EP4487091A1 - Füllstandsmessgerät - Google Patents

Füllstandsmessgerät

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Publication number
EP4487091A1
EP4487091A1 EP23708415.7A EP23708415A EP4487091A1 EP 4487091 A1 EP4487091 A1 EP 4487091A1 EP 23708415 A EP23708415 A EP 23708415A EP 4487091 A1 EP4487091 A1 EP 4487091A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
frequency
measuring device
ramp
distance measuring
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
EP23708415.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Vogel
Ghislain Daufeld
Alexey Malinovskiy
Steffen Markoni
Markus Ziegler
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 EP4487091A1 publication Critical patent/EP4487091A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating 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
    • G01F23/28Indicating 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
    • G01F23/284Electromagnetic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S13/00Systems 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
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06Systems determining position data of a target
    • G01S13/08Systems for measuring distance only
    • G01S13/32Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/34Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G01S13/343Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal using sawtooth modulation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S13/00Systems 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
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications

Definitions

  • the invention relates to a radar-based fill level measuring device that can be individually adjusted with regard to its frequency band.
  • Appropriate field devices are used in process automation technology to record relevant process parameters.
  • suitable measurement principles are implemented in the corresponding field devices in order to record a fill level, a flow rate, a pressure, a temperature, a pH value, a redox potential or a conductivity as process parameters.
  • a wide variety of field device types are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
  • Non-contact measuring methods have become established for level measurement of filling goods in containers, as they are robust and low-maintenance. Another advantage of non-contact measuring methods is the ability to measure the level almost continuously. In the field of continuous level measurement, radar-based measurement methods are therefore predominantly used (in the context of this patent application, the term “radar” refers to signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz). In principle, the higher the frequency, the higher the measurement resolution that can be achieved.
  • the pulse propagation time method and FMCW (“Frequency Modulated Continuous Wave”) have established themselves as measuring methods. Radar-based level measurement is described in more detail, for example, in "Radar Level Detection, Peter Devine, 2000f".
  • Typical frequency bands approved for radar-based level measurement are 26 GHz, 60 GHz, 80 GHz and 120 GHz, and increasingly also 180 GHz and 240 GHz.
  • the exact position of the frequency band and its scope depend on the respective country or the exact measuring location where the level gauge is used: In the case of 80 GHz, the corresponding frequency band in Europe is 76 -84 GHz, for example, while this in Canada, for example, is 77 - 81 GHz.
  • the measuring range that the fill level measuring device must cover depends in turn on the container in which the fill level is to be determined.
  • the required measuring range that the level gauge has to cover is limited to 15 m for smaller vessels, while it can be up to 100 m for larger applications.
  • the functional principle of FMCW is based on emitting a radar signal with a frequency that changes in a ramp shape in the direction of the filling material. After reflection on the surface of the product, the corresponding received signal is mixed with the generated radar signal in order to obtain a low-frequency intermediate frequency signal.
  • the frequency of the intermediate frequency signal represents the distance from the filling material or the filling level. through the
  • presetting the limit frequencies is no longer possible to adapt the level gauge to new measurement conditions.
  • the frequency of the emitted radar signal has a defined lower or upper limit frequency and a defined ramp gradient, which are set in advance during production to the later application site or the later measuring range. Due to the presetting of these parameters, however, it is subsequently no longer possible to adapt the fill level measuring device to different measurement environments or different measurement conditions.
  • the invention is therefore based on the object of providing a radar-based filling level measuring device which overcomes these disadvantages.
  • the invention solves this problem with an FMCW radar-based distance measuring device for measuring a distance to an object, which includes the following components:
  • a signal generation unit that is designed to generate a cyclically recurring electrical high-frequency signal, the frequency of which has a temporal frequency ramp between a lower limit frequency and an upper limit frequency with a defined ramp gradient and a defined ramp duration, an antenna by means of which the high-frequency Signal can be transmitted as a radar signal in the direction of the object and can be received as a corresponding reception signal after reflection on the object, and a signal processing unit, with o a mixer stage which is designed according to the FMCW principle using the electrical high-frequency Signal and the received signal to generate a low-frequency intermediate frequency signal per measurement cycle, o a transformer stage, which is designed to create a frequency spectrum of the evaluation signal per measurement cycle, and a control-Zevaluation unit is designed to use the frequency spectrum to determine the distance.
  • the distance measuring device is characterized in that the desired frequency band and the desired measuring range can be specified for the signal generation unit.
  • the control/evaluation unit can control the signal generation unit according to the invention in such a way that the limit frequencies and/or the ramp gradient are set as a function of the specified frequency band and the measurement range.
