WO2023104492A1 - Füllstandsmessgerät - Google Patents

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WO2023104492A1
WO2023104492A1 PCT/EP2022/082662 EP2022082662W WO2023104492A1 WO 2023104492 A1 WO2023104492 A1 WO 2023104492A1 EP 2022082662 W EP2022082662 W EP 2022082662W WO 2023104492 A1 WO2023104492 A1 WO 2023104492A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radar
measuring device
level measuring
container
primary radiator
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/082662
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English (en)
French (fr)
Inventor
Philipp Hügler
Winfried Mayer
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
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Publication of WO2023104492A1 publication Critical patent/WO2023104492A1/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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a fill level measuring device that can be used on small, lateral container openings.
  • field devices are often used, which 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 measuring methods have become established for level measurement of filling goods in containers, as they are robust and low-maintenance.
  • a central advantage of radar-based measurement methods is the ability to measure the fill level almost continuously.
  • radar refers to radar signals with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz. Usual frequency bands in which level measurement is carried out are at 2 GHz, 26 GHz, 79 GHz, or 120 GHz.
  • the two common measuring principles are the pulse runtime principle (also known as “pulse radar”) and the FMCW principle (“Frequency Modulated Continuous Wave”).
  • pulse runtime principle also known as “pulse radar”
  • FMCW principle Frequency Modulated Continuous Wave
  • level gauges determine the level indirectly by measuring the distance to the surface of the filling material from above, level gauges according to the prior art are designed in such a way that they are attached to the top of the container. For this purpose, the respective containers must be equipped with a corresponding connection such as a flange connection on the top.
  • connections often have to be retrofitted separately, whereas 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. Attaching it to the side of a container wall can also entail the risk that the container wall will be caught by the main radiation lobe of the transmitted radar signal, as a result of which spurious reflections can be generated that lead to an incorrect level measurement.
  • the publication DE102020 106 020 A1 describes a radar-based fill level measuring device that is attached to the side of the container, with its antenna arrangement protruding from there in the form of a hollow tube into the container.
  • the antenna arrangement is designed to emit the radar signal vertically downwards with asymmetrical bundling. This counteracts a reflection on the container wall.
  • the asymmetric bundling is implemented via a corresponding aperture.
  • the cross section of that hollow tube in whose end region the asymmetric aperture is arranged must have a sufficiently large cross section of more than DN50 in particular. This is because the aperture must be dimensioned to be correspondingly large so that the radar signal to be transmitted has sufficient bundling or sufficient asymmetry.
  • the invention is therefore based on the object of providing a fill level measuring device by means of which the fill level can be determined via a narrow, lateral container opening.
  • the invention solves this problem with a radar-based fill-level measuring device for measuring the fill level of a filling material in a container, the fill-level measuring device comprising the following components:
  • a transmitter/receiver unit that is designed to generate radar signals and to determine the fill level based on corresponding received signals after reflection on the surface of the filling material
  • the fill level measuring device is characterized in that both the radar focusing device and the primary radiator each have an asymmetric aperture, which is larger parallel to the tube axis than orthogonal to the tube axis.
  • the asymmetry ratio of, for example, 3:1 for the aperture of the primary radiator and the aperture of the radar focusing device is set the same in each case.
  • the overall result of this is that the radar signal is transmitted with a main radiation lobe that is flattened toward the container wall. This has an advantageous effect insofar as the antenna arrangement only has to protrude a short distance into the container and the radar signal still has to be present is not unintentionally reflected on the container wall.
  • the antenna arrangement can be designed so compactly that it can also be passed through container openings with a diameter smaller than DN50. Nevertheless, an aperture that is sufficiently large or asymmetrical can be realized overall. In this context, there is sufficient asymmetry if the aperture of the radar bundling device or the primary radiator parallel to the tube axis is at least a factor of 1.5, in particular a factor of 3, larger than orthogonal to the tube axis.
  • the radar focusing device and the primary radiator are adapted to one another in such a way that the primary radiator covers the outer contour of the radar focusing device with which the radar signal is related to the main emission axis of the directional characteristic with - 10dB illuminated.
  • the transmitter/receiver unit is designed to generate the radar signal to be transmitted with a frequency of at least 60 GHz, in particular at least 120 GHz.
  • the radar focussing device can, for example, be designed in the shape of a lens and be made of a radar focussing plastic such as PE, PEEK or PTFE.
  • a radar focussing plastic such as PE, PEEK or PTFE.
  • the design of the radar bundling device, as well as the design of the primary radiator is not firmly specified as long as a correspondingly asymmetrical bundling results.
