EP4609150A1 - Ortsauflösende füllstandsmessung - Google Patents

Ortsauflösende füllstandsmessung

Info

Publication number
EP4609150A1
EP4609150A1 EP23772166.7A EP23772166A EP4609150A1 EP 4609150 A1 EP4609150 A1 EP 4609150A1 EP 23772166 A EP23772166 A EP 23772166A EP 4609150 A1 EP4609150 A1 EP 4609150A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radar
ics
measuring device
level measuring
filling material
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
EP23772166.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Hügler
Winfried Mayer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4609150A1 publication Critical patent/EP4609150A1/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
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/34—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G01S13/343—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal using sawtooth modulation
    • 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
    • G01S13/87—Combinations of radar systems, e.g. primary radar and secondary radar
    • G01S13/878—Combination of several spaced transmitters or receivers of known location for determining the position of a transponder or a reflector

Definitions

  • the invention relates to a spatially resolving level measuring device and a method for operating the level measuring device.
  • appropriate field devices are used to record relevant process parameters.
  • suitable measuring principles are implemented in the respective field devices with which the corresponding process parameters, such as level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity, can be recorded.
  • a wide variety of such field device types are manufactured and sold by the “Endress + Hauser” group of companies.
  • contactless measuring methods have been established for measuring the fill level of filling goods in containers because they are robust and low-maintenance.
  • the term “container” also includes non-enclosed containers, such as basins, lakes or flowing water. Another advantage of contactless measuring methods is the ability to measure the fill level almost continuously. In the field of continuous fill level measurement, radar-based measuring methods are therefore mainly 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).
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • the measuring principle of FMCW radar-based distance measuring methods is based on transmitting a continuous radar signal with a modulated frequency.
  • a characteristic of FMCW is that the transmission frequency is periodically changed within a defined frequency band.
  • higher frequency bands in the range of a standardized center frequency are increasingly being used as development progresses:
  • the 26 GHz band or the 79 GHz band frequencies of over 100 GHz have now been implemented.
  • the advantage of high frequencies is that a larger absolute bandwidth (e.g. 4 GHz in the 100 GHz frequency band) can be used at higher frequencies. This in turn achieves a higher resolution and a higher accuracy of the level measurement.
  • the temporal change of the frequency within the frequency band is linear by default and has a sawtooth or triangular shape.
  • a sinusoidal change can also be implemented in principle.
  • the distance is determined in the FMCW method based on the current frequency difference between the current received high frequency signal after reflection from the measuring object, and the radar signal currently emitted by the measuring device.
  • the FMCW-based level measurement method is described, for example, in the published patent application DE 10 2013 108 490 A1.
  • the FMCW method makes it possible to measure the distance or the fill level at least at certain points.
  • the point at which the fill level is measured depends on the orientation of the transmitting/receiving antenna or the direction of its beam lobe (due to the generally reciprocal properties of antennas, the characteristics or beam angle of the beam lobe of the respective antenna are independent of whether it is transmitting or receiving; the term "angle” or “beam angle” in the context of this patent application refers to the angle at which the beam lobe has its maximum transmission intensity or reception sensitivity).
  • the filling level measuring device is aligned so that the beam of the antenna is directed approximately vertically downwards towards the filling material and determines the distance to the filling material.
  • the filling level can be inhomogeneous due to bulk material cones, for example, so that the filling level value determined by the filling level measuring device is only partially meaningful. In such cases in particular, it is therefore desirable to be able to determine the distance or filling level with spatial resolution in the form of a two- or three-dimensional profile.
  • the visual 3D representation of imaging filling level measuring devices offers great benefits for the automation of filling and dismantling processes.
  • the visualization can be used to detect and avoid dangerous filling conditions, which can increase the reliability and safety of the corresponding process plants.
  • the beam of the radar-based level measuring device can be designed to be mechanically pivotable so that the filling material profile can be recorded over the entire container cross-section or at least a portion of it. Due to the increased maintenance effort, such designs are only used in special applications, such as in mining.
  • Radar-based distance measuring devices in which the beam can be electrically swiveled are also known from the state of the art: Among other things, the so-called “phased array” principle can be used, in which the measuring device comprises several antennas, with their radar signals being superimposed for evaluation purposes.
  • the antennas are arranged in rows (beam swiveled along an axis) or in an array (beam swiveling around two axes).
  • the individual antennas are controlled according to their arrangement sequence with a phase shift that increases for each antenna.
  • the angle a of the beam lobe is adjusted depending on the phase shift cp according to a ⁇ arcsin(cp).
  • the hardware required for this can be integrated so compactly that the antennas are housed as patch antennas together with the semiconductor component for signal generation/signal evaluation on a common circuit board or even as a jointly encapsulated radar IC ("integrated circuit").
  • a distance measuring device operating according to the phased array principle is described in the German publication DE 100 36 131 A1, among others.
  • each antenna in the antenna array has its own signal processing and digitization.
  • the received signal is digitized in terms of both its amplitude and its phase position using an appropriate process.
  • the summation is carried out digitally after a virtual phase shift and amplitude scaling in a special computer, the so-called beamform processor.
  • beamform processor With digital beam forming, the radiation characteristics of the antenna can be shaped so that it has several independent main lobes for different directions.
  • a high lateral spatial resolution of the level measurement can potentially be achieved using both digital beamforming and the phased array principle.
  • signal processing in both cases is very complex and requires appropriate hardware or computing power.
  • power consumption is severely limited in level measurement applications due to explosion protection requirements.
  • a radar-based level measuring device for determining location-related level values of a filling material in a container, which comprises the following components:
  • a collecting lens with an optical axis which, when attached, is directed towards the filling material so that radar signals can be emitted in a bundle towards the filling material or can be received in a bundle after they have been reflected on the filling material surface, at least two radar ICs which are designed o to generate the radar signals to be emitted and/or o to receive the reflected radar signals after reflection on the filling material and to generate from each of these a reception signal by means of which a radar signal propagation time can be determined.
  • the at least two radar ICs are arranged with respect to the filling material behind the collecting lens with a defined, respectively different offset to the optical axis and aligned towards the collecting lens.
  • one of the at least two radar ICs has an offset of zero to the optical axis
  • a control-evaluation unit which is designed to control the radar ICs and to determine the signal propagation times in order to determine at least two location-related filling level values.
  • the term "unit” is understood to mean in principle any separate arrangement or encapsulation of those electronic circuits that are intended for the specific purpose, e.g. for measuring signal processing or as an interface.
  • the respective unit can therefore comprise corresponding analog circuits for generating or processing analog signals.
  • the unit can also comprise digital circuits such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with corresponding programs.
  • the program is designed to carry out the necessary process steps or to apply the necessary computing 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 not relevant whether different electronic circuits within the unit are arranged on a common circuit board or on several connected circuit boards.
  • the level measuring device according to the invention By designing the level measuring device according to the invention with a plurality of radar ICs, which are arranged accordingly in relation to the collecting lens, the area of the filling material surface can be measured with little hardware and evaluation effort without ambiguity errors or deviations due to possible faulty calibration.
  • the level measuring device according to the invention is also advantageous in terms of manufacturing technology in that the at least two radar ICs can have a common encapsulation.
  • the at least two radar ICs are arranged mirror-symmetrically in relation to the optical axis.
  • these parameters should be selected so that the main radiation lobes have a maximum of -3dB from each other, since otherwise the spatial uniqueness of the measured level values can no longer be guaranteed.
  • the at least two radar ICs can, for example, be designed accordingly to generate the radar signals or the received signals according to the FMCW or pulse transit time method.