  • the signal generation unit can adjust the limit frequencies according to the invention set, provided that the ramp gradient f according to below a maximum ramp gradient (f' max x).
  • the limit frequencies are according to the formula set, whereby the difference between the cut-off frequencies (f stop - f start is thus set smaller than the specified frequency band Af. Both cut-off frequencies f stop and f start must be within the frequency band A.
  • the distance measuring device comprises an analog/digital converter stage which digitizes the intermediate frequency signal in the signal direction before the transformer stage, and if the distance measuring device has an 11R or FIR arranged in the signal direction after the analog/digital converter stage filter with an integrated decimator, which subjects the digitized intermediate frequency signal to low-pass filtering, the distance measuring device according to the invention can be advantageously further developed in this way:
  • the control/evaluation unit can be designed in such a way that the decimation factor of the decimator is in particular anti-proportional dependent the ramp gradient or the measuring range is set.
  • the distance measuring device can be further developed such that the control/evaluation unit includes a position sensor for determining the current location.
  • the signal generation unit can set or change the limit frequencies and the ramp duration independently as a function of the determined place of use.
  • the position sensor can be a GPS module, a WLAN module and/or a GSM module, for example.
  • the signal generation unit can be assigned an input unit, by means of which the limit frequencies can be set or changed manually at the respective place of use.
  • the term “unit 1” is understood in principle to mean a separate arrangement or encapsulation of those electronic circuits that are provided for a specific application, for example for high-frequency signal processing or as an interface.
  • the respective unit can therefore include corresponding analog circuits for generating or processing corresponding analog signals.
  • the unit can also include digital circuits such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with appropriate programs. The program is designed to carry out the necessary procedural steps or to apply the necessary arithmetic operations.
  • different electronic circuits of the unit within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit. It is irrelevant whether different electronic circuits within the unit are arranged on a common printed circuit board or on several connected printed circuit boards.
  • Fig. 1 A radar-based level gauge on a container
  • Fig. 2 a possible embodiment of the antenna arrangement
  • FIG. 1 shows a container 3 with a filling material 2 whose filling level L is to be determined.
  • the container 3 can be up to more than 100 m high.
  • the conditions in the container also depend on the type of filling material 2 and the area of application. In the case of exothermic reactions, for example, high temperatures and pressures can occur. In the case of dusty or flammable substances, appropriate explosion protection conditions must be observed inside the container.
  • a filling level measuring device 1 working according to the FMCW principle is fitted above the filling material 2 at a known installation height h above the brine of the container s.
  • the fill-level measuring device 1 is attached to a corresponding opening of the container 3 in a pressure- and media-tight manner and is aligned such that only the antenna 12 of the fill-level measuring device 1 is directed into the container 3 vertically downwards towards the filling material 2, while the other components of the fill-level measuring device 1 are arranged outside of the container 3.
  • Radar signals SHF are emitted in the direction of the surface of the filling material 2 via the antenna 12 .
  • the frequency of the radar Signal SHF changed in a time ramp between a lower limit frequency fstart and an upper limit frequency fstop.
  • the limit frequencies fstart, fstop are based on a frequency band Af specified during production.
  • the level measuring device 1 After the radar signal SHF has been reflected on the surface of the filling material, the level measuring device 1 again receives the reflected received signals RHF via the antenna 12 Correspondingly proportional to the distance d between the fill-level measuring device 1 and the filling material 2, where c corresponds to the radar propagation speed of the respective speed of light.
  • the signal propagation time t can be determined indirectly by the fill level measuring device 1 using the FMCW method using the received signal RHF, as is explained using FIG. 2 .
  • the fill level measuring device 1 can assign the measured transit time t to the respective distance d.
  • a control/evaluation unit of the fill level measuring device 1 is connected via a separate interface unit, such as "4-20 mA”, “PROFIBUS”, “HART", or “Ethernet” to a superordinate unit 4, such as . B. connected to a local process control system or a decentralized server system.
  • the measured filling level value L can be transmitted via this, for example in order to control inflows or outflows of the container 3 if necessary.
  • other information about the general operating status of the fill-level measuring device 1 can also be communicated.
  • PLL Phase Locked Loop
  • the high-frequency signal SHF is generated according to the FMCW principle with a correspondingly ramped frequency change.
  • the high-frequency signal SHF is then fed via a transmit/receive switch 14 to the antenna 12, from where the high-frequency signal SHF is sent out as a radar signal SHF.
  • the transmit/receive switch 14 can be designed, for example, as a diplexer or as a duplexer.
