WO2023099269A1 - Füllstandsmessgerät - Google Patents

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WO2023099269A1
WO2023099269A1 PCT/EP2022/082659 EP2022082659W WO2023099269A1 WO 2023099269 A1 WO2023099269 A1 WO 2023099269A1 EP 2022082659 W EP2022082659 W EP 2022082659W WO 2023099269 A1 WO2023099269 A1 WO 2023099269A1
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WO
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measuring device
signal
frequency band
level measuring
radar
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Application number
PCT/EP2022/082659
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English (en)
French (fr)
Inventor
Winfried Mayer
Peter KLÖFER
Ralf Reimelt
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.)
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Publication date
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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
    • 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
    • G01S13/10—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves
    • G01S13/24—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves using frequency agility of carrier wave
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/225—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles used in level-measurement devices, e.g. for level gauge measurement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H01Q19/08—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for modifying the radiation pattern of a radiating horn in which it is located

Definitions

  • the invention relates to a radar-based fill level measuring device that can be adapted to a wide variety of applications
  • Appropriate field devices are used in process automation technology to record relevant process parameters.
  • suitable measurement principles are implemented in the corresponding field devices in order to record a fill level, a flow rate, a pressure, a temperature, a pH value, a redox potential or a conductivity as process parameters.
  • a wide variety of field device types are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
  • Non-contact measuring methods have become established for level measurement of filling goods in containers, as they are robust and low-maintenance. Another advantage of non-contact measuring methods is the ability to measure the level almost continuously. In the field of continuous level measurement, radar-based measurement methods are therefore predominantly used (in the context of this patent application, the term “radar” refers to signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz). In principle, the higher the frequency, the higher the measurement resolution that can be achieved. The pulse propagation time method and FMCW (“Frequency Modulated Continuous Wave”) have established themselves as measuring methods. Radar-based level measurement is described in more detail, for example, in “Radar Level Detection, Peter Devine, 2000".
  • Typical frequency bands approved for radar-based level measurement are 26GHz, 60GHz, 80GHz and 120GHz, and increasingly also 180GHz and 240GHz.
  • frequency bands at higher frequencies are advantageous for many applications, since greater beam bundling is achieved with the given antenna dimensions and, as a rule, more bandwidth is available which can be used for greater distance resolution.
  • the invention solves this problem with a fill level measuring device for determining a fill level of a filling material in a container, which comprises at least the following components:
  • a signal generation unit that is designed o to generate a first radar signal within a first frequency band, and o to generate a second radar signal within a second frequency band, the second frequency band not overlapping with the first frequency band, but is clearly differentiated from the first frequency band, an antenna arrangement, by means of which the first radar signal in the first frequency band and the second radar signal in the second frequency band can be transmitted towards the filling material, and by means of which corresponding reception signals after respective reflection on the filling material Surface are receivable, and an evaluation unit, which is designed o to determine a first level value based on the first received signal, and o to determine a second level value based on the second received signal.
  • the fill level measuring device can potentially determine corresponding fill level values in several clearly spaced frequency bands, the fill level measuring device can be used in a wide variety of applications.
  • the term “unit” is understood to mean, in principle, a separate arrangement or encapsulation of those electronic circuits that are provided for a specific application, for example for high-frequency signal processing or as an interface.
  • the corresponding module can therefore include corresponding analog circuits for generating or processing corresponding analog signals.
  • the module can also include digital circuits such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with appropriate programs.
  • the program is designed to carry out the necessary procedural steps or to apply the necessary arithmetic operations.
  • different electronic circuits of the unit within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit. It is not relevant whether different electronic circuits are inside of the unit are arranged on a common printed circuit board or on several connected printed circuit boards.
  • the first frequency band is always clearly separated from the second frequency band when the center frequencies of the frequency bands are at least two times apart and their bandwidth is narrower than one-fifth of their center frequency.
  • the center frequency of a frequency band is defined as that frequency which is located exactly in the middle of the frequency band. According to this definition, for example, a frequency band with a center frequency of 26 GHz and a bandwidth of 2 GHz correspondingly extends from 25 GHz to 27 GHz.
  • the signal generation unit can, for example, comprise a corresponding number of correspondingly designed, phase-controlled control loops (known in English as “PLL or Phase Locked Loop”).
  • PLL Phase Locked Loop
  • the signal generation unit according to the invention can also be designed so that it is not only in two frequency bands, but also within third frequency bands, which do not overlap with the first frequency band and the second frequency band, corresponding to third can generate radar signals.
  • the evaluation unit must be designed in these cases to also determine a third level value based on a corresponding third received signal.
  • the filling level measuring device can be implemented most simply if the first radar signal and the second radar signal are transmitted sequentially in alternation, or if the first received signal and the second received signal are received alternately accordingly. In this case it is sufficient if the signal generation unit comprises a single PLL.
  • the fill level measuring device can not only be adapted to different applications. Furthermore, if designed appropriately, the fill-level measuring device can also check the fill-level values determined for different frequency bands for plausibility.
  • the evaluation unit is to be designed in such a way that it checks the first filling level value for correspondence with the second filling level value and/or a possible third filling level value. If this corresponds to at least one of the other fill level values within a defined tolerance range, the fill level measuring device can use the matching fill level values as plausible and accordingly output one of these level values as the level.
  • the evaluation unit can in turn interpret this as an error status of the fill level measuring device or as a defined event in the container, such as a Emptying/filling of the filling goods, foam formation, dust, etc. interpret.
  • the fill level measuring device can signal the event or the error state accordingly, for example via a display or a corresponding output signal.
  • the evaluation unit can preferably also output an equally or unequally weighted mean value of the fill level values determined in the different frequency bands if it is designed accordingly as a fill level.
  • the evaluation unit based on the first received signal, the second received signal and / or based on third received signals a fade-out curve for the received signal of a each other frequency band created.
  • the fade-out curve is subtracted from the corresponding curve of the received signal in order to primarily eliminate or suppress static interference echoes in the received signal.
  • the advantageous effect is therefore used that in widely different frequency bands, any interference echoes in the measurement curves of the received signals, which may have complex values, are more or less pronounced, depending on their origin.
  • the received signals or their recorded measurement curves can also be analyzed with regard to frequency band-dependent changes in other parameters, such as the amplitude of a selected signal maximum, a change or standard deviation in the amplitude of this signal maximum, a Noise level, and / or the number of signal maxima are examined.
  • the filling level measuring device can, for example transmit both the first radar signal and the second radar signal in a defined plurality of measurement cycles. For this purpose, for example, a different frequency band can be set sequentially in each measurement cycle. This makes it possible for the evaluation unit to compare the respective parameters of the underlying frequency bands or the corresponding measurement cycles with one another.
  • the signal generation unit can therefore work in the most suitable frequency band, ie generate either only the first radar signal or the second radar signal.
  • the level gauge can automatically set the lowest possible frequency band, for example, as this generates the widest angle of radiation.