  • the level measuring device according to the invention can be further developed in that the at least two radar ICs are designed and arranged in such a way that they send the radar signals to the collecting lens with a beam cone that is narrower, or receive them from there, the greater the offset of the respective radar IC from the optical axis. This allows the lateral resolution of the level values to be kept approximately constant over the height of the container.
  • the monostatic operating method can be implemented in the level measuring device according to the invention.
  • the radar signal is sent and received by the same radar IC in order to determine a corresponding level value L x;y from this.
  • the number of lateral positions at which a level value can be determined corresponds to the number of radar ICs used.
  • it is necessary that all radar ICs are clocked using a common clock source. This ensures that the radar signals emitted by the various radar ICs have the same phase position.
  • the bistatic method is also advantageous in that a plausibility check of the determined fill level values can be carried out on the level measuring device according to the invention, which makes the operation of the process plant safer.
  • the following process steps are to be used for the plausibility check:
  • Fig. 1 A level measuring device according to the invention on a container
  • Fig. 2 a conceptual structure of the measuring device according to the invention as a cross-sectional view
  • Fig. 3 a conceptual structure of the measuring device according to the invention as a plan view
  • Fig. 4 a schematic block diagram of the measuring device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a container 3 with a filling material 2, the filling level L of which is to be determined.
  • the container 3 can be up to more than 100 m high.
  • a radar-based level measuring device 1 is mounted above the filling material 2 at a known installation height h above the brine of the container 3.
  • the level measuring device 1 is attached to a corresponding opening of the container 3 in such a way that radar signals SHF, RHF are generated in relation to a defined axis a, which is directed vertically downwards into the container 3 towards the filling material 2. emitted or received after their reflection on the surface of the filling material. Accordingly, the level measuring device 1 can be arranged essentially outside the container 3.
  • the level measuring device 1 After reflection of the emitted radar signals Snr on the surface of the filling material, the level measuring device 1 receives the reflected radar signals RHF.
  • the resulting signal runtime t between emission and reception of the respective radar signal SHF, RHF is according to accordingly proportional to the distance d between the level measuring device 1 and the filling material 2.
  • “c” is the respective media-dependent radar propagation speed.
  • the level measuring device 1 is connected to a higher-level unit 4, such as a local process control system or a decentralized server system, via a separate interface unit, such as "4-20 mA”, “PROFIBUS”, “HART”, or "Ethernet”.
  • the measured level values L can be transmitted via this, for example to control any inflows or outflows of the container 3.
  • other information about the general operating status of the level measuring device 1 can also be communicated.
  • the surface of the filling material 2 is not planar. This can occur in particular with bulk-type filling materials 2, for example when filling the container 3 with a cone of material.
  • funnels can form on the surface of the filling material. If the level measuring device 1 only determines the filling level L at one point on the surface of the filling material 2, this may lead to an incorrect interpretation of the filling level L. This can cause an emptying process to be stopped incorrectly if the level measuring device 1 has determined that the container 3 is empty, although there is still filling material 2 at the edge of the container interior. In the opposite case, when the container s is full, it may happen that a filling process is not stopped, although a maximum filling level has already been exceeded at one point on the surface of the filling material, since this is not detected by the level measuring device 1.
  • the level measuring device 1 shown in Fig. 1 determines the level L x;y with spatial resolution, based on the plane x;y orthogonal to the axis a.
  • the central component here is a lens 11 which focuses the radar signals SHF, RHF.
  • the collecting lens 11 closes the level measuring device 1 off from the filling material 2.
  • the collecting lens 11 is aligned such that its optical axis a, along which the radar signals SHF, RHF can be focused, is directed vertically downwards towards the filling material 2, as shown in Fig. 1.
  • the collecting lens 11 is preferably mounted on the level measuring device 1 in such a way that the components located inside the level measuring device 1 are encapsulated from the inside of the container 3 in an explosion-proof manner.
  • a plurality of radar ICs 12, 12' are provided inside the level measuring device 1, i.e. in relation to the filling material 2 behind the collecting lens 11.
  • Each of the radar ICs 12, 12' has full functionality with regard to point-based distance measurement. This means that radar signals SHF, RHF can be generated or sent and received with each of the radar ICs 12, 12'.
  • the respective radar IC 12, 12' generates its own reception signal ZF, ZF' based on this, to which a radar signal transit time can be assigned.
  • the radar ICs 12, 12' are connected to a control/evaluation unit 14.
  • the control/evaluation unit 14 determines the respective signal transit time t or the associated fill level value L x;y in the case of the FMCW principle on the basis of a Fourier transformation of the received signal ZF, ZF'.
  • the radar ICs 12, 12' are arranged on a circuit board 15 within the level measuring device 1.
  • all radar ICs 12, 12' are encapsulated together, for example by a potting compound 16.
  • the common encapsulation 16 is designed to be transparent in that the transmission or reception of the radar signals SHF, RHF by the radar ICs 12, 12' is not suppressed. This can be achieved, for example, by the corresponding primary radiators extending beyond the encapsulation 16 or are exempt from this.
  • Suitable manufacturing processes include selective dispensing, overprinting with 3D printing, protective molds or protective films over the primary emitters that are not to be cast (“foil assisted molding”), which are then removed.
  • the circuit board 15 is placed inside the level measuring device 1 in such a way that the beam cones A1, A2, within which the radar signals SHF, HF are respectively sent out and received by the radar ICs 12, 12', are aligned approximately parallel to the axis a towards the collecting lens 11.
  • the radar ICs 12, 12' are, as can be seen in particular from Fig. 3, arranged in different positions x, y on the circuit board 15 in relation to the axis a of the collecting lens 11, namely mirror-symmetrically to the x and y axes.
  • the radar ICs 12, 12' are divided into two groups of four, the groups being differentiated according to the invention by their lateral offset V1, V2 of the radar ICs 12, 12' to the optical axis a of the collecting lens 11.
  • the two different offsets V1, V2 result in the radar ICs 12, 12' sending out or receiving the radar signals SHF, RHF in relation to the axis a of the collecting lens 11 with two different strong deviations into the container s or towards the filling material 2.
  • This enables the control/evaluation unit 14 to determine corresponding filling level values L x;y laterally over as wide an area of the filling material surface as possible.
  • the number m of detectable filling level values L x;y corresponds to the number n of radar ICs 12, 12', i.e. eight in the embodiment shown in Fig. 3.
  • the lateral position x;y on the filling material surface, which is assigned to the corresponding filling level value L x;y results from the position or the offset V1, V2 of the corresponding radar IC 12, 12' on the circuit board 15 in relation to the axis a of the collecting lens 11, the determined distance value d, and the diopter number of the collecting lens.
  • the diopter number and the positions should preferably be designed so that the resulting main radiation lobes of the radar ICs 12, 12' in the container 2 (see Fig. 1) have an offset of -10 dB or less. If the overlap is -3 dB or less, the alignment of the main radiation lobes is too large or the viewing angle is too overlapping.
  • those four radar ICs 12' which are arranged on the circuit board 15 with the larger offset V2 to the axis a have a narrower beam cone A2 than the beam cone A1 of the inner radar ICs 12.
  • the corresponding main radiation lobes of the radar signals SHF, HF behind the collecting lens 11 towards the filling material 2 are wider than the main radiation lobes of the radar ICs 12 located inner from the offset V1, as visualized in Fig. 1.
  • Fig. 1 schematically illustrates that the outer main radiation lobes of radar signals SHF, RHF in relation to the optical axis a only illuminate higher fill levels L and, at least in the case of a relatively narrow container 3, cannot be used for low fill levels L.
  • the wider main radiation lobes of the outer radar signals SHF, RHF similar area resolutions can be achieved at the higher fill levels L illuminated by them as is the case with the narrow, inner main radiation lobes of the radar signals SHF, RHF at a low fill level L.