  • the corresponding received signal r received by the antenna 12 is first fed to a mixer stage 131 via the signal splitter 14 in a signal processing unit 13 of the fill level measuring device. There, the received signal THF is mixed with the high-frequency signal SHF generated by the signal generation unit 11, as a result of which a low-frequency intermediate-frequency signal SZF is generated according to the FMCW principle.
  • An analog-to-digital converter stage 132 discretizes the intermediate frequency signal SZF in the signal direction downstream of the mixer stage 131 in terms of time or value, so that a transformer stage 134 can use this to create a frequency spectrum s m with little computational effort.
  • a digital low-pass filter stage 133 can optionally be arranged downstream of the analog-to-digital converter stage 132 in the signal direction in order to filter any noise and other interference. From the frequency spectrum s m , the control/evaluation unit 15 can ascertain that maximum which is to be assigned to the reflection on the filling material 2 in order to use this to determine the distance d or the filling level L.
  • the frequency ramp is characterized by a ramp duration T , a ramp gradient f and a lower limit frequency fstart and an upper limit frequency fstop, the limit frequencies fstart, fstop depending on the selection of the respective frequency band Af do not have to match its limits, but may be within the frequency band Af.
  • the fill level measuring device 1 can be given the desired frequency band Af even after its completion, for example via an input mask of the control/evaluation unit 15, or indirectly via the superordinate unit 4. As shown in FIG. 2, the control Zevaluation unit 15 the signal generation unit 11 accordingly.
  • the desired measuring range of the fill level measuring device 1 can be adjusted manually or automatically. This can also be done, for example, via the operating and input mask, or indirectly via the higher-level unit 4 .
  • the measuring range must be set so that at least the installation height h is recorded.
  • the fill level measuring device 1 sets the ramp gradient f according to independently.
  • the ramp steepness f according to limited by the previously selected measuring range.
  • the fill-level measuring device 1 sets the limit frequencies fstart, fstop according to fstop ⁇ fstart&f if the selected frequency band Af is not so wide that the maximum ramp gradient f′max is exceeded as a result.
  • the limit frequencies fstart, fstop within the frequency band Af according to limited as shown in FIG.
  • automatic setting or changing of the frequency band Af and the measuring range h can be implemented by storing an assignment table in the control/evaluation unit 15 .
  • the table assigns different regions as potential locations to the frequency band Af of the respective region.
  • a position sensor implemented in the control Zevaluation unit 15 can be used to determine the region in which the current location of use of the fill level measuring device is located. Based on the current region, the fill-level measuring device 1 can thus assign the associated frequency band Af using the table.
  • the fill level measuring device 1 according to the invention it is also conceivable for the fill level measuring device 1 according to the invention to determine its current position and thus the respective region by contacting any mobile radio or WLAN network. For this it is necessary that the fill level measuring device 1 includes a corresponding GSM or WLAN module.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein FMCW-basiertes Füllstandsmessgerät (1), das folgende Komponenten umfasst: Eine Signalerzeugungs-Einheit (11) zur Erzeugung des rampenförmigen Signals (SHF); Eine Antenne (12) zum Aussendern gen Füllgut (2) und zum Empfang des entsprechenden Empfangs-Signals (rHF); Eine Signalverarbeitungs-Einheit (13), welche pro Messzyklus gemäß des FMCW-Prinzips ein Frequenzspektrum (sm) des Auswertungssignals (sZF) erstellt; Und eine Regel- /Auswerte-Einheit (15), um anhand des Frequenzspektrums (sm) den Abstand (d) zu bestimmen. Dabei kennzeichnet sich das Füllstandsmessgerät (1) dadurch, dass ein Frequenzband (Δf) und ein Messbereich vorgebbar sind, und dass das Füllstandsmessgerät (1) hierauf basierend eigenständig die Grenzfrequenzen (fstart, fstop) und/oder die Rampensteilheit (f') einzustellen bzw. ändern kann. Vorteilhaft hieran ist, dass der Einsatzort des Füllstandsmessgerätes (1) nach dessen Fertigung nicht auf eine bestimmte Region, wie China, die USE oder Europa beschränkt ist. Außerdem vereinfacht dies die Logistik bei der Fertigung des Füllstandsmessgerätes (1).

Description

Füllstandsmessgerät
Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät, das hinsichtlich seines Frequenzbandes individuell anpassbar ist.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der jeweiligen Prozessparameter sind in den entsprechenden Feldgeräten daher geeignete Messprinzipien implementiert, um als Prozessparameter etwa einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, eine Temperatur, einen pH- Wert, ein Redoxpotential oder eine Leitfähigkeit zu erfassen. Verschiedenste Feldgeräte-Typen werden von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Dabei ist prinzipiell eine umso höhere Mess-Auflösung erreichbar, je höher die Frequenz ist. Als Messverfahren haben sich das Pulslaufzeit-Verfahren und FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) etabliert. Näher beschrieben wird Radar-basierte Füllstandsmessung beispielsweise in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000f‘.
