WO2024088642A1 - Transmission of spatially resolved filling level measurement values - Google Patents

Transmission of spatially resolved filling level measurement values Download PDF

Info

Publication number
WO2024088642A1
WO2024088642A1 PCT/EP2023/075161 EP2023075161W WO2024088642A1 WO 2024088642 A1 WO2024088642 A1 WO 2024088642A1 EP 2023075161 W EP2023075161 W EP 2023075161W WO 2024088642 A1 WO2024088642 A1 WO 2024088642A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
geometric
measuring device
filling material
model
location
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/075161
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
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
Application filed by Endress+Hauser SE+Co. KG filed Critical Endress+Hauser SE+Co. KG
Publication of WO2024088642A1 publication Critical patent/WO2024088642A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • 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
    • G01S2013/0236—Special technical features
    • G01S2013/0245—Radar with phased array antenna

Definitions

  • the invention relates to a spatially resolving level measuring device and a method for the efficient data transmission of the corresponding level values.
  • appropriate field devices are used to record relevant process parameters.
  • suitable measuring principles are implemented in the respective field devices with which the corresponding process parameters, such as level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity, can be recorded.
  • a wide variety of such field device types are manufactured and sold by the “Endress + Hauser” group of companies.
  • contactless measuring methods have been established for measuring the fill level of filling goods in containers because they are robust and low-maintenance.
  • the term “container” also includes non-enclosed containers, such as basins, lakes or flowing water. Another advantage of contactless measuring methods is the ability to measure the fill level almost continuously. In the field of continuous fill level measurement, radar-based measuring methods are therefore mainly used (in the context of this patent application, the term “radar” refers to signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz).
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • the measuring principle of FMCW radar-based distance measuring methods is based on transmitting a continuous radar signal with a modulated frequency.
  • a characteristic of FMCW is that the transmission frequency is periodically changed within a defined frequency band.
  • higher frequency bands in the range of a standardized center frequency are increasingly being used as development progresses:
  • the 26 GHz band or the 79 GHz band frequencies of over 100 GHz have now been implemented.
  • the advantage of high frequencies is that a larger absolute bandwidth (e.g. 4 GHz in the 100 GHz frequency band) can be used at higher frequencies. This in turn achieves a higher resolution and a higher accuracy of the level measurement.
  • the temporal change of the frequency within the frequency band is linear by default and has a sawtooth or triangular shape.
  • a sinusoidal change can also be implemented in principle.
  • the distance is determined in the FMCW method based on the current frequency difference between the current received high frequency signal after reflection from the measuring object, and the radar signal currently emitted by the measuring device.
  • the FMCW-based level measurement method is described, for example, in the published patent application DE 10 2013 108 490 A1.
  • the FMCW method makes it possible to measure the distance or the fill level at least at certain points.
  • the point at which the fill level is measured depends on the orientation of the transmitting/receiving antenna or the direction of its beam lobe (due to the generally reciprocal properties of antennas, the characteristics or beam angle of the beam lobe of the respective antenna is independent of whether it is transmitting or receiving; the term "angle” or “beam angle” in the context of this patent application refers to the angle at which the beam lobe has its maximum transmission intensity or reception sensitivity).
  • the filling level measuring device is aligned so that the beam of the antenna is directed approximately vertically downwards towards the filling material and determines the distance to the filling material.
  • the filling level can be inhomogeneous, for example due to bulk material cones, so that the filling level value determined by the filling level measuring device is only partially meaningful. In such cases in particular, it is therefore desirable to be able to determine the distance or the filling level with spatial resolution in the form of a two- or three-dimensional profile.
  • the visual 3D representation of imaging filling level measuring devices offers great benefits for the automation of filling and dismantling processes.
  • the visualization can be used to detect and avoid dangerous filling conditions, which increases the reliability and safety of the corresponding process plants.
  • the beam of the radar-based level measuring device can be designed to be mechanically pivotable so that the filling material profile can be recorded over the entire container cross-section or at least a portion of the filling material surface. Due to the increased maintenance effort, however, such designs are only used in special applications, such as in mining.
  • Radar-based distance measuring devices in which the beam can be electrically swiveled are also known from the state of the art: Among other things, the so-called “phased array” principle can be used, in which the measuring device comprises several antennas, with their radar signals being superimposed for evaluation purposes.
  • the antennas are arranged in rows (beam swiveled along an axis) or in an array (beam swiveling around two axes).
  • the individual antennas are controlled according to their arrangement sequence with a phase shift that increases for each antenna.
  • the angle a of the beam lobe is adjusted depending on the phase shift cp according to a ⁇ arcsin( ⁇ p).
  • the hardware required for this can be integrated so compactly that the antennas are housed as patch antennas together with the semiconductor component for signal generation/signal evaluation on a common circuit board or even as a jointly encapsulated radar IC ("integrated circuit").
  • a distance measuring device operating according to the phased array principle is described in the German publication DE 100 36 131 A1, among others.
  • each antenna in the antenna array has its own signal processing and its own digitization.
  • the received radar signal is digitized in terms of both its amplitude and its phase position using an appropriate process.
  • the summation takes place digitally after a virtual phase shift and amplitude scaling in a special computer, the so-called beamform processor.
  • beamform processor With digital beam forming, the radiation characteristics of the antenna can be shaped so that it has several independent main lobes for different directions. Both digital beam forming and the phased array principle can potentially achieve a high lateral and vertical spatial resolution of the level measurement.