  • the primary radiator can be designed, for example, as a patch antenna or antenna array, as an electrically conductive coupling pin, or as a slotted waveguide antenna.
  • the primary radiator can be an integral part of the transmission/reception unit, so that both are arranged in the antenna arrangement at the focal point of the radar bundling device.
  • the transmitter/receiver unit can be arranged in a housing part of the fill-level measuring device, which is located outside the container in the attached state.
  • the primary radiator for transmitting the radar signal is to be connected to the transmitter/receiver unit via a waveguide, in particular a waveguide, a dielectric waveguide, a microstrip line or a coaxial cable.
  • the term “unit” within the scope of the invention is to be understood in principle as any electronic circuit that is suitably designed for the intended purpose. Depending on the requirement, it can therefore be an analog circuit for generating or processing corresponding analog signals. However, it can also be a digital circuit such as an FPGA or a storage medium in cooperation with a program. The program is designed to carry out the corresponding procedural steps or to apply the necessary arithmetic operations of the respective unit.
  • different electronic units of the dielectric value measuring device within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit.
  • a radar-based filling level measuring device on a lateral container opening
  • FIG. 1 shows a freely radiating, radar-based filling level measuring device 1 which is arranged on a lateral container opening 31 of a container 3 .
  • a filling material 2 such as, for example, a fuel, the filling level L of which can be determined by the filling-level measuring device 1 .
  • the fill level measuring device 1 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”.
  • this can be used to communicate information about the operating state of the filling level measuring device 1 .
  • information about the fill 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 1 In order to be able to reliably determine the fill level L, the fill level measuring device 1 must be arranged in the case of a lateral arrangement at a container opening 31 which is located above the filling material 2 even at the maximum fill level L.
  • the installation height h above the brine of the container 3 is known or is to be stored in the fill level measuring device 1 .
  • the fill-level measuring device 1 is attached and aligned to the container opening 31 so that it is pressure and media-tight in such a way that only the tubular antenna arrangement 12 of the fill-level measuring device 1 protrudes approximately horizontally into the container 3, while the other components of the fill-level measuring device 1 are outside of the container 3 are arranged.
  • the tube shape of the antenna arrangement 12 In order to install the fill-level measuring device 1, the tube shape of the antenna arrangement 12 must also be designed so compactly that it can be passed through the container opening 31 when the fill-level measuring device 1 is installed. Depending on the process application, only a very narrow container opening is available on the side, e.g. with a diameter of DN20.
  • the filling level measuring device 1 can be attached to the lateral container opening 31 by means of a suitable attachment means, such as a flange connection.
  • the antenna arrangement 12 is designed in such a way that radar signals SHF are emitted in the direction of the surface of the filling material 2 within a predefined frequency band via that end region 121 of the antenna arrangement 12 which protrudes into the interior of the container.
  • the level measuring device 1 After reflection on the surface of the filling material, the level measuring device 1 again receives the reflected reception signals via this end area 121.
  • the signal propagation time t between the transmission and reception of the respective radar signal is according to SHF 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 transmission/reception unit 11, in which, for example, the FMCW or pulse propagation time Measuring principle is implemented.
  • the transmitter/receiver unit 11 is arranged in a housing part of the fill level measuring device 1, which is located outside the container 3 in the fastened state. This simplifies the implementation of explosion protection specifications, since the antenna Arrangement 12, so within the container 3 is no active or current-carrying component.
  • the frequency or the frequency band in which the signal generation unit 11 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, since higher frequency bands are required allow a wider range.
  • a high frequency band of 60 Ghz or higher is also advantageous since for a given aperture a P , a 0 the corresponding radar focusing device 122 can be dimensioned more compactly.
  • the axis of the main radiation lobe of the radar signal SHF runs perpendicularly towards the filling material 2.
  • the bundling b P , b 0 of the antenna arrangement 12 is asymmetrical: parallel to the pipe axis A of the antenna arrangement 12, the bundling b P is approximately three times as high as that to the pipe axis orthogonal bunching b 0 .
  • the main radiation lobe of the radar signal SHF is correspondingly more strongly bundled towards the container wall 31, as a result of which the inner wall does not reflect in a disruptive manner for the radar signal SHF.
  • a corresponding aperture a P , a 0 within the antenna arrangement 12, which is compact enough so that the antenna arrangement 12 can also be passed through the smallest container openings 31, includes a primary radiator 123 and a radar bundling device 122, in which Focus of the primary radiator 123 is arranged.
  • the radar focusing device 122 have a correspondingly asymmetrical aperture a P , a 0 , but also the primary radiator 123.
