WO2021175813A1 - Füllstandsmessgerät - Google Patents

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WO2021175813A1
WO2021175813A1 PCT/EP2021/055117 EP2021055117W WO2021175813A1 WO 2021175813 A1 WO2021175813 A1 WO 2021175813A1 EP 2021055117 W EP2021055117 W EP 2021055117W WO 2021175813 A1 WO2021175813 A1 WO 2021175813A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measuring device
signal
shf
level measuring
container wall
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/055117
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Winfried Mayer
Andreas MÖLLER
Philipp Walser
Original Assignee
Endress+Hauser SE+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+Hauser SE+Co. KG filed Critical Endress+Hauser SE+Co. KG
Publication of WO2021175813A1 publication Critical patent/WO2021175813A1/de

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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/225—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles used in level-measurement devices, e.g. for level gauge measurement

Definitions

  • the invention relates to a level measuring device which is used when it is attached to the side of the container.
  • field devices are often used that are used to record various measured variables.
  • the measured variable to be determined can be, for example, a fill level, a flow rate, a pressure, the temperature, the pH value, the redox potential, a conductivity or the dielectric value of a medium in a process plant.
  • the field devices each include suitable sensors or are based on suitable measurement principles. A large number of different types of field devices are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
  • Radar-based measurement methods have become established for measuring the level of products in containers, as they are robust and require little maintenance.
  • a key advantage of radar-based measurement methods is the ability to measure the level almost continuously.
  • Radar J refers to radar signals with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz. Usual frequency bands in which level measurement is carried out are 2 GHz, 26 GHz, 79 GHz, or 120 GHz.
  • the two common measuring principles here are the pulse-transit time principle (also known under the term "Pulsradaf") and the FMCW principle (“Frequency Modulated Continuous Wave”) in the laid-open specification DE 102012 104 858 A1.
  • Pulsradaf pulse-transit time principle
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • level gauges determine the level indirectly by measuring the distance to the product surface from above
  • level gauges are designed in such a way that they are attached to the top of the container.
  • the respective containers must be equipped with a corresponding connection such as a flange connection on the top.
  • a flange connection on the top.
  • side connections on the container are often present per se, for example as unused inflows or outflows, or as connections for pressure or temperature measurement.
  • a lateral attachment to a container wall can also involve the risk that the container wall will be detected by the main radiation lobe of the emitted radar signal, as a result of which interfering reflections can be generated which lead to an incorrect level measurement.
  • the invention is therefore based on the object of providing a level measuring device by means of which the level can be reliably determined via a lateral connection of the container.
  • the level measuring device comprises the following components:
  • a fastening means such as a flange connection, by means of which the level measuring device can be fastened to a lateral container wall
  • An antenna arrangement by means of which the radar signal in the attached state can be transmitted approximately perpendicular to the filling material and can be received as a corresponding received signal after reflection on the surface of the filling material, with o such an asymmetrical aperture by means of which the radar signal with a the main radiation lobe flattened towards the container wall is emitted, and
  • the technical implementation of the asymmetrical aperture is not restricted to a special embodiment variant within the scope of the invention.
  • the asymmetrical aperture can therefore be implemented, for example, in the form of a quasi-optical lens, in particular a planar group antenna, or as a correspondingly asymmetrical, quasi-optical mirror.
  • the term "main radiation lobe" refers to the area of those solid angles at which, starting from the main radiation direction (i.e. the vector of the maximum power of the transmitted radar signal), the power is reduced to 50%. or reduced by -3 dB, is included.
  • the asymmetrical emission of the radar signal according to the invention has a positive effect in several respects:
  • the antenna arrangement can be designed so that it only protrudes not far from the container and the radar signal is nevertheless not inadvertently reflected on the container wall.
  • the asymmetrical aperture can be designed, for example, or the frequency of the radar signal can be adapted to the aperture so that the main radiation lobe of the radar signal theoretically only touches the container wall at a distance of at least 25 m from the level measuring device. This means that the level measuring device can be safely used at least on containers up to 25 m high.
  • the signal generation unit is to be designed in such a way that the electrical high-frequency signal is generated with a correspondingly tuned frequency, or the aperture is to be designed accordingly.