  • the level measuring device comprises at least the following components: a transmitting/receiving unit which is designed o to transmit radar signals with a laterally variable location reference to the filling material, and o to receive corresponding reception signals after reflection at a corresponding location on the filling material surface, and an evaluation unit which is designed o to determine location-related filling level values based on the reception signals, and o to create the geometric model by approximating the location-related filling level values using one or more geometric bodies.
  • a transmitting/receiving unit which is designed o to transmit radar signals with a laterally variable location reference to the filling material, and o to receive corresponding reception signals after reflection at a corresponding location on the filling material surface
  • an evaluation unit which is designed o to determine location-related filling level values based on the reception signals, and o to create the geometric model by approximating the location-related filling level values using one or more geometric bodies.
  • the invention is therefore based on the idea of approximately representing at least the relevant sub-areas of the filling material surface, which are represented by the location-related filling level values, using geometric bodies.
  • the advantage of this is that geometric bodies can potentially be described with a significantly smaller amount of data than the corresponding filling level values of the corresponding sub-area on the filling material surface.
  • This allows the filling level measuring device to transmit the geometric model to external units, such as the process control center, via a communication unit, even if the corresponding transmission protocol only allows a very limited data rate. If designed accordingly, the communication unit can set the update rate with which it transmits the current model to the external unit, in particular inversely proportional to the approximation duration, so that the process control center always has the most current model possible.
  • the term "unit” is understood to mean in principle any separate arrangement or encapsulation of those electronic circuits that are intended for the specific purpose, e.g. for measuring signal processing or as an interface.
  • the respective unit can therefore include corresponding analog circuits for generating or processing analog signals.
  • the unit can also include digital circuits, such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with corresponding programs. the program is designed to carry out the required method steps or to apply the necessary computing operations.
  • different electronic circuits of the respective unit within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit. It is not relevant whether different electronic circuits within the unit are arranged on a common circuit board or on several interconnected circuit boards.
  • the approximation algorithm for the geometric model can be implemented in the evaluation unit using, for example, the method of least squares (better known in English as “least square”) or a machine learning algorithm, in particular an artificial neural network.
  • the target variable can be defined, for example, as the factor by which the amount of data is reduced.
  • the target variable can be, for example, to select the number, shape and/or size of the geometric bodies in such a way that the amount of data in the model is compressed in relation to the location-related fill level values by a factor of 10 2 , 10 3 or 10 4 .
  • the approximation algorithm can be left to decide which types of geometric bodies are used for the approximation. However, it is also conceivable to specify the type(s) of geometric body to the approximation algorithm.
  • one or more cuboids, cones, cylinders, ogives and/or sphere sections can be used as geometric bodies to approximate the model.
  • the geometric bodies are preferably linked to create the model using logical and/or arithmetic operations, in particular union, intersection and/or difference, if several geometric bodies are used for the approximation.
  • the evaluation unit can optionally include the extruded inner cross-section shape to approximate the geometric model. This can improve the computational effort required to create the model or the accuracy of the model. This variant is not only applicable to containers whose inner cross-section is constant over the height. If the inner cross-section shape or area depends on the height, it is possible to include the geometry of the lateral inner cross-section in the model, provided, for example, that the dependency of the inner cross-section shape/area on the height is known. Within the scope of the invention, it is not relevant which principle for spatially resolving radar measurement is implemented in the level measuring device.
  • the transmitting/receiving unit can, for example, be designed to transmit the radar signals using the phased array principle or the digital beam forming principle with a laterally variable spatial reference and to receive reception signals accordingly.
  • the evaluation unit must also be designed to determine the location-related fill level values using the respective principle.
  • the invention also includes the following method for creating a geometric model of at least a partial area of the surface of a filling material.
  • the following method steps are provided for this purpose:
  • Fig. 1 A spatially resolving level measuring device on a container
  • Fig. 2 an inventive modeling of the filling material surface.
  • Fig. 1 shows a container 3 with a filling material 2, the filling level L of which is to be determined.
  • the container 3 can be up to more than 100 m high.
  • a radar-based fill level measuring device 1 is mounted above the filling material 2 at a known installation height h above the brine of the container 3.
  • the fill level measuring device 1 is attached to a corresponding opening of the container 3 in such a way that radar signals SHF, RHF can be transmitted vertically downwards into the container s towards the filling material 2 via an antenna arrangement or can be received after they have been reflected on the filling material surface. Accordingly, the fill level measuring device 1 can be arranged essentially outside the container 3. After the emitted radar signals SHF have been reflected on the surface of the filling material, the level measuring device 1 receives the reflected radar signals RHF.
  • the resulting signal runtime t between the emission and reception of the respective radar signal SHF, RHF is according to accordingly proportional to the distance d between the level measuring device 1 and the filling material 2.
  • “c” is the media-dependent radar propagation speed.
  • the FMCW or pulse propagation time method can be implemented in the level measuring device 1. Accordingly, the generation of the radar signals SHF to be transmitted and the reception of the corresponding reception signals RHF within the level measuring device 1 must take place by an appropriately designed transmitting/receiving unit.
  • the transmitting/receiving unit can be designed, for example, on the basis of a phase locked loop.
  • the transmitting/receiving unit can be based on the principle of pulse subsampling.
  • the level measuring device 1 can in turn assign the measured signal transit time t to the respective distance d.