  • the aperture a P , a o of the primary radiator 123 and that of the radar focusing device 122 have the same asymmetry ratio on. For example, the ratio may be set to 3:1.
  • a possible embodiment of the antenna arrangement 12 according to the invention is shown in Fig.
  • the primary radiator 123 is arranged in the end region 121 of the antenna arrangement 12 in the tube interior 124 on that side which is in the fastened state of the antenna arrangement 12 at the top located.
  • the main emission axis of the primary radiator 123 is aligned orthogonally to the tube axis A downwards.
  • the radar bundling device 122 is arranged centrally in the main emission axis of the primary radiator 123, ie in relation to the tube axis A on the tube wall opposite the primary radiator 123. Associated with this, the bundling device 122 is aligned perpendicularly to the filling material 2 when the antenna arrangement 12 is in the fastened state. In the embodiment variant shown in FIG.
  • the radar focussing device 122 is implemented in the form of a lens, with the lens 22 for radar focussing being able to be made, for example, of temperature- and media-stable PTFE.
  • the tube has a corresponding recess in the end region 121 at the bottom in the form of the outer contour of the lens 122.
  • the lens 122 is enclosed in the recess in a pressure-tight and media-tight manner, e.g. by means of a correspondingly stable adhesive . If the aperture a P , a 0 to be set permits, it is advantageous if the lens 122 does not protrude beyond the tube but is flush with the surface of the tube, as indicated in FIG. This prevents unwanted deposits, such as dust or product residues, on the antenna arrangement 12 .
  • the lens 122 and the primary radiator 123 are matched to one another in terms of beam guidance in such a way that the primary radiator 123 completely illuminates the lens 122 with the transmitted radar signal SHF.
  • the primary radiator 123 can alternatively also be used as a asymmetrically radiating patch antenna or antenna array or as a slotted waveguide antenna.
  • the transmitter/receiver unit 11 located outside the container 3 is high-frequency-connected to the primary radiator 123 via a waveguide 125, such as a waveguide or a dielectric waveguide, in order to transmit the radar signals SHF .
  • the waveguide 125 couples the radar signal SHF into the primary radiator 125 in such a way that the radar signal SHF is correspondingly deflected by 90° there.
  • a foam material with a low dielectric value, such as Rohazell®.
  • the transmission/reception unit 11 can be arranged together with the primary radiator 123 as a monolithically integrated unit in the focal point of the lens 122 or the bundling device. This offers the advantage of reduced signal losses, but makes an explosion-proof design of the fill-level measuring device 1 more difficult.
  • the variant of the antenna arrangement 12 shown in FIG. 2 has a round tubular cross section as a cross section analogous to the container opening 31 .
  • the tube of the antenna arrangement 12 corresponding to the container opening 31 can also be designed with any other cross section, such as, for example, rectangular.
  • the tube axis A does not have to be straight, provided the container opening 31 allows it.
  • a moderate, horizontal and/or vertical curvature of the pipe axis A of up to 30°, for example, is also conceivable in order to be able to guide the antenna arrangement 12 past internal container installations, for example.
  • Transmitting/receiving unit 12 Antenna arrangement 31 Container opening 121 End region 122 Radar focusing device 123 Primary radiator 124 Tube interior 125 Waveguide A Tube axis a 0 Aperture orthogonal to the tube axis a P Aperture parallel to the tube axis bo To the tube -axis orthogonal bundling bp bundling parallel to the pipe axis d distance h installation height of the level gauge

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät (1) zur Messung von Füllständen (L) in Behältern (3) über kleinste, seitliche Behälteröffnungen (31). Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät (1) eine rohrförmige Antennen-Anordnung (12) mit einer für die Behälteröffnung (31) passenden Rohr-Achse (A). In demjenigen Endbereich (121) des Rohres, welcher in den Behälter (3) hinein absteht, ist eine Radar-Bündelungsvorrichtung (122) angeordnet, welche senkrecht gen Füllgut (2) ausgerichtet ist. Außerdem ist im Rohr-Inneren der Antennen-Anordnung (12) im Brennpunkt der Radar-Bündelungsvorrichtung (122) ein Primärstrahler (123) angeordnet und mit der Sende-/Empfangs-Elektronik (11) verbunden, um das Radar-Signal (SHF) über die Radar-Bündelungsvorrichtung (122) gen Füllgut (2) auszusenden bzw. von dort zu nach Reflektion zu empfangen. Erfindungsgemäß wird die für die Behälteröffnung (31) erforderliche Kompaktheit der Antennen-Anordnung (12) bzw. der Apertur dadurch erreicht, dass die Radar-Bündelungsvorrichtung (122) und der Primärstrahler (123) jeweils eine asymmetrische Apertur (ao ap) aufweisen, welche parallel zur Rohr-Achse (A) größer als orthogonal zur Rohr-Achse (A) ist.