  • the level measuring device does not form a disruptive installation inside the container due to the narrow side mounting. Nevertheless, the asymmetry ensures that the main radiation lobe is wide enough so that the reflected radar signal can be received by the level measuring device even when the product surface is rough.
  • the term “unit” is understood to mean in principle any electronic circuit that is designed to be suitable for the intended use. Depending on the requirements, it can therefore be an analog circuit for generating or processing corresponding analog signals. However, it can also be a digital circuit like an FPGA or a storage medium in conjunction with a program. The program is designed to carry out the corresponding process steps or to apply the necessary arithmetic operations of the respective unit.
  • different electronic units of the dielectric value measuring device in the sense of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated by means of the same physical digital circuit.
  • the formulation "Such asymmetrical dimensioning of the aperture, so that the radar signal is emitted with a main radiation lobe flattened towards the container wall” is defined in connection with the invention, for example, in such a way that, in the attached state, a horizontal cross-section of the main radiation lobe is a maximum in relation to the container wall has parallel expansion that is greater than the maximum orthogonal expansion of the horizontal cross-section in relation to the container wall.
  • a ratio of up to 4: 1 between the parallel expansion and the orthogonal expansion of the cross-section is also conceivable.
  • the aperture can be designed, for example, in such a way that the horizontal cross section of the main radiation lobe of the emitted radar signal has an approximately elliptical or rectangular shape in the attached state.
  • An approximately semicircular, horizontal cross section is also conceivable.
  • the antenna arrangement can be designed to be comparatively narrow without the main radiation lobe becoming too narrow overall and without the risk that the reflected radar signal will not be received.
  • the antenna arrangement can in particular be designed in the shape of a rod and the aperture can be designed in this way designed so that the maximum orthogonal spread of the cross-section of the main radiation lobe to the container wall runs parallel to the rod axis.
  • the fill level measuring device according to the invention can also be arranged on correspondingly narrow, lateral container connections.
  • the asymmetrical aperture for example in the case of a group antenna, this can be designed as part of the signal generation unit in such a way that the radar signal is generated at a focal point of the aperture.
  • the advantage here is that the radar signal does not have to be routed separately along the antenna arrangement, as a result of which signal losses are avoided.
  • the radar signal can, for example, by means of a waveguide or a dielectric waveguide to be guided towards the aperture.
  • the fill level measuring device can be expanded in such a way that the antenna arrangement comprises a radome which is transparent to the radar signals and which covers at least the aperture or the entire antenna arrangement.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a corresponding measuring method.
  • the process includes the following process steps:
  • Fig. 1 A schematic arrangement of a radar-based level measuring device according to the prior art on the top of a container
  • FIG. 2 shows a schematic arrangement of a radar-based fill level measuring device according to the invention on the side container wall
  • FIG. 1 shows a freely radiating, radar-based fill level measuring device T which, according to the prior art, is arranged on the top of a container 3.
  • a filling material 2 in the container 3, the filling level L of which is to be determined by the filling level measuring device V.
  • the level measuring device T is connected to a higher-level unit 4, for example a process control system or a decentralized database, via a bus system such as “Ethernet”, “PROFIBUS”, “HART” or “Wireless HART”.
  • a bus system such as “Ethernet”, “PROFIBUS”, “HART” or “Wireless HART”.
  • information about the operating state of the fill level measuring device T can be communicated via this.
  • information about the level L can also be transmitted via the bus system in order to control inflows or outflows that may be present on the container 3.
  • the fill level measuring device T is attached above the container 3 to a flange connection provided for this purpose.
  • a corresponding signal generation unit 12 of the level measuring device T is designed so that, for. B. according to the FMCW principle or the pulse transit time principle, a corresponding radar signal SHF is sent vertically in the direction of the product 2.
  • the radar signal SHF is reflected on the surface of the filling material 2 and after a corresponding signal transit time received by the level measuring device V accordingly as a received signal EHF.
  • a corresponding evaluation unit 14 of the level measuring device V can determine the signal transit time based on the received signal EHF and the level L based thereon.