  • a radar-focused primary radiator 13, 13' can be connected upstream of the radar ICs 12, 12' in front of their planar antenna.
  • the control-evaluation unit 14 can create a profile of the filling material surface, for example by means of interpolation.
  • the profile of the filling material surface can be visualized, either on a display of the fill level measuring device 1, or, for example, by the higher-level unit 4.
  • the level measuring device 1 can also be operated in the so-called bistatic mode.
  • the operating mode can in turn be set by the control-evaluation unit 14.
  • An exemplary circuit design of two of the radar ICs 12, 12', with which the radar signals SHF, RHF can be measured not only monostatically, but also can be generated or received bistatically is shown in Fig. 4: In the example shown, the FMCW principle is implemented, so that the radar ICs 12, 12' in Fig.
  • a mixer 125, 125' This serves to mix the currently transmitted radar signal SHF with the radar signal RHF ZU currently received via the primary radiator 13, 13'. This generates a received signal ZF, ZF', the frequency of which changes proportionally to the signal propagation time or the distance d.
  • the control-evaluation unit 14 can determine the corresponding signal propagation time t in accordance with the FMCW principle.
  • the radar signal SHF to be transmitted is fed to the primary radiator 13, 13' via a transmit-receive switch 123, 123', via which the received radar signal RHF can also be forwarded to the mixer 125, 125'.
  • the radar signal SHF, RHF is amplified as required before transmission or after reception by an amplifier 122, 122', 123, 123', which is arranged directly in front of or behind the transmit-receive amplifier 123, 123'.
  • the radar signal SHF to be transmitted also undergoes frequency multiplication.
  • a separate frequency multiplier 121, 121', 126, 126' with the same frequency multiplication factor N is provided for each radar IC 12, 12' in both the transmit path and the receive path, i.e. before the transmit-receive switch 123, 123' and before the mixer 125, 125'.
  • This separate amplification in the transmit path and in the receive path improves the LO suppression, especially for bistable operation.
  • the frequency multiplication factor N of the frequency multipliers 121, 121', 126, 126' is the quotient of the desired frequency of the radar signal SHF, RHF divided by the frequency of a clock source 17, which controls the radar ICs 12, 12'.
  • the clock source 17 can be implemented, for example, as an adjustable, phase-controlled control loop (better known in English as a "Phase Locked Loop, PLL") for a VCO ("Voltage Controlled Regulator, VCO"). This allows the frequency of the radar signal SHF to be modulated in a ramp-like manner over time in accordance with the FMCW principle.
  • bistatic operation enables the detection of fill level values L x;y at a larger number of positions x; y in the container s than there are radar ICs 12, 12'.
  • the radar signal SHF is transmitted in bistatic operation by the first radar IC 12 and received after reflection by the second radar IC 12'.
  • the components 124, 126, 121', 122' of the radar ICs 12, 12' shown hatched in Fig. 4 must be deactivated accordingly for bistatic operation.
  • the (de-)activation of these components 124, 126, 121 ', 122' or the coordination of the bistatic measurement can be carried out by the control/evaluation unit 14.
  • the bistatic principle for spatially resolved level measurement can also be applied to any number n of radar ICs 12 within the scope of the invention.
  • the theoretical maximum number m of locations at which a level value L x;y can be detected is in bistatic operation according to calculated according to the Gaussian sum formula.
  • a further advantage of the bistatic method is that the corresponding level values L x;y can be checked for plausibility. This is possible within the scope of the invention by swapping the paired function of the radar ICs 12, 12' as transmitter and receiver for those measurements in which the level value L x;y is not recorded on a monostatic basis. In both constellations, a signal runtime or a corresponding level value L x;y is recorded, which logically must have the same value. If this is not the case, for example due to an error in the level measuring device 1, an implausible level value L x;y can be assumed.
  • control/evaluation unit 14 can, for example, be designed to carry out a corresponding to generate a fault message. This enables the level measuring device 1 to carry out a corresponding self-diagnosis in order to be able to inform the higher-level unit 4 of any malfunction. This further reduces the risk of an uncontrolled process state in the container s.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät (1) zur Ermittlung ortsbezogener Füllstandswerte (Lx;y), das mit geringer Rechenleistung und geringem Leistungsverbrauch betreibbar ist. Hierzu basiert das Füllstandsmessgerät (1) auf einer Sammel-Linse (11), welche gen Füllgut (2) gerichtet ist, so dass Radarsignale (SHF, RHF) gebündelt gen Füllgut (2) aussendbar bzw. nach Reflektion gebündelt empfangbar sind. Mehrere Radar-ICs (12, 12') zur Erzeugung und zum Empfang der Radar-Signale (SHF, RHF) sind in Bezug zum Füllgut (2) hinter der Sammel-Linse (11) mit einem jeweils unterschiedlichen Versatz (V1x;y, V2x;y) zur optischen Achse (a) angeordnet, woraus die Ortsauflösung resultiert. Hierdurch erfahren die Radar-Signale (SHF, RHF) eine jeweils definierte, unterschiedliche Ablenkung gen Füllgut (2). Um die korrespondierenden, ortsbezogenen Füllstandswerte (Lx;y) zu ermitteln, steuert eine Steuer-Auswerte/-Einheit (14) die Radar-ICs (11, 11') entsprechend an. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung kann auf ein rechenaufwendige Signal-Auswertung, wie beispielsweise digitale Strahlformung verzichtet werden. Zugleich ist der Hardware-Aufwand begrenzt, da keine integrierten Strahl-Arrays als Radar-ICs (12, 12') erforderlich sind, sondern lediglich Einzelstrahler.

Description

Ortsauflösende Füllstandsmessung
Die Erfindung betrifft ein ortsauflösendes Füllstandsmessgerät sowie ein Verfahren zum Betrieb des Füllstandsmessgerätes.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der Prozessparameter sind in den jeweiligen Feldgeräten daher geeignete Messprinzipien implementiert, mit denen die entsprechenden Prozessparameter, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit erfassbar sind. Verschiedenste solcher 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. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“' im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. 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).
Ein etabliertes Messprinzip bildet hierbei FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave"). Das Messprinzip von FMCW- Radar basierten Entfernungsmessverfahren beruht darauf, ein kontinuierliches Radar-Signal mit einer modulierten Frequenz auszusenden. Kennzeichnend für FMCW ist hierbei, dass die Sende-Frequenz periodisch innerhalb eines definierten Frequenzbandes geändert wird. Unter Berücksichtigung der regulatorischen Vorschriften kommen mit fortschreitender Entwicklung verbreitet höhere Frequenzbänder im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz zum Einsatz: Neben dem 6 GHz-Band, dem 26 GHz-Band oder dem 79 GHz-Band sind mittlerweile Frequenz von über 100 GHz implementiert. Vorteilhaft an hohen Frequenzen ist, dass bei höheren Frequenzen eine größere absolute Bandbreite (bspw. 4 GHz beim 100 GHz- Frequenzband) genutzt werden kann. Dadurch wird wiederum eine höhere Auflösung bzw. eine höhere Genauigkeit der Füllstandsmessung erreicht.
Die zeitliche Änderung der Frequenz innerhalb des Frequenzbandes ist standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise Dreiecks-Form auf. Eine Sinus-förmige Änderung kann prinzipiell auch implementiert sein. Die Entfernung wird beim FMCW- Verfahren auf Basis der momentanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen Hochfrequenzsignal nach Reflektion am Messobjekt, und dem momentan vom Messgerät ausgesendeten Radar-Signal bestimmt. Beschrieben wird das FMCW- basierte Füllstandsmessverfahren beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 490 A1.