Description

Füllstandsmessgerät
Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät, das an kleinen, seitlichen Behälteröffnungen einsetzbar ist.
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“ 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 „Pulsradar bekannt) sowie das FMCW-Prinzip („Frequency Modulated Continuous Wave“). Ein Füllstandsmessgerät, welches nach dem Puls-Laufzeit-Verfahren arbeitet, ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2012 104 858 A1 beschrieben. Bezüglich eines typischen Aufbaus von FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten sei exemplarisch auf die Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 490 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.
Die Veröffentlichungsschrift DE102020 106 020 A1 beschreibt ein Radarbasiertes Füllstandsmessgerät, das seitlich am Behälter angebracht wird, wobei dessen Antennen-Anordnung von dort in Form eines Hohlrohres in den Behälter hineinragt. Dabei ist die Antennen-Anordnung ausgelegt, um das Radar-Signal vertikal nach unten mit einer asymmetrischen Bündelung auszusenden. Hierdurch wird einer Reflektion an der Behälterwand entgegengewirkt. Bei dem dort gezeigten Füllstandsmessgerät wird die asymmetrische Bündelung über eine entsprechende Apertur realisiert. Dabei muss der Querschnitt desjenigen Hohlrohres, in dessen Endbereich die asymmetrische Apertur angeordnet ist, einen ausreichend großen Querschnitt von insbesondere mehr als DN50 aufweisen. Denn damit das auszusendende Radar-Signal eine ausreichende Bündelung bzw. eine ausreichende Asymmetrie aufweist, muss die Apertur entsprechend groß dimensioniert werden.
Je nach Prozessanlage stehen seitliche Behälteröffnungen jedoch nur mit einem geringen Durchmesser von teilweise deutlich weniger als DN50 zur Verfügung. Der Erfindung hegt daher die Aufgabe zugrunde, em Füllstandsmessgerät bereitzustellen, mittels dem der Füllstand über eine enge, seitliche Behälteröffnung bestimmt werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter, wobei das Füllstandsmessgerät folgende Komponenten umfasst:
- Ein Befestigungsmittel, mittels dem das Füllstandsmessgerät an einer seitlichen Behälteröffnung befestigbar ist,
- Eine Sende-/Empfangs-Einheit, die ausgelegt ist, um Radar-Signale zu erzeugen, und um und nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche anhand entsprechender Empfangs-Signale den Füllstand zu ermitteln,
- eine rohrförmige Antennen-Anordnung mit einer definierten Rohr- Achse, die durch die Behälteröffnung durchführbar ist, mit o einem Endbereich, welcher im befestigten Zustand in den Behälter absteht, o einer im Endbereich angeordneten Radar- Bündelungsvorrichtung, welche im befestigten Zustand senkrecht gen Füllgut ausgerichtet ist, und o einem mit der Sende-/Empfangs-Einheit verbundenen Primärstrahler, welcher im Rohr-Inneren im Brennpunkt der Radar-Bündelungsvorrichtung angeordnet ist, um das Radar- Signal gen Füllgut auszusenden und nach Reflektion zu empfangen.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Füllstandsmessgerät dadurch aus, dass sowohl die Radar-Bündelungsvorrichtung als auch der Primärstrahler jeweils eine asymmetrische Apertur aufweisen, welche parallel zur Rohr-Achse größer als orthogonal zur Rohr-Achse ist. Optimal ist es in diesem Zusammenhang, wenn das Verhältnis der Asymmetrie von bspw. 3:1 für die Apertur des Primärstrahlers und die Apertur der Radar-Bündelungsvorrichtung jeweils gleich eingestellt ist. Hierdurch resultiert insgesamt, dass das Radar-Signal mit einer zur Behälterwand hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird. Dies wirkt sich insofern vorteilhaft aus, als dass die Antennen-Anordnung nur unweit den Behälter hineinragen muss und das Radar-Signal trotzdem nicht ungewollt an der Behälter-Wand reflektiert wird. Dadurch dass die Radar-Bündelungsvorrichtung und auch der Primärstrahler asymmetrisch ausgelegt sind, ist die Antennen-Anordnung so kompakt auslegbar, dass sie auch durch Behälteröffnungen mit kleinerem Durchmesser als DN50 durchführbar ist. Dennoch ist insgesamt eine Apertur realisierbar, die hinreichend groß bzw. asymmetrisch ist. In diesem Zusammenhang ist hinreichende Asymmetrie gegeben, wenn die Apertur der Radar- Bündelungsvorrichtung bzw. des Primärstrahlers parallel zur Rohr-Achse um mindestens einen Faktor 1 ,5, insbesondere einen Faktor 3, größer als orthogonal zur Rohr-Achse ist. Zu einer Maximierung der Sende-Leistung ist es zudem vorteilhaft, wenn die Radar-Bündelungsvorrichtung und der Primärstrahler derart aufeinander angepasst sind, dass der Primärstrahler die Außenkontur der Radar-Bündelungsvorrichtung mit dem das Radar-Signal in Bezug zur Hauptabstrahl-Achse der Richtcharakteristik mit -10dB ausleuchtet.