  • the evaluation unit is to be designed in this case such that following those measuring cycles in which the parameters for the comparison were determined, it only determines the fill level value in the suitable frequency band or only on the basis of its received signal.
  • the evaluation unit can, with an appropriate design, in turn infer defined events in the container, such as foam formation, dusty atmosphere or bubble formation in the filling material, depending on the parameters determined in each case or depending on their comparison. Even in the event that such a possible event is detected by this method, this can be signaled by the fill-level measuring device.
  • the fill-level measuring device can also be designed to be manually configurable with regard to the desired frequency band, so that the signal-generating unit either only generates the first radar signal, the second radar signal or generates the third radar signal, and so that the evaluation unit determines the corresponding filling level value solely on the basis of the corresponding received signal of the desired frequency band.
  • the antenna arrangement of the fill-level measuring device must be designed with such a wide bandwidth that corresponding radar signals can be heard in all frequency bands can be sent and received.
  • the antenna arrangement for all radar signals or all frequency bands can include a common primary radiator with a correspondingly large bandwidth.
  • the antenna arrangement for the first and second radar signal or each individual frequency band can each have its own primary radiator.
  • the primary radiator(s) can be realized, for example, in the form of a planar meander or patch antenna.
  • the antenna arrangement can also include a radar-concentrating lens, with the primary emitter(s) being/are to be arranged approximately in the focus of the lens.
  • the antenna arrangement can either be designed in such a way that the beam angle of the respective radar signal is larger the lower its frequency band is, or that the radar signals are approximately below be sent or received with the same beam angle.
  • the antenna arrangement can also emit the first radar signal, the second radar signal and/or the third radar signal with a defined polarization, depending on the variant.
  • Fig. 1 A radar-based level gauge on a container
  • Fig. 2 A possible embodiment of the antenna arrangement.
  • a container s with a filling material 2 is shown in FIG. 1, the filling level L of which is to be determined.
  • the container 3 can be up to more than 100 m high.
  • the conditions in the container s also depend on the type of filling material 2 and the area of application. In the case of exothermic reactions, for example, high temperatures and pressures can occur. In the case of dusty or flammable substances, appropriate explosion protection conditions must be observed inside the container.
  • the fill level measuring device 1 is a separate interface unit, such as "4-20 mA”, “PROFIBUS”, “HART", or “Ethernet” with a higher-level unit 4, such as. B. connected to a local process control system or a decentralized server system.
  • the measured filling level value L can be transmitted via this, for example in order to control inflows or outflows of the container 3 if necessary. It However, other information about the general operating status of the level measuring device 1 can also be communicated.
  • the fill level measuring device 1 is fitted above the filling material 2 at a known installation height h above the brine of the container 3 .
  • the fill-level measuring device 1 is attached to a corresponding opening of the container 3 and is aligned so that it is pressure and media-tight in such a way that only the antenna arrangement 11 of the fill-level measuring device 1 is directed into the container s vertically downwards towards the filling material 2, while the other components of the Level measuring device 1 outside of the container 3 are arranged.
  • Radar signals SHF are emitted in the direction of the surface of the filling material 2 within a predefined frequency band via the antenna arrangement 11 .
  • the level measuring device 1 receives the reflected reception signals RHF again via the antenna arrangement 11.
  • the signal propagation time t between the transmission and reception of the respective radar signal SHF is according to RHF proportional to the distance d between the level gauge 1 and the filling material 2, where c corresponds to the radar propagation speed of the respective speed of light.
  • the signal propagation time t can be determined by the fill level measuring device 1, for example using the FMCW method or using the pulse propagation time method.
  • the fill-level measuring device 1 can assign the measured transit time t to the respective distance d, for example on the basis of a corresponding calibration.
  • the fill level measuring device 1 includes an appropriately designed evaluation unit in which, for example, the FMCW or pulse propagation time measuring principle is implemented.
  • a corresponding signal generation unit is used in the fill level measuring device 1 to generate the radar signal SHF to be transmitted.
  • the frequency or the frequency band in which the signal generation unit of the fill level measuring device 1 generates the radar signal SHF is selected largely depending on the nature of the filling material 2:
  • the highest possible frequency band is advantageous for a highly accurate fill level measurement, while for an uneven or moving filling material surface, the widest possible radiation angle of the antenna arrangement 11 and thus the lowest possible frequency is advantageous.
  • the term “radiation angle” is that solid angle at which the antenna arrangement 11 has a defined, equal transmission intensity or reception sensitivity of, for example, ⁇ 3 dB.
  • the fill level measuring device 1 overcomes this disadvantage in that it can emit radar signals SHFI, SHF2, SHFS in at least two, preferably three, different frequency bands, with the frequency bands not overlapping but clearly delimiting one another.
  • the signal generation unit can be equipped with its own PLL (“Phase Locked Loop”) for each frequency band, for example.
  • a low frequency band at 6 GHz can be preset on the filling level measuring device 1, while the filling level measuring device 1 or the signal generation unit/evaluation unit for the purpose of highly accurate filling level measurement of liquids with micrometer resolution a high frequency band of 180 GHz, for example, can be configured.
  • a manual configurability of the frequency band can also be used if further, radar-based fill level measuring devices are operated in the container s whose operation should not be influenced by setting different frequency bands.
  • the fill level measuring device 1 can also be designed in such a way that it can itself set one of the two or more possible frequency bands depending on the event.
  • a relevant event can be present, among other things, when the evaluation unit is unable to determine a level value Li, L2, L3 at the moment based on the corresponding received signal RHFI, RHF2, RHF3, for example because the signal strength is too low.
  • a relevant event can be, for example, an emptying/filling process, foam formation, a wavy or moving filling material surface or a comparable filling material activity exist.
  • the fill level measuring device 1 can determine the specific event from the received signal RHFI, RHF2, RH S or using a specific parameter of the corresponding measurement curve, such as:
  • an automatic, event-dependent setting or change of the frequency band may not only determine a correct fill level value Li, l_2, L3 by selecting a “suitable” frequency band.
  • the fill level measuring device 1 can also signal the underlying event if it is known, for example in the case of foam formation or a rotating agitator, or can be clearly identified as such based on the parameter in the received signal RHFI , R HF2 , R H3 .
  • a moving product surface is conceivable as an event, for example: If a high frequency band is set for such an event, this leads to the corresponding signal maximum disappearing due to the deflected received signal.
  • the fill level measuring device 1 evaluates the received signal RH I , RH 2 , RH S with regard to this parameter, it can use the result, namely “no signal maximum at the corresponding point”, for the subsequent measuring cycles or until the value of this parameter changes again for higher frequency bands, leave the lowest possible frequency band set.
  • this increases the probability that the reception signal RH I reflected on the wavy surface will be received by the antenna arrangement 11 due to the resulting wide radiation angle of the radar signal SH I , so that a corresponding first filling level value Li is determinable
  • the corresponding parameter such as the signal amplitude of the filling level maximum in the event of foam formation, changes in the received signal RH I , RH 2 , RH S depending on the frequency band.
