweder mittels einer Flanschbefestigung oder einer Einschraubbefestigung.
Bei der Flanschbefestigung weist der Sensor, beispielsweise ein Füllstand- messgerät oder ein Grenzstandsensor, einen tellerförmigen Flansch auf, welcher den Antennenhals des Geräts flanschartig umgibt, um mit einem entsprechenden Gegenflansch im Bereich der Öffnung des Behälters verschraubt zu werden.
Bei der Einschraubbefestigung ist der Antennenhals selbst mit einem Außengewinde ausgestattet, sodass der Sensor über das Außengewinde in ein entsprechendes Innengewinde in einer Behälteröffnung eingeschraubt werden kann.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, Sensoren mittels Montageklammern, Bajonettverschlüssen oder Klammerbügeln am Behälter zu befestigen.
Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Befestigung von Sensoren an einem Behälter bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen. Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Radarsensor, eingerichtet zum Messen eines Füllstands oder eines Grenzstands eines Füllguts in einem Behälter. Der Radarsensor weist ein Sensorgehäuse, eine Elektronikeinheit und eine Antenneneinheit auf. Das Sensorgehäuse weist eine Außenkontur auf, die zumindest in einem ersten Teilbereich des Sensorgehäuses die Form eines Kugelsegments aufweist, das eingerichtet ist, den Radarsensor in einem entsprechenden Hohlkugelsegment einer Befestigungsvorrichtung drehbar zu lagern. Die Elektronikeinheit ist eingerichtet zum Erzeugen eines Messsignals und die Antenneneinheit ist eingerichtet zum Abstrahlen des Messsignals und zum Empfangen des an einer Füllgutoberfläche reflektierten Messsignals. Elektronikeinheit und Antenneneinheit sind in dem Gehäuse angeordnet. Beispielsweise ist die Außenkontur des Sensorgehäuses vollständig oder fast vollständig kugelförmig ausgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Sensorgehäuse vollständig geschlossen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Sensorgehäuse nicht vollständig geschlossen und kann beispielsweise nur in dem Bereich vorgesehen sein, in welchem es in dem Hohlkugelsegment gelagert ist. Bei dem Hohlkugelsegment handelt es sich somit um eine Gelenkpfanne.
Beispielsweise besteht das Sensorgehäuse zumindest im Bereich der Antenneneinheit aus Kunststoff, sodass das Messsignal durch das Sensorgehäuse hindurch abgestrahlt werden kann. Die Antenneneinheit befindet sich somit im Inneren des Sensorgehäuses und wird durch dieses geschützt. Das Sensorgehäuse kann vollständig aus Kunststoff gefertigt sein, oder teilweise. Andere Bereiche des Gehäuses können auch aus anderen Materialien bestehen, beispielsweise Metall.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform lässt sich das Sensorgehäuse nicht zerstörungsfrei öffnen. Beispielsweise ist es im Spritzgussverfahren hergestellt, sodass die Elektronikeinheit und die Antenneneinheit beispielsweise eingegossen sind.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Radarsensor als autarker Radarsensor (AuRa-Sensor) mit einer eigenen, internen Energieversorgung, beispielsweise in Form einer Batterie, ausgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Radarsensor eine Funkschnittstelle auf, eingerichtet zum drahtlosen Übermitteln der Radarsensordaten, die der Sensor erfasst bzw. berechnet, an einen externen Empfänger, beispielsweise ein Mobiltelefon oder einen Server. Gemäß einer weiteren Ausführungsform befindet sich der Schwerpunkt des Radarsensors unterhalb des Mittelpunkts des Kugelsegments, sodass sich der Radarsensor mittels Schwerkraft senkrecht zur Füllgutoberfläche ausrichten kann, indem er sieh in die Messposition dreht. Insbesondere können Gewichte im Unteren Bereich des Sensors vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Metalllrings, der im Sensorgehäuse verläuft, um die selbständige Ausrichtung des Sensors mittels Schwerkraft zu erleichtern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht ein zweiter Teilbereich des Sensorgehäuses aus einem lichtdurchlässigen Material, sodass sich ein Display des Radarsensors durch das Sensorgehäuse hindurch ablesen lässt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Radarsensor zum berührungslosen Messen des Füllstands oder Grenzstands ausgeführt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Befestigungsvorrichtung, die eine Hohlkugel oder zumindest ein Hohlkugelsegment aufweist, das eingerichtet ist zum drehbaren Lagern eines oben und im Folgenden beschriebenen Radarsensors.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Befestigungsvorrichtung als geschlossene Hohlkugel ausgeführt. Sie kann vollständig aus Kunststoff bestehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht zumindest das Hohlkugelsegment aus undurchsichtigem Kunststoff.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht die Hohlkugel bzw. die Befestigungsvorrichtung zumindest teilweise aus einem lichtdurchlässigen Material, sodass sich ein Display des Radarsensors durch die Hohlkugel hindurch ablesen lässt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Befestigungsvorrichtung einen Befestigungsflansch zur Anbringung an der Öffnung eines Behälters auf. Die Befestigungsvorrichtung kann einstückig ausgeführt sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Befestigungsvorrichtung einen Haltearm und/oder ein Innengewinde zum Anbringen eines Haltearms auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Befestigungsvorrichtung ein Arretierelement auf, eingerichtet zum Fixieren des Sensors in der Befestigungsvorrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Befestigungsvorrichtung ein Ausrichtungselement auf, eingerichtet zum Ausrichten des Sensors in der
Befestigungsvorrichtung.