Auch die Wahl des Frequenzbandes, in welcher das Radar-Signal erzeugt wird, beeinflusst die Mindest-Größe der Antennen-Anordnung, da das Radar- Signal bei gegebener Apertur mit steigender Frequenz stärker gebündelt wird. Dementsprechend ist es von Vorteil, wenn die Sende-/Empfangs-Einheit ausgelegt ist, das auszusendende Radar-Signal mit einer Frequenz von mindestens 60 GHz, insbesondere zumindest 120 GHz zu erzeugen.
Die Radar-Bündelungsvorrichtung kann beispielsweise linsenförmig ausgelegt werden und aus einem Radar-bündelnden Kunststoff, wie PE, PEEK oder PTFE gefertigt werden. Im Sinne der Erfindung ist die Auslegung der Radar- Bündelungsvorrichtung, wie auch die Auslegung des Primärstrahlers jedoch nicht fest vorgegeben, solange eine entsprechend asymmetrische Bündelung resultiert. Der Primärstrahler kann dementsprechend beispielsweise als Patch- Antenne bzw. Antennenarray, als elektrisch leitfähiger Einkoppel-Pin, oder als Schlitz-Hohlleiter-Antenne ausgelegt werden. Dabei kann der Primärstrahler als integraler Bestandteil der Sende-/Empfangs-Einheit werden, so dass beides in der Antennen-Anordnung im Brennpunkt der Radar- Bündelungsvorrichtung angeordnet ist. Hierdurch werden Leitungsverluste zwischen der Sende-/Empfangs-Einheit und dem Primärstrahler minimiert. Allerdings ist die Realisierung von Explosionsschutz-Vorschriften bei dieser Auslegungsvariante erschwert, da sich die Sende-/Empfangs-Einheit als aktive bzw. Stromführende Komponente direkt in der Antennen-Anordnung und somit im Behälter-Inneren befindet. Um dies zu vermeiden, kann die Sende-/Empfangs-Einheit in einem Gehäuseteil des Füllstandsmessgerätes angeordnet werden, der sich im befestigten Zustand außerhalb des Behälters befindet. In diesem Fall ist der Primärstrahler zur Übertragung des Radar- Signals beispielsweise über einen Wellenleiter, insbesondere einen Hohlleiter, einen dielektrischen Wellenleiter, eine Mikrostreifenleitung oder ein Koaxialkabel, mit der Sende-/Empfangs-Einheit zu verbinden.
Im Zusammenhang mit der Sende-/Empfangs-Einheit ist unter dem Begriff „Einheit im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung zu verstehen, 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.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Ein erfindungsgemäßes, radar-basiertes Füllstandsmessgerät an einer seitlichen Behälteröffnung, und
Fig.2: eine mögliche Ausführungsform der Antennen-Anordnung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes. Zum Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 em frei abstrahlendes, Radarbasiertes Füllstandsmessgerät 1 gezeigt, das an einer seitlichen Behälteröffnung 31 eines Behälter 3 angeordnet ist. Dabei befindet sich in dem Behälter 3 ein Füllgut 2 wie bspw. ein Treibstoff, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 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 1 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.
