EP4716829A1 - Verfahren zur bestimmung eines rohr-innendurchmessers eines schwallrohres durch ein füllstandsmessgerät - Google Patents

Verfahren zur bestimmung eines rohr-innendurchmessers eines schwallrohres durch ein füllstandsmessgerät

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EP4716829A1
EP4716829A1 EP24716371.0A EP24716371A EP4716829A1 EP 4716829 A1 EP4716829 A1 EP 4716829A1 EP 24716371 A EP24716371 A EP 24716371A EP 4716829 A1 EP4716829 A1 EP 4716829A1
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EP
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signals
pipe
inner diameter
signal
intermediate frequency
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EP24716371.0A
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Christian ÜBELIN
Alexey Malinovskiy
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Endress and Hauser SE and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Rohr-Innendurchmessers (D) eines Schwallrohres (11) mittels eines radar-basierten Füllstandsmessgerätes (1), um den Füllstand (L) fehlerfrei ermitteln zu können. Dabei erstreckt sich das Schwallrohr (11) zur Füllstandsmessung in den Prozessraum desjenigen Behälters (3), in dem sich das entsprechende Füllgutes (2) befindet, oder das Schwallrohr (11) ist hierzu neben dem Behälter (3) angebracht und mit dem Prozessraum (5) verbunden: Das Verfahren basiert darauf, gemäß des FMCW-Prinzips Radar-Signale (S1, S2) nicht lediglich mit einer ersten Mittenfrequenz (f1) bzw. in einem ersten Frequenzband auszusenden, sondern zusätzlich mit einer zweiten Mittenfrequenz (f2), wobei in beiden Fällen ein und dasselbe Referenzobjekt zu deren Reflektion zu verwenden ist. Hierdurch können gemäß des FMCW-Prinzips zwei korrespondierende Zwischenfrequenz-Signale (ZF1, ZF2) bzw. deren Frequenzen (fZF1,2) bestimmt werden, so dass der Rohr- Innendurchmessers (D) erfindungsgemäß anhand der zwei Mittenfrequenzen (f1, f2) der Radar-Signale (S1, S2), und der zwei Frequenzen (fZF1, fZF2) der Zwischenfrequenz-Signale (ZF1, ZF2) berechnet wird.

Description

Verfahren zur Bestimmung eines Rohr-Innendurchmessers eines Schwallrohres durch ein Füllstandsmessgerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Rohr-Innendurchmessers eines Schwallrohres, welches sich zur Messung des Füllstands eines in einem Prozessraum eines Behälters befindlichen Füllgutes in den Prozessraum erstreckt oder neben dem Behälter angebracht und mit dem Prozessraum verbunden ist.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte-Typen eingesetzt. Zwecks Erfassung solcher Prozessparameter sind in den jeweiligen Feldgeräte-Typen 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. Ein weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich, also mit einer sehr hohen Auflösung messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt. Ein etabliertes Messprinzip bildet hierbei das FMCW-Prinzip.
Das FMCW-Prinzip beruht darauf, ein kontinuierliches, hochfrequentes Radar-Signal kontinuierlich auszusenden. Dabei liegt die Frequenz des Signals in einem festgelegten Frequenzband im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz. Standardmäßig werden hier Frequenzbänder im 6 GHz-Band, dem 26 GHz, oder dem 79 GHz-Band verwendet. Kennzeichnend für das FMCW Verfahren ist hierbei, dass die Sende-Frequenz nicht konstant ist, sondern sich periodisch innerhalb des Frequenzbandes ändert. Die Änderung kann hierbei linear sein und eine Sägezahn- beziehungsweise Dreiecks-Form aufweisen, eine nicht-lineare Änderung, wie bspw. eine Sinus-förmige Änderung kann je nach Anwendung jedoch auch implementiert werden.
Eine besondere Herausforderung besteht darin, dass das Empfang-Signal, welches nach Reflektion des Radar-Signals an der Füllgut-Oberfläche empfangen wird, frei von Störsignalen ist, bzw. dass die entsprechenden Störanteile bekannt sind. Ansonsten können hierdurch fehlerhafte Messwerte generiert werden, anhand derer die Funktionsfähigkeit des Füllstandsmessgerätes beeinträchtigt wird. Eine wesentliche Ursache ist hierbei der Empfang von Störecho-Signalanteilen, die nicht an der Oberfläche des Füllguts entstehen, sondern durch Reflektion des ausgesandten Radar-Signals an Störkörpern, wie Rührwerken oder Einbauten im Behälter hervorgerufen werden. Im Falle flüssiger Füllgüter kann auch Wellenbildung zu einer fehlerhaften Füllstandsmessung führen.