  • the fill level measuring device 1 according to the invention also works according to the radar principle described in connection with FIG. 1. According to the invention, however, the filling level L can be determined from a side wall 31 of the container 3. As shown in Fig. 2, the fill level measuring device 1 according to the invention is therefore attached to a lateral flange connection 11 of the container 3, a rod-shaped antenna arrangement 13 of the fill level measuring device 1 protruding into the interior of the container for this purpose, while a housing area with any interfaces and electronics -Components outside the container 3 remains.
  • the main radiation lobe is asymmetrical: the maximum parallel spread a p of the horizontal cross-section of the main radiation lobe to the container wall 31 is approximately 3 times as large as the maximum orthogonal spread a 0 of the beam cross-section to the tank wall 31, so that the main radiation lobe of the radar signal SHF is correspondingly flattened towards the container wall 31.
  • the asymmetrical main radiation lobe is brought about by a corresponding aperture 131 which is arranged within the antenna arrangement 13.
  • FIG. 3 The rod-shaped antenna arrangement 13 of the fill level measuring device 1 according to the invention there shows schematically two design variants of the aperture 131, an elliptical and a rectangular one.
  • the aperture 131 is distinguished in both cases by a defined aperture length a ' 0 , which runs parallel to the rod axis 132, and an aperture width a' p , which runs orthogonally to the rod axis 132, from.
  • the ratio between the aperture length a ' 0 parallel to the rod axis 132 and the aperture width a' p orthogonal to the rod axis corresponds to the ratio between the maximum parallel expansion a p to the container wall 31 and the maximum orthogonal expansion a ' 0 to the container wall 31 of the horizontal cross section of the main radiation lobe according to
  • this ratio corresponds to approximately 3 to 1.
  • the aperture 131 can be implemented, for example, in the form of a correspondingly designed quasi-optical lens, in particular a planar group antenna, or as a correspondingly asymmetrical quasi-optical mirror.
  • the rod-shaped design of the antenna unit 13 makes it possible to realize the antenna arrangement 13 with predetermined quasi-optical properties of the aperture 131 with minimal dimensions, so that the level measuring device 1 can also be mounted on the smallest possible lateral container openings.
  • the antenna arrangement 13 in contrast to the embodiment variant shown, it is also possible to design the antenna arrangement 13 to be movable in relation to the container wall 31, for example by means of a corresponding ball joint, in such a way that the main radiation lobe of the radar signal S HF can be pivoted within a certain angular range. This ensures that the radar signal SHF is transmitted perpendicular to the filling material 2 even when the container wall 31 is slightly inclined.
  • the signal generation unit 12 for generating the radar signal SHF and the evaluation unit 14, which determines the level L based on the received signal E HF are in the embodiment variant shown in FIG. 3 in the housing area of the level measuring device 1, which is located outside of the container 3 after the level measuring device 1 has been attached. Accordingly, these electronic components 12, 14 are to be connected to the aperture 131 via a dielectric waveguide or a waveguide.
  • the advantage here is that the fill level measuring device 1 can more easily comply with any explosion protection requirements.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät (1) zur Messung eines Füllstandes (L) in einem Behälter (3), wobei das Füllstandsmessgerät (1) von einer seitlichen Behälterwand (31 ) aus misst. Dazu umfasst das Füllstandsmessgerät (1) eine Antennen-Anordnung (13), mittels der das Radar-Signal (SHF) senkrecht gen Füllgut (2) aussendbar und nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche als entsprechendes Empfangssignal (EHF) empfangbar ist. Dabei zeichnet sich die Antennen-Anordnung (13) durch eine asymmetrische Apertur (131) aus, mittels der das Radar-Signal (SHF) mit einer zur Behälterwand (31) hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird. Hierdurch kann die Antennen- Anordnung (13) vorteilhafter Weise so ausgelegt werden, dass sie nur unweit in den Behälter (3) hineinragt und das Radar-Signal (SHF) trotzdem nicht ungewollt an der Behälterwand (31) reflektiert wird. Somit bildet das Füllstandsmessgerät (1) durch die enge seitliche Anbringung keinen störenden Einbau innerhalb des Behälters (3). Dennoch wird durch die Asymmetrie sichergestellt, dass die Hauptabstrahlkeule breit genug ist, damit das Radar-Signal (EHF) auch bei rauer Füllgut-Oberfläche gen Füllstandsmessgerät (1) reflektiert wird.