Sensor und Lagerung können so ausgeführt sein, dass sich der Sensor über die Schwerkraft selber ausrichtet, sodass er stets senkrecht nach unten strahlt, oder, alternativ, vertikal, unabhängig von der Orientierung der Befestigungsvorrichtung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Befestigungsvorrichtung ein Ausrichtungselement auf, eingerichtet zum Ausrichten des Sensors in der
Befestigungsvorrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Befestigungsvorrichtung einen darin angeordneten Sensor auf, der darin drehbar gelagert ist.
Man könnte somit sagen, dass die Befestigungsvorrichtung das Gehäuse des Radarsensors ist. Man würde also einen z. B. kugelförmigen Sensor vorsehen, der ein Ausrichtungsmechanismus im Inneren beinhaltet, ohne weiters Umgehäuse im Inneren. Aber es wäre natürlich auch möglich, ein Radarsensor mit eigenem Gehäuse und zusätzlich eine Befestigungskugel vorzusehen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Sensor um ein Füllstandmessgerät, beispielsweise ein Füllstandradargerät, einen Grenzstandsensor, einen Drucksensor oder einen Durchflusssensor. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung einer oben und im Folgenden beschriebenen Befestigungsvorrichtung zur Befestigung eines Sensors, beispielsweise eines oben und im Folgenden beschriebenen Sensors, wahlweise an einer Seitenwand eines Behälters oder der Decke des Behälters.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Behälter mit einer daran angebrachten oben und im Folgenden beschriebenen Befestigungsvorrichtung. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines Sensors an einem Behälter. Zunächst erfolgt ein Anordnen des Sensors in einer vollständig geschlossenen Befestigungsvorrichtung oder in einer zumindest teilweise geschlossenen Befestigungsvorrichtung. Danach erfolgt die Befestigung der Befestigungsvorrichtung an oder in der Nähe eines Behälters. Gleichzeitig oder danach erfolgt ein Ausrichten des Sensors. Beispielsweise erfolgt die Ausrichtung des Sensors mittels Schwerkraft, also selbstständig und ohne Hilfe eines Benutzers.
Der Radarsensor kann zur Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld ausgeführt sein. Er kann in der Landwirtschaft eingesetzt werden, zur Überwachung von mobilen Trinkwasser- oder Futterbehältern.
Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches alle Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage beispielsweise in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld 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 z.B. 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. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D- Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. 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. Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren weitere Ausführungsformen 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 einen Messaufbau gemäß einer ersten Ausführungsform. Fig. 2 zeigt einen Messaufbau gemäß einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines Radarsensors mit Befestigungsvorrichtung im Bereich der Sensorlagerung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Fig. 1 zeigt einen Messaufbau gemäß einer Ausführungsform. Der Messaufbau weist einen Radarsensor 100 auf, der in einer Befestigungsvorrichtung 300 derart gelagert ist, dass er sich in alle Raumrichtungen drehen kann. Die Befestigungsvorrichtung 300 ist an der Öffnung des Behälters 200 angebracht, beispielsweise mittels einer Flanschbefestigung 313. Es kann aber auch eine anderweitige Befestigung vorgesehen sein und die Erfindung ist nicht auf eine Flanschbefestigung limitiert.