  • the level measuring device 1 is connected to a higher-level unit 4, such as a local process control system or a decentralized server system, via its own communication unit, in which “4-20 mA”, “PROFIBUS”, “HART 1 ” or “Ethernet” is implemented as a communication protocol, for example.
  • the measured level values L can be transmitted via this, for example in order to control any inflows or outflows of the container 3.
  • other information about the general operating status of the level measuring device 1 can also be communicated via the communication unit.
  • the surface of the filling material 2 is not planar. This can occur in particular with bulk-type filling materials 2, for example if Filling the container 3 can result in a cone of material being formed.
  • funnels can form on the surface of the filling material. If the level measuring device 1 only determines the filling level L at one point on the surface of the filling material 2, this may lead to an incorrect interpretation of the filling level L. This can lead to an emptying process being stopped incorrectly if the level measuring device 1 has determined that the container s is empty, although there is still filling material 2 at the edge of the inside of the container. In the opposite case, if the container s is full, a filling process may not be stopped, even though a maximum filling level has already been exceeded at one point on the surface of the filling material, because this is not detected by the level measuring device 1.
  • the level measuring device 1 shown in Fig. 1 determines the level L x;y in relation to the horizontal plane x;y with spatial resolution.
  • the phased array principle or the digital beam forming principle for example, can be implemented in the transmitting/receiving unit or in the evaluation unit, so that level values L x;y are transmitted with a laterally changed location reference x;y and received signals RHF are received accordingly.
  • the evaluation unit can thus determine level values L x;y for this grid based on the corresponding received signals RHF.
  • the grid ideally extends laterally over the entire interior of the container 3. Accordingly, the transmitting/receiving unit must be able to swivel the beam over a correspondingly wide solid angle range with regard to the phased array principle or the digital beam forming principle. It is advantageous if the level measuring device 1 is designed to record a grid or a solid angle range of at least 90° with a resolution of at least 2° per axis. This results in a correspondingly large data set of spatially resolved level values L x;y , which is to be exported via the communication unit.
  • Three-dimensional filling material surface profiles based on the determined filling level values L x;y can be described numerically in the form of networks or volume cells, for example.
  • a corresponding number of support values and thus very large amounts of data are required.
  • the description of the container content measured with a spatially resolving radar measuring device with 180 azimuth, 180 elevation and 500 distance cells as volume cells already results in 16 Mbit of data.
  • the resulting data volume for narrowband radio networks is and “HART 1 in “4-20 mA” mode not to be transmitted for periods of a few minutes.
  • the communication unit of the level measuring device 1 is based on the 4-20 mA transmission standard or its data transmission rate is otherwise limited due to explosion protection regulations, a delay-free transmission of the complete data set of the rasterized level values L x;y is not possible depending on the size of the data set, although this may be necessary to control pumps or drains.
  • the evaluation unit creates a geometric model MG of preferably the entire filling material surface in the container s, wherein the model MG is based on one or more geometric bodies z1, k1, k2, B.
  • the model MG is based on one or more geometric bodies z1, k1, k2, B.
  • the geometric model MG can pragmatically initially be created by the evaluation unit in such a way that the base point of the model MG is defined at the location of the level measuring device 1.
  • a subsequent change to the base point by the user, so that the base point is defined at a location within the container, for example, can be achieved by appropriate coordinate translation.
  • Fig. 2 The creation of the geometric model MG according to the invention is visualized schematically in Fig. 2:
  • the model MG is based on a base body B, which results from the cross-sectional geometry of the interior of the container extruded towards the filling material surface. In this case, it is necessary to store the cross-sectional geometry of the respective container 3 in the evaluation unit of the level measuring device 1.
  • the embodiment shown there is a container s, the interior of which has a circular cross-sectional geometry over the entire height h.
  • the base body B is modified by three geometric bodies z, k1, k2 in the embodiment shown in Fig. 2.
  • the modification takes place in the form of logical or arithmetic operations: a first cone k1 is subtracted from a cylinder z and a second cone k2 is added vertically offset by addition.
  • the resulting partial body is cut with the extruded base body B, which results in the geometric model MG of the filling material surface.
  • the filling level L x;y of the filling material 2 can be reproduced in a spatially resolved manner in that that in the container s, for example, a bulk material cone and at the same time a depression funnel are formed by the flowing bulk material 2. It goes without saying that the embodiment shown in Fig. 2 is only a greatly simplified example.
  • the advantage of this modeling of the filling material surface according to the invention is that, depending on the type, number and size of the geometric bodies z1, k1, k2, B on which the resulting model MG is based, the model MG can be represented in relation to the location-related fill level values L x;y using a significantly reduced amount of data.
  • This data compression is illustrated by the fact that, for example, a cone k1, k2 as a geometric body z1, k1, k2, B can only be represented mathematically by its height, its opening angle, its position and, if applicable, its spatial orientation.
  • the amount of data required to mathematically describe these parameters is, depending on the corresponding area on the filling material surface, significantly smaller than the amount of data on spatially resolved fill level values L x;y from the partial area of the filling material surface covered by the cone k1, k2.
  • the data reduction factor depends, among other things, on how closely the geometric model MG is approximated to the underlying grid of fill level values L x;y .
  • either classic approximation algorithms such as the least squares method, or machine or self-learning algorithms, such as an artificial neural network, can be implemented in the evaluation unit in order to approximate the geometric model MG ZU based on the fill level values L x;y .