Eine Möglichkeit, hierdurch bedingte Messfehler von vornherein zu vermeiden, besteht bei flüssigen Füllgütern in der Verwendung eines Schwallrohres oder Bypass-Rohres. Hierdurch ist die Füllgut-Oberfläche innerhalb des Schwallrohres homogen und der resultierende Strahlengang des Radar-Signals innerhalb des Schwallrohres ist frei von Störkörpern. Hierbei ist das Schwallrohr in etwa senkrecht innerhalb des Prozessraums im Behälter angebracht. Dabei wird das Schwallrohr konstruktiv so entlüftet, dass der Füllstand des Füllgutes innerhalb des Schwallrohres mit dem Füllstand innerhalb des restlichen Prozessraums übereinstimmt. Im Falle eines Bypass-Rohres ist dieses neben dem Behälter angebracht, wobei es auch in diesem Fall derart mit dem Prozessraum verbunden ist, dass auch hier der Füllstand im Bypass-Rohr gleich zum Füllstand im Prozessraum ist.
Bei Verwendung eines Schwall- oder Bypass-Rohres wird das Füllstandsmessgerät nicht, wie andernfalls üblich, derart angeordnet, dass die Antenne des Füllstandsmessgerätes direkt in den Prozessraum des Behälters, in dem sich das Füllgut befindet, gerichtet ist. Vielmehr wird das Füllstandsmessgerät so am oberen Ende des Rohres angebracht, dass die Antenne des Füllstandsmessgerätes das Mikrowellen-Signal entlang des Schwallrohres in Richtung des Füllgutes aussendet. Füllstandsmessgeräte, die an Schwallrohren mit rundem Innendurchmesser angeordnet sind, werden in der Regel auf den Rohr-Innendurchmesser des später verwendeten Schwallrohres kalibriert. Bei Anwendungen im Öl- und Gasbereich wird häufig auf Referenz-Innendurchmesser nach der Norm DIN EN ISO 6708, beispielsweise DN 100, kalibriert.
Ein Problem tritt auf, wenn der Rohr-Innendurchmesser des Schwallrohres, auf welches das Füllstandsmessgerät im späteren Einsatz angebracht wird, nicht exakt mit dem Referenz-Innendurchmesser des Kalibrations-Rohres übereinstimmt. Dieser häufige Fall ist insofern nachteilig, als dass bereits eine geringe Abweichung zwischen den Innendurchmessern einen starken Messfehler bei der Füllstandsmessung verursacht und dementsprechend zu einer sehr ungenauen Füllstandsmessung führt. Ursächlich hierfür ist, dass die Signalausbreitungsgeschwindigkeit der Radar-Signale im Schwallrohr je nach Rohr-Innendurchmesser stark von der Freifeld-Ausbreitungsgeschwindigkeit abweicht.
In der Veröffentlichungsschrift DE 102016105419 A1 ist ein Verfahren beschrieben, mittels dem auf Basis von Radar-basierten Füllstandsmessgeräten der Rohr- Innendurchmesser bestimmt werden kann. Allerdings erfordert dieses Verfahren, dass der Rohr-Innendurchmesser zumindest grob bekannt ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem FMCW-basierte Füllstandsmessgeräte, die an Schwallrohren oder Bypass-Rohren verwendet werden, auch bei komplett unbekanntem Rohr-Innendurchmesser den Füllstand genau bestimmen können. Dabei werden unter dem Begriff „Schwallrohr“ im Rahmen der Erfindung nachfolgend gleichermaßen auch Bypassrohre verstanden.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Rohr- Innendurchmessers eines Schwallrohres, welches sich zur Messung des Füllstands eines in einem Prozessraum eines Behälters befindlichen Füllgutes entweder in den Prozessraum erstreckt oder hierzu neben dem Behälter angebracht und mit dem Prozessraum verbunden ist. Folgende Verfahrensschritte umfasst das Verfahren:
Aussenden eines ersten Radar-Signals gemäß des FMCW-Prinzips mit einer ersten Mittenfrequenz in das Schwallrohr und Empfang eines entsprechenden ersten Empfangs-Signals nach Reflektion an einer örtlich festen Referenz, Generieren eines ersten Zwischenfrequenz-Signals gemäß des FMCW-Prinzips auf Basis der ersten Signale und Ermittlung der Frequenz des ersten Zwischenfrequenz-Signals,
Aussenden eines zweiten Radar-Signals gemäß des FMCW-Prinzips in das Schwallrohr mit einer zweiten Mittenfrequenz, die sich von der ersten Mittenfrequenz unterscheidet, und Empfang eines entsprechenden, zweiten Empfangs-Signals nach Reflektion an der örtlich festen Referenz, Generieren eines zweiten Zwischenfrequenz-Signals gemäß des FMCW-Prinzips auf Basis der zweiten Signale und Ermittlung der Frequenz des zweiten Zwischenfrequenz-Signals,
Ermittlung des Rohr-Innendurchmessers anhand zumindest o der Mittenfrequenzen der Radar-Signale, und o der Frequenzen der Zwischenfrequenz-Signale.
Je nach Situation, Anwendung und je nach Auslegung des Schwallrohres kann als örtlich feste Referenz beispielsweise die Füllgutoberfläche, ein unterer Endbereich des Schwallrohres oder der Boden des Behälters dienen.