Wichtig ist, dass der Radarsensor 100 drehbar in dem Gehäuse der Befestigungsvorrichtung 300 gelagert ist. Der Radarsensor, der eingerichtet ist zum Messen des Füllstands oder Grenzstands des Füllguts 201 , weist ein Sensorgehäuse 101 , eine Elektronikeinheit 105 und eine Antenneneinheit 106 auf. Das Sensorgehäuse 101 kann kugelartig ausgeführt sein oder, alternativ, einen Teilbereich aufweisen, der die Form eines Kugelsegments aufweist. In der Ausführungsform in der Fig. 1 handelt es sich um eine Vollkugel aus Kunststoff, in der sich die Elektronikeinheit 105, die Antenneneinheit 106, der Energiespeicher 110 und ein Drahtlos-Kommunikationsmodul 107 befinden.
Das Drahtlos-Kommunikationsmodul 107 kann auch als Funkschnittstelle bezeichnet werden. Auch kann ein Display 109 vorgesehen sein, welches sich beispielsweise nahe der Oberseite des Gehäuses befindet, sodass es durch die Gehäusewand hindurch ausgelesen werden kann. Hierfür ist der obere, zweite Teilbereich 108 des Gehäuses aus lichtdurchlässigem Material gefertigt, beispielsweise ein durchsichtiger Kunststoff. Da die kugelförmige Elektronikeinheit 100 vollständig in der Außenkugel 300 enthalten ist, kann der Teilbereich 108 eingespart werden und die Elektronik offen, ohne zusätzliches Gehäuse, in der Außenkugel 300 platzieren.
Der untere Bereich des Gehäuses, weiter oben als „erster Teilbereich“ 102 bezeichnet, kann ebenfalls aus Kunststoff gefertigt sein. Dieser Teilbereich muss jedoch nicht lichtdurchlässig sein; es genügt die Durchlässigkeit für Radarstrahlen, die von der Antenneneinheit 106 in Richtung Füllgut ausgesendet werden. Auch hier bräuchte die Antenne nicht innerhalb eines Gehäuses liegen. Sie würde schon durch die Außenkugel geschützt werden und könnte frei liegen, damit nur durch die Außenkugel durchgemessen werden müsste. In anderen Worten kann die Innenkugel auf ein Kugelsegment reduziert sein, das in der Gelenkpfanne der Befestigungsvorrichtung 300 angeordnet ist.
Der Radarsensor 100 befindet sich vollständig im Inneren der Befestigungsvorrichtung 300. Das Gerät kann somit zwei Teile aufweisen, eine Befestigungsvorrichtung 300 und ein separater Radarsensor 100. In einer anderen Ausführungsform stellt die Befestigungsvorrichtung 300 das Gehäuse des Radarsensors 100 dar, so dass die Einheit 100 auch als kugelförmige oder kugelsegmentförmige Elektronikeinheit ohne eigenes Gehäuse bezeichnet werden könnte. Bei der Befestigungsvorrichtung 300 kann es sich um eine Hohlkugel oder um ein Hohlkugelsegment handeln. Ähnlich wie bei dem Radarsensor kann auch das Gehäuse der Befestigungsvorrichtung 300 aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen: Zum einen aus einer für Radarstrahlen durchlässigen Halbkugel bzw. einem Hohlkugelsegment 301 im unteren Bereich und einem oberen Hohlkugelsegment 302 im oberen Bereich, die lösbar oder unlösbar miteinander verbunden sind. Das obere Hohlkugelsegment 302 kann aus demselben Material bestehen, wie das untere Hohlkugelsegment, oder aber aus einem anderen Material, beispielsweise einem lichtdurchlässigen Material, wie einem durchsichtigen Kunststoff.
Es kann ein Arretierelement 311 vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer Stellschraube, die in ein durchgängiges Innengewinde durch die Wandung der Befestigungsvorrichtung 300 hindurchgeschraubt ist, um den Sensor 100 festzuklemmen.
Auch kann ein Ausrichtungselement 312 vorgesehen sein, mittels welchem sich die Orientierung des Sensors 100 manuell einstellen lässt, zum Beispiel magnetisch durch die Kunststoffwand hindurch.
Es kann vorgesehen sein, dass sich der Schwerpunkt des Sensors im Bereich der Antenneneinheit 106 befindet, jedenfalls deutlich unterhalb des Mittelpunkts des kugelförmigen Radarsensors 100, sodass sich die gelagerte „Sensorkugel“ mittels der Schwerkraft automatisch so einstellt, dass die Antenne in die gewünschte Richtung misst (im Regelfall vertikal: es kann aber auch eine horizontale Messung oder eine Messung in eine andere Richtung vorgesehen sein).