Typische, für Radar-basierte Füllstandsmessung zugelassene Frequenzbänder liegen bei 26 GHz, 60 GHz, 80 GHz und 120 GHz, sowie vermehrt auch 180GHz und 240GHz. Dabei richten sich die genaue Lage des Frequenzbandes und deren Umfang vom jeweiligen Staat bzw. dem genauen Messort, an dem das Füllstandsmessgerät eingesetzt wird, ab: Im Falle von 80 GHz liegt das entsprechende Frequenzband in Europa bspw. bei 76 -84 GHz, während dies in Kanada beispielsweise bei 77 - 81 GHz liegt. Der Messbereich, den das Füllstandsmessgerät umfassen muss, hängt wiederum vom Behälter ab, in welchem der Füllstand zu bestimmen sind.
Dementsprechend ist der erforderliche Messbereich, den das Füllstandsmessgerät abdecken muss, bei kleineren Behältern auf 15 m begrenzt, während er für größere Anwendungen bis zu 100 m betragen kann.
Das Funktionsprinzip von FMCW beruht darauf, ein Radar-Signal mit sich rampenförmig ändernder Frequenz in Richtung des Füllgutes auszusenden. Nach Reflektion an der Füllgutoberfläche wird das entsprechende Empfangssignal signaltechnisch mit dem erzeugten Radar-Signal gemischt, um ein niederfrequentes Zwischenfrequenz-Signal zu erhalten. Dabei repräsentiert die Frequenz des Zwischenfrequenz-Signals den Abstand zum Füllgut bzw. den Füllstand wieder. Durch die Voreinstellung der Grenzfrequenzen ist allerdings nicht mehr möglich, das Füllstandsmessgerät an neue Messbedingungen anzupassen. Innerhalb des angestrebten Frequenzbandes weist die Frequenz des ausgesandten Radar-Signals eine definierte untere bzw. obere Grenzfrequenz und eine definierte Rampensteilheit auf, welche im Zuge der Fertigung vorab auf den späteren Einsatzort bzw. den späteren Messbereich eingestellt werden. Durch die Voreinstellung dieser Parameter ist es jedoch nachträglich nicht mehr möglich, das Füllstandsmessgerät auf abweichende Messumgebungen bzw. abweichende Messbedingungen anzupassen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät bereitzustellen, welches diese Nachteile überwindet.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein FMCW-Radar basiertes Abstandsmessgerät zur Messung eines Abstandes zu einem Objekt, das folgende Komponenten umfasst:
Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, zyklisch wiederkehrend ein elektrisches Hochfrequenz-Signal zu erzeugen, dessen Frequenz zwischen einer unteren Grenzfrequenz und einer oberen Grenzfrequenz eine zeitliche Frequenzrampe mit einer definierten Rampensteilheit und einer definierten Rampendauer aufweist, eine Antenne, mittels der das Hochfrequenz-Signal als Radar-Signal in Richtung des Objektes aussendbar und nach Reflektion am Objekt als entsprechendes Empfangs-Signal empfangbar ist, und eine Signalverarbeitungs-Einheit, mit o einer Mischer-Stufe, die ausgelegt ist, gemäß des FMCW-Prinzips anhand des elektrischen Hochfrequenz-Signals und des Empfangs-Signals pro Messzyklus ein niederfrequentes Zwischenfrequenz-Signal zu erzeugen, o einer Transformator-Stufe, welche ausgelegt ist, um pro Messzyklus ein Frequenzspektrum des Auswertungssignals zu erstellen, und eine Regel-ZAuswerte-Einheit ausgelegt ist, um anhand des Frequenzspektrums den Abstand zu bestimmen.
Dabei zeichnet sich das erfindungsgemäße Abstandsmessgerät dadurch aus, dass der Signalerzeugungs-Einheit das gewünschte Frequenzband und der gewünschte Messbereich vorgebbar sind. Hierdurch kann die Regel-ZAuswerte-Einheit die Signalerzeugungs-Einheit erfindungsgemäß derart steuern, dass die Grenzfrequenzen undZoder die Rampensteilheit in Abhängigkeit des vorgegebenen Frequenzbandes sowie des Messbereichs eingestellt werden.