Description

Füllstandsmessgerät
Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät, das bei seitlicher Befestigung am Behälter eingesetzt wird.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung diverser Messgrößen dienen. Bei der zu bestimmenden Messgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, die Temperatur, den pH-Wert, das Redoxpotential, eine Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Mediums in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Messprinzipien. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich Radar-basierte Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein zentraler Vorteil Radar-basierter Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „ Radar J‘ auf Radar-Signale mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz. Übliche Frequenzbänder, bei denen Füllstandsmessung durchgeführt wird, liegen bei 2 GHz, 26 GHz, 79 GHz, oder 120 GHz. Die beiden gängigen Messprinzipien bilden hierbei das Puls- Laufzeit-Prinzip (auch unter dem Begriff „Pulsradaf bekannt) sowie das FMCW-Prinzip („ Frequency Modulated Continuous Wave"). Ein Füllstandsmessgerät, welches nach dem Puls-Laufzeit-Verfahren arbeitet, ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 102012 104 858 A1 beschrieben. Bezüglich eines typischen Aufbaus von FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten sei exemplarisch auf die Offenlegungsschrift DE 10 2013 108490 A1 verwiesen.
Näher beschrieben werden die Messprinzipien von FMCW und Pulsradar außerdem in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000‘. Da Radar-basierte Füllstandsmessgeräte den Füllstand indirekt bestimmen, indem sie von oben den Abstand zur Füllgut-Oberfläche messen, sind Füllstandsmessgeräte nach dem Stand der Technik so konzipiert, dass sie an der Oberseite des Behälters angebracht werden. Hierzu sind die jeweiligen Behälter an der Oberseite mit einem entsprechenden Anschluss wie einem Flanschanschluss auszustatten. Oftmals sind solche Anschlüsse jedoch separat nachzurüsten, wohingegen seitliche Anschlüsse am Behälter oftmals per se vorhanden sind, beispielsweise als ungenutzte Zu- bzw. Abflüsse, oder als Anschlüsse für Druck- oder Temperaturmessung. Eine seitliche Anbringung an einer Behälterwand kann weiterhin die Gefahr bergen, dass die Behälterwand von der Hauptabstrahlkeule des ausgesendeten Radar-Signals erfasst wird, wodurch Störreflektionen erzeugt werden können, die zu einer falschen Füllstands-Messung führen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Füllstandsmessgerät bereitzustellen, mittels dem der Füllstand zuverlässig über einen seitlichen Anschluss des Behälters bestimmt werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät folgende Komponenten:
- Ein Befestigungsmittel, wie beispielsweise einem Flanschanschluss, mittels dem das Füllstandsmessgerät an einer seitlichen Behälterwand befestigbar ist,
- eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, ein Radar-Signal zu erzeugen,
- eine Antennen-Anordnung, mittels der das Radar-Signal im befestigten Zustand in etwa senkrecht gen Füllgut aussendbar und nach Reflektion an der Oberfläche des Füllgutes als entsprechendes Empfangssignal empfangbar ist, mit o einer derart asymmetrischen Apertur, mittels der das Radar- Signal mit einer zur Behälterwand hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird, und
- eine Auswertungs-Einheit, die ausgelegt ist, um anhand des Empfangssignals den Füllstand zu bestimmen. Die technische Realisierung der asymmetrischen Apertur ist im Rahmen der Erfindung nicht auf eine spezielle Ausführungsvariante beschränkt. Die asymmetrische Apertur kann daher beispielsweise in Form einer quasioptischen Linse, einer insbesondere planaren Gruppen-Antenne, oder als entsprechend asymmetrischer, quasioptischer Spiegel realisiert werden. Dabei handelt es sich im Kontext der vorliegenden Patentanmeldung bei dem Begriff „Hauptabstrahlkeule“ um den Bereich, der von denjenigen Raumwinkeln, bei denen sich ausgehend von der Hauptabstrahlrichtung (also dem Vektor der Maximal-Leistung des ausgesendeten Radar-Signals) die Leistung auf 50 % bzw. um -3 dB verringert hat, eingeschlossen ist.