Mit dem FMCW-Verfahren ist es möglich, die Entfernung bzw. den Füllstand zumindest punktuell zu messen. Dabei richtet sich der Punkt, an dem der Füllstand gemessen wird, nach der Ausrichtung der Sende- / Empfangsantenne bzw. nach der Richtung ihrer Strahlkeule (aufgrund der allgemein reziproken Eigenschaften von Antennen ist die Charakteristik bzw. der Strahlwinkel der Strahlkeule der jeweiligen Antenne unabhängig davon, ob sie sendet oder empfängt; bei dem Begriff „Winkel“ oder „Strahlwinkel“ handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung um denjenigen Winkel, in dem die Strahlkeule ihre maximale Sende-Intensität bzw. Empfangs-Empfindlichkeit aufweist).
Im Falle von flüssigen Füllgütern, deren Füllstand homogen ist, ist eine punktuelle Füllstandsmessung ausreichend. In diesen Fällen ist das Füllstandsmessgerät so ausgerichtet, dass die Strahlkeule der Antenne in etwa senkrecht nach unten gen Füllgut gerichtet ist und die Entfernung zum Füllgut bestimmt. Bei feststoffartigen Füllgütern wie Kies oder Getreide kann der Füllstand beispielsweise aufgrund von Schüttgutkegeln jedoch inhomogen sein, so dass der vom Füllstandsmessgerät ermittelte Füllstandswert nur bedingt aussagekräftig ist. Speziell in solchen Fällen ist es daher erstrebenswert, die Entfernung bzw. den Füllstand ortsaufgelöst in Form eines zwei- oder dreidimensionalen Profils bestimmen zu können. Neben der exakten Volumenschätzung bietet insbesondere die visuelle 3D-Darstellung abbildender Füllstandsmessgeräte hohen Nutzen zur Automatisierung von Befüll- und Abbauprozessen. Außerdem können durch die Visualisierung gefährliche Füllzustände bemerkt und vermeiden werden, womit sich die Zuverlässigkeit und Sicherheit entsprechenden Prozessanlagen erhöhen lässt.
Zur ortsauflösenden Füllstandsmessung kann die Strahlkeule des Radar-basierten Füllstandsmessgerätes mechanisch schwenkbar ausgelegt werden, damit das Füllgut- Profil über den gesamten Behälter-Querschnitt oder zumindest einen Teilbereich hiervon erfasst werden kann. Aufgrund des erhöhten Wartungsaufwands sind solche Ausführungsformen jedoch lediglich in Sonderanwendungen, wie bspw. im Bergbau verwendet.
Auch Radar-basierte Entfernungsmessgeräte, bei denen die Strahlkeule elektrisch schwenkbar ist, sind aus dem Stand der Technik bekannt: Unter anderem kann das so genannte „Phased-Array“ Prinzip genutzt werden, bei dem das Messgerät mehrere Antennen umfasst, wobei deren Radar-Signale auswertungstechnisch überlagert werden. Die Antennen sind hierbei reihenförmig (Strahlschwenkung entlang einer Achse) oder in einem Array (Strahlschwenkung um zwei Achsen) angeordnet. Um das Hochfrequenzsignal unter einem definierten Winkel abzustrahlen bzw. zu empfangen, werden die einzelnen Antennen gemäß deren Anordnungsreihenfolge mit einer pro Antenne zunehmenden Phasenverschiebung angesteuert. Dabei stellt sich der Winkel a der Strahlkeule in Abhängigkeit der Phasenverschiebung cp gemäß a~arcsin(cp) ein.
Nach dem Stand der Technik kann die hierfür erforderliche Hardware bereits so kompakt integriert werden, dass die Antennen als Patch-Antennen zusammen mit dem Halbleiterbauteil für die Signalerzeugung/ Signalauswertung auf einer gemeinsamen Leiterplatte bzw. sogar als gemeinsam gekapselter Radar-IC („Integrated Circuit) untergebracht sind. Ein nach dem Phased-Array-Prinzip arbeitendes Entfernungsmessgerät ist unter anderem in der deutschen Veröffentlichungsschrift DE 100 36 131 A1 beschrieben.
Neben dem Phased-Array-Prinzip können ortsauflösende Radar-Messgeräte alternativ auch auf Basis digitaler Strahlformung (besser im Englischen als „Digital Beam Forming“) ausgelegt werden. Hierbei erhält jede Antenne des Antennen-Arrays eine eigene Signalverarbeitung und eine eigene Digitalisierung. Das empfangene Signal wird sowohl hinsichtlich seiner Amplitude als auch seiner Phasenlage mit einem entsprechenden Verfahren digitalisiert. Die Summierung erfolgt digital nach einer virtuellen Phasenverschiebung und Amplitudenskalierung in einem speziellen Rechner, dem sogenannten Strahlformungsprozessor („Beamform Processor“). Mit der digitalen Strahlformung kann die Strahlungscharakteristik der Antenne so geformt werden, dass sie mehrere unabhängige Hauptkeulen für verschiedene Richtungen hat.
Sowohl mittels digitaler Strahlformung, als auch mittels des Phased-Array-Prinzips kann potenziell eine hohe laterale Ortsauflösung der Füllstandsmessung erreicht werden. Allerdings ist die Signalverarbeitung in beiden Fällen sehr komplex und erfordert eine entsprechende Hardware bzw. eine entsprechende Rechenleistung. Insbesondere der Leistungsverbrauch ist bei Füllstandsmess-Anwendungen jedoch aufgrund von Explosionsschutzvorgaben stark limitiert.
Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, ein ortsauflösendes Füllstandsmessgerät bereitzustellen, das sich mit einer geringen Rechenleistung und entsprechend geringem Leistungsverbrauch betreiben lässt. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Ermittlung ortsbezogener Füllstandswerte eines Füllgutes in einem Behälter, das folgende Komponenten umfasst:
Eine Sammel-Linse mit einer optischen Achse, welche im befestigten Zustand gen Füllgut gerichtet ist, so dass Radarsignale gebündelt gen Füllgut aussendbar bzw. nach deren Reflektion an der Füllgut-Oberfläche gebündelt empfangbar sind, zumindest zwei Radar-ICs, die ausgelegt sind, o um die auszusendenden Radar-Signale zu erzeugen, und/oder o um nach Reflektion am Füllgut die reflektierten Radar-Signale zu empfangen und hieraus jeweils ein Empfangs-Signal, mittels welchem eine Radar-Signallaufzeit bestimmbar ist, zu generieren.
Erfindungsgemäß sind die zumindest zwei Radar-ICs in Bezug zum Füllgut hinter der Sammel-Linse mit einem definierten, jeweils unterschiedlichen Versatz zur optischen Achse angeordnet und gen Sammel-Linse ausgerichtet. Es ist hierbei jedoch nicht ausgeschlossen, dass einer der zumindest zwei Radar-ICs einen Versatz von null zur optischen Achse aufweist), und eine Steuer-AuswerteZ-Einheit, die ausgelegt ist, die Radar-ICs derart anzusteuern und die Signallaufzeiten zu bestimmen, um zumindest zwei ortsbezogene Füllstandswerte zu ermitteln.
Unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jegliche separate Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen verstanden, die für den konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Messsignal-Verarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Die jeweilige Einheit kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung 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.
Durch die Auslegung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes mit einer Mehrzahl an Radar-ICs, die in Bezug zur Sammel-Linse entsprechend angeordnet sind, lässt sich der Bereich der Füllgut-Oberfläche mit geringem Hardware- und Auswertungs-Aufwand ohne Mehrdeutigkeitsfehler bzw. Abweichungen durch etwaig fehlerhafte Kalibrierung erfassen. Das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät ist auch fertigungstechnisch insofern vorteilhaft, als dass die zumindest zwei Radar-ICs eine gemeinsame Kapselung aufweisen können.