Um den Füllstand L zuverlässig ermitteln zu können, muss das Füllstandsmessgerät 1 im Falle seitlicher Anordnung an einer Behälteröffnung 31 angeordnet werden, die sich auch bei maximalem Füllstand L oberhalb des Füllgutes 2 befindet. Dabei ist die Einbauhöhe h über der Sole des Behälter 3 bekannt bzw. im Füllstandsmessgerät 1 zu hinterlegen. Zudem ist das Füllstandsmessgerät 1 derart Druck- und Mediendicht an der Behälteröffnung 31 befestigt und ausgerichtet, dass lediglich die rohrförmige Antennen- Anordnung 12 des Füllstandsmessgerätes 1 in etwa horizontal in den Behälter 3 hinein absteht, während die weiteren Komponenten des Füllstandsmessgerätes 1 außerhalb des Behälters 3 angeordnet sind. Zur Installation des Füllstandsmessgerätes 1 muss die Rohr-Form der Antennen- Anordnung 12 außerdem so kompakt ausgelegt sein, dass sie bei der Montage des Füllstandsmessgerätes 1 durch die Behälteröffnung 31 durchgeführt werden kann. Dabei steht je nach Prozess-Anwendung seitlich nur eine sehr enge Behälteröffnung, bspw. mit einem Durchmesser von DN20, zur Verfügung. Nach Durchführen der Antennen-Anordnung 12 kann das Füllstandsmessgerät 1 mittels eines geeigneten Befestigungsmittels, wie einem Flanschanschluss, an der seitlichen Behälteröffnung 31 befestigt werden. Die Antennen-Anordnung 12 ist so ausgelegt, dass über denjenigen Endbereich 121 der Antennen-Anordnung 12, welcher in das Behälter-Innere absteht, innerhalb eines vordefinierten Frequenzbandes Radar-Signale SHF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 ausgesendet werden. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Empfangs-Signale wiederum über diesen Endbereich 121. Dabei ist die Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals SHF 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 Erzeugung des auszusendenden Radar-Signals SHF und zur Bestimmung der Signallaufzeit t bzw. des korrespondierenden Füllstandswertes L anhand des eingehenden Empfangs- Signals umfasst das Füllstandsmessgerät 1 eine entsprechend ausgelegte Sende-/Empfangs-Einheit 11 , in welcher beispielsweise das FMCW- oder Pulslaufzeit-Messprinzip implementiert ist. Bei der in Fig. 1 bzw. Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante ist die Sende-/Empfangs-Einheit 11 in einem Gehäuseteil des Füllstandsmessgerätes 1 angeordnet, welcher sich im befestigten Zustand außerhalb des Behälters 3 befindet. Dies vereinfacht die Umsetzung von Explosionsschutz-Vorgaben, da sich in der Antennen- Anordnung 12, also innerhalb des Behälters 3 keine aktive bzw. stromführende Komponente befindet.
Die Frequenz bzw. das Frequenzband, in welchem die Signalerzeugungs- Einheit 11 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, da höhere Frequenzbänder eine größere Bandbreite erlauben. In Bezug zur Erfindung ist ein hohes Frequenzband von 60 Ghz oder höher außerdem vorteilhaft, da für eine gegebene Apertur aP, a0 die entsprechende Radar-Bündelungsvorrichtung 122 kompakter bemaßt werden kann.
Ausgehend von der Antennen-Anordnung 12, die von der Behälterwand 31 orthogonal 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. 1 hervorgeht, ist die Bündelung bP, b0 der Antennen-Anordnung 12 dabei asymmetrisch: Parallel zur Rohr-Achse A der Antennen-Anordnung 12 ist die Bündelung bP ca. dreimal so hoch, wie die zur Rohr-Achse orthogonale Bündelung b0. Hierdurch ist die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals SHF zur Behälterwand 31 hin entsprechend stärker gebündelt, wodurch die Innenwand für das Radar-Signal SHF nicht störend reflektiert.