  • the level measuring device 1 according to the invention or the evaluation unit can, with an appropriate design, conclude the existence of the corresponding event by comparing the corresponding parameters.
  • the fill-level measuring device 1 can thereby check the determined fill-level value Li, L2, L3 of the respective frequency band for plausibility. Unless the Filling level values Li , l_2, L3 of all frequency bands match within the scope of the measurement accuracy, the plausibility of the corresponding filling level L can be concluded from this. In the opposite case, i.e. if level values Li, L2, L3 that do not match in all frequency bands are determined, a fault or error in level measuring device 1 can be inferred from this, for example, which level measuring device 1 can in turn signal accordingly.
  • the antenna arrangement 11 emits the radar signals SHFI, SHF2, SHS of the different frequency bands in the same beam angle.
  • 2 shows a design variant of the antenna arrangement 11 that is suitable for this purpose: Accordingly, the antenna arrangement 11 has its own primary radiator 112a, b, c for each of the three frequency bands to be transmitted.
  • the primary radiators 112a, b, c can preferably be designed as a monolithic component of the respective signal generation unit, for example as a patch antenna.
  • the primary radiators 112a, b, c are controlled in such a way that the first primary radiator 112a emits the first radar signal SH I in the lowest frequency band of 26 GHz, for example, or receives the corresponding received signal RH.
  • the second primary radiator 112b emits in a medium frequency band of, for example, 80 GHz, while the third primary radiator 112c transmits or receives in the highest frequency band of, for example, 180 GHz.
  • a lens 111 is connected in front of them in the antenna arrangement 11 shown in FIG.
  • the lens 111 is made of a suitable material such as PE or PTFE, so that the radar signals SHFI, SH2, SHS or are bundled accordingly.
  • the primary radiators 112a, b, c are designed and arranged in relation to the lens 111 in such a way that the radar signals SHFI, SH2, SHS are emitted outside the lens 111 at the same emission angle.
  • the lens 111 as shown in FIG.
  • the total cross-section in this case corresponds to an integer multiple N of the number of wavelengths Ai of the lowest frequency band.
  • the Cross-sectional area of the lens 111 is illuminated, which corresponds to the beam width a2,3 of the respective primary radiator 112b, c, as is also shown in FIG. Due to the generally reciprocal properties of the primary radiators 112a,b,c or of the antenna arrangement 11 as a whole, their angle of radiation is independent of whether it is being sent or received.
  • the antenna arrangement 11 can alternatively to the representation shown in Fig. 2 for all radar signals SHFI, SHF2, SH 3, RHFI, RH 2, RH 3 or all frequency bands include a common primary radiator, so that the beam angle in the lowest frequency band of e.g. 26 GHz is widest with e.g. 12°, and that the beam angle in the highest frequency band of e.g. 180 GHz with e.g. 3° is lowest .
  • Any medium frequency bands of 60 GHz, 80 GHz or 120 GHz can be transmitted/received accordingly with a radiation angle of, for example, 6° in between.
  • the filling level measuring device according to the invention can also be designed to be able to transmit/receive in more than three different frequency bands.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät (1) zur Bestimmung von Füllständen (L) in Behältern (3), wobei das Füllstandsmessgerät (1) für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt werden kann. Hierzu ist die Signalerzeugungseinheit des Füllstandsmessgerätes (1) ausgelegt, um nicht nur innerhalb eines ersten Frequenzbandes erste Radar-Signale (SHF1) zu erzeugen, sondern um zusätzlich innerhalb eines zweiten Frequenzbandes, welches nicht mit dem ersten Frequenzband überlappt und sich deutlich abgrenzt, ein zweites Radar-Signal (SHF2) zu erzeugen. Die Auswerte-Einheit des Füllstandsmessgerätes (1) kann dementsprechend anhand des ersten Empfangs-Signals (RHF1) bzw. anhand des ersten Frequenzbandes eine ersten Füllstandswert (L1) bestimmen. Anhand des zweiten Empfangs-Signals (RHF2) bzw. anhand des zweiten Frequenzbandes kann potenziell einen weiterer Füllstandswert (L2) bestimmt werden. Hierdurch kann das Füllstandsmessgerät (1) hinsichtlich des Frequenzbandes einerseits an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Andererseits kann der ermittelte Füllstand (L) durch Vergleich der in unterschiedlichen Frequenzbändern ermittelten Füllstandswerte (L1, L2) auf Plausibilität hin überprüft werden.

Description

Füllstandsmessgerät
Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät, das an unterschiedlichste Anwendungen anpassbar ist
In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der jeweiligen Prozessparameter sind in den entsprechenden Feldgeräten daher geeignete Messprinzipien implementiert, um als Prozessparameter etwa einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, eine Temperatur, einen pH-Wert, ein Redoxpotential oder eine Leitfähigkeit zu erfassen. Verschiedenste Feldgeräte-Typen werden von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Dabei ist prinzipiell eine umso höhere Mess-Auflösung erreichbar, je höher die Frequenz ist. Als Messverfahren haben sich das Pulslaufzeit-Verfahren und FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) etabliert. Näher beschrieben wird Radar-basierte Füllstandsmessung beispielsweise in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000“.
Typische, für Radar-basierte Füllstandsmessung zugelassene Frequenzbänder liegen bei 26GHz, 60GHz, 80GHz und 120 GHz, sowie vermehrt auch 180GHz und 240GHz. Dabei sind bei höheren Frequenzen liegenden Frequenzbänder für viele Anwendungen vorteilhaft, da bei gegebenen Antennenabmessungen eine höhere Strahlbündelung erreicht wird und in der Regel mehr Bandbreite zur Verfügung steht, die für eine größere Entfernungsauflösung eingesetzt werden kann.
Es sind jedoch auch verschiedene Nachteile bei höheren Frequenzen bzw. höheren Frequenzbändern bekannt, die in speziellen Anwendungen zu Beeinträchtigungen oder sogar zum Ausfallen des Füllstandmesswerts führen können. Diese Nachteile finden sich größtenteils in Wechselwirkungen der Radarmessung mit den zu messenden Füllgütern, den Atmosphären über den Füllgütern und teilweise auch in Behälterformen, Umwelt- und Einbaubedingungen sowie behördlichen Vorschriften. Der Erfindung hegt daher die Aufgabe zugrunde, em Radar-basiertes Füllstandsmessgerät bereitzustellen, welches diese Nachteile überwindet.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Füllstandsmessgerät zur Bestimmung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter, das zumindest folgende Komponenten umfasst:
Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, o um innerhalb eines ersten Frequenzbandes ein erstes Radar-Signal zu erzeugen, und o um innerhalb eines zweiten Frequenzbandes ein zweites Radar-Signal zu erzeugen, wobei das zweite Frequenzband nicht mit dem ersten Frequenzband überlappt, sondern sich deutlich vom ersten Frequenzband abgrenzt, eine Antennen-Anordnung, mittels welcher im ersten Frequenzband das erste Radar-Signal sowie im zweiten Frequenzband das zweite Radar-Signal gen Füllgut aussendbar sind, und mittels welcher entsprechende Empfangs-Signale nach jeweiliger Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfangbar sind, und eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, o um anhand des ersten Empfangs-Signals einen ersten Füllstandswert zu bestimmen, und o um anhand des zweiten Empfangs-Signals einen zweiten Füllstandswert zu bestimmen.