Das erfindungsgemäß asymmetrische Aussenden des Radar-Signals wirkt sich in mehrfacher Hinsicht positiv aus: Einerseits kann die Antennen- Anordnung so ausgelegt werden, dass sie nur unweit den Behälter hineinragt und das Radar-Signal trotzdem nicht ungewollt an der Behälter-Wand reflektiert wird. Diesbezüglich kann die asymmetrische Apertur beispielsweise so ausgelegt werden, bzw. die Frequenz des Radar-Signals kann so an die Apertur angepasst werden, dass die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals die Behälterwand theoretisch erst in einer Distanz zum Füllstandsmessgerät von mindestens 25 m tangiert. Hierdurch ist das Füllstandsmessgerät zumindest an bis zu 25 m hohen Behältern sicher einsetzbar. Dazu ist die Signalerzeugungs-Einheit so auszulegen, dass das elektrische Hochfrequenz- Signal mit einer entsprechend abgestimmten Frequenz erzeugt, bzw. die Apertur ist entsprechend auszulegen. Darüber hinaus bildet das Füllstandsmessgerät durch die enge seitliche Anbringung keinen störenden Einbau innerhalb des Behälters. Dennoch wird durch die Asymmetrie sichergestellt, dass die Hauptabstrahlkeule breit genug ist, damit das reflektierte Radar-Signal durch das Füllstandsmessgerät auch bei rauer Füllgut-Oberfläche empfangen werden kann.
Unter dem Begriff „ Einheit wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung wie einem FPGA oder einen Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Dielektrizitätswert-Messgerätes im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
Die Formulierung „Derart asymmetrische Dimensionierung der Apertur, so dass das Radar-Signal mit einer zur Behälterwand hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird ‘ definiert sich im Zusammenhang mit der Erfindung beispielweise derart, dass im befestigten Zustand ein horizontaler Querschnitt der Hauptabstrahlkeule eine in Bezug zur Behälterwand maximal parallele Ausbreitung aufweist, die größer als die in Bezug zur Behälterwand maximale orthogonale Ausbreitung des horizontalen Querschnittes ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Apertur so zu dimensionieren, dass die zur Behälterwand parallele Ausbreitung zumindest doppelt so groß ist, wie die zur Behälterwand orthogonale Ausbreitung des Querschnittes. Auch ein Verhältnis von bis zu 4:1 zwischen der parallelen Ausbreitung und der orthogonalen Ausbreitung des Querschnittes ist denkbar. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgegeben, welche Querschnittsform der horizontale Querschnitt der Hauptabstrahlkeule aufweist. Um das gewünschte Verhältnis zwischen der parallelen Ausbreitung und der orthogonalen Ausbreitung zu erreichen, kann die Apertur beispielsweise derart ausgelegt sein, dass im befestigten Zustand der horizontale Querschnitt der Hauptabstrahlkeule des ausgesendeten Radar-Signals eine in etwa elliptische oder rechteckige Form aufweist. Denkbar ist weiterhin ein in etwa halbkreisförmiger, horizontaler Querschnitt.
Durch die asymmetrische Apertur kann die Antennen-Anordnung vergleichsweise schmal ausgelegt werden, ohne dass die Hauptabstrahlkeule insgesamt zu schmal wird und somit das Risiko besteht, dass das reflektierte Radar-Signal nicht empfangen wird. Dazu kann die Antennen-Anordnung insbesondere stabförmig ausgebildet werden und die Apertur kann derart konzipiert werden, dass die zur Behälterwand maximale orthogonale Ausbreitung des Querschnittes der Hauptabstrahlkeule parallel zur Stab- Achse verläuft. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät zudem auch an entsprechend schmalen, seitlichen Behälter-Anschlüssen angeordnet werden.
Je nach technischer Auslegung der asymmetrischen Apertur, beispielsweise im Falle einer Gruppen-Antenne, kann diese als Teil der Signalerzeugungs- Einheit so ausgelegt sein, dass das Radar-Signal in einem Brennpunkt der Apertur erzeugt wird. Vorteilhaft hieran ist, dass das Radar-Signal nicht separat entlang der Antennen-Anordnung geführt werden muss, wodurch Signalverluste vermieden werden. Sofern die Signalerzeugungs-Einheit andernfalls in einem Gehäusebereich angeordnet ist, der sich im befestigten Zustand außerhalb der Behälterwand befindet, oder sofern die Signalerzeugungs-Einheit innerhalb der Antennen-Anordnung abseits der Apertur angeordnet ist, kann das Radar-Signal beispielsweise mittels eines Hohlleiters oder eines dielektrischen Wellenleiters gen Apertur geführt werden.