Eine entsprechende Apertur aP, a0 innerhalb der Antennen-Anordnung 12, die kompakt genug ist, damit die Antennen-Anordnung 12 auch durch kleinste Behälteröffnungen 31 durchgeführt werden kann, umfasst hierzu erfindungsgemäß einen Primärstrahler 123 und eine Radar- Bündelungsvorrichtung 122, in deren Fokus der Primärstrahler 123 angeordnet ist. Dabei weist nicht nur die Radar-Bündelungsvorrichtung 122 eine entsprechend asymmetrische Apertur aP, a0 auf, sondern auch der Primärstrahler 123. Zudem weisen die Apertur aP, ao des Primärstrahlers 123 und diejenige der Radar-Bündelungsvorrichtung 122 das gleiche Verhältnis an Asymmetrie auf. Das Verhältnis kann bspw. auf 3:1 eingestellt sein. Ein mögliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antennen- Anordnung 12 wird in Fig. 2 gezeigt: Demnach ist der Primärstrahler 123 im Endbereich 121 der Antennen-Anordnung 12 im Rohr-Inneren 124 auf derjenigen Seite angeordnet, die sich im befestigten Zustand der Antennen- Anordnung 12 oben befindet. Dabei ist die Hauptabstrahlachse des Primärstrahler 123 orthogonal zur Rohr-Achse A nach unten ausgerichtet. Die Radar-Bündelungsvorrichtung 122 ist zentrisch in der Hauptabstrahlachse des Primärstrahlers 123 angeordnet, also in Bezug zur Rohr-Achse A an der zum Primärstrahler 123 gegenüberliegenden Rohrwand. Damit einhergehend ist die Bündelungsvorrichtung 122 im befestigten Zustand der Antennen- Anordnung 12 senkrecht gen Füllgut 2 ausgerichtet. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante ist die Radar-Bündelungsvorrichtung 122 in Form einer Linse realisiert, wobei die Linsei 22 zur Radar-Bündelung bspw. aus Temperatur- und Medien-stabilem PTFE gefertigt sein kann. Zur Einfassung der Linse bzw. der Radar-Bündelungsvorrichtung 122 umfasst das Rohr im Endbereich 121 unten eine entsprechende Aussparung in Form von der Außenkontur der Linse 122. Hierbei ist Linse 122 Druck- und Mediendicht in der Aussparung eingefasst, bspw. mittels eines entsprechend stabilen Klebstoffes. Sofern es die einzustellende Apertur aP, a0 zulässt, ist es vorteilhaft, wenn die Linse 122 nicht über das Rohr hinaussteht, sondern zur Oberfläche des Rohres fluchtet, wie in Fig. 2 angedeutet ist. Hierdurch werden unerwünschte Ablagerungen, wie Staub oder Füllgut-Reste, an der Antennen- Anordnung 12 unterbunden.
Schematisch ist in Fig. 2 außerdem dargestellt, dass die Linse 122 und der Primärstrahler 123 strahlführungstechnisch so aneinander angepasst sind, dass der Primärstrahler 123 die Linse 122 mit dem ausgesendeten Radar- Signal SHF komplett ausleuchtet. Das heißt, die Außenkontur der Linse 122 wird vom Radar-Signal SHF in Bezug zur Hauptastrahlachse der Richtcharakteristik des Primärstrahlers 123 mit -10dB ausgeleuchtet. Hierdurch wird die Intensität des ausgesendeten Radar-Signals SHF maximiert, so dass das reflektierte Radar-Signal am Primärstrahler 123 entsprechend besser empfangen werden kann. Im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante, bei welcher der Primärstrahler 123 als metallischer Einkoppel-Pin realisiert ist, kann der Primärstrahler 123 alternativ auch als asymmetrisch abstrahlende Patch-Antenne bzw. Antennenarray oder als Schlitz-Hohlleiter-Antenne ausgelegt werden.
Wie in Fig. 2 gezeigt wird, ist die außerhalb des Behälters 3 befindliche Sende-/Empfangs-Einheit 11 hochfrequenztechnisch über einen Wellenleiter 125, wie beispielsweise einen Hohlleiter oder einen dielektrischen Wellenleiter mit dem Primärstrahler 123 verbunden, um die Radar-Signale SHF ZU übertragen. Dabei koppelt der Wellenleiter 125 das Radar-Signal SHF derart in den Primärstrahler 125 ein, dass das Radar-Signal SHF dort entsprechend um 90° umgelenkt wird. Um den Wellenleiter 125 in der Antennen-Anordnung mechanisch zu fixieren, ist es denkbar, das Rohr-Innere 124 mit einem Schaumstoff mit niedrigem Dielektrizitätswert, wie Rohazell®, auszufüllen. Im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante kann die Sende- /Empfangs-Einheit 11 mit dem Primärstrahler 123 zusammen als monolithisch integrierte Einheit im Brennpunkt der Linse 122 bzw. der Bündelungsvorrichtung angeordnet werden. Dies bietet den Vorteil verringerter Signalverluste, erschwert jedoch eine explosionssichere Auslegung des Füllstandsmessgerätes 1.