  • the approximation algorithm in the evaluation unit in such a way that the resulting geometric model Mc includes a defined maximum data volume, or so that the data volume of the model MG is compressed by a minimum factor of, for example, 10 2 in relation to the underlying fill level values L x;y .
  • This enables the communication unit to to transmit the approximated model MG of the filling material surface to the higher-level unit 4 even in the case of a limited data rate with a high update rate of e.g. 10 Hz.
  • the approximation time that the evaluation unit needs to approximate the current model MG depends, among other things, on whether the model MG has to be significantly adjusted in relation to the previously generated model MG. This in turn depends on whether the fill level L x;y or the topology has changed significantly. If a machine learning algorithm is implemented in the evaluation unit for generating the geometric model MG, the respective approximation time also depends on the current learning progress of the learning algorithm. Accordingly, the communication unit can be designed flexibly if necessary in that it independently sets the update rate with which the current model MG is transmitted to the higher-level unit 4 depending on the approximation time.
  • the communication unit can increase the update rate inversely to the approximation time, at least until the maximum possible data transfer rate is reached. In the other case, i.e. if the approximation time increases despite any learning progress, this in turn indicates a major change in the filling material topology.
  • the communication unit can, if designed accordingly, issue a warning signal to the process control center 4 if the approximation time exceeds a defined maximum value, or if the approximation time has increased by a minimum value in relation to a previously approximated model MG. This can be used to warn of irregular conditions in the container 3, such as a flank slipping or a cornice breaking off.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

The invention relates to data compression of three-dimensional filling material profiles or the compression of those location-related filling level values (Lx;y) on which the corresponding filling material profile is based and which are captured by a three-dimensionally spatially resolving filling level measuring device (1). For this purpose, an evaluation unit of the filling level measuring device (1) creates a geometric model (MG) by way of the location-related filling level values (Lx;y) being approximated by at least one geometric body (z1, k1, k2,B), e.g. on the basis of artificial intelligence. What is advantageous about this concept according to the invention is that geometric bodies (z1, k1, k2,B) can potentially be described by a significantly smaller amount of data than the corresponding filling level values (Lx;y) of the corresponding partial region on the filling material surface. As a result, the filling level measuring device (1) can transmit the geometric model (MG) via an internal communication unit to external units, such as a process control center, even when the corresponding transmission protocol permits only a very limited data rate owing to explosion protection regulations, for example.

Description

Übertragung ortsaufgelöster Füllstandsmesswerte Transmission of spatially resolved level measurements
Die Erfindung betrifft ein ortsauflösendes Füllstandsmessgerät sowie ein Verfahren zur effizienten Datenübertragung der entsprechenden Füllstandswerte. The invention relates to a spatially resolving level measuring device and a method for the efficient data transmission of the corresponding level values.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der Prozessparameter sind in den jeweiligen Feldgeräten daher geeignete Messprinzipien implementiert, mit denen die entsprechenden Prozessparameter, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit erfassbar sind. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen werden von der Firmengruppe „Endress + Hauser“ hergestellt und vertrieben. In process automation technology, appropriate field devices are used to record relevant process parameters. In order to record the process parameters, suitable measuring principles are implemented in the respective field devices with which the corresponding process parameters, such as level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity, can be recorded. A wide variety of such field device types are manufactured and sold by the “Endress + Hauser” group of companies.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“' im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“' auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Contactless measuring methods have been established for measuring the fill level of filling goods in containers because they are robust and low-maintenance. In the context of the invention, the term "container" also includes non-enclosed containers, such as basins, lakes or flowing water. Another advantage of contactless measuring methods is the ability to measure the fill level almost continuously. In the field of continuous fill level measurement, radar-based measuring methods are therefore mainly used (in the context of this patent application, the term "radar" refers to signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz).
Ein etabliertes Messprinzip bildet hierbei FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave"). Das Messprinzip von FMCW- Radar basierten Entfernungsmessverfahren beruht darauf, ein kontinuierliches Radar-Signal mit einer modulierten Frequenz auszusenden. Kennzeichnend für FMCW ist hierbei, dass die Sende-Frequenz periodisch innerhalb eines definierten Frequenzbandes geändert wird. Unter Berücksichtigung der regulatorischen Vorschriften kommen mit fortschreitender Entwicklung verbreitet höhere Frequenzbänder im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz zum Einsatz: Neben dem 6 GHz-Band, dem 26 GHz-Band oder dem 79 GHz-Band sind mittlerweile Frequenz von über 100 GHz implementiert. Vorteilhaft an hohen Frequenzen ist, dass bei höheren Frequenzen eine größere absolute Bandbreite (bspw. 4 GHz beim 100 GHz- Frequenzband) genutzt werden kann. Dadurch wird wiederum eine höhere Auflösung bzw. eine höhere Genauigkeit der Füllstandsmessung erreicht. An established measuring principle is FMCW ("Frequency Modulated Continuous Wave"). The measuring principle of FMCW radar-based distance measuring methods is based on transmitting a continuous radar signal with a modulated frequency. A characteristic of FMCW is that the transmission frequency is periodically changed within a defined frequency band. Taking regulatory requirements into account, higher frequency bands in the range of a standardized center frequency are increasingly being used as development progresses: In addition to the 6 GHz band, the 26 GHz band or the 79 GHz band, frequencies of over 100 GHz have now been implemented. The advantage of high frequencies is that a larger absolute bandwidth (e.g. 4 GHz in the 100 GHz frequency band) can be used at higher frequencies. This in turn achieves a higher resolution and a higher accuracy of the level measurement.