Auch kann der Radarsensor einen Neigungssensor aufweisen, der die aktuelle Orientierung des Sensors erfasst. Diese Daten können dazu beitragen, den Füllstand genauer zu erfassen bzw. zu berechnen. Es wird somit eine Befestigung des Radarsensors 100 an dem Behälter 200 bereitgestellt, welche es ermöglicht, die Antenneneinheit 106 in alle Richtungen zu drehen und zu schwenken. Die Vorrichtung ist hierbei kostengünstig herstellbar. Beispielsweise ist die Befestigungsvorrichtung 300 als zweiteilige Hohlkugel ausgeführt. Der Radarsensor 100 ist kugelförmig ausgeführt und kann damit im Hohlkugelgehäuse untergebracht werden und somit in alle Richtungen gedreht und geschwenkt werden. Der kugelförmige Radarsensor 100 kann beispielsweise durch die obere Halbschale der Hohlkugel fixiert werden. Die Radarantenne, die Teil der Elektronik ist, kann somit in alle möglichen Positionen geschwenkt und fixiert werden. Hierbei wird durch die äußere Gehäusekugel 301 , 302, die aus Kunststoff besteht, hindurchgemessen.
Die Befestigungsvorrichtung lässt sich in jedem runden Loch des Behälters platzieren, welches im Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Kugel und lässt sich beispielsweise mit einer Silikonraupe festkleben. Alternativ kann die Befestigungsvorrichtung 300 am Behälter mittels einer Stange 310 (vgl. Fig. 2) oder einer Klemmeinrichtung befestigt werden, sodass sich die kugelförmige Befestigungsvorrichtung außerhalb des Behälters befindet.
Wird die obere Halbkugel 302 aus transparentem Kunststoff hergestellt, kann ein sich im Inneren befindliches Display oder eine Leuchtanzeige durch die Gehäusewand hindurch ausgelesen werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Radarsensor 100 lediglich in das halbschalenartige Gehäuseteil 301 eingelegt wird, sodass er sich einfach austauschen lässt.
Somit wird ein kugelförmiges Gerätegehäuse bereitgestellt, das einen kugelförmigen Elektronikbecher mit Antenne enthält, sodass die Antenne im kugelförmigen Gehäuse senkrecht ausgerichtet werden kann. Wird der Radarsensor 100, wie in Fig. 1 gezeigt, mit seiner hohlkugelartigen Befestigungsvorrichtung 300 auf der Behälteröffnung platziert, ragt der untere Teil der Hohlkugel in den Behälter hinein. In dieser Hohlkugel befindet sich die Elektronik mit Antenne, die ebenfalls als Kugel ausgeführt ist. Der obere Teil des Kugelgehäuses kann mit transparentem Kunststoff ausgeführt werden, damit ein eventuell vorhandenes Display im Inneren sichtbar bleibt.
Für die Kommunikation mit einer externen Einheit und insbesondere die Messwertübertragung oder Parametrierung ist eine Funkschnittstelle (Drahtlosmodul) 107 vorgesehen, das beispielsweise Bluetooth verwendet. Damit ein vollständig autarker Betrieb des Radarsensors möglich ist, kann ein Energiespeicher 110, beispielsweise ein Akku, verwendet werden.
Ist keine Öffnung im Behälter gewünscht, kann die Befestigungsvorrichtung 300 auch zum Beispiel mittels eines Stabes 310 an den Behälter montiert werden, sodass sie über dem Behälter „schwebt“ (vgl. Fig. 2).
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 1 erfolgt ein Anordnen des Sensors 100 in einer vollständig oder teilweise geschlossenen Befestigungsvorrichtung 300. In Schritt 2 wird die Befestigungsvorrichtung an einem Behälter befestigt und in Schritt 3 erfolgt ein Ausrichten des Sensors, sodass er das Messsignal senkrecht zur Füllgutoberfläche aussendet. Das Ausrichten kann automatisch mittels Schwerkraft erfolgen. In Schritt 4 wird der Sensor arretiert, woraufhin dann die Füllstandmessung erfolgt.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines Radarsensors mit Befestigungsvorrichtung im Bereich der Sensorlagerung. Hier handelt es sich um die bereits weiter oben beschriebene Ausführungsform, bei der die Befestigungsvorrichtung das „Sensorgehäuse“ darstellt und die Elektronik des Sensors beweglich in der Gelenkpfanne der Befestigungsvorrichtung gelagert ist.