Um eine hinreichende Auflösung an Füllstands-Messpunkten zu erzielen, ist es vorteilhaft, die Anzahl an Radar-ICs, den jeweiligen Abstand der zumindest zwei Radar-ICs zueinander, den Abstand der Radar-ICs zur Sammel-Linse, die Dioptrie der Sammel-Linse, und die Radar-Frequenz der Radar-ICs derart aufeinander abzustimmen, dass die resultierende Hauptabstrahlkeulen der Radar- ICs in den Behälter einen Versatz von maximal -1 OdB zueinander aufweisen. Für eine homogene Auflösung ist es außerdem von Vorteil, wenn die zumindest zwei Radar-ICs in Bezug zur optischen Achse spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Anderseits sollten diese Parameter so gewählt sein, dass die Hauptabstrahlkeulen maximal -3dB zueinander aufweisen, da ansonsten die Orts-Eindeutigkeit der gemessenen Füllstandswerte nicht mehr sichergestellt ist.
Im Rahmen der Erfindung ist es nicht vorrangig, welches Radar-Verfahren zur Bestimmung der einzelnen Laufzeiten implementiert ist. Die zumindest zwei Radar-ICs können beispielsweise entsprechend ausgelegt werden, um die Radar-Signale bzw. die Empfangs-Signale gemäß des FMCW- oder Pulslaufzeit-Verfahrens zu generieren. Außerdem kann das erfindungsgemäße Füllstandmessgerät insofern weiterentwickelt werden, als dass die zumindest zwei Radar-ICs derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass sie die Radar-Signale mit einem umso schmaleren Strahlkegel gen Sammel-Linse aussenden bzw. von dort empfangen, je größer der betragsmäßige Versatz des jeweiligen Radar-ICs zur optischen Achse ist. Hierdurch kann die laterale Auflösung der Füllstandswerte über die Höhe des Behälters annähernd konstant gehalten werden.
In dem erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät kann im simpelsten Fall das monostatische Betriebsverfahren implementiert werden. In diesem Fall wird das Radar-Signal jeweils durch den gleichen Radar-IC ausgesandt und empfangen, um hieraus einen entsprechenden Füllstandswert Lx;y zu ermitteln. Dementsprechend entspricht die Anzahl der lateralen Positionen, an denen jeweils ein Füllstandswert ermittelbar ist, der Anzahl an eingesetzten Radar-ICs. Um mit gleicher Anzahl an Radar- ICs an deutlich mehr Positionen Füllstandswerte bestimmen zu können, ist es vorteilhaft, die Steuer-AuswerteZ-Einheit so auszulegen, dass sie die Radar-ICs mittels des bistatischen Radarverfahrens ansteuert bzw. entsprechende Füllstandswerte bestimmt. Zumindest im Fall des bitstatischen Verfahrens ist es notwendig, dass alle Radar-ICs hochfrequenztechnisch mittels einer gemeinsamen Taktquelle getaktet sind. Hierdurch ist gewährleistet, dass die von den verschiedenen Radar-ICs ausgesandten Radar-Signale dieselbe Phasenlage aufweisen.
Das bistatische Verfahren ist auch insofern vorteilhaft, als dass am erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät eine Plausibilitätsprüfung von ermittelten Füllstandswerten durchgeführt werden kann, wodurch der Betrieb der Prozess-Anlage sicherer wird. Folgende Verfahrensschritte sind zu Plausibilitätsprüfung anzuwenden:
Aussenden eines Radar-Signals mittels des ersten Radar-ICs,
Empfang des entsprechenden Radar-Signals nach Reflektion an der Füllgut- Oberfläche über das zweite Radar-IC,
Ermittlung einer ersten Signallaufzeit anhand des entsprechenden Empfangs- Signals,
Ermittlung einer zweiten Signallaufzeit durch Wiederholen der vorhergehenden Verfahrensschritte, wobei die zwei Radar-ICs als Sender bzw. Empfänger vertauscht werden, und
Einstufung des Füllstandswertes als unplausibel, sofern die erste Signallaufzeit und die Signallaufzeit nicht übereinstimmen.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Ein erfindungsgemäßes Füllstandsmessgerät an einem Behälter,
Fig. 2: einen konzeptionellen Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes als Querschnittsansicht,
Fig. 3: einen konzeptionellen Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes als Draufsicht, und
Fig. 4: ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Messgerätes.
Zum prinzipiellen Verständnis der Erfindung 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.
Um den Füllstand L bestimmen zu können, ist ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in einer bekannten Einbauhöhe h über der Sole des Behälter 3 angebracht. Dabei ist das Füllstandsmessgerät 1 derart an einer entsprechenden Öffnung des Behälters 3 befestigt, so dass Radar-Signale SHF, RHF in Bezug zu einer definierten Achse a, die in den Behälter 3 hinein vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist, ausgesendet bzw. nach deren Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfangen werden können. Dementsprechend kann das Füllstandsmessgerät 1 im Wesentlichen außerhalb des Behälters 3 angeordnet sein.
Nach Reflektion der ausgesandten Radar-Signale Snr an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Radar-Signale RHF. Dabei ist die resultierende Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar- Signals SHF, RHF gemäß entsprechend proportional zum Abstand d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und dem Füllgut 2. Bei „c“ handelt es sich in diesem Zusammenhang um die jeweils medienabhängige Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit. Zur Bestimmung der Signallaufzeit t kann im Füllstandsmessgerät 1 das FMCW- oder das Pulslaufzeit- Verfahren implementiert sein. Beispielsweise auf Basis einer entsprechenden Kalibration kann das Füllstandsmessgerät 1 die gemessene Signallaufzeit t wiederum dem jeweiligen Abstand d zuordnen. Hierüber kann das Füllstandsmessgerät 1 gemäß d = h — L den Füllstand L zumindest punktuell bestimmen, sofern die Einbauhöhe h im Füllstandsmessgerät 1 hinterlegt wird.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine separate Schn ittstellen-Ein heit, 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 können die gemessenen Füllstandswerte L übermittelt werden, beispielsweise um etwaige Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.
Wie in Fig. 1 dargestellt wird, ist die Oberfläche des Füllgutes 2 nicht planar. Dies kann insbesondere bei Schüttgut-artigen Füllgütern 2 eintreten, bspw. wenn sich beim Befüllen des Behälters 3 Schüttkegel bilden. Daneben kann es beim Ablassen des Füllgutes 2 zu Vertiefungstrichtern an der Füllgut-Oberfläche kommen. Sofern das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L lediglich punktuell an einer Stelle der Oberfläche des Füllgutes 2 bestimmt, führt dies gegebenenfalls zu einer fehlerhaften Interpretation des Füllstandes L. Hierdurch kann ein Entleerungsvorgang fehlerhafterweise gestoppt werden, wenn durch das Füllstandsmessgerät 1 ein leerer Behälter 3 ermittelt wurde, obwohl am Rand des Behälter-Inneren noch Füllgut 2 vorhanden ist. Im entgegengesetzten Fall kann es bei vollem Behälter s vorkommen, dass ein Befüll-Vorgang nicht angehalten wird, obwohl ein Maximalfüllstand an einer Stelle der Füllgut-Oberfläche bereits überschritten ist, da dies durch das Füllstandsmessgerät 1 nicht erkannt wird.