Die zeitliche Änderung der Frequenz innerhalb des Frequenzbandes ist standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise Dreiecks-Form auf. Eine Sinus-förmige Änderung kann prinzipiell auch implementiert sein. Die Entfernung wird beim FMCW- Verfahren auf Basis der momentanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen Hochfrequenzsignal nach Reflektion am Messobjekt, und dem momentan vom Messgerät ausgesendeten Radar-Signal bestimmt. Beschrieben wird das FMCW- basierte Füllstandsmessverfahren beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 490 A1. The temporal change of the frequency within the frequency band is linear by default and has a sawtooth or triangular shape. A sinusoidal change can also be implemented in principle. The distance is determined in the FMCW method based on the current frequency difference between the current received high frequency signal after reflection from the measuring object, and the radar signal currently emitted by the measuring device. The FMCW-based level measurement method is described, for example, in the published patent application DE 10 2013 108 490 A1.
Mit dem FMCW-Verfahren ist es möglich, die Entfernung bzw. den Füllstand zumindest punktuell zu messen. Dabei richtet sich der Punkt, an dem der Füllstand gemessen wird, nach der Ausrichtung der Sende-/ Empfangsantenne bzw. nach der Richtung ihrer Strahlkeule (aufgrund der allgemein reziproken Eigenschaften von Antennen ist die Charakteristik bzw. der Strahlwinkel der Strahlkeule der jeweiligen Antenne unabhängig davon, ob sie sendet oder empfängt; bei dem Begriff „Winkel“ oder „Strahlwinker handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung um denjenigen Winkel, in dem die Strahlkeule ihre maximale Sende-Intensität bzw. Empfangs-Empfindlichkeit aufweist). The FMCW method makes it possible to measure the distance or the fill level at least at certain points. The point at which the fill level is measured depends on the orientation of the transmitting/receiving antenna or the direction of its beam lobe (due to the generally reciprocal properties of antennas, the characteristics or beam angle of the beam lobe of the respective antenna is independent of whether it is transmitting or receiving; the term "angle" or "beam angle" in the context of this patent application refers to the angle at which the beam lobe has its maximum transmission intensity or reception sensitivity).
Im Falle von flüssigen Füllgütern, deren Füllstand homogen ist, ist eine punktuelle Füllstandsmessung ausreichend. In diesen Fällen ist das Füllstandsmessgerät so ausgerichtet, dass die Strahlkeule der Antenne in etwa senkrecht nach unten gen Füllgut gerichtet ist und die Entfernung zum Füllgut bestimmt. Bei feststoffartigen Füllgütern wie Kies oder Getreide kann der Füllstand beispielsweise aufgrund von Schüttgutkegeln jedoch inhomogen sein, so dass der vom Füllstandsmessgerät ermittelte Füllstandswert nur bedingt aussagekräftig ist. Speziell in solchen Fällen ist es daher erstrebenswert, die Entfernung bzw. den Füllstand ortsaufgelöst in Form eines zwei- oder dreidimensionalen Profils bestimmen zu können. Neben der exakten Volumenschätzung bietet insbesondere die visuelle 3D-Darstellung abbildender Füllstandsmessgeräte hohen Nutzen zur Automatisierung von Befüll- und Abbauprozessen. Außerdem können durch die Visualisierung gefährliche Füllzustände bemerkt und vermeiden werden, womit sich die Zuverlässigkeit und Sicherheit entsprechenden Prozessanlagen erhöhen lässt. In the case of liquid filling materials with a homogeneous filling level, a point-based filling level measurement is sufficient. In these cases, the filling level measuring device is aligned so that the beam of the antenna is directed approximately vertically downwards towards the filling material and determines the distance to the filling material. However, in the case of solid filling materials such as gravel or grain, the filling level can be inhomogeneous, for example due to bulk material cones, so that the filling level value determined by the filling level measuring device is only partially meaningful. In such cases in particular, it is therefore desirable to be able to determine the distance or the filling level with spatial resolution in the form of a two- or three-dimensional profile. In addition to the exact volume estimate, the visual 3D representation of imaging filling level measuring devices in particular offers great benefits for the automation of filling and dismantling processes. In addition, the visualization can be used to detect and avoid dangerous filling conditions, which increases the reliability and safety of the corresponding process plants.
Zur ortsauflösenden Füllstandsmessung kann die Strahlkeule des Radar-basierten Füllstandsmessgerätes mechanisch schwenkbar ausgelegt werden, damit das Füllgut- Profil über den gesamten Behälter-Querschnitt oder zumindest einen Teilbereich der Füllgut-Oberfläche erfasst werden kann. Aufgrund des erhöhten Wartungsaufwands sind solche Ausführungsformen jedoch lediglich in Sonderanwendungen, wie bspw. im Bergbau verwendet. For spatially resolving level measurement, the beam of the radar-based level measuring device can be designed to be mechanically pivotable so that the filling material profile can be recorded over the entire container cross-section or at least a portion of the filling material surface. Due to the increased maintenance effort, however, such designs are only used in special applications, such as in mining.