Zum Schutz der Apertur gegenüber Kontamination durch das Füllgut kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät dahingehend erweitert werden, dass die Antennen-Anordnung ein für die Radar-Signale transparentes Radom umfasst, welches zumindest die Apertur oder die gesamte Antennen- Anordnung abdeckt.
Analog zum erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein entsprechendes Mess verfahren gelöst. Dabei umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
- Erzeugen eines elektrischen Hochfrequenz-Signals,
- In etwa senkrechtes Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals als Radar-Signal gen Füllgut, wobei das Radar-Signal mit einer zur Behälterwand hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird, und
- Empfang eines entsprechenden Empfangssignals nach Reflektion des Radar-Signals an der Füllgut-Oberfläche, und
- Bestimmung des Füllstandes anhand zumindest des Empfangssignals. Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Eine schematische Anordnung eines radar-basierten Füllstandsmessgerätes nach dem Stand der Technik an der Oberseite eines Behälters,
Fig. 2: eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen radar basierten Füllstandsmessgerätes an der seitlichen Behälterwand, und
Fig. 3: eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes.
Zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 ein frei abstrahlendes, Radar-basiertes Füllstandsmessgerät T gezeigt, das nach dem Stand der Technik an der Oberseite eines Behälter 3 angeordnet ist. Dabei befindet sich in dem Behälter 3 ein Füllgut 2, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät V zu bestimmen ist.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät T über ein Bussystem, wie etwa „Ethernet“, „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem oder einer dezentralen Datenbank verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes T kommuniziert werden. Über das Bussystem können jedoch auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter 3 vorhandene Zu- oder Abflüsse zu steuern.
Zur Bestimmung des Füllstandes L ist das Füllstandsmessgerät T oberhalb des Behälters 3 an einem hierfür vorgesehenen Flanschanschluss angebracht. Unabhängig vom implementierten Messprinzip ist eine entsprechende Signalerzeugungs-Einheit 12 des Füllstandsmessgerätes T so konzipiert, dass z. B. gemäß dem FMCW-Prinzip oder dem Pulslaufzeit- Prinzip ein entsprechendes Radar-Signal SHF vertikal in Richtung des Füllgutes 2 ausgesendet wird. An der Oberfläche des Füllgutes 2 wird das Radar-Signal SHF reflektiert und nach einer korrespondierenden Signallaufzeit vom Füllstandsmessgerät V entsprechend als Empfangssignal EHF empfangen. Hierbei hängt die Signallaufzeit des Radar-Signals SHF, EHF vom Abstand d = h - L des Füllstandsmessgerätes 1 ‘ zur Füllgut-Oberfläche ab. Eine entsprechende Auswertungs-Einheit 14 des Füllstandsmessgerätes V kann anhand des Empfangs-Signals EHF die Signallaufzeit und darauf basierend den Füllstand L bestimmen.
Auch das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 arbeitet nach dem in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Radar-Prinzip. Gemäß der Erfindung kann der Füllstand L jedoch von einer Seitenwand 31 des Behälters 3 aus bestimmt werden. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 daher an einem seitlichen Flanschanschluss 11 des Behälters 3 befestigt, wobei eine stabförmige Antennen-Anordnung 13 des Füllstandsmessgerätes 1 hierzu in das Behälter-Innere hineinragt, während ein Gehäusebereich mit etwaigen Schnittstellen und Elektronik-Komponenten außerhalb des Behälters 3 verbleibt.