Aus diesem Grund bestimmt das in Fig. 1 dargestellte Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand Lx;y ortsaufgelöst, bezogen auf die zur Achse a orthogonalen Ebene x;y. Zentraler Bestandteil ist hierbei eine für die Radar-Signale SHF, RHF fokussierend wirkende Linse 11. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante schließt die Sammel-Linse 11 das Füllstandsmessgerät 1 gen Füllgut 2 ab. Dabei ist die Sammel- Linse 11 im befestigten Zustand des Füllstandsmessgerätes 1 am Behälter 3 derart ausgerichtet, dass dessen optische Achse a, entlang derer die Radar-Signale SHF, RHF fokussierbar sind, vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Vorzugsweise ist die Sammel-Linse 11 so am Füllstandsmessgerät 1 eingefasst, dass die im Inneren des Füllstandsmessgerätes 1 befindlichen Komponenten explosionskonform vom Inneren des Behälters 3 gekapselt sind.
Im Inneren des Füllstandsmessgerätes 1 , also in Bezug zum Füllgut 2 hinter der Sammel- Linse 11 , sind erfindungsgemäß eine Mehrzahl an Radar-ICs 12, 12 ‘ vorgesehen. Dabei weist jedes der Radar-ICs 12, 12‘ hinsichtlich punktueller Abstandsmessung eine vollwertige Funktionalität auf. Das heißt, mit jedem der Radar-ICs 12, 12‘ können Radar- Signale SHF, RHF erzeugt bzw. ausgesendet und empfangen werden. Je nach implementiertem Messprinzip, also bspw. FMCW oder dem Pulslaufzeit-Verfahren, generiert das jeweilige Radar-IC 12, 12‘ darauf basierend ein eigenes Empfangs-Signal ZF, ZF‘ , welchem eine Radar-Signallaufzeit zuordbar ist. Um anhand des Empfangs- Signals ZF, ZF‘ die Signal-Laufzeit t des jeweiligen Radar-Signals SHF, RHF zwischen Aussenden und Empfang bestimmen zu können, sind die Radar-ICs 12, 12‘ mit einer Steuer-ZAuswerte-Einheit 14 verbunden. Dabei ermittelt die Steuer-ZAuswerte-Einheit 14 die jeweilige Signallaufzeit t bzw. den zugehörigen Füllstandswert Lx;y im Falle des FMCW-Prinzips auf Basis einer Fourier-Transformation des Empfangs-Signals ZF, ZF‘.
Aus Fig. 2 und Fig. 3 geht hervor, dass die Radar-ICs 12, 12‘ innerhalb des Füllstandsmessgerätes 1 auf einer Leiterplatte 15 angeordnet sind. Dabei werden alle Radar-ICs 12, 12‘ in der gezeigten Variante durch bspw. einen Verguss 16 gemeinsam gekapselt. Hierdurch kann auf eine separate Kapselung der einzelnen Radar-ICs 12, 12‘ verzichtet werden. Die gemeinsame Kapselung 16 ist dabei insofern transparent ausgelegt, als dass das Aussenden bzw. der Empfang der Radar-Signale SHF, RHF durch die Radar-ICs 12, 12‘ nicht unterdrückt wird. Realisiert werden kann dies beispielsweise, indem die entsprechenden Primärstrahler über die Kapselung 16 hinausreichen oder hiervon freigestellt sind. Geeignete Herstellungsverfahren sind hierzu unter anderem selektives Dispensen, Überdrucken mit 3D-Druck, Schutzformen oder Schutzfolien über den nicht zu vergießenden Primärstrahlern („Foil Assisted Moulding“), welche abschließend entfernt werden.
Die Leiterplatte 15 ist im Inneren des Füllstandsmessgerätes 1 so platziert, dass die Strahlkegel A1 , A2, innerhalb derer die Radar-Signale SHF, HF von den Radar-ICs 12, 12‘ jeweils ausgesendet und empfangen werden, ungefähr parallel zur Achse a gen Sammel-Linse 11 ausgerichtet sind. Dabei sind die Radar-ICs 12, 12‘, wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, in Bezug zur Achse a der Sammel-Linse 11 einerseits in jeweils unterschiedlichen Positionen x, y auf der der Leiterplatte 15 angeordnet, und zwar spiegelsymmetrisch zur x- und y-Achse. Andererseits teilen sich die Radar-ICs 12, 12‘ in zwei vierer-Gruppen auf, wobei sich die Gruppen erfindungsgemäß durch deren betragsmäßig lateralen Versatz V1 , V2 der Radar-ICs 12, 12‘ zur optischen Achse a der Sammel-Linse 11 unterscheiden.
Wie in Fig. 1 symbolisiert wird, resultiert aus den zwei verschiedenen Versätzen V1 , V2, dass die Radar-ICs 12, 12‘ die Radar-Signale SHF, RHF in Bezug zur Achse a der Sammel-Linse 11 mit zwei unterschiedlich starken Deviationen in den Behälter s bzw. gen Füllgut 2 aussenden bzw. von dort empfangen. Dies ermöglicht es der Steuer- /Auswerte-Einheit 14, lateral über einen möglichst weiten Bereich der Füllgut-Oberfläche entsprechende Füllstandswerte Lx;y zu ermitteln. Im monostatischen Betriebsmodus entspricht die Anzahl m an erfassbaren Füllstandswerten Lx;y der Anzahl n an Radar-ICs 12, 12‘, also bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel acht.
Die laterale Position x;y auf der Füllgut-Oberfläche, welcher dem entsprechenden Füllstandswert Lx;y zugeordnet ist, ergibt sich aus der Position bzw. dem Versatz V1 , V2 des korrespondierenden Radar-ICs 12, 12‘ auf der Leiterplatte 15 in Bezug zur Achse a der Sammel-Linse 11 , dem ermittelten Abstands- Wert d, sowie aus der Dioptrie-Zahl der Sammel-Linse. Um die Füllstandswerte Lx;y lateral in einem möglichst gleichmäßigen bzw. engen Raster zu erfassen, sind die Dioptrie-Zahl und die Positionen vorzugsweise so auszulegen, dass die resultierenden Hauptabstrahlkeulen der Radar-ICs 12, 12‘ in den Behälter 2 (siehe Fig. 1) einen Versatz von -10dB oder weniger aufweisen. Bei einer Überlappung von -3dB oder weniger ist die Ausrichtung der Hauptabstrahlkeulen zu groß bzw. der Blickwinkel zu überlappend.
Bei der in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 weisen diejenigen vier Radar-ICs 12‘, welche mit dem betragsmäßig größeren Versatz V2 zur Achse a auf der Leiterplatte 15 angeordnet sind, einen engeren Strahlkegel A2 auf, als der Strahlkegel A1 der inneren Radar-ICs 12. Hierdurch sind die korrespondierenden Hauptabstrahlkeulen der Radar-Signals SHF, HF hinter der Sammel-Linse 11 gen Füllgut 2 breiter, als die Hauptabstrahlkeulen der vom Versatz V1 her inneren Radar-ICs 12, wie in Fig. 1 visualisiert ist.
Schematisch wird in diesem Zusammenhang in Fig. 1 verdeutlicht, dass die in Bezug zur optischen Achse a äußeren Hauptabstrahlkeulen an Radar-Signalen SHF, RHF lediglich höhere Füllstände L beleuchten und zumindest im Falle eines relativ schmalen Behälters 3 für niedrige Füllstände L nicht nutzbar sind. Mit den breiteren Hauptabstrahlkeulen der äußeren Radar-Signale SHF, RHF können somit bei auf den damit ausgeleuchteten, höheren Füllständen L ähnliche Flächenauflösungen erzielt werden können, wie es mit den schmalen, inneren Hauptabstrahlkeulen der Radar-Signale SHF, RHF bei einem niedrigen Füllstand L der Fall ist. Da die Anzahl an Pixeln bzw. ortsaufgelösten Füllstandswerten Lx;y der Anzahl an Hauptabstrahlkeulen bzw. Radar-ICs 12, 12‘ entspricht, wären zur vollständigen Ausleuchtung höherer Füllstände L mit ausschließlich schmalen Hauptabstrahlkeulen eine sehr große Anzahl hiervon notwendig. Da für eine gute Abbildung für den Anwender die Flächenauflösung für hohe Füllstände L jedoch nicht zunehmen muss, genügen bei größeren Ablagewinkeln und höheren Füllständen L breitere Strahlungskeulen, von denen erfindungsgemäß lediglich eine begrenzte Anzahl benötigt werden.