Auch Radar-basierte Entfernungsmessgeräte, bei denen die Strahlkeule elektrisch schwenkbar ist, sind aus dem Stand der Technik bekannt: Unter anderem kann das so genannte „Phased-Array“ Prinzip genutzt werden, bei dem das Messgerät mehrere Antennen umfasst, wobei deren Radar-Signale auswertungstechnisch überlagert werden. Die Antennen sind hierbei reihenförmig (Strahlschwenkung entlang einer Achse) oder in einem Array (Strahlschwenkung um zwei Achsen) angeordnet. Um das Hochfrequenzsignal unter einem definierten Winkel abzustrahlen bzw. zu empfangen, werden die einzelnen Antennen gemäß deren Anordnungsreihenfolge mit einer pro Antenne zunehmenden Phasenverschiebung angesteuert. Dabei stellt sich der Winkel a der Strahlkeule in Abhängigkeit der Phasenverschiebung cp gemäß a~arcsin(<p) ein. Radar-based distance measuring devices in which the beam can be electrically swiveled are also known from the state of the art: Among other things, the so-called “phased array” principle can be used, in which the measuring device comprises several antennas, with their radar signals being superimposed for evaluation purposes. The antennas are arranged in rows (beam swiveled along an axis) or in an array (beam swiveling around two axes). In order to radiate or receive the high-frequency signal at a defined angle, the individual antennas are controlled according to their arrangement sequence with a phase shift that increases for each antenna. The angle a of the beam lobe is adjusted depending on the phase shift cp according to a~arcsin(<p).
Nach dem Stand der Technik kann die hierfür erforderliche Hardware bereits so kompakt integriert werden, dass die Antennen als Patch-Antennen zusammen mit dem Halbleiterbauteil für die Signalerzeugung/ Signalauswertung auf einer gemeinsamen Leiterplatte bzw. sogar als gemeinsam gekapselter Radar-IC („Integrated Circuit) untergebracht sind. Ein nach dem Phased-Array-Prinzip arbeitendes Entfernungsmessgerät ist unter anderem in der deutschen Veröffentlichungsschrift DE 100 36 131 A1 beschrieben. According to the current state of the art, the hardware required for this can be integrated so compactly that the antennas are housed as patch antennas together with the semiconductor component for signal generation/signal evaluation on a common circuit board or even as a jointly encapsulated radar IC ("integrated circuit"). A distance measuring device operating according to the phased array principle is described in the German publication DE 100 36 131 A1, among others.
Neben dem Phased-Array-Prinzip können ortsauflösende Radar-Messgeräte alternativ auch auf Basis digitaler Strahlformung (besser im Englischen als „Digital Beam Forming“) ausgelegt werden. Hierbei erhält jede Antenne des Antennen-Arrays eine eigene Signalverarbeitung und eine eigene Digitalisierung. Das empfangene Radar-Signal wird sowohl hinsichtlich seiner Amplitude als auch seiner Phasenlage mit einem entsprechenden Verfahren digitalisiert. Die Summierung erfolgt digital nach einer virtuellen Phasenverschiebung und Amplitudenskalierung in einem speziellen Rechner, dem sogenannten Strahlformungsprozessor („Beamform Processor“). Mit der digitalen Strahlformung kann die Strahlungscharakteristik der Antenne so geformt werden, dass sie mehrere unabhängige Hauptkeulen für verschiedene Richtungen hat. Sowohl mittels digitaler Strahlformung, als auch mittels des Phased-Array-Prinzips kann potenziell eine hohe laterale und vertikale Ortsauflösung der Füllstandsmessung erreicht werden. In addition to the phased array principle, spatially resolving radar measuring devices can alternatively be designed on the basis of digital beam forming. In this case, each antenna in the antenna array has its own signal processing and its own digitization. The received radar signal is digitized in terms of both its amplitude and its phase position using an appropriate process. The summation takes place digitally after a virtual phase shift and amplitude scaling in a special computer, the so-called beamform processor. With digital beam forming, the radiation characteristics of the antenna can be shaped so that it has several independent main lobes for different directions. Both digital beam forming and the phased array principle can potentially achieve a high lateral and vertical spatial resolution of the level measurement.