Ausgehend von der Antennen-Anordnung 11 , die orthogonal von der Behälterwand 31 nach Innen absteht und somit horizontal ausgerichtet ist, verläuft die Achse der Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals SHF senkrecht gen Füllgut 2. Wie aus dem Vergleich der Frontalansicht und der Seitenansicht des Füllstandsmessgerätes 1 in Fig. 2 hervorgeht, ist die Hauptabstrahlkeule dabei asymmetrisch: Die zur Behälterwand 31 maximal parallele Ausbreitung ap des horizontalen Querschnittes der Hauptabstrahlkeule ist ca. 3 mal so groß wie die zur Behälterwand 31 maximale orthogonale Ausbreitung a0 des Strahl-Querschnittes, so dass die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals SHF zur Behälterwand 31 hin entsprechend abgeflacht ist.
Die asymmetrische Hauptabstrahlkeule wird durch eine entsprechende Apertur 131 bewirkt, die innerhalb der Antennen-Anordnung 13 angeordnet ist. Näher dargestellt ist dies in Fig. 3: Die stabförmige Antennen-Anordnung 13 des dortigen erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 zeigt schematisch zwei Ausführungsvarianten der Apertur 131 , eine elliptische und eine rechteckige. Dabei zeichnet sich die Apertur 131 in beiden Fällen durch eine definierte Apertur-Länge a’0, die parallel zur Stabachse 132 verläuft, und eine Apertur-Breite a’p, die orthogonal zur Stabachse 132 verläuft, aus. Somit entspricht das Verhältnis zwischen der zur Stabachse 132 parallelen Apertur- Länge a’0 und der zur Stabachse orthogonalen Apertur-Breite a’p dem Verhältnis zwischen der zur Behälterwand 31 maximalen parallelen Ausbreitung ap und der zur Behälterwand 31 maximalen orthogonalen Ausbreitung a’0 des horizontalen Querschnitts der Hauptabstrahlkeule gemäß
Figure imgf000010_0001
Im gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht dieses Verhältnis ca. 3 zu 1. Realisiert werden kann die Apertur 131 bspw. in Form einer entsprechend ausgelegten quasioptischen Linse, einer insbesondere planaren Gruppen- Antenne, oder als entsprechend asymmetrischer quasioptischer Spiegel. Durch die stabförmige Auslegung der Antennen-Einheit 13 ist es möglich, die Antennen-Anordnung 13 bei vorgegeben quasioptischen Eigenschaften der Apertur 131 mit minimalen Abmessungen zu realisieren, so dass das Füllstandsmessgerät 1 auch an möglichst kleinen, seitlichen Behälteröffnungen montierbar ist. In diesem Zusammenhang ist es im Gegensatz zu der gezeigten Ausführungsvariante außerdem möglich, die Antennen-Anordnung 13 beispielsweise mittels eines entsprechenden Kugelgelenkes in Bezug zur Behälterwand 31 derart beweglich auszulegen, dass die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals SHF in einem gewissen Winkelbereich verschwenkbar ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Radar-Signal SHF auch bei leicht geneigter Behälterwand 31 senkrecht gen Füllgut 2 ausgesendet wird.
Die Signal-Erzeugungs-Einheit 12 zur Erzeugung des Radar-Signals SHF sowie die Auswertungs-Einheit 14, die anhand des Empfangs-Signals EHF den Füllstand L bestimmt, sind bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungs-Variante in dem Gehäusebereich des Füllstandsmessgerätes 1 angeordnet, das sich nach Befestigung des Füllstandsmessgerätes 1 außerhalb des Behälters 3 befindet. Dementsprechend sind diese elektronischen Komponenten 12, 14 über einen dielektrischen Wellenleiter oder einen Hohlleiter mit der Apertur 131 zu verbinden. Vorteilhaft hieran ist, dass das Füllstandsmessgerät 1 leichter etwaige Explosionsschutz-Vorgaben einhalten kann. Eine direkte Anbringung der Signalerzeugungs-Einheit 12 im Brennpunkt f der Apertur 131 bietet im Gegensatz dazu den Vorteil verringerter Signalverluste.