Um den Strahlkegel A1 , A2 der jeweiligen Radar-ICs 12, 12‘ entsprechend breiter bzw. schmaler einzustellen, kann den Radar-ICs 12, 12‘ vor deren planar-Antenne beispielsweise ein radartechnisch entsprechend fokussierender Primärstrahler 13, 13‘ vorgeschaltet werden. Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Auslegung des Füllstandsmessgerätes auf Basis der Einzel-Radar-ICs 12, 12‘ in Verbindung mit der Sammel-Linse 11 über einen großen Höhenbereich h des Behälters 3 ein Füllstands- Profil mit lateral hinreichender Auflösung erzielt werden, ohne dass eine komplexe und somit leistungsintensive Signal-Auswertung nachgeschaltet werden muss.
Auf Basis der an unterschiedlichen Positionen x;y ermittelten Füllstandswerte Lx;y kann die Steuer-ZAuswerte-Einheit 14 ein Profil der Füllgut-Oberfläche erstellen, bspw. mittels Interpolation. Dabei kann das Profil der Füllgut-Oberfläche visualisiert werden, entweder an einem Display des Füllstandsmessgerätes 1 , oder beispielsweise durch die übergeordnete Einheit 4.
Neben dem monostatischen Betriebsmodus ist das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 prinzipiell außerdem im so genannten bistatischen Modus betreibbar. Dabei kann der Betriebsmodus wiederum durch die Steuer-AuswerteZ-Einheit 14 eingestellt werden. Eine exemplarische Schaltungsausführung von zwei der Radar-ICs 12, 12‘, mit denen die Radar-Signale SHF, RHF nicht nur monostatisch, sondern auch bistatisch erzeugt bzw. empfangen werden können, ist in Fig. 4 gezeigt: Dabei ist im gezeigten Beispiel das FMCW-Prinzip implementiert, so dass die Radar-ICs 12, 12‘ in Fig.
4 jeweils auf einem Mischer 125, 125‘ basieren. Dieser dient dazu, das momentan ausgesendete Radar-Signal SHF mit dem aktuell über den Primärstrahler 13, 13‘ empfangenen Radar-Signal RHF ZU mischen. Hierdurch wird ein Empfangs-Signal ZF, ZF‘ erzeugt, dessen Frequenz sich proportional zur Signallaufzeit bzw. dem Abstand d ändert. Durch Auslesen dieser Frequenz - bspw. mittels einer Fast Fourier Transformation - kann die Steuer-ZAuswerte-Einheit 14 entsprechend des FMCW-Prinzips die korrespondierende Signallaufzeit t ermitteln.
Innerhalb des jeweiligen Radar-ICs 12, 12‘ wird das auszusendende Radar-Signal SHF über eine Sende-ZEmpfangs-Weiche 123, 123‘ dem Primärstrahler 13, 13‘ zugeführt, über welchen außerdem das empfangene Radar-Signal RHF an den Mischer 125, 125‘ weitergeleitet werden kann. Dabei wird das Radar-Signal SHF, RHF vor dem Aussenden bzw. nach dem Empfang jeweils durch einen Verstärker 122, 122‘, 123, 123‘, der direkt vor oder hinter dem Sende-ZEmpfangs-Verstärker 123, 123‘ angeordnet ist, bedarfsabhängig verstärkt. Hinsichtlich bistatischer Messung ist es von Vorteil, wenn zumindest die Empfangsverstärker 124, 124‘ eine ausreichende Rückwärtsdämpfung von insbesondere > 20dB aufweisen.
Zusätzlich zu der Signal-Verstärkung unterläuft das auszusendende Radar-Signal SHF außerdem eine Frequenzvervielfachung. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante ist hierzu pro Radar-IC 12, 12‘ jeweils sowohl im Sendepfad, als auch im Empfangspfad, also vor der Sende-ZEmpfangs-Weiche 123, 123‘ und vor dem Mischer 125, 125‘, jeweils ein eigener Frequenzvervielfacher 121 , 121 ‘, 126, 126‘ mit gleichem Frequenzvervielfachungs-Faktor N vorgesehen. Durch dies separate Verstärkung im Sendepfad als auch im Empfangspfad wird vor allem für den bistabilen Betrieb die LO- Unterdrückung verbessert.
Der Frequenzvervielfachungs-Faktor N der Frequenzvervielfacher 121 , 121‘, 126, 126‘ ergibt sich als Quotient der gewünschten Frequenz des Radar-Signals SHF, RHF, geteilt durch die Frequenz einer Taktquelle 17, welche die Radar-ICs 12, 12‘ ansteuert. Die Taktquelle 17 kann beispielsweise als einstellbarer, phasengesteuerter Regelkreis (besser bekannt im Englischen als „Phase Locked Loop, PLL“) für einen VCO („ Voltage Controlled Regulator, VCO“) realisiert werden. Hierdurch kann die Frequenz des Radar- Signals SHF gemäß des FMCW-Prinzips zeitlich entsprechend rampenförmig moduliert werden.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsvariante werden alle Radar-ICs 12, 12‘ durch dieselbe Taktquelle 17 angesteuert. Realisiert werden kann dies beispielsweise dadurch, dass der VCO von einem der Radar-ICs 12, 12‘ zusätzlich als Taktquelle 17 für alle weiteren Radar-ICs 12, 12‘ fungiert, während deren VCOs deaktiviert sind. Hierdurch wird Phasengleichheit der von den verschiedenen Radar-ICs 12, 12‘ ausgesandten Radar- Signalen SHF gewährleistet, was für einen bistatischen Betrieb der Radar-ICs 12, 12‘ wesentlich ist. Im Gegensatz zu monostatischem Betrieb, bei dem die Anzahl der ortsabhängigen Füllstandswerte Lx;y auf die der Anzahl an vorhandenen Radar-ICs 12, 12‘ beschränkt ist, ermöglicht ein bistatischer Betrieb die Erfassung von Füllstandswerten Lx;y an einer größeren Anzahl an Positionen x; y im Behälter s, als Radar-ICs 12, 12‘ vorhanden sind.
Zusätzlich zu denjenigen Füllstandswerten Lx;y, die im monostatischen Betriebsmodus (das Radar-Signal SHF, RnF wird im monostatischen Betrieb jeweils durch den gleichen Radar-IC 12, 12‘ ausgesandt und empfangen, um hieraus den entsprechenden Füllstandswert Lx;y zu ermitteln) wird das Radar-Signal SHF im bistatischen Betrieb durch den ersten Radar-IC 12 ausgesandt und nach Reflektion durch den zweiten Radar-IC 12‘ empfangen. Hierzu sind die in Fig. 4 schraffiert dargestellten Komponenten 124, 126, 121‘, 122‘ der Radar-ICs 12, 12‘ für den bistatischen Betrieb entsprechend zu deaktivieren. Dabei kann die (De-)Aktivierung dieser Komponenten 124, 126, 121 ‘, 122‘ bzw. die Koordination der bistatischen Messung durch die Steuer-ZAuswerte-Einheit 14 erfolgen. Entgegen der Darstellung in Fig. 4 lässt sich das bistatische Prinzip zur ortsaufgelösten Füllstandsmessung im Rahmen der Erfindung auch auf eine beliebige Anzahl n an Radar-ICs 12 übertragen. Allgemein beträgt die theoretisch maximale Anzahl m an Orten, an denen jeweils ein Füllstandswert Lx;y erfassbar ist, im bistatischen Betrieb gemäß nach der Gauß'schen Summenformel berechnet.