Durch die hohe Auflösung ist auch die Datenmenge an erfassten, ortsbezogenen Füllstandswerten entsprechend hoch. Problematisch ist eine hohe Datenmenge jedoch insbesondere bei solchen Füllstandsmessgeräte-Typen, die erhöhten Explosionsschutz- Anforderungen unterliegen. In diesen ist der Leistungsübertrag und somit die maximale Datenübertragungsrate stark begrenzt. Dennoch ist es auch unter solchen Einsatzbedingungen oft wichtig, einen möglichst aktuellen Überblick über den ortsaufgelösten Füllstand zu behalten. Daher ist es nur begrenzt möglich, die Rate, mit der das Füllgut-Profil aktualisiert bzw. neu erfasst wird, zu minimieren. Eine zu starke Ausdünnung der Datenmenge pro aktualisiertem Füllgut-Profil kann wiederum dazu führen, dass Raster des Füllgut-Profils nicht mehr engmaschig genug ist. Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, ein dreidimensional auflösendes Füllstandsmessgerät bereitzustellen, welches diesen sich entgegenstehenden Auslegungsanforderungen möglichst gerecht wird. Due to the high resolution, the amount of data recorded for location-based level values is correspondingly high. However, a large amount of data is particularly problematic for level measuring device types that are subject to increased explosion protection requirements. In these, the power transfer and thus the maximum data transfer rate is severely limited. Nevertheless, even under such operating conditions, it is often important to maintain as up-to-date an overview of the location-resolved level as possible. Therefore, it is only possible to a limited extent to minimize the rate at which the filling material profile is updated or newly recorded. If the amount of data per updated filling material profile is thinned out too much, this can in turn lead to the filling material profile grid no longer being fine enough. It is therefore an object of the invention to provide a three-dimensionally resolving level measuring device which meets these conflicting design requirements as best as possible.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Füllstandsmessgerät zur Ermittlung eines geometrischen Modells von zumindest einem Teilbereich der Oberfläche eines Füllgutes. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät zumindest folgende Komponenten: Eine Sende-/Empfangs-Einheit, die ausgelegt ist, o um Radar-Signale mit lateral veränderbarem Ortsbezug gen Füllgut auszusenden, und o um nach Reflektion an einem entsprechenden Ort der Füllgut-Oberfläche entsprechende-Empfangs-Signale zu empfangen, und eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, o anhand der Empfangs-Signale ortsbezogene Füllstandswerte zu ermitteln, und o um das geometrische Modell zu erstellen, indem die ortsbezogenen Füllstandswerte durch einen oder mehrere geometrische Körper approximiert werden. The invention solves this problem with a level measuring device for determining a geometric model of at least a partial area of the surface of a filling material. For this purpose, the level measuring device comprises at least the following components: a transmitting/receiving unit which is designed o to transmit radar signals with a laterally variable location reference to the filling material, and o to receive corresponding reception signals after reflection at a corresponding location on the filling material surface, and an evaluation unit which is designed o to determine location-related filling level values based on the reception signals, and o to create the geometric model by approximating the location-related filling level values using one or more geometric bodies.
Die Erfindung basiert somit auf der Idee, zumindest die relevanten Teilbereiche der Füllgut-Oberfläche, welche durch die ortsbezogenen Füllstandswerte dargestellt sind, durch geometrische Körper approximativ darzustellen. Vorteilhaft hieran ist, dass geometrische Körper potenziell mit einer deutlich geringeren Datenmenge beschreibbar sind, als die korrespondierenden Füllstandswerte des entsprechenden Teilbereichs auf der Füllgut-Oberfläche. Hierdurch kann das Füllstandsmessgerät das geometrische Modell über eine Kommunikations-Einheit an externe Einheiten, wie bspw. die Prozessleitstelle übertragen, auch wenn das entsprechende Übertragungs-Protokoll nur eine sehr begrenzte Datenrate zulässt. Dabei kann die Kommunikations-Einheit bei entsprechender Auslegung die Aktualisierungs-Rate, mit welcher sie das jeweils aktuelle Modell an die externe Einheit übertragt, insbesondere antiproportional in Abhängigkeit der Approximations-Dauer einstellen, damit der Prozessleitstelle durchgehend ein möglichst aktuelles Modell vorliegt. The invention is therefore based on the idea of approximately representing at least the relevant sub-areas of the filling material surface, which are represented by the location-related filling level values, using geometric bodies. The advantage of this is that geometric bodies can potentially be described with a significantly smaller amount of data than the corresponding filling level values of the corresponding sub-area on the filling material surface. This allows the filling level measuring device to transmit the geometric model to external units, such as the process control center, via a communication unit, even if the corresponding transmission protocol only allows a very limited data rate. If designed accordingly, the communication unit can set the update rate with which it transmits the current model to the external unit, in particular inversely proportional to the approximation duration, so that the process control center always has the most current model possible.
Unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jegliche separate Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen verstanden, die für den konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Messsignal-Verarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Die jeweilige Einheit kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung analoger Signale umfassen. Die Einheit kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGAs, 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 jeweiligen 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, miteinander verbundenen Leiterkarten angeordnet sind. In the context of the invention, the term "unit" is understood to mean in principle any separate arrangement or encapsulation of those electronic circuits that are intended for the specific purpose, e.g. for measuring signal processing or as an interface. Depending on the purpose, the respective unit can therefore include corresponding analog circuits for generating or processing analog signals. However, the unit can also include digital circuits, such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with corresponding programs. the program is designed to carry out the required method steps or to apply the necessary computing operations. In this context, different electronic circuits of the respective unit within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit. It is not relevant whether different electronic circuits within the unit are arranged on a common circuit board or on several interconnected circuit boards.