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), eingerichtet zum Messen eines Füllstands oder eines Grenzstands eines Füllguts (201) in einem Behälter (200), aufweisend: ein Sensorgehäuse (101), dessen Aussenkontur zumindest in einem ersten
Teilbereich (102) des Sensorgehäuses die Form eines Kugelsegments aufweist, welches eingerichtet ist, den Radarsensor in einem entsprechenden Hohlkugelsegment (301) einer Befestigungsvorrichtung (104) drehbar zu lagern; eine Elektronikeinheit (105), eingerichtet zum Erzeugen eines Messsignals; eine Antenneneinheit (106), eingerichtet zum Abstrahlen des Messsignals und zum Empfangen des an einer Füllgutoberfläche reflektierten Messsignals; wobei die Elektronikeinheit und die Antenneneinheit im Gehäuse angeordnet sind.
2. Radarsensor (100) nach Anspruch 1, wobei die Aussenkontur des Sensorgehäuses (101) vollständig kugelförmig ist.
3. Radarsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorgehäuse (101 ) vollständig geschlossen ist.
4. Radarsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorgehäuse (101) zumindest im Bereich der Antenneneinheit (106) aus Kunststoff besteht, so dass das Messsignal durch des Sensorgehäuse hindurch abgestrahlt werden kann.
5. Radarsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das Sensorgehäuse (101) nicht zerstörungsfrei öffnen lässt.
6. Radarsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgeführt als autarker Radarsensor mit eigener Energieversorgung.
7. Radarsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend: eine Funkschnittstelle (107), eingerichtet zum drahtlosen Übermitteln der Radarsensordaten an einen externen Empfänger.
8. Radarsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Schwerpunkt des Radarsensors unterhalb des Mittelpunks des Kugelsegments befindet, so dass sich der Radarsensor mittels Schwerkraft senkrecht zur Füllgutoberfläche ausrichtet.
9. Radarsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweiter Teilbereich (108) des Sensorgehäuses (101) aus einem lichtdurchlässigen Material besteht, so dass sich ein Display (109) des Radarsensors durch das Sensorgehäuse hindurch ablesen lässt.
10. Radarsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eingerichtet zum berührungslosen Messen des Füllstands oder Grenzstands.
11. Befestigungsvorrichtung (300), mit einer Hohlkugel (301 , 302) oder zumindest einem Hohlkugelsegment (301), eingerichtet zum drehbaren Lagern eines
Radarsensors (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Befestigungsvorrichtung (300) nach Anspruch 11, ausgeführt als geschlossene Hohlkugel.
13. Befestigungsvorrichtung (300) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Hohlkugelsegment (301) aus undurchsichtigem Kunststoff besteht.
14. Befestigungsvorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Hohlkugel (301 , 302) zumindest teilweise aus einem lichtdurchlässigen Material besteht, so dass sich ein Display (109) des Radarsensors (100) durch die Hohlkugel (301, 302) hindurch ablesen lässt.
15. Befestigungsvorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 11 bis14, aufweisend einen Befestigungsflansch zur Anbringung an der Öffnung eines Behälters.
16. Befestigungsvorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, aufweisend einen Haltearm (310) oder ein Innengewinde zum Anbringen eines Haltearms (310).
17. Befestigungsvorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Befestigungsvorrichtung ein Arretierelement (311) aufweist, eingerichtet zum Fixieren des Sensors (100) in der Befestigungsvorrichtung.
18. Befestigungsvorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Befestigungsvorrichtung ein Ausrichtungselement (312) aufweist, eingerichtet zum Ausrichten des Sensors (100) in der Befestigungsvorrichtung.
19. Befestigungsvorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 11 bis 18, aufweisend einen darin angeordneten Sensor (100).
20. Befestigungsvorrichtung (300) nach Anspruch 19, wobei es sich bei dem Sensor (100) um ein Füllstandmessgerät, einen Grenzstandsensor, einen Drucksensor oder einen Durchflusssensor handelt.
21. Verwendung einer Befestigungsvorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 11 bis 20 zur Befestigung eines Sensors (100) wahlweise an einer Seitenwand eines Behälters (200) oder der Decke des Behälters.
22. Behälter (200) mit einer daran angebrachten Befestigungsvorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 11 bis 20.
23. Verfahren zum Befestigen eines Sensors (100) an einem Behälter (200), aufweisend die Schritte: Anordnen des Sensors in einer vollständig geschlossenen Befestigungsvorrichtung (300);
Befestigen der Befestigungsvorrichtung am Behälter;
Ausrichten des Sensors.
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Ausrichten des Sensors (100) mittels Schwerkraft erfolgt.
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