Dadurch, dass das Füllstandsmessgerät potenziell in mehreren, deutlich beabstandeten Frequenzbändern entsprechende Füllstandswerte ermitteln kann, ist das Füllstandsmessgerät in verschiedensten Anwendungen einsetzbar.
Unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell eine separate Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen verstanden, die für einen konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Hochfrequenz-Signalverarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Das entsprechende Modul kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale umfassen. Das Modul 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.
Im Sinne der Erfindung ist das erste Frequenzband immer dann deutlich vom zweiten Frequenzband abgegrenzt, wenn die Mittenfrequenzen der Frequenzbänder mindestens um einen Faktor zwei auseinanderliegen und deren Bandbreite jeweils schmaler als ein Fünftel ihrer Mittenfrequenz ist. Eine deutliche Abgrenzung ist im Sinne der Erfindung auch dann gegeben, wenn die Mittenfrequenzen der Frequenzbänder mindestens um einen Faktor vier auseinanderliegen und deren Bandbreite jeweils schmaler als die Hälfte ihrer Mittenfrequenz ist. Die Mittenfrequenz eines Frequenzbandes definiert sich dabei als diejenige Frequenz, welche sich genau mittig innerhalb des Frequenzbandes befindet. Gemäß dieser Definition erstreckt sich beispielsweise ein Frequenzband bei einer Mittenfrequenz von 26 GHz und einer Bandbreite von 2 GHz entsprechend von 25 GHz bis 27 Ghz.
Um in deutlich voneinander abgegrenzten Frequenzbändern Radar-Signale erzeugen zu können, kann die Signalerzeugungs-Einheit beispielsweise ein entsprechende Anzahl an entsprechend ausgelegten, phasengesteuerten Regelschleifen (im Englischen als „PLL bzw. Phase Locked Loop“ bekannt) umfassen. Dabei versteht es sich von selbst, dass die Signalerzeugungs-Einheit im Sinne der Erfindung auch so ausgelegt werden kann, dass sie nicht nur in zwei Frequenzbändern, sondern zusätzlich innerhalb dritter Frequenzbänder, welche nicht mit dem ersten Frequenzband und dem zweiten Frequenzband überlappen, entsprechend dritte Radar-Signale erzeugen kann. Um die erfindungsgemäße Idee umsetzen zu können, muss die Auswertungs-Einheit in diesen Fällen ausgelegt sein, um anhand eines entsprechend dritten Empfangs-Signals auch einen dritten Füllstandswert zu bestimmen. Hardwaretechnisch kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät am einfachsten umgesetzt werden, wenn das erste Radar-Signal und das zweite Radar-Signal sequenziell abwechselnd ausgesendet werden, bzw. wenn das erste Empfangs-Signal und das zweite Empfangs-Signal entsprechend abwechselnd empfangen werden. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn die Signalerzeugungs-Einheit eine einzige PLL umfasst.
Das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät kann nicht nur an verschiedene Anwendungen angepasst werden. Weiterhin kann das Füllstandsmessgerät bei entsprechender Auslegung die bei jeweils verschiedenen Frequenzbändern ermittelten Füllstandswerte auch auf Plausibilität hin prüfen. Hierzu ist die Auswertungs-Einheit so auszulegen, dass sie den ersten Füllstandswert mit dem zweiten Füllstandswert und/oder einem etwaigen dritten Füllstandswert auf Übereinstimmung prüft. Sofern dieser innerhalb eines definierten Toleranzbereichs mit zumindest einem der andern Füllstandswerte übereinstimmt, kann das Füllstandsmessgerät die übereinstimmenden Füllstandswerte als plausibel definieren und dementsprechend als Füllstand einen dieser Füllstandswerte ausgeben. Sofern nicht alle Füllstandswerte innerhalb des definierten Toleranzbereichs übereinstimmen, oder sofern in einem Frequenzband bzw. anhand einem der Empfangs- Signale kein Füllstandswert bestimmbar ist, kann die Auswertungs-Einheit dies wiederum als einen Fehlerzustand des Füllstandsmessgerätes oder als ein definiertes Ereignis im Behälter, wie ein Entleeren/Befüllen des Füllgutes, Schaumbildung, Staub, etc. interpretieren. In diesem Fall kann das Füllstandsmessgerät das Ereignis oder den Fehlerzustand entsprechend signalisieren, bspw. über ein Display oder ein entsprechendes Ausgangssignal.
Wenn etwaige Abweichungen zwischen den Füllstandswerten, die in unterschiedlichen Frequenzbändern ermittelt sind, unerheblich oder nachweislich nicht auf Fehler zurückzuführen sind, kann die Auswertungs-Einheit bei entsprechender Auslegung als Füllstand vorzugsweise auch einen gleich oder ungleich gewichteten Mittelwert der bei den unterschiedlichen Frequenzbändern ermittelten Füllstandswerte ausgeben.
Eine weitere Variante, die je nach Anwendung vorteilhaft sein kann, besteht darin, dass die Auswertungs-Einheit anhand des ersten Empfangs-Signals, des zweiten Empfangs- Signals und/oder anhand dritter Empfangs-Signale eine Ausblend-Kurve für das Empfangs-Signal eines jeweils anderen Frequenzbandes erstellt. In diesem Fall wird die Ausblendkurve, wie aus dem Stand der Technik bekannt, signaltechnisch von der entsprechenden Kurve des Empfangs-Signals subtrahiert, um vor allem statische Stör- Echos im Empfangs-Signal zu eliminieren bzw. zu unterdrücken. Es wird also der vorteilhafte Effekt genutzt, dass in stark verschiedenen Frequenzbändern etwaige Stör- Echos in den ggf. komplexwertigen Mess-Kurven der Empfangs-Signale je nach Herkunft stärker oder schwächer ausgeprägt sind.