Als Approximations- Algorithmus für das geometrische Modell kann in der Auswerte- Einheit beispielweise die Methode der kleinsten Quadrate (besser im Englischen bekannt als „Least Square“) oder ein maschineller Lern-Algorithmus, insbesondere ein künstliches neuronales Netz, implementiert werden. Dabei kann als Zielgröße beispielsweise derjenige Faktor definiert werden, um welchen die Datenmenge reduziert wird. Als Zielgröße kann beispielsweise vorgegeben werden, die Anzahl, die Form und/oder die Größe der geometrischen Körper so zu wählen, dass die Datenmenge des Modells in Bezug zu den ortsbezogenen Füllstandswerten um bspw. einen Faktor 102 , 103 oder 104 komprimiert wird. Dabei kann entweder dem Approximations- Algorithmus die Entscheidung überlassen werden, welche Arten an geometrischen Körpern zur Approximation herangezogen werden. Denkbar ist es jedoch auch, dem Approximations- Algorithmus die Art(en) die Art des geometrischen Körpers fest vorzugeben. Vorteilhaft könnte dies beispielsweise sein, wenn die Form der Füllgut-Oberfläche aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Füllgutes der konkreten Prozessanwendung, wie beispielsweise der Korngröße, bereits grob bekannt ist. Unabhängig hiervon kann als geometrischer Körper zur Approximation des Modells beispielsweise ein oder mehrere Quader, Kegel Zylinder, Ogive und/oder Kugelausschnitte herangezogen werden. Dabei werden die geometrischen Körper zur Erstellung des Models vorzugsweise entsprechend logischer und/oder arithmetischer Operationen, insbesondere Vereinigung, Schnitt und/oder Differenz, verknüpft, sofern mehrere geometrische Körper zur Approximation herangezogen werden. The approximation algorithm for the geometric model can be implemented in the evaluation unit using, for example, the method of least squares (better known in English as “least square”) or a machine learning algorithm, in particular an artificial neural network. The target variable can be defined, for example, as the factor by which the amount of data is reduced. The target variable can be, for example, to select the number, shape and/or size of the geometric bodies in such a way that the amount of data in the model is compressed in relation to the location-related fill level values by a factor of 10 2 , 10 3 or 10 4 . The approximation algorithm can be left to decide which types of geometric bodies are used for the approximation. However, it is also conceivable to specify the type(s) of geometric body to the approximation algorithm. This could be advantageous, for example, if the shape of the filling material surface is already roughly known due to the physical properties of the filling material of the specific process application, such as the grain size. Irrespective of this, one or more cuboids, cones, cylinders, ogives and/or sphere sections can be used as geometric bodies to approximate the model. The geometric bodies are preferably linked to create the model using logical and/or arithmetic operations, in particular union, intersection and/or difference, if several geometric bodies are used for the approximation.
Sofern der Auswerte-Einheit die Geometrie des lateralen Innenquerschnittes des konkreten Behälters bekannt ist, und sofern das geometrische Modell für die gesamte Füllgut-Oberfläche zu erstellen ist, kann die Auswerte-Einheit die extrudierte Innenquerschnittsform zur Approximation des geometrischen Modells optional miteinbeziehen. Hierdurch kann der Rechenaufwand zur Erstellung des Modells bzw. die Genauigkeit des Modells verbessert werden. Dabei ist diese Variante nicht nur bei Behältern anwendbar, deren Innenquerschnitt über die Höhe konstant ist. Sofern der Innenquerschnitts-Form bzw. Fläche von der Höhe abhängt, ist es möglich, die Geometrie des lateralen Innenquerschnittes in das Modell miteinzubeziehen, sofern beispielsweis die Abhängigkeit der Innenquerschnitts-Form/Fläche von der Höhe bekannt ist. Im Rahmen der Erfindung ist es nicht relevant, welches Prinzip zur ortsauflösenden Radar-Messung im Füllstandsmessgerät implementiert ist. Die Sende-/Empfangs-Einheit kann beispielsweise ausgelegt werden, um die Radar-Signale mittels des Phased-Array- Prinzips oder mittels des Digital Beam Forming Prinzips mit lateral veränderbarem Ortsbezug auszusenden und Empfangs-Signale entsprechend zu empfangen. If the evaluation unit knows the geometry of the lateral inner cross-section of the specific container and if the geometric model is to be created for the entire filling material surface, the evaluation unit can optionally include the extruded inner cross-section shape to approximate the geometric model. This can improve the computational effort required to create the model or the accuracy of the model. This variant is not only applicable to containers whose inner cross-section is constant over the height. If the inner cross-section shape or area depends on the height, it is possible to include the geometry of the lateral inner cross-section in the model, provided, for example, that the dependency of the inner cross-section shape/area on the height is known. Within the scope of the invention, it is not relevant which principle for spatially resolving radar measurement is implemented in the level measuring device. The transmitting/receiving unit can, for example, be designed to transmit the radar signals using the phased array principle or the digital beam forming principle with a laterally variable spatial reference and to receive reception signals accordingly.
Korrespondierend zu dem in der Sende-/Empfangs-Einheit implementierten Prinzip muss auch die Auswerte-Einheit ausgelegt sein, um die ortsbezogenen Füllstandswerte mittels des jeweiligen Prinzips zu ermitteln. Corresponding to the principle implemented in the transmitting/receiving unit, the evaluation unit must also be designed to determine the location-related fill level values using the respective principle.
Korrespondierend zu dem zuvor beschriebenen Füllstandsmessgerät umfasst die Erfindung zudem das folgende Verfahren zur Erstellung eines geometrischen Modells von zumindest einem Teilbereich der Oberfläche eines Füllgutes. Hierzu sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen: Corresponding to the previously described level measuring device, the invention also includes the following method for creating a geometric model of at least a partial area of the surface of a filling material. The following method steps are provided for this purpose:
Aussenden von Radar-Signalen gen Füllgut mit jeweils lateral verändertem Ortsbezug, Sending radar signals towards the filling material with a laterally changed location reference,
Empfang der entsprechenden Radar-Signale nach Reflektion an den verschiedenen Orten auf der Füllgut-Oberfläche, Reception of the corresponding radar signals after reflection at the various locations on the product surface,
Ermittlung ortsbezogener Füllstandswerte anhand der Empfangs-Signale, und Erstellung des geometrischen Modells