Vorteilhaft hieran ist, dass der Einsatzort des Abstandsmessgerätes nicht auf eine bestimmte Region beschränkt wird. Außerdem vereinfacht dies die Logistik bei der Fertigung des Abstandsmessgerätes. Daher bietet es sich insbesondere an, das erfindungsgemäße Abstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter einzusetzen. Sofern zumindest die Rampendauer der Frequenzrampe in der Signalerzeugungs-Einheit fest voreingestellt ist, kann die Signalerzeugungs-Einheit die Grenzfrequenzen erfindungsgemäß auf einstellen, sofern die Rampensteilheit f gemäß unterhalb einer maximalen Rampensteilheit (f‘max) liegt. Im anderen Fall sind die Grenzfrequenzen entsprechend der Formel einzustellen, wobei die Differenz der Grenzfrequenzen (fstop - f start somit kleiner als das vorgegebene Frequenzband Af eingestellt wird. Beide Grenzfrequenzen fstop und fstartmüssen dabei innerhalb des Frequenzbandes A liegen.
Sofern das erfindungsgemäße Abstandsmessgerät eine Analog-/Digital-Wandler-Stufe umfasst, die das Zwischenfrequenz-Signal in Signalrichtung vor der Transformator-Stufe digitalisiert, und sofern das Abstandsmessgerät einen in Signalrichtung hinter der Analog-/Digitalwandler-Stufe angeordneten 11 R- oder FIR-Filter mit integriertem Dezimator umfasst, die das digitalisierte Zwischenfrequenz-Signal einer Tiefpassfilterung unterzieht, kann hierdurch das erfindungsgemäße Abstandsmessgerät vorteilhaft weiterentwickelt werden: In diesem Fall kann die Regel-/Auswerte- Einheit so ausgelegt werden, dass der Dezimationsfaktor des Dezimators insbesondere antiproportional in Abhängigkeit der Rampensteilheit bzw. des Messbereichs eingestellt wird.
Außerdem kann das Abstandsmessgerät dahingehend weiterentwickelt werden, dass die Regel- /Auswerte-Einheit einen Positions-Sensor zur Bestimmung des momentanen Einsatzortes umfasst. Hierdurch kann die Signalerzeugungs-Einheit die Grenzfrequenzen und die Rampendauer selbstständig in Abhängigkeit des ermittelten Einsatzortes einstellen bzw. ändern. Dabei kann es sich bei dem Positions-Sensor bspw. um ein GPS-Modul, ein WLAN-Modul und/oder ein GSM- Modul handeln.
Abstandsmessgerät alternativ oder zusätzlich kann der Signalerzeugungs-Einheit eine Eingabe- Einheit zugeordnet sein, mittels welcher die Grenzfrequenzen am jeweiligen Einsatzort manuell einstellbar bzw. änderbar sind. Unter dem Begriff „Einheit1 wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell eine separate Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen verstanden, die für einen konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Hochfrequenz-Signalverarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Die jeweilige Einheit kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale umfassen. Die Einheit kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGA’s, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Schaltungen der Einheit im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Dabei ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb der Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren. Es zeigt:
Fig. 1 : Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät an einem Behälter,
Fig. 2: eine mögliche Ausführungsvariante der Antennen-Anordnung, und
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer FMCW-typischen Frequenzrampe.
Zum prinzipiellen Verständnis ist in Fig. 1 ein Behälter 3 mit einem Füllgut 2 gezeigt, dessen Füllstand L zu bestimmen ist. Dabei kann der Behälter 3 je nach Art des Füllgutes 2 und je nach Einsatzgebiet bis zu mehr als 100 m hoch sein. Von der Art des Füllgutes 2 und dem Einsatzgebiet hängen auch die Bedingungen im Behälter s ab. So kann es im Falle von exothermen Reaktionen beispielsweise zu hoher Temperatur- und Druckbelastung kommen. Bei staubhaltigen oder entzündlichen Stoffen sind im Behälter-Inneren entsprechende Explosionsschutzbedingungen einzuhalten.
Um den Füllstand L unabhängig von den vorherrschenden Bedingungen ermitteln zu können, ist ein nach dem FMCW-Prinzip arbeitendes Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in einer bekannten Einbauhöhe h über der Sole des Behälter s angebracht. Dabei ist das Füllstandsmessgerät 1 derart Druck- und Mediendicht an einer entsprechenden Öffnung des Behälters 3 befestigt und ausgerichtet, dass lediglich die Antenne 12 des Füllstandsmessgerätes 1 in den Behälter 3 hinein vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist, während die weiteren Komponenten des Füllstandsmessgerätes 1 außerhalb des Behälters 3 angeordnet sind.