Somit kann anhand des ermittelten Rohr-Innendurchmessers sowie anhand der Frequenz von zumindest einem der Zwischenfrequenz-Signale die momentane Signal- Ausbreitungsgeschwindigkeit im Schwallrohr exakt ermittelt werden, und zwar auch ohne eine grobe Vorkenntnis des Rohrdurchmessers. Auf Basis der wahren Signal- Ausbreitungsgeschwindigkeit kann wiederum der exakte Füllstandswert bestimmt werden. Des Weiteren wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, durch ein Füllstandsmessgerät zur Durchführung des in zumindest einem der vorhergehenden Varianten beschriebenen Verfahrens gelöst. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät: Eine Signalerzeugungs-Einheit zur FMCW-basierten Erzeugung der Radar Signale, ein Koppel-Element, mittels welcher die Radar-Signale in das Schwallrohr einkoppelbar und die Empfangs-Signale nach deren Reflektion aus dem Schwallrohr auskoppelbar sind, eine Mischer-Einheit zum Mischen der auszusendenden Radar-Signale mit dem jeweiligen Empfangs-Signal, so dass gemäß des FMCW-Prinzips das entsprechende Zwischenfrequenz-Signal generiert wird, eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, o die Frequenzen der Zwischenfrequenz-Signale zu ermitteln, o anhand der Mittenfrequenzen und der Frequenzen der Zwischenfrequenz- Signale den Rohr-Innendurchmesser zu bestimmen, und o um anhand des ermittelten Rohr-Innendurchmessers sowie der Frequenz von zumindest einem der Zwischenfrequenz-Signale die Signal- Ausbreitungsgeschwindigkeit im Schwallrohr bzw. darauf basierend den Füllstand zu bestimmen.
Der ermittelte Rohr-Innendurchmesser sowie der Füllstands-Wert bzw. der zugrundeliegenden Zwischenfrequenz-Wert kann entweder über eine entsprechende Schnittstelle an eine übergeordnete Einheit oder ein mobiles Endgerät ausgegeben werden. Denkbar ist es jedoch auch, als Ausgabe-Einheit nicht (ausschließlich) die Schnittstelle zu verwenden. So kann auch ein etwaiges Display des Füllstandsmessgerätes zur Anzeige des ermittelten Rohr-Innendurchmessers dienen.
Bei entsprechender Auslegung kann das Füllstandsmessgerät die zwei verschiedenen Mittenfrequenzen bzw. Radar-Signale zum Beispiel mit einer definierten Taktrate abwechselnd in den zwei verschiedenen Frequenzbändern aussenden, wobei die verschiedenen Frequenzen der korrespondierenden Zwischenfrequenz-Signale in diesem Fall entsprechend getaktet zu ermitteln sind. Je weiter die zwei Mittenfrequenzen voneinander entfernt sind, desto genauer lässt sich der Rohr-Innendurchmesser bestimmen. Eine hinreichende Genauigkeit wird erzielt, wenn die Signalerzeugungs- Einheit die Radar-Signale bei entsprechender Auslegung derart erzeugt, so dass sich deren Mittenfrequenzen um zumindest einen Faktor 1 ,1 , insbesondere einen Faktor 1 ,5 unterscheiden. Nach der initialen, erfindungsgemäßen Bestimmung des Rohr-Innendurchmessers, oder sofern der Rohr-Innendurchmesser per se bereits hinreichend genau bekannt ist, kann auf Basis der Formel außerdem die etwaig geänderte Freifeld-Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. hierauf basierend eine etwaige Änderung der Gaszusammensetzung der Atmosphäre oberhalb des Füllgutes im Prozessraum ermittelt werden. Dabei kann eine etwaige Änderung der Freifeld-Ausbreitungsgeschwindigkeit beispielsweise fortlaufend überwacht werden, wenn das Füllstandsmessgerät die Radar-Signale mit definierter Taktrate abwechselnd in den zwei verschiedenen Frequenzbändern aussendet.
Um den ermittelten Füllstandswert beispielsweise auf Plausibilität hin zu überprüfen kann die Auswerte-Einheit ausgelegt werden, um den Füllstandswert optional anhand des ersten Zwischenfrequenz-Signals bzw. dessen Frequenz sowie zusätzlich anhand des zweiten Zwischenfrequenz-Signals bzw. dessen Frequenz zu bestimmen. Sofern ein Vergleich der beiden Werte keine hinreichende Übereinstimmung ergibt, können diese als unplausibel klassifiziert werden, so dass die Auswerte-Einheit bspw. eine entsprechendes Fehlersignal ausgibt.
Da im Rahmen der Erfindung per se der genaue Wert des Rohr-Innendurchmesser bestimmt wird, kann die Signalerzeugungseinheit bzw. die Auswertungs-Einheit des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes in der Form erweitert werden, dass in Abhängigkeit des ermittelten Rohr-Innendurchmessers die auszusendenden Radar- Signale und/oder die Zwischenfrequenz-Signale einer Dispersionskorrektur unterzogen werden. Genauer beschrieben ist Dispersionskorrektur beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift DE 102016105419 A1.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Gezeigt wird:
Fig. 1 : Eine typische Anordnung eines nach dem FMCW-Prinzip arbeitenden Füllstandsmessgerätes an einem Schwallrohr, und
Fig. 2: der beim FMCW-Prinzip charakteristische Frequenzverlauf des Radar-Signals im Rahmen der Erfindung. Zum Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 ein Behälter 3 mit einem flüssigen 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. Bei dem Füllgut 2 kann es sich beispielsweise Wasser oder um einen Kraftstoff, wie Rohöl oder Flüssiggas handeln.
Um den Füllstand L bestimmen zu können, ist ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät 1 vorgesehen. In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine geeignete Schnittstelle, wie beispielsweise beispielweise „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART' oder „Ethernet' mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einer lokalen Prozess-Leitstelle 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. Hierüber können jedoch auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Sofern das Füllstandsmessgerät 1 lediglich die Roh-Messdaten, wie im Falle des FMCW- Verfahrens beispielsweise die Frequenzwerte fi ,2 des Zwischenfrequenzsignals ZFI ,2 an die übergeordnete Einheit 4 überträgt, kann die darauf basierende, endgültige Berechnung des Füllstandswertes L bei entsprechender Auslegung auch in der übergeordneten Einheit 4 erfolgen.
Um solche Messfehler, die beispielsweise durch Wellenbildung entstehen können, prinzipiell auszuschließen, umfasst der in Fig. 1 dargestellte Behälter s ein Schwallrohr 11 , über welches der Füllstand L bestimmt wird. Hierzu ragt das Schwallrohr 11 von der Oberseite des Behälters 3 in etwa senkrecht in den Prozessraum 5 des Behälters 3 herab. Dabei ist die Länge des Schwallrohres 11 so bemessen, dass sich der untere Endbereich des Schwallrohres 11 sich auf derjenigen Höhe befindet, welche dem Mindest-Füllstandswert L entspricht. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante ist die Länge des Schwallrohres 11 so bemessen, dass sich dessen unterer Endbereich nicht auf Höhe des Behälterbodens befindet, sondern leicht oberhalb auf Höhe eines Füllgut-Auslasses. Damit der Füllstand L des Füllgutes 2 im Inneren des Schwallrohres 11 gleich dem Füllstand L außerhalb des Schwallrohres 11 ist, sind in das Schwallrohr 11 über dessen Höhe verteilt radial entsprechende Durchlässe eingelassen.
Das Füllstandsmessgerät 1 ist am oberen Endbereich des Schwallrohres 11 befestigt und umfasst beispielsweise ein Koppel-Element oder eine geeignete Antennenstruktur, mittels dem Radar-Signale S1 ,2, RI,2 in das Schwallrohr 11 bzw. in den Behälter 3 hinein ausgesendet bzw. nach deren Reflektion an der Füllgut-Oberfläche aus dem Schwallrohr 11 ausgekoppelt werden können. Nach Reflektiert des ausgesandten Radar-Signals Si,2 an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Radar-Signale RHF wiederum über dessen Koppelelement. Dabei verhält sich 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 der Oberfläche des Füllgutes 2. Bei der Variable ,,cm(D) “ handelt es sich in diesem Zusammenhang um die jeweils medien- bzw. Rohr-Innendurchmesser-abhängige Radar- Ausbreitungsgeschwindigkeit, die von der Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit im Freifeld cm, o je nach Rohr-Innendurchmesser D unterschiedlich stark abweicht. Dabei ist die Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit im Freifeld cm,o wiederum abhängig von der Gaszusammensetzung bzw. derjenigen Eigenschaften, welche die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radar-Signale Si,2, RI ,2 vor und nach der Reflektion beeinflussen.
Zur Bestimmung der Signallaufzeit t ist im Füllstandsmessgerät 1 das FMCW-Prinzip implementiert. Dementsprechend kann das Füllstandsmessgerät 1 als Signalerzeugungs- Einheit beispielsweise eine Phasenregelschleife („ Phase Locked Loop“) umfassen. Diese ist so geregelt, dass sich die Frequenz des auszusendenden Radar-Signals Si,2 sägezahnförmig ändert, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Wie zu erkennen ist, weist die Frequenz f des Radar-Signals Si,2 innerhalb eines definierten Frequenzbandes (bspw. 79 GHz - 80 GHz oder 25,5 GHz - 26,5 GHz) eine zyklisch wiederkehrende, konstante Frequenzsteigerungsrate f‘ auf. Anstelle einer sägezahnförmigen Frequenzänderungsrate f‘ ist auch jegliche andere Form denkbar, beispielsweise eine dreiecksförmige oder sinusförmige Änderung innerhalb des jeweiligen Frequenzbandes. Diejenige Frequenz fi,2, welche den arithmetischen Mittelwert zwischen der oberen und unteren Grenze des jeweiligen Frequenzbandes bildet, wird hierbei als Mittenfrequenz fi,2 bezeichnet.
Nach Empfang aus dem Schwallrohr 11 wird das reflektierte Radar-Signal Ri,2 innerhalb des Füllstandsmessgerätes 1 gemäß des FMCW-Prinzips signaltechnisch mit dem auszusendenden Radar-Signal Si,2 gemischt, wodurch ein entsprechendes Zwischenfrequenz-Signal ZFi,2 generiert wird. Dabei repräsentiert die Frequenz fzFi,2 des Zwischenfrequenz-Signals ZFi,2 gemäß die Signallaufzeit t des Radar-Signals Si ,2, RI,2 zwischen Aussenden und Empfang. Dabei handelt es sich bei f‘ um die Frequenzänderungsrate er Radar-Signale. Um die Frequenz fzFi,2 des Zwischenfrequenz-Signals ZFI ,2 und somit die Signallaufzeit t zu bestimmen, kann in einer Auswerte-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 beispielsweise eine Fast- Fourier-Transformation des Zwischenfrequenz-Signals ZFI ,2 durchgeführt werden. Wie bei der Verarbeitung solcher Daten üblich, geschieht dies in der Regel auf der Basis eines digitalisierten Zwischenfrequenz-Signals ZFI ,2.
Durch Bestimmung der Signallaufzeit t ist es der Auswerte-Einheit möglich, anhand Formel (1) den Abstand d zu berechnen. Hierüber kann das Füllstandsmessgerät 1 gemäß
(3) d = h - L den Füllstand L zumindest punktuell bestimmen, sofern die Einbauhöhe h des Füllstandsmessgerätes 1 über dem Behälterboden bzw. dem Minimalfüllstand bekannt ist. Bei einem bekanntermaßen leeren Behälter s ist eine Bestimmung der Einbauhöhe h durch das Füllstandsmessgerät 1 selbst möglich. Dies kann z. B. im Rahmen eines Einlern-Vorgangs erfolgen, indem analog zu einer Messung des Füllstandes L der Abstand h des Füllstandsmessgerätes 1 zum Behälter-Boden gemessen wird.
Wie aus Formel (1) hervorgeht, ist es notwendig, die Signalausbreitungs-Geschwindigkeit cm(D) der Radar-Signale S1 ,2, RI ,2 im Schwallrohr 11 zu kennen. Hierfür ist gemäß jedoch neben der Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit cm,o im Freifeld wiederum die Kenntnis des Rohr-Innendurchmessers D erforderlich. Bei kmOde handelt es sich hierbei um eine Moden-abhängige Konstante, die der Bessel-Funktion entstammt und somit bekannt ist.
Zwar ist der Rohr-Innendurchmesser D des Schwallrohres 11 in der Regel nominal bekannt, bspw. sofern es sich um ein DN100-Rohr handelt. In der Praxis ist der genaue bzw. wahre Wert jedoch nicht bekannt, oder er weicht merklich von seinem Sollwert ab. Die Folge ist, dass das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L nicht genau bestimmen kann, da dem Füllstandsmessgerät 1 bzw. dessen Auswerte-Einheit zur Füllstands- Berechnung gemäß der Formeln (1) bis (3) nicht der korrekte Wert des Rohr- Innendurchmessers D zugrunde liegt. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ohne Kenntnis des ungefähren bzw. nominalen Durchmessers möglich, den Rohr-Innendurchmesser D des Schwallrohres 11 exakt zu ermitteln. Auf Basis des ermittelten Rohr-Innendurchmessers D wird es dem Füllstandsmessgerät 1 wiederum ermöglicht, sich anhand des Rohr-Innendurchmessers D entsprechend zu kalibrieren bzw. die Signalausbreitungs-Geschwindigkeit cm(D) im Schwallrohr 11 zu ermitteln, um im nachfolgenden, regulären Messbetrieb gemäß der Formeln (1) und (2) den Füllstand L genau bestimmen zu können. Hierzu sendet das Füllstandsmessgerät 1 gemäß des FMCW-Prinzips Radar-Signale Si, S2 nicht nur in einem ersten Frequenzband bzw. mit einer ersten Mittenfrequenz fi aus, sondern auch in einem zweiten Frequenzband bzw. mit einer zweiten Mittenfrequenz f2. Korrespondierend hierzu ermittelt die Auswerte-Einheit des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 , wie zuvor im Zusammenhang mit FMCW-Prinzip erläutert ist, zu jedem Frequenzband bzw. jeder Mittenfrequenz fi, f2 ein entsprechendes Zwischenfrequenz-Signal ZF1, ZF2 und dessen Frequenz fzFi, fz 2. Sofern die Signalerzeugungs-Einheit beide Radar-Signale Si, S2 trotz der verschiedenen Frequenzbänder mit derselben Frequenzänderungsrate f‘ erzeugt, lässt sich der Rohr-Innendurchmesser D durch die Auswerte-Einheit oder die übergeordnete Einheit 4 gemäß ermitteln. Dabei sind fi, f2 die Mittenfrequenzen der zwei verschiedenen Frequenzbänder.
Bei fzFi, fzF2 handelt es sich um die Frequenzen der korrespondierenden Zwischenfrequenz-Signale SZFI , SZ 2.
Sofern die Frequenzänderungsrate f‘1,2 der zwei Radar-Signale Si, S2 nicht identisch ist, erweitert sich Formel (5) zu
Umsetzen lässt sich die erfindungsgemäße Idee beispielsweise, indem die Signalerzeugungs-Einheit die zwei Frequenzbänder bzw. die auszusendenden Radar- Signale Si, S2 bspw. getaktet wechselt, so dass die Radar-Signale Si, S2 entsprechend mit getaktet alternierenden Mittenfrequenzen fi, f2 ausgesendet werden. Entsprechend getaktet werden die unterschiedlichen Empfangs-Signale Ri, R2 nach Reflektion an einer gemeinsamen Referenz empfangen und deren unterschiedliche Frequenzen fzFi, fz 2 der resultierenden Zwischenfrequenz-Signale ZF1, ZF2 ermittelt. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass sich die zwei Frequenzbänder überlappen, solange ihre Grenzen nicht identisch sind und dementsprechend ihre Mittenfrequenzen fi, f2 voneinander abweichen. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel liegen die Mittenfrequenzen fi, f2 mit 26 GHz bzw. 79 GHz um ca. einen Faktor 3 auseinander. Im Rahmen der Erfindung reicht es jedoch bereits aus, wenn sich die Mittenfrequenzen fi, f2 um zumindest einen Faktor 1 ,1 unterscheiden. Prinzipiell gilt hierbei: Je stärker sich die zwei Mittenfrequenzen fi, f2 voneinander unterschieden, umso deutlicher ist der Unterschied in den Zwischenfrequenzen fzFi, fzF2. Dementsprechend genauer lässt sich der Rohr- Innendurchmesser bestimmen.
Da die erfindungsgemäße Berechnung des Rohr-Innendurchmessers gemäß Formel (5) bzw. Formal (6) lediglich dann gültig ist, sofern die in unterschiedlichen Frequenzbändern ausgesandten Radar-Signale Si, S2 an ein und dergleichen Referenz reflektieren, sind die Umstände, unter denen die zwei Radar-Signale Si, S2 in unterschiedlichen Frequenzbändern ausgesandt werden, entsprechend zu wählen: Als gemeinsame, örtlich feste Referenz kann im einfachen Fall der untere Endbereich des Schwallohres 11 definiert werden, sofern dieser Endbereich bspw. einen leicht nach innen gewölbten Kragen umfasst, weicher eine hinreichende Reflexion der Radar-Signale Si, S2 ermöglicht. Sofern sich der untere Endbereich des Schwallohres 11 aus radartechnischer Sicht nah zum Boden des Behälter-Inneren befindet, kann auch dies im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens als gemeinsame Referenz zur Reflektion der Radar- Signale Si,2, RI ,2 dienen. Sofern sich zu demjenigen Zeitpunkt, an dem das Frequenzband des ausgesandten Radar-Signals Si, S2 zwecks erfindungsgemäßer Bestimmung des Rohr-Innendurchmessers gewechselt wird, der Füllstand L nicht ändert, kann als gemeinsame Referenz auch die Füllgut-Oberfläche verwendet werden.
Wann bzw. in welcher Taktrate das Füllstandsmessgerät 1 zwischen den Frequenzbändern wechselt, um den Rohr-Innendurchmesser D (neu) zu bestimmen, ist an die jeweilige Anwendung anzupassen. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 so ausgelegt werden, dass es das Frequenzband nur nach Aufforderung bzw. entsprechender Eingabe wechselt, und dass das Füllstandsmessgerät 1 den Rohr-Innendurchmesser D dementsprechend lediglich nach entsprechender Aufforderung aktualisiert.
Denkbar ist es jedoch auch, dass das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 ausgelegt ist, automatisch in einer vorgebbaren Taktrate zwischen den Frequenzbändern zu wechseln. Dabei müssen die entsprechenden zwei Zeitperioden innerhalb des Taktes, in denen das Füllstandsmessgerät das Radar-Signal Si, S2 im jeweiligen Frequenzband bzw. mit der jeweiligen Mittenfrequenz T, f2 aussendet, nicht symmetrisch sein. In diesem Fall wird der Rohr-Innendurchmesser D mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich mit der entsprechenden Taktrate neu berechnet, sofern sichergestellt ist, dass zu diesem Zeitpunkt die Radar-Signale Si , S2 beider Frequenzbänder an der gleichen Referenz reflektiert werden. Zwischen dem getakteten Wechsel der Frequenzbänder, also wenn das Radar-Signal S1 bspw. innerhalb des ersten Frequenzbandes bzw. mit der ersten Mittenfrequenz fi aussendet, wird auf Basis der Frequenz fzFi des entsprechenden, ersten Zwischenfrequenz-Signals ZF1 der Füllstand L ermittelt. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung nicht relevant, auf Basis welcher der beiden Frequenzen fzFi,2 der zwei Zwischenfrequenzsignale ZF1, ZF2 das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstandswert L bestimmt. Denkbar ist es in diesem Zusammenhang zudem, dass das Füllstandsmessgerät 1 auf Basis beider Frequenzen fzFi,2 bzw. beider Zwischenfrequenzsignale ZF1, ZF2 jeweils einen Füllstandswert L ermittelt und die beide Werte ggf. zwecks Plausibilitätsprüfung miteinander vergleicht. Möglich ist es außerdem, dass das Füllstandsmessgerät 1 nach erfindungsgemäßer Bestimmung des Rohr- Innendurchmessers D den Füllstand L auf Basis eines dritten Radar-Signals bzw. auf Basis dessen dritter Zwischenfrequenz bestimmt.
Die etwaige Taktrate, in welcher zur Rohr-Innendurchmesser-Bestimmung zwischen den zwei Radar-Signalen bzw. Frequenzbändern gewechselt wird, kann je nach Anwendung beispielsweis bis zu einem Monat betragen, wenn in der Zwischenzeit keine Änderung des Rohr-Innendurchmessers D zu erwarten ist. Falls eine schnellere Änderung zu erwarten ist, wie beispielsweise im Fall von Ansatzbildung, kann die Taktrate im Füllstandsmessgerät 1 auch auf einen Tag oder kürzer voreingestellt werden.
Sofern das Füllstandsmessgerät 1 über eine optische Ausgabe-Einheit wie ein Display verfügt und der Rohr-Innendurchmesser D nicht in der übergeordneten Einheit 4 berechnet wird, ist es bei entsprechender Auslegung des Füllstandsmessgerätes 1 zudem möglich, dass der ermittelte Rohr-Innendurchmesser D hier angezeigt wird. Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Bestimmung des Rohr-Innendurchmessers D sichergestellt, dass das Füllstandsmessgerät 1 bzw. die übergeordnete Einheit 4 den Füllstandswert L jederzeit auf Basis der korrekten Signal-Ausbreitungsgeschwindigkeit cm(D) im Schwallrohr 11 berechnet.
Liste der Bezugszeichen und Variablen
1 Füllstandsmessgerät
2 Füllgut
3 Behälter
4 Übergeordnete Einheit
5 Prozessraum
11 Schwallrohr cm,o Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit im Freifeld cm(D) Signalausbreitungsgeschwindigkeit im Schwallrohr
D Rohr-Innendurchmesser d Abstand zum Füllgut
RI , 2 Reflektierte Radar-Signale f‘ Frequenzänderungsrate der Radar-Signale fi,2 Mittenfrequenzen der Radar-Signale fzFi,2 Frequenzen der Zwischenfrequenz-Signale h Einbauhöhe des Füllstandsmessgerätes kmode Moden-abhängige Konstante
L Füllstand
Si,2 Radar-Signale
ZFI,2 Zwischenfrequenz-Signale

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung eines Rohr-Innendurchmessers (D) eines Schwallrohres (11), welches sich zur Messung des Füllstands (L) eines in einem Prozessraum (5) eines Behälters (3) befindlichen Füllgutes (2) in den Prozessraum (5) erstreckt, oder welches zur Messung des Füllstands (L) neben dem Behälter (3) angebracht und mit dem Prozessraum (5) verbunden ist, folgende Verfahrensschritte umfassend:
Aussenden eines ersten Radar-Signals (Si) gemäß des FMCW-Prinzips mit einer ersten Mittenfrequenz (fi) in das Schwallrohr (11) und Empfang eines entsprechenden ersten Empfangs-Signals (Ri) nach Reflektion an einer örtlich festen Referenz,
Generieren eines ersten Zwischenfrequenz-Signals (ZFi) gemäß des FMCW- Prinzips auf Basis der ersten Signale (Si , Ri) und Ermittlung der Frequenz (fzFi) des ersten Zwischenfrequenz-Signals (ZFi),
Aussenden eines zweiten Radar-Signals (S2) gemäß des FMCW-Prinzips in das Schwallrohr (11) mit einer zweiten Mittenfrequenz (fz), die sich von der ersten Mittenfrequenz (fi) unterscheidet, und Empfang eines entsprechenden, zweiten Empfangs-Signals (R2) nach Reflektion an der örtlich festen Referenz, Generieren eines zweiten Zwischenfrequenz-Signals (ZF2) gemäß des FMCW- Prinzips auf Basis der zweiten Signale (S2, R2) und Ermittlung der Frequenz (fzF2) des zweiten Zwischenfrequenz-Signals (ZF2),
Ermittlung des Rohr-Innendurchmessers (D) anhand zumindest o der Mittenfrequenzen (fi, fz) der Radar-Signale (Si , S2), und o der Frequenzen (fzFi, fzrz) der Zwischenfrequenz-Signale (ZFi, ZF2).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als örtlich feste Referenz die Füllgutoberfläche, ein unterer Endbereich des Schwallrohres (11) oder der Boden des Behälters (3) dient.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Radar-Signale (Si, S2) mit jeweils gleicher, insbesondere sägezahnförmiger Frequenzänderungsrate (f‘) ausgesandt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei gemäß der Rohr-Innendurchmesser (D), oder bei bekanntem Rohr-Innendurchmesser (D) eine Freifeld-Ausbreitungsgeschwindigkeit (cm,o) der Radar-Signale (Si,2, RI ,2) ermittelt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei anhand des ermittelten Rohr-Innendurchmessers (D), sowie anhand der Frequenz (fzFi, fzF2) von zumindest einem der Zwischenfrequenz-Signale (ZFi, ZF2) oder der Frequenz eines dritten Zwischenfrequenz-Signals die Signal-Ausbreitungsgeschwindigkeit cm(D) im Schwallrohr (11) bzw. darauf basierend der Füllstand (L) bestimmt wird.
6. Füllstandsmessgerät (1) zur Durchführung des in Anspruch 5 beschriebenen Verfahrens, umfassend:
Eine Signalerzeugungs-Einheit zur FMCW-basierten Erzeugung der Radar Signale (Si, S2), ein Koppel-Element, mittels welcher die Radar-Signale (Si , S2) in das Schwallrohr (11) einkoppelbar und die Empfangs-Signale (Ri , R2) nach deren Reflektion aus dem Schwallrohr (11 ) auskoppelbar sind, eine Mischer-Einheit zum Mischen der auszusendenden Radar-Signale (Si, S2) mit dem jeweiligen Empfangs-Signal (Ri, R2), so dass gemäß des FMCW-Prinzips das entsprechende Zwischenfrequenz-Signal (ZF1, ZF2) generiert wird, eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, o die Frequenzen (fzFi, fzrz) der Zwischenfrequenz-Signale (ZF1, ZF2) zu ermitteln, o anhand der Mittenfrequenzen (fi, fz) und der Frequenzen (fzFi, fzrz) der Zwischenfrequenz-Signale (ZF1, ZF2) den Rohr-Innendurchmesser (D) zu bestimmen, und o um anhand des ermittelten Rohr-Innendurchmessers (D), sowie der Frequenz (fzFi, fzrz) von zumindest einem der Zwischenfrequenz-Signale (ZF1, ZF2) oder der Frequenz eines dritten Zwischenfrequenz-Signals die Signal-Ausbreitungsgeschwindigkeit (cm(D)) im Schwallrohr (11) bzw. darauf basierend den Füllstand (L) zu bestimmen.
7. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 6, das ausgelegt ist, die Radar-Signale (Si , S2) mit den zwei verschiedenen Mittenfrequenzen (fi, fz) alternierend und mit einer definierten Taktrate auszusenden und entsprechend getaktet die verschiedenen Frequenzen (fzFi, fzF2) der korrespondierenden Zwischenfrequenz-Signale (ZF1, ZF2) zu ermitteln.
8. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 6 oder 7, das ausgelegt ist, insbesondere nach Bestimmung des Rohr-Innendurchmessers (D) die Freifeld-Ausbreitungsgeschwindigkeit (cm,o) bzw. eine etwaige Änderung der Gaszusammensetzung der Atmosphäre oberhalb des Füllgutes (2) im Prozessraum (5) zu ermitteln.
9. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, umfassend:
Eine Ausgabe-Einheit, die insbesondere zur Anzeige des Rohr- Innendurchmessers (D) dient.
10. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, die Radar-Signale (Si , S2) derart zu erzeugen, so dass sich deren Mittenfrequenzen (fi, f2) um zumindest einen Faktor 1 ,1 , insbesondere einen Faktor 1 ,5 unterscheiden.
11 . Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Auswerte-Einheit ausgelegt ist, den Füllstand (L) anhand des ersten Zwischenfrequenz-Signals (ZF1) bzw. dessen Frequenz (fzFi) und anhand des zweiten Zwischenfrequenz-Signals (ZF2) bzw. dessen Frequenz (fzF2) zu bestimmen.
12. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , wobei die Signalerzeugungseinheit bzw. die Auswertungs-Einheit ausgelegt ist/sind, in Abhängigkeit des ermittelten Rohr-Innendurchmessers (D) die auszusendenden Radar-Signale (Si, S2) und/oder die Zwischenfrequenz-Signale (ZF1, ZFFZ) einer Dispersionskorrektur zu unterziehen.
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