Die in Fig. 2 dargestellte Variante der Antennen-Anordnung 12 weist als Querschnittsform analog zur Behälteröffnung 31 einen runden Rohr- Querschnitt auf. Es versteht sich von selbst, dass das Rohr der Antennen- Anordnung 12 korrespondierend zur Behälteröffnung 31 auch mit jeglichem anderem Querschnitt, wie bspw. rechteckig ausgelegt werden kann. Auch muss die Rohr-Achse A, sofern es die Behälteröffnung 31 zulässt, im Gegensatz zu der gezeigten Darstellung nicht geradlinig ausgeführt sein. Denkbar ist auch eine moderate, horizontale und/oder vertikale Krümmung der Rohr-Achse A von bspw. bis zu 30°, um die Antennen-Anordnung 12 beispielsweise an inneren Behälter-Einbauten vorbeiführen zu können. Bezugszeichenhste
1 Füllstandsmessgerät 2 Füllgut
3 Behälter 4 Übergeordnete Einheit
11 Sende-/Empfangs-Einheit 12 Antennen-Anordnung 31 Behälteröffnung 121 Endbereich 122 Radar-Bündelungsvorrichtung 123 Primärstrahler 124 Rohr-Inneres 125 Wellenleiter A Rohr-Achse a0 Zur Rohr-Achse orthogonale Apertur aP Zur Rohr-Achse parallele Apertur bo Zur Rohr-Achse orthogonale Bündelung bp Zur Rohr-Achse parallele Bündelung d Abstand h Einbauhöhe des Füllstandsmessgerätes
L Füllstand SHF Radar-Signal

Claims

Patentansprüche
1. Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3), umfassend:
- Ein Befestigungsmittel, mittels dem das Füllstandsmessgerät (1 ) an einer seitlichen Behälteröffnung (31 ) befestigbar ist,
- eine Sende-/Empfangs-Einheit (11 ), die ausgelegt ist, um Radar- Signale (SHF) ZU erzeugen, und um nach Reflektion an der Füllgut- Oberfläche anhand entsprechender Empfangs-Signale den Füllstand (L) zu ermitteln,
- eine rohrförmige Antennen-Anordnung (12) mit einer definierten Rohr- Achse (A), die durch die Behälteröffnung (31 ) durchführbar ist, mit o einem Endbereich (121 ), welcher im befestigten Zustand in den Behälter (3) absteht, o einer im Endbereich (121 ) angeordneten Radar- Bündelungsvorrichtung (122), welche im befestigten Zustand senkrecht gen Füllgut (2) ausgerichtet ist, und o einem mit der Sende-/Empfangs-Einheit (11 ) verbundenen Primärstrahler (123), welcher im Rohr-Inneren (124) im Brennpunkt der Radar-Bündelungsvorrichtung (122) angeordnet ist, um das Radar-Signal (SHF) gen Füllgut (2) auszusenden und nach Reflektion zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass die Radar-Bündelungsvorrichtung (122) und der Primärstrahler (123) jeweils eine asymmetrische Apertur (a0 aP) aufweisen, welche parallel zur Rohr-Achse (A) größer als orthogonal zur Rohr-Achse (A) ist.
2. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 , wobei die Antennen-Anordnung (12) derart dimensioniert ist, so dass sie durch eine Behälteröffnung (31 ) mit einem Durchmesser von maximal dn50 durchführbar ist.
3. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Apertur (a0 aP) der Radar-Bündelungsvorrichtung (122) bzw. des Primärstrahlers (123) parallel zur Rohr-Achse (A) um mindestens einen Faktor 1 ,5, insbesondere einen Faktor 3, größer als orthogonal zur Rohr-Achse (A) ist.
4. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Radar-Bündelungsvorrichtung (122) und der Primärstrahler (123) derart aufeinander angepasst sind, dass der Primärstrahler (123) eine Außenkontur der Radar-Bündelungsvorrichtung (122) mit dem das Radar-Signal (SHF) unter -10dB ausleuchtet.
5. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sende-/Empfangs-Einheit (11 ) ausgelegt ist, das auszusendende Radar-Signal (SHF) mit einer Frequenz von mindestens 60 GHz, insbesondere zumindest 120 GHz zu erzeugen.
6. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehen Ansprüche, wobei der Primärstrahler (123) als Patch-Antenne bzw. Antennenarray, als elektrisch leitfähiger Einkoppel-Pin, oder als Schlitz-Hohlleiter-Antenne ausgelegt ist.
7. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärstrahler (123) als integraler Bestandteil der Sende-/Empfangs-Einheit (11 ) ausgelegt ist.
8. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sende-/Empfangs-Einheit (11 ) derart im Füllstandsmessgerät (1 ) angeordnet ist, dass sich die Sende-Empfangs-Einheit (11 ) im befestigten Zustand außerhalb des Behälters (3) befindet.
9. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 8, wobei der Primärstrahler (123) über einen Wellenleiter (125), insbesondere einen Hohlleiter, einen dielektrischen Wellenleiter, eine Mikrostreifenleitung oder ein Koaxialkabel, mit der Sende- /Empfangs-Einheit (11 ) verbunden ist.
10. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Radar-Bündelungsvorrichtung (122) linsenförmig ausgestaltet ist und/oder aus PE, PEEK oder PTFE gefertigt ist.
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