Über die Antenne 12 werden Radar-Signale SHF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 ausgesendet. Dabei wird gemäß des FMCW-Prinzips pro Messzyklus die Frequenz des Radar- Signals SHF zeitlich rampenförmig zwischen einer unteren Grenzfrequenz fstart und einer oberen Grenzfrequenz fstop geändert. Die Grenzfrequenzen fstart, fstop richten sich hierbei nach einem bei der Fertigung vorgegebenen Frequenzband Af.
Nach Reflektion des Radar-Signals SHF an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Empfangssignale RHF wiederum über die Antenne 12. Die resultierende Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals SHF, RHF ist gemäß entsprechend proportional zum Abstand d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und dem Füllgut 2, wobei c der Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit der jeweiligen Lichtgeschwindigkeit entspricht. Die Signallaufzeit t kann vom Füllstandsmessgerät 1 mittels des FMCW- Verfahrens mittelbar anhand des Empfangssignals RHF bestimmt werden, wie anhand von Fig. 2 erläutert wird. Beispielsweise auf Basis einer entsprechenden Kalibration kann das Füllstandsmessgerät 1 die gemessene Laufzeit t dem jeweiligen Abstand d zuordnen. Hierüber kann das Füllstandsmessgerät 1 gemäß d = h — L wiederum den Füllstand L bestimmen, sofern die Einbauhöhe h im Füllstandsmessgerät 1 hinterlegt wird.
In der Regel ist eine Regel-/Auswerte-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 über eine separate Schnittstellen-Einheit, wie etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden. Hierüber kann der gemessene Füllstandswert L übermittelt werden, beispielsweise um gegebenenfalls Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.
Der schaltungstechnische Aufbau des Füllstandsmessgerätes 1 wird in Fig. 1 gezeigt: Demnach wird das auszusendende Radar-Signal SHF als elektrisches Hochfrequenz-Signal SHF in einer Signalerzeugungs-Einheit 11 generiert, die im gezeigten Ausführungsbeispiel auf einer phasengesteuerten Regelschleife (vor allem im Englischen als „Phase Locked Loop, PLL“ bekannt) basiert.
Dabei wird das Hochfrequenz-Signal SHF gemäß des FMCW-Prinzips mit entsprechend rampenförmiger Frequenzänderung erzeugt. Im Anschluss wird das Hochfrequenz-Signal SHF über eine Sende-/Empfangs-Weiche 14 der Antenne 12 zugeführt, von wo das Hochfrequenz-Signal SHF als Radar-Signal SHF ausgesandt wird. Dabei kann die Sende-/Empfangs-Weiche 14 beispielsweise als Diplexer oder als Duplexer ausgelegt sein.
Das durch die Antenne 12 empfangene, entsprechende Empfangssignal r wird über die Signalweiche 14 in einer Signalverarbeitungs-Einheit 13 des Füllstandsmssgerätel zunächst einer Mischer-Stufe 131 zugeführt. Dort wird das Empfangssignal THF mit dem von der Signalerzeugungs- Einheit 11 erzeugten Hochfrequenz-Signal SHF gemischt, wodurch gemäß des FMCW-Prinzips ein niederfrequentes Zwischenfrequenz-Signal SZF generiert wird.
Durch eine Analog-ZDigital-Wandlerstufe 132 wird das Zwischenfrequenz-Signal SZF in Signalrichtung hinter der Mischer-Stufe 131 Zeit- bzw.- Wert-diskretisiert, damit eine Transformator- Stufe 134 hieraus mit geringem Rechenaufwand ein Frequenzspektrum sm erstellen kann. In Signalrichtung hinter der Analog-ZDigital-Wandlerstufe 132 kann optional eine digitale Tiefpass- Filterstufe 133 angeordnet werden, um etwaiges Rauschen und anderweitige Störungen zu filtern. Aus dem Frequenzspektrum sm kann die Regel-ZAuswerte-Einheit 15 dasjenige Maximum ermitteln, welches der Reflektion am Füllgut 2 zuzuordnen ist, um anhand dessen den Abstand d bzw. den Füllstand L zu bestimmen.
Fig. 3 zeigt die für FMCW typische, zeitlich lineare Frequenzänderung des Hochfrequenz- bzw. Radar-Signals SHF, SHF in Form einer Rampe, wie es durch die Signalerzeugungs-Einheit 11 pro Messzyklus generiert wird: Die Frequenzrampe zeichnet sich durch eine Rampendauer T , eine Rampensteilheit f und eine untere Grenzfrequenz fstart sowie eine obere Grenzfrequenz fstop aus, wobei die Grenzfrequenzen fstart, fstop je nach Auswahl des jeweiligen Frequenzbandes Af nicht mit dessen Grenzen übereinstimmen müssen, sondern sich ggf. innerhalb des Frequenzbandes Af befinden. Dabei hängen diese Parameter gemäß zusammen.