Neben der Veränderung von Störechos in Abhängigkeit des eingestellten Frequenzbandes können die Empfangs-Signale bzw. deren aufgezeichnete Mess-Kurven außerdem hinsichtlich Frequenzband-abhängiger Veränderungen weiterer Kenngrößen, wie beispielsweise der Amplitude eines ausgewählten Signalmaximums, einer Änderung oder einer Standardabweichung der Amplitude dieses Signalmaximums, einem Rauschniveau, und/oder der Anzahl an Signal-Maxima untersucht werden. Um die Veränderung solcher Kenngrößen in Abhängigkeit des Frequenzbandes detektieren zu können, bzw. um die entsprechenden Empfangs-Signale als Mess-Kurven aufzeichnen zu können, kann das Füllstandsmessgerät beispielsweise in einer definierten Mehrzahl an Messzyklen sowohl das erste Radar-Signal als auch das zweite Radar-Signal aussenden. Hierzu kann beispielsweise pro Messzyklus sequenziell nacheinander ein anderes Frequenzband eingestellt werden. Dadurch ist es der Auswertungs-Einheit möglich, die jeweiligen Kenngrößen der zugrundeliegenden Frequenzbänder bzw. der entsprechenden Messzyklen miteinander zu vergleichen.
Durch den Vergleich ausgewählter Kenngrößen in den Empfangs-Signalen bzw. deren Mess-Kurven kann beispielsweise festgestellt werden, welches der Frequenzbänder für die jeweilige Anwendung besonders geeignet oder ungeeignet ist. In der Folge kann die Signalerzeugungs-Einheit daher im geeignetsten Frequenzband arbeiten, das heißt, entweder lediglich das erste Radar-Signal oder das zweite Radar-Signal erzeugen. Bei Füllgut-Oberflächen, die stark streuend reflektieren, weil sie beispielsweise zerklüftet sind oder Wellen schlagen, kann das Füllstandsmessgerät dadurch beispielsweise automatisch das tiefst-mögliche Frequenzband einstellen, da dieses den breitesten Abstrahlwinkel erzeugt. Korrespondierend zur Signalerzeugungs-Einheit ist die Auswertungs-Einheit in diesem Fall so auszulegen, dass sie im Anschluss an diejenigen Messzyklen, in denen die Kenngrößen für den Vergleich ermittelt wurden, lediglich im geeigneten Frequenzband bzw. lediglich anhand dessen Empfangs-Signal den Füllstandswert ermittelt.
Die Ermittlung von spezifischen Kenngrößen aus den Frequenzband-abhängigen Empfangs-Signalen, bzw. deren Vergleich kann nicht nur dazu dienen, dass für die jeweilige Anwendung geeignetste Frequenzband zu finden. Darüber hinaus kann die Auswertungs-Einheit bei entsprechender Auslegung in Abhängigkeit der jeweils ermittelten Kenngrößen oder in Abhängigkeit von deren Vergleich wiederum auf definierte Ereignisse im Behälter, wie Schaumbildung, staubhaltige Atmosphäre oder Blasenbildung im Füllgut schließen. Auch für den Fall, dass durch dieses Verfahren solch ein etwaiges Ereignis detektiert wird, kann dies durch das Füllstandsmessgerät signalisiert werden.
Neben einer automatischen Wahl des passenden Frequenzbandes durch das Füllstandsmessgerät kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät hinsichtlich des gewünschten Frequenzbandes auch manuell konfigurierbar ausgelegt werden, so dass die Signalerzeugungs-Einheit je nach Anwender-seitiger Konfiguration entweder lediglich das erste Radar-Signal, das zweite Radar-Signal oder das dritte Radar-Signal erzeugt, und so dass die Auswertungs-Einheit lediglich anhand des korrespondierenden Empfangs-Signals des gewünschten Frequenzbandes den entsprechenden Füllstandswert bestimmt.
Die Antennen-Anordnung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes muss derart breitbandig ausgelegt sein, dass in allen Frequenzbändern entsprechende Radar-Signale ausgesendet und empfangen werden können. Hierzu kann die Antennen-Anordnung für alle Radar-Signale bzw. alle Frequenzbänder einen gemeinsamen Primärstrahler mit entsprechend großer Bandbreite umfassen. Alternativ kann die Antennen-Anordnung für das erste und zweite Radar-Signal bzw. jedes einzelne Frequenzband jeweils einen eigenen Primärstrahler umfassen. Dabei kann bzw. können der/die Primärstrahler beispielsweise in Form einer planaren Mäander- oder Patch-Antenne realisiert sein. Zu einer stärkeren Bündelung der auszusendenden und eingehenden Radar-Signale kann die Antennen-Anordnung außerdem eine Radar-bündelnde Linse umfassen, wobei der bzw. die Primärstrahler in etwa im Fokus der Linse anzuordnen ist/sind. Je nach Auslegung der Primärstrahler und deren Anordnung in Bezug zur Linse kann die Antennen-Anordnung hierdurch entweder so ausgelegt werden, dass der Abstrahlwinkel des jeweiligen Radar-Signals umso größer ist, je tiefer dessen Frequenzband liegt, oder dass die Radar-Signale in etwa unter einem gleichen Abstrahlwinkel ausgesandt bzw. empfangen werden.
Um in den verschiedenen Frequenzbändern nicht nur ggf. verschiedene Abstrahlwinkel erzielen zu können, kann die Antennen-Anordnung das erste Radar-Signal, das zweite Radar-Signal und/oder das dritte Radar-Signal je nach Ausführungsvariante außerdem mit einer definierten Polarisation aussenden.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren. Es zeigt:
Fig. 1 : Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät an einem Behälter, und
Fig. 2: Eine mögliche Ausführungsvariante der Antennen-Anordnung.
Zum prinzipiellen Verständnis des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 ist in Fig. 1 ein Behälter s mit einem Füllgut 2 gezeigt, dessen Füllstand L zu bestimmen ist. Dabei kann der Behälter 3 je nach Art des Füllgutes 2 und je nach Einsatzgebiet bis zu mehr als 100 m hoch sein. Von der Art des Füllgutes 2 und dem Einsatzgebiet hängen auch die Bedingungen im Behälter s ab. So kann es im Falle von exothermen Reaktionen beispielsweise zu hoher Temperatur- und Druckbelastung kommen. Bei staubhaltigen oder entzündlichen Stoffen sind im Behälter-Inneren entsprechende Explosionsschutzbedingungen einzuhalten.
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 kann der gemessene Füllstandswert L übermittelt werden, beispielsweise um gegebenenfalls Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.
Um den Füllstand L unabhängig von den vorherrschenden Bedingungen ermitteln zu können, ist das Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in einer bekannten Einbauhöhe h über der Sole des Behälter 3 angebracht. Dabei ist das Füllstandsmessgerät 1 derart Druck- und Mediendicht an einer entsprechenden Öffnung des Behälters 3 befestigt und ausgerichtet, dass lediglich die Antennen-Anordnung 11 des Füllstandsmessgerätes 1 in den Behälter s hinein vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist, während die weiteren Komponenten des Füllstandsmessgerätes 1 außerhalb des Behälters 3 angeordnet sind.