Insbesondere in Bezug zur industriellen Füllstandsmessung besteht ein weiterer Vorteil des bistatischen Verfahrens darin, dass entsprechende Füllstandswerte Lx;y auf Plausibilität prüfbar sind. Möglich ist dies im Rahmen der Erfindung, indem bei denjenigen Messungen, bei denen der Füllstandswert Lx;y nicht auf monostatischer Basis erfasst wird, die paarweise Funktion der Radar-ICs 12, 12‘ als Sender und Empfänger vertauscht wird. Dabei wird in beiden Konstellationen jeweils eine Signallaufzeit bzw. ein entsprechender Füllstandswert Lx;y erfasst, welcher logischerweise denselben Wert aufweisen muss. Ist dies beispielsweise aufgrund eines Fehlers im Füllstandsmessgerät 1 nicht der Fall, so ist von einem unplausiblen Füllstandswert Lx;y auszugehen. Für solch ein Szenario kann die Steuer-ZAuswerte-Einheit 14 beispielsweise ausgelegt sein, um eine entsprechende Störungs-Meldung zu generieren. Dies versetzt das Füllstandsmessgerät 1 in die Lage, eine entsprechende Selbstdiagnose durchzuführen, um der übergeordneten Einheit 4 eine etwaige Fehlfunktion mitteilen zu können. Hierdurch lässt sich das Risiko eines unkontrollierten Prozess-Zustandes im Behälter s weiter reduzieren.
Bezugszeichenliste
1 Füllstandsmessgerät
2 Füllgut
3 Behälter
4 Übergeordnete Einheit
11 Sammel-Linse
12 Radar-IC
13 , 13‘ Primärstrahler
14 Steuer-ZAuswerte-Einheit
15 Leiterplatte
16 Kapselung
17 Taktquelle
121 , 121 ‘ Frequenzvervielfacher im Sendepfad
122 , 122‘ Sendeverstärker
123 , 123‘ Sende-ZEmpfangsweiche
124 , 124‘ Empfangsverstärker
125 , 125‘ Mischer
126 , 126‘ Frequenzvervielfacher im Empfangspfad
A1 , A 2 Strahlkegel-Breite a Optische Achse der Sammel-Linse d Entfernung h Einbauhöhe
Lx;y Füllstandswert m Anzahl m an Orten x;y, an denen ein Füllstandswert erfasst wird
N Frequenzvervielfachungs-Faktoren n Anzahl an Radar-ICs
RHF SHF (Reflektiertes) Radar-Signal
V1 , V2 Versatz x;y Positionskoordinaten

Claims

Patentansprüche
1 . Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Ermittlung ortsbezogener Füllstandswerte (Lx;y) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3), umfassend:
Eine Sammel-Linse (11) mit einer optischen Achse (a), welche im befestigten Zustand gen Füllgut (2) gerichtet ist, so dass Radarsignale (SHF, RHF) gebündelt gen Füllgut (2) aussendbar bzw. nach deren Reflektion an der Füllgut-Oberfläche gebündelt empfangbar sind, zumindest zwei Radar-ICs (12, 12‘), die ausgelegt sind, o um die auszusendenden Radar-Signale (SH ) ZU erzeugen, und/oder o um nach Reflektion am Füllgut (2) die reflektierten Radar-Signale (RH ) ZU empfangen und hieraus jeweils ein Empfangs-Signal, mittels welchem eine Radar-Signallaufzeit bestimmbar ist, zu generieren, wobei die zumindest zwei Radar-ICs (12, 12‘) in Bezug zum Füllgut (2) hinter der Sammel-Linse (11) mit einem definierten, jeweils unterschiedlichen Versatz (V1x;y, V2x;y) zur optischen Achse (a) angeordnet und gen Sammel-Linse (11) ausgerichtet sind, und eine Steuer-AuswerteZ-Einheit (14), die ausgelegt ist, die Radar-ICs (11 , 11 ‘) derart anzusteuern und die Signallaufzeiten zu bestimmen, um zumindest zwei ortsbezogene Füllstandswerte (Lx;y) zu ermitteln.
2. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 , wobei die zumindest zwei Radar-ICs (12, 12‘) ausgelegt sind, die Radar-Signale (SH ) bzw. die Empfangs-Signale gemäß des FMCW- Verfahrens zu generieren.
3. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei einer der zumindest zwei Radar- ICs (12, 12‘) keinen Versatz (V1x;y, V2x;y) zur optischen Achse (a) aufweist.
4. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Radar-ICs (12, 12‘) eine gemeinsame Kapselung (16) aufweisen.
5. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Radar- ICs (11 , 11 ‘) für den Fall, dass das Füllstandsmessgerät (1 ) mehr als zwei die Radar-ICs (11 , 11 ‘) umfasst, in Bezug zur optischen Achse (a) spiegelsymmetrisch angeordnet sind.
6. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Radar-ICs (12, 12‘) derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass sie die Radar-Signale (SH , RH ) mit einem umso schmaleren Strahlkegel (A1 , A 2) gen Sammel-Linse (11 ) aussenden bzw. von dort empfangen, je größer der betragsmäßige Versatz (V1x;y, V2x;y) des jeweiligen Radar-ICs (12, 12‘) zur optischen Achse (a) ist.
7. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl (n) an Radar-ICs (12, 12‘,) der jeweilige Abstand der zumindest zwei Radar-ICs (12, 12‘) zueinander, der jeweilig Abstand der zumindest zwei Radar-ICs (12, 12‘) zur Sammel-Linse (11), die Dioptrie der Sammel-Linse (11), und/oder die Radar-Frequenz der Radar-ICs (12, 12‘) derart aufeinander abgestimmt sind, dass resultierende Hauptabstrahlkeulen der Radar- ICs (12, 12‘) in den Behälter (2) einen Versatz von minimal -3dB und/oder maximal -10dB zueinander aufweisen.
8. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer-AuswerteZ-Einheit (14) ausgelegt ist, die Radar-ICs (12, 12‘) mittels des bistatischen Radarverfahrens anzusteuern bzw. entsprechende Füllstandswerte (Lx;y) zu bestimmen.
9. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 8, wobei die zumindest zwei Radar-ICs (12, 12‘) hochfrequenztechnisch mittels einer gemeinsamen Taktquelle (17) getaktet sind.
10. Verfahren zur Prüfung des ortsaufgelösten Füllstandswertes (Lx;y) auf Plausibilität mittels des Füllstandsmessgerätes (1) nach Anspruch 8 oder 9, folgende Verfahrensschritte umfassend:
Aussenden eines Radar-Signals (SHF) mittels des ersten Radar-ICs (12), Empfang des entsprechenden Radar-Signals (RHF) nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche über das zweite Radar-IC (12‘),
Ermittlung einer ersten Signallaufzeit anhand des entsprechenden Empfangs- Signals,
Ermittlung einer zweiten Signallaufzeit durch Wiederholen der vorhergehenden Verfahrensschritte, wobei die zwei Radar-ICs (12, 12‘) als Sender bzw.
Empfänger vertauscht werden, und
Einstufung des Füllstandswertes (Lx;y) als unplausibel, sofern die erste Signallaufzeit und die Signallaufzeit nicht übereinstimmen.
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