Erfindungsgemäß kann dem Füllstandsmessgerät 1 das gewünschte Frequenzband Af auch nach dessen Fertigstellung vorgegeben werden, beispielsweise über eine Eingabe-Maske der Regel- ZAuswerte-Einheit 15, oder indirekt über die übergeordnete Einheit 4. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, steuert die Regel-ZAuswerte-Einheit 15 die Signalerzeugungs-Einheit 11 entsprechend an. Außerdem ist der gewünschte Messbereich des Füllstandsmessgerätes 1 manuell oder automatisch anpassbar. Auch dies kann beispielsweise über die Bedien- und Eingabe-Maske, oder indirekt über die übergeordnete Einheit 4 erfolgen. Dabei ist der Messbereich so einzustellen, dass zumindest die Einbauhöhe h erfasst ist. Im Gegensatz zum Messbereich und dem Frequenzband Af ist es aufgrund der nach oben limitierten Samplingfrequenz des Analog-ZDigital-Wandlers 132 vorteilhaft, die Rampendauer T der Frequenzrampe in der Signalerzeugungs-Einheit 11 auf einen definierten Wert voreinzustellen. Dabei wird der Wert der Rampendauer T unter Berücksichtigung der erforderlichen Rechenleistung, der notwendigen Speicherkapazität und der zur Verfügung stehenden Energie gewählt. Unter diesen Randbedingungen stellt das Füllstandsmessgerät 1 nach Eingabe des Messbereichs h und des Frequenzbandes Af die Rampensteilheit f gemäß selbstständig ein. Dabei wird die Rampensteilheit f gemäß durch den zuvor gewählten Messbereich begrenzt. Dementsprechend stellt das Füllstandsmessgerät 1 die Grenzfrequenzen fstart, fstop gemäß fstop ~ fstart &f ein, sofern das gewählte Frequenzband Af nicht so breit ist, dass hierdurch die maximale Rampensteilheit f'max überschritten wird. Im anderen Fall werden die Grenzfrequenzen fstart, fstop innerhalb des Frequenzbandes Af gemäß begrenzt, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
Eine bei Bedarf automatische Einstellung bzw. Änderung des Frequenzbandes Af und des Messbereichs h ist umsetzbar, indem in der Regel-ZAuswerte-Einheit 15 eine Zuordnungs-Tabelle hinterlegt ist. Dabei ordnet die Tabelle unterschiedliche Regionen als potenzieller Einsatzort dem Frequenzband Af der jeweiligen Region zu. Mittels eines in der Regel-ZAuswerte-Einheit 15 implementierten Positions-Sensors kann in diesem Fall ermittelt werden, in welcher Region sich der momentane Einsatzort des Füllstanfsmessgerätel befindet. Auf Basis der aktuellen Region kann das Füllstandsmessgerät 1 anhand der Tabelle somit das zugehörige Frequenzband Af zuordnen. Alternativ zu einem Positions-Sensor ist es auch denkbar, dass das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 seine aktuelle Position und somit die jeweilige Region durch Kontakt zu einem etwaigen Mobilfunk- oder WLAN-Netzes ermittelt. Hierzu ist es erforderlich, dass das Füllstandsmessgerät 1 ein entsprechendes GSM- bzw. WLAN-Modul umfasst. Bezugszeichenliste
1 Füllstandsmessgerät
2 Füllgut
3 Behälter
4 Übergeordnete Einheit
11 Signalerzeugungs-Einheit
12 Antenne
13 Signalverarbeitungs-Einheit
14 Sende-/Empfangs- Weiche
15 Regel-/Auswerte-Einheit 131 Mischer-Stufe
132 Analog-/Digitalwandler-Stufe
133 Tiefpassfilter-Stufe
134 T ransformator-Stufe fstart, stop Grenzfrequenzen C Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit d Entfernung h Einbauhöhe L Füllstand
PHF Empfangs-Signal SHF Radar-Signal Sm Frequenzspektrum SHF Elektrisches Hochfrequenz-Signal SZF Zwischenfrequenz-Signal
Af Frequenzband f , f max (Maximale) Rampensteilheit
T, Tmax (Maximale) Rampendauer

Claims

Patentansprüche
1 . FMCW-Radar basiertes Abstandsmessgerät zur Messung eines Abstandes (d) zu einem Objekt (2), umfassend:
Eine Signalerzeugungs-Einheit (11), die ausgelegt ist, zyklisch wiederkehrend ein elektrisches Hochfrequenz-Signal (SHF) ZU erzeugen, dessen Frequenz (fü ) zwischen einer unteren Grenzfrequenz (fstart) und einer oberen Grenzfrequenz (fstop) eine zeitliche Frequenzrampe mit einer definierten Rampensteilheit (f‘) und einer definierten Rampendauer (T) aufweist, eine Antenne (12), mittels der das Hochfrequenz-Signal (SHF) als Radar-Signal (SH ) in Richtung des Objektes (2) aussendbar und nach Reflektion am Objekt (2) als entsprechendes Empfangs-Signal (THF) empfangbar ist, eine Signalverarbeitungs-Einheit (13), mit o einer Mischer-Stufe (131), die ausgelegt ist, gemäß des FMCW-Prinzips anhand des elektrischen Hochfrequenz-Signals (SHF) und des Empfangs-Signals (THF) pro Messzyklus ein niederfrequentes Zwischenfrequenz-Signal (SZ ) ZU erzeugen, o einer Transformator-Stufe (134), welche ausgelegt ist, um pro Messzyklus ein Frequenzspektrum (sm) des Auswertungssignals (SZ ) ZU erstellen, und eine Regel-/Auswerte-Einheit (15) ausgelegt ist, um anhand des Frequenzspektrums (sm) den Abstand (d) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalerzeugungs-Einheit (11) ein Frequenzband (Af) und ein Messbereich vorgebbar sind, und dass die Regel-/Auswerte-Einheit (15) die Signalerzeugungs-Einheit (11) derart steuert, so dass die Grenzfrequenzen (fstart, fstop) und/oder die Rampensteilheit (f) in Abhängigkeit des vorgegebenen Frequenzbandes (Af) sowie des Messbereichs eingestellt werden.
2. FMCW-Radar basiertes Abstandsmessgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Rampendauer (T) der Frequenzrampe in der Signalerzeugungs-Einheit (11 ) fest voreingestellt ist.
3. FMCW-Radar basiertes Abstandsmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungs-Einheit (11) die Grenzfrequenzen fstart, fstop gemäß fstop ~ fstart &f einstellt, sofern die Rampensteilheit (f‘) gemäß f f max = /l unterhalb einer maximalen Rampensteilheit (f‘max) liegt.
4. Abstandsmessgerät nach Anspruch 1 , 2 oder 3, umfassend:
Eine Analog-/Digital-Wandler-Stufe (132), die ausgelegt ist, das Zwischenfrequenz-Signal (SZF) in Signalrichtung vor der Transformator-Stufe (134) zu digitalisieren.
5. Abstandsmessgerät nach Anspruch 4, umfassend:
Eine in Signalrichtung hinter der Analog-/Digitalwandler-Stufe (132) angeordnete Tiefpassfilter-Stufe (133), die ausgelegt ist, das digitalisierte Zwischenfrequenz-Signal (SZF) einer Tiefpassfilterung zu unterziehen.
6. Abstandsmessgerät nach Anspruch 5, wobei die Tiefpassfilter-Stufe (133) als HR- oder FIR-Filter mit integriertem Dezimator ausgelegt ist, und wobei die Regel-/Auswerte-Einheit (15)-ausgelegt ist, um einen Dezimationsfaktor der Tiefpassfilter-Stufe (133) insbesondere antiproportional in Abhängigkeit der Rampensteilheit (f‘) bzw. des Messbereichs einzustellen.
7. Abstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regel- /Auswerte-Einheit (15) einen Positions-Sensor umfasst, mittels dem ein momentaner Einsatzort des Abstandsmessgerätes (1) bestimmbar ist, und wobei die Regel-/Auswerte-Einheit (15) ausgelegt ist, die Grenzfrequenzen (fstart, fstop) und die Rampendauer (T) an der Signalerzeugungs-Einheit (11) in Abhängigkeit des ermittelten Einsatzortes einzustellen bzw. zu ändern.
8. Abstandsmessgerät nach Anspruch 5, wobei der Positions-Sensor ein GPS-Modul, ein WLAN- Modul und/oder ein GSM-Modul umfasst, mittels welchem der Einsatzort bestimmbar ist.
9. Abstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Signalerzeugungs- Einheit (11 ) eine Eingabe-Einheit zugeordnet ist, mittels welcher die Grenzfrequenzen (fstart, fstop) manuell einstellbar bzw. änderbar sind.
10. Verwendung des Abstandsmessgerätes (1 ) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3).
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