Über die Antennen-Anordnung 11 werden innerhalb eines vordefinierten Frequenzbandes Radar-Signale SHF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 ausgesendet. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Empfangs-Signale RHF wiederum über die Antennen-Anordnung 11. Dabei ist die Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals SHF, RHF gemäß
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proportional zum Abstand d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und dem Füllgut 2, wobei c die Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit der jeweiligen Lichtgeschwindigkeit entspricht. Die Signallaufzeit t kann vom Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise mittels des FMCW- oder mittels des Pulslaufzeit-Verfahrens bestimmt werden. Hierdurch kann das Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise auf Basis einer entsprechenden Kalibration die gemessene Laufzeit t dem jeweiligen Abstand d zuordnen. Hierüber kann das Füllstandsmessgerät 1 gemäß d = h — L wiederum den Füllstand L bestimmen, sofern die Einbauhöhe h im Füllstandsmessgerät 1 hinterlegt wird. Zur Bestimmung der Signallaufzeit t bzw. des korrespondierenden Füllstandswertes L anhand des eingehenden Empfangs-Signals RHF umfasst das Füllstandsmessgerät 1 eine entsprechend ausgelegte Auswertungs-Einheit, in welcher beispielsweise das FMCW- oder Pulslaufzeit-Messprinzip implementiert ist. Zur Erzeugung des auszusendenden Radar-Signals SHF dient im Füllstandsmessgerät 1 eine korrespondierende Signalerzeugungs-Einheit. Die Frequenz bzw. das Frequenzband, in welchem die Signalerzeugungs-Emheit des Füllstandsmessgerätes 1 das Radar-Signal SHF erzeugt, wird maßgeblich in Abhängigkeit der Beschaffenheit des Füllgutes 2 gewählt: Zu einer hochgenauen Füllstandsmessung ist prinzipbedingt ein möglichst hohes Frequenzband vorteilhaft, während bei einer unebenen oder bewegten Füllgut-Oberfläche ein möglichst bereiter Abstrahlwinkel der Antennen-Anordnung 11 und somit eine möglichst niedrige Frequenz vorteilhaft ist. Dabei handelt es sich bei dem Begriff „Abstrahlwinkel“ im Rahmen der vorliegenden Erfindung um denjenigen Raumwinkel, unter dem die Antennen-Anordnung 11 eine definierte, gleiche Sende-Intensität bzw. Empfangs-Empfindlichkeit von bspw. -3dB aufweist.
Infolge dieser unterschiedlichen Anforderungen muss für jede spezifische Anwendung ein eigener Füllstandsmessgeräte-Typ eingesetzt werden, dessen Frequenzband möglichst gut zur Anwendung passt. Das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 überwindet diesen Nachteil, indem es Radar-Signale SHFI , SHF2, SHFS in mindestens zwei, vorzugsweise drei verschiedenen Frequenzbändern aussenden kann, wobei sich die Frequenzbänder nicht überlappen, sondern deutlich voneinander abgrenzen. Um Radar- Signale SHFI , SHF2, SHFS in unterschiedlichen Frequenz-bändern erzeugen zu können, kann die Signalerzeugungs-Einheit für jedes Frequenzband beispielsweise mit einer eigenen PLL („Phase Locked Loop“) ausgestattet sein.
Bei einer entsprechenden Auslegung ist es beispielsweise möglich, das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 je nach Anwendung hinsichtlich des gewünschten Frequenzbandes manuell zu konfigurieren. Das heißt, bei grobkörnigem, schwach reflektierenden oder schwappendem Füllgut 2 kann am Füllstandsmessgerät 1 eine tiefes Frequenzband bei beispielsweise 6 GHz voreingestellt werden, während das Füllstandsmessgerät 1 bzw. die Signalerzeugungs-Einheit/Auswertungs-Einheit zwecks hochgenauer Füllstandsmessung von Flüssigkeiten mit Mikrometer-Auflösung auf ein hohes Frequenzband von beispielsweise 180 Ghz konfigurierbar ist. Genutzt werden kann eine manuelle Konfigurierbarkeit des Frequenzbandes auch, wenn im Behälter s weitere, Radar-basierte Füllstandsmessgeräte betrieben werden, deren Betrieb durch Einstellung unterschiedlicher Frequenzbänder nicht beeinflusst werden soll.
Neben einer manuellen Konfiguration des Frequenzbandes kann das erfindungsgenmäße Füllstandsmessgerät 1 auch so ausgelegt werden, dass es eines der zwei oder mehreren möglichen Frequenzbänder Ereignis-abhängig selbst einstellen kann. Ein relevantes Ereignis kann unter anderem dann vorliegen, wenn die Auswertungs-Einheit anhand des entsprechenden Empfangs-Signals RHFI , RHF2, RHF3 beispielsweise aufgrund zu geringer Signalstärke momentan keinen Füllstandswert Li , L2, L3 bestimmen kann. Als relevantes Ereignis kann beispielsweise ein Entleer-ZBefüll-Vorgang, eine Schaumbildung, eine wellige bzw. bewegte Füllgut-Oberfläche oder eine vergleichbare Füllgut-Aktivität vorhegen. Je nach Ereignis-Typ kann das Füllstandsmessgerät 1 das konkrete Ereignis entsprechend aus dem Empfangs-Signal RHFI , RHF2, RH S bzw. anhand einer spezifischen Kenngröße der entsprechenden Mess-Kurve, wie:
Der Amplitude eines ausgewählten Signalmaximums, einer Änderung oder einer Standardabweichung der Amplitude dieses Signalmaximums, einem Rauschniveau, und/oder der Anzahl an Signal-Maxima im jeweiligen Empfangs-Signal RH I , RH 2, RH S ableiten.
Durch eine automatische, Ereignis-abhängige Einstellung bzw. Änderung des Frequenzbandes kann im Falle eines solchen Ereignisses durch Auswahl eines „passenden“ Frequenzbandes ggf. nicht nur ein korrekter Füllstandswert Li, l_2, L3 bestimmt werden. Vielmehr kann das Füllstandsmessgerät 1 das zugrundeliegende Ereignis außerdem signalisieren, sofern es, wie bspw. im Falle einer Schaumbildung oder eines rotierenden Rührwerkes, bekannt bzw. anhand der Kenngröße im Empfangs-Signal RHFI , RHF2, RH 3 eindeutig als solches identifizierbar ist. Als Ereignis ist beispielsweise eine bewegte Füllgut-Oberfläche denkbar: Für den Fall, dass bei solch einem Ereignis ein hohes Frequenzband eingestellt ist, führt dies aufgrund des abgelenkten Empfangs- Signals zu einem Verschwinden des entsprechenden Signal-Maximums. Wertet das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 das Empfangs-Signal RH I , RH 2, RH S hinsichtlich dieser Kenngröße aus, so kann es anhand des Ergebnisses, nämlich „kein Signal-Maximum an der entsprechenden Stelle“, für die nachfolgenden Messzyklen, bzw. bis sich der Wert dieser Kenngröße für höhere Frequenzbänder wieder ändert, das tiefst- mögliche Frequenzband eingestellt lassen. Dies erhöht bei welliger-Füllgut-Oberfläche durch den resultierenden breiten Abstrahlwinkel des Radar-Signals SH I die Wahrscheinlichkeit, dass das an der welligen Oberfläche reflektierte Empfangs-Signal RH I von der Antennen-Anordnung 11 empfangen wird, so dass ein entsprechender erster Füllstandswert Li bestimmbar ist
Je nach Art des Ereignisses kann es außerdem vorkommen, dass sich die entsprechende Kenngröße, wie beispielsweise die Signalamplitude des Füllstands-Maximums bei Schaumbildung, im Empfangssignal RH I , RH 2, RH S je nach Frequenzband ändert. Daher kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 bzw. die Auswertungs-Einheit bei entsprechender Auslegung je nach Ereignis-Typ durch Vergleich der entsprechenden Kenngrößen auf das Vorliegen des korrespondierenden Ereignisses schließen.