Bezugszeichenliste
1 , V F ül Istandsm essgerät 2 Füllgut 3 Behälterwand
4 Übergeordnete Einheit 11 Befestigungsmittel 12 Signalerzeugungs-Einheit 13 Antennen-Anordnung 14 Auswertungs-Einheit
31 Behälterwand
131 Apertur
132 Stabachse aP Zur Behälterwand parallele Ausbreitung des Strahl-Querschnittes a‘p Apertur-Breite
3o Zur Wand orthogonale Ausbreitung des Strahl-Querschnittes a’0 Apertur-Länge d Abstand
EHF Empfangenes Radar-Signal f Brennpunkt h Einbauhöhe L Füllstand
SHF Radar-Signal x Entfernung

Claims

Patentansprüche
1. Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3), umfassend:
- ein Befestigungsmittel (11), mittels dem das Füllstandsmessgerät (1) an einer seitlichen Behälterwand (31) befestigbar ist,
- Eine Signalerzeugungs-Einheit (12), die ausgelegt ist, ein Radar-Signal (SHF) ZU erzeugen,
- eine Antennen-Anordnung (13), mittels der das Radar-Signal (SHF) im befestigten Zustand in etwa senkrecht gen Füllgut (2) aussendbar und nach Reflektion an der Oberfläche des Füllgutes (2) als entsprechendes Empfangssignal (EHF) empfangbar ist, mit o einer derart asymmetrischen Apertur (131 ), so dass das Radar- Signal (SHF) mit einer zur Behälterwand (31 ) hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird, und
- eine Auswertungs-Einheit (14), die ausgelegt ist, um anhand des Empfangssignals (EHF) den Füllstand (L) zu bestimmen.
2. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 , wobei die Apertur (131 ) derart asymmetrisch dimensioniert ist, dass im befestigten Zustand ein horizontaler Querschnitt der Hauptabstrahlkeule eine in Bezug zur Behälterwand (31) maximale parallele Ausbreitung (a ) aufweist, welche größer ist, als die in Bezug zur Behälterwand (31) maximale orthogonale Ausbreitung (a0) des horizontalen Querschnittes.
3. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 2, wobei die Apertur (131 ) derart dimensioniert ist, dass die zur Behälterwand (31) maximale parallele Ausbreitung (ap) zumindest doppelt so groß ist, wie die zur Behälterwand (31 ) maximale orthogonale Ausbreitung (a0) des Querschnittes.
4. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Apertur (131) derart ausgelegt ist, dass im befestigten Zustand der horizontale Querschnitt der Hauptabstrahlkeule des ausgesendeten Radar-Signals (SHF) eine in etwa elliptische oder rechteckige Form aufweist.
5. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Antennen-Anordnung (13) stabförmig ausgelegt ist, und wobei die Apertur (131 ) derart konzipiert ist, dass die in Bezug zur Behälterwand (31) maximale orthogonale Ausbreitung (a0) des Querschnittes der Hauptabstrahlkeule parallel zur Stab-Achse (132) verläuft.
6. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennen-Anordnung (13) ein für die Radar-Signale (SHF, EHF) transparentes Radom umfasst, welches zumindest die Apertur (131 ) abdeckt.
7. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die asymmetrische Apertur (131) in Form einer quasioptischen Linse, einer insbesondere planaren Gruppen-Antenne, oder als entsprechend asymmetrischer quasioptischer Spiegel realisiert ist.
8. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) ausgelegt ist, das Radar-Signal (SHF) mit einer derart abgestimmten Frequenz zu erzeugen, und wobei die Apertur (131 ) derart ausgelegt ist, dass die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals (SHF) die Behälterwand (3) in einer Distanz zum Füllstandsmessgerät (1 ) von mindestens 25 m tangiert.
9. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) ausgelegt ist, das Radar- Signal (SHF) in einem Brennpunkt (f) der Apertur (131) zu erzeugen.
10. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Signalerzeugungs-Einheit (12) einem in Gehäusebereich, der sich im befestigten Zustand außerhalb der Behälterwand (31) befindet, angeordnet ist.
11. Verfahren zur Messung des Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mittels dem Füllstandsmessgerät (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Erzeugen eines elektrischen Hochfrequenz-Signals,
- In etwa senkrechtes Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals als Radar-Signal (SHF) gen Füllgut (2), wobei das Radar-Signal (SHF) mit einer zur Behälterwand (31) hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird, und
- Empfang eines entsprechenden Empfangssignals (EHF) nach Reflektion des Radar-Signals (SHF) an der Füllgut-Oberfläche, und
- Bestimmung des Füllstandes (L) anhand zumindest des Empfangssignals (EHF).
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