Vorteilhaft an einer selbstständigen bzw. automatischen Änderung des Frequenzbandes ist außerdem, dass das Füllstandsmessgerät 1 hierdurch den ermittelten Füllstandswert Li, L2, L3 des jeweiligen Frequenzbandes auf Plausibilität hin überprüfen kann. Sofern die Füllstandswerte Li , l_2, L3 aller Frequenzbänder im Rahmen der Messgenauigkeit übereinstimmen, kann hieraus auf Plausibilität des entsprechenden Füllstandes L geschlossen werden. Im umgekehrten Fall, also sofern nicht in allen Frequenzbändern übereinstimmende Füllstandswerte Li, L2, L3 ermittelt werden, kann hieraus beispielsweise auf eine Störung oder einen Fehler im Füllstandsmessgerät 1 geschlossen werden, welches das Füllstandsmessgerät 1 wiederum entsprechend signalisieren kann.
Insbesondere zur reinen Plausibilitätsprüfung ist es vorteilhaft, wenn die Antennen- Anordnung 11 die Radar-Signale SHFI , SHF2, SH S der verschiedenen Frequenzbänder in demselben Abstrahlwinkel aussendet. In Fig. 2 ist eine hierzu geeignete Auslegungs- Variante der Antennen-Anordnung 11 gezeigt: Demnach umfasst die Antennen- Anordnung 11 für jedes der drei auszusendenden Frequenzbänder einen eigenen Primärstrahler 112a, b, c. Dabei können die Primärstrahler 112a, b, c vorzugsweise als monolithischer Bestandteil der jeweiligen Signalerzeugungs-Einheit, beispielsweise als Patch-Antenne ausgelegt werden.
Angesteuert werden die Primärstrahler 112a, b, c derart koordiniert, dass der erste Primärstrahler 112a das erste Radar-Signal SH I im niedrigsten Frequenzband von bspw. 26 GHz aussendet, bzw. das entsprechende Empfangs-Signal RH empfängt. Korrespondierend hierzu sendet der zweite Primärstrahler 112b in einem mittleren Frequenzband von bspw. 80 GHz aus, während der dritte Primärstrahler 112c im höchsten Frequenzband von bspw. 180 GHz sendet bzw. empfängt.
Damit die von den Primärstrahlern 112a, b, c erzeugten Radar-Signale SHFI , SH 2, SH S mit einer hinreichenden Bündelung ausgesendet werden, ist ihnen bei der in Fig. 2 gezeigten Antennen-Anordnung 11 eine Linse 111 vorgeschaltet. Hierzu ist die Linse 111 aus einem geeigneten Material wie bspw. PE oder PTFE gefertigt, so dass die Radar- Signale SHFI , SH 2, SH S bzw. entsprechend gebündelt werden. Dabei sind die Primärstrahler 112a, b, c in Bezug zur Linse 111 so ausgelegt und angeordnet, dass die Radar-Signale SHFI , SH 2, SH S außerhalb der Linse 111 unter einem gleichen Abstrahlwinkel ausgesandt werden. Hierzu wird die Linse 111 , wie in Fig. 2 gezeigt ist, gemäß a ~ N * HF1 ;2,3 im niedrigsten Frequenzband optimalerweise über ihren gesamten Querschnitt ausgeleuchtet. Wie die Formel beschreibt, entspricht der Gesamtquerschnitt in diesem Fall einem ganzzahligen Vielfachen N der Anzahl der Wellenlängen Ai des tiefsten Frequenzbands. Durch den zweiten Primärstrahler 112b und den dritten Primärstrahler 112c bzw. in den höheren Frequenzbändern wird dementsprechend nur diejenige Querschnittsfläche Linse 111 ausgeleuchtet, welche der Strahlbreite a2,3 des jeweiligen Primärstrahlers 112b, c entspricht, wie es auch in Fig. 2 gezeigt wird. Aufgrund der allgemein reziproken Eigenschaften der Primärstrahler 112 a,b,c bzw. der Antennen- Anordnung 11 insgesamt ist deren Abstrahlwinkel unabhängig davon, ob gesendet oder empfangen wird.
Sofern das Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 für jedes Frequenzband explizit einen anderen Abstrahlwinkel verlangt, kann die Antennen- Anordnung 11 alternativ zu der in Fig. 2 gezeigten Darstellung für alle Radar-Signale SHFI, SHF2, SH 3, RHFI, RH 2, RH 3 bzw. alle Frequenzbänder einen gemeinsamen Primärstrahler umfassen, so dass der Abstrahlwinkel im niedrigsten Frequenzband von bspw. 26 GHz mit bspw. 12° am weitesten ist, und dass der Abstrahlwinkel im höchsten Frequenzband von bspw. 180 GHz mit bspw. 3° am niedrigsten ist. Etwaige mittlere Frequenzbänder von 60 GHz, 80 GHz oder 120 GHz können entsprechend mit einem dazwischen liegenden Abstrahlwinkel von bspw. 6° ausgesandt/empfangen werden. Dabei versteht es sich von selbst, dass das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät auch ausgelegt werden kann, um in mehr als drei verschiedenen Frequenzbändern senden/empfangen zu können.
Bezugszeichenliste
1 Füllstandsmessgerät
2 Füllgut 3 Behälter
4 Übergeordnete Einheit
I I Antennen-Anordnung
I I I Radar-bündelnde Linse
112 a,b,c Primärstrahler a Strahlbreite des jeweiligen Primärstrahlers d Entfernung h Einbauhöhe
L Füllstand
LI ,2 Füllstandswerte RHF1 ,2 Empfangs-Signale
SHF1 ,2 Radar-Signale

Claims

Patentansprüche
1 . Füllstandsmessgerät zur Bestimmung eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3), folgende Komponenten umfassend:
Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, o um innerhalb eines ersten Frequenzbandes ein erstes Radar-Signal (SHFI) zu erzeugen, und o um innerhalb eines zweiten Frequenzbandes, welches nicht mit dem ersten Frequenzband überlappt, ein zweites Radar-Signal (SHF2) ZU erzeugen, eine Antennen-Anordnung (11 ), mittels welcher das erste Radar-Signal (SHFI) sowie das zweite Radar-Signal (SH 2) gen Füllgut (2) aussendbar sind, und mittels welcher entsprechende Empfangs-Signale (RH I , RH 2) nach jeweiliger Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfangbar sind, und eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, o um anhand des ersten Empfangs-Signals (RH I) einen ersten Füllstandswert (Li) zu bestimmen, und o um anhand des zweiten Empfangs-Signals (RH 2) einen zweiten Füllstandswert (L2) zu bestimmen.
2. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 , wobei die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, das erste Radar-Signal (SHFI) bzw. das zweite Radar-Signal (SH 2) derart zu erzeugen, dass das zweite Frequenzband eine Mittenfrequenz aufweist, welche sich um zumindest einen Faktor 2, insbesondere mindestens einen Faktor 4 von der Mittenfrequenz des ersten Frequenzbandes unterscheidet, und/oder dass die zumindest zwei Frequenzbänder jeweils eine Bandweite aufweisen, die jeweils maximal die Hälfte, insbesondere maximal einem Fünftel ihrer Mittenfrequenz entsprechen.
3. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, um innerhalb eines dritten Frequenzbandes, welches nicht mit dem ersten Frequenzband und dem zweiten Frequenzband überlappt, ein drittes Radar-Signal zu erzeugen, und wobei die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, um anhand eines entsprechend dritten Empfangs-Signals einen dritten Füllstandswert (L3) zu bestimmen.
4. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungs-Einheit ausgelegt ist, um den ersten Füllstandswert (Li) mit dem zweiten Füllstandswert (L2) und/oder dem dritten Füllstandswert (L3) auf Übereinstimmung zu prüfen und um als Füllstand (L) einen der Füllstandswerte (Li , L2, L3) auszugeben, sofern dieser innerhalb eines definierten Toleranzbereichs mit zumindest einem der andern Füllstandswerte (Li, L2, L3) übereinstimmt, und/oder um einen Fehlerzustand des Füllstandsmessgerätes (1) oder ein definiertes Ereignis im Behälter (3) zu signalisieren, sofern nicht alle Füllstandswerte (Li , L2, L3) innerhalb des definierten Toleranzbereichs übereinstimmen, oder sofern anhand einem der Empfangs-Signale (RHFI, RHF2, RH S) kein Füllstandswert (Li , L2, L3) bestimmbar ist.
5. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auswertungs- Einheit ausgelegt ist, um als Füllstand (L) einen gleich oder ungleich gewichteten Mittelwert der zumindest zwei Füllstandswerte (Li, L2, L3) auszugeben.
6. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungs-Einheit ausgelegt ist, um anhand des ersten Empfangs-Signals (RH I), des zweiten Empfangs-Signals (RH 2) und/oder anhand des dritten Empfangs-Signals (RH S) eine Ausblend-Kurve für ein jeweils anderes Frequenzband zu erstellen.
7. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ausgelegt ist, um insbesondere in einer Mehrzahl an Messzyklen sowohl das erste Radar-Signal (SHFI), als auch das zweite Radar-Signal (SH 2) auszusenden, wobei die Auswertungs-Einheit anhand entsprechender Empfangs-Signale (RH 2, RHFI) pro Frequenzband jeweils zumindest eine definierte Kenngröße, insbesondere eine Amplitude eines Signalmaximums, eine Änderung Oder standardabweichung von dessen Amplitude, ein Rauschniveau und/oder eine Anzahl an Signal-Maxima, ermittelt.
8. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 7, wobei die Auswertungs-Einheit ausgelegt ist, die jeweiligen Kenngrößen der zugrundeliegenden Frequenzbänder miteinander zu vergleichen.
9. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 8, wobei die Signalerzeugungs-Einheit im Anschluss an die Mehrzahl an Messzyklen in Abhängigkeit des Kenngrößen-Vergleichs entweder das erste Radar-Signal (SHFI) oder das zweite Radar-Signal (SH 2) erzeugt, bzw. wobei die Auswertungs-Einheit in den anschließenden Messzyklen den Füllstandswert (Li, L2) entweder anhand des ersten Empfangs-Signals (RH I) oder anhand des zweiten Empfangs-Signals (RH 2) ermittelt. 15
WO 2023/099269 PCT/EP2022/082659
10. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Auswertungs- Einheit ausgelegt ist, um in Abhängigkeit der jeweils ermittelten Kenngrößen oder in Abhängigkeit des Vergleichs das definierte Ereignis im Behälter (3) zu signalisieren.
11 . Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das derart manuell konfigurierbar ist, so dass die Signalerzeugungs-Einheit entweder das erste Radar-Signal (SHFI), das zweite Radar-Signal (SHF2) oder das dritte Radar-Signal (SH S) erzeugt, wobei die Auswertungs-Einheit anhand des korrespondierenden Empfangs- Signals (RHFI , RH S, RH S) den entsprechenden Füllstandswert (Li, l_2, L3) bestimmt.
12. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennen-Anordnung (11) für alle Radar-Signale (SHFI, SH 2, SH 3, RHFI, RH 2, RH S) bzw. alle Frequenzbänder einen gemeinsamen Primärstrahler umfasst.
13. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Antennen- Anordnung (11) für jedes Radar-Signal (SHFI. SHFS, SH S, RHFI, RHF2, RH S) bzw. jedes Frequenzband einen eigenen Primärstrahler (112a, b, c) umfasst.
14. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Antennen-Anordnung (11 ) derart ausgelegt ist, dass der Abstrahlwinkel des jeweiligen Radar-Signals (SHFI, SH 2, SH S, RHFI, RH 2, RH S) umso größer ist, je tiefer dessen Frequenzband liegt.
15. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 13, wobei die Antennen-Anordnung (11) derart ausgelegt ist, dass die Radar-Signale (SHFI , SH 2, SH S) unter einem gleichen Abstrahlwinkel ausgesandt werden.
16. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Antennen- Anordnung (11) eine Radar-bündelnde Linse (111) umfasst, und wobei der/die Primärstrahler (112a, b, c) in etwa im Fokus der Linse (111) angeordnet ist/sind.
17. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennen-Anordnung (11) ausgelegt ist, das erste Radar-Signal (SHFI), das zweite Radar-Signal (SH 2) und/oder das dritte Radar-Signal (SH S) mit einer definierten Polarisation auszusenden.
18. Verfahren zum Betrieb des Füllstandsmessgerätes (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Radar-Signal (SHFI) und das zweite Radar- Signal (SH S) sequenziell abwechselnd ausgesendet werden, bzw. wobei das erste Empfangs-Signal (RH I) und das zweite Empfangs-Signal (RH S) entsprechend abwechselnd empfangen werden.
PCT/EP2022/082659 2021-12-01 2022-11-21 Füllstandsmessgerät WO2023099269A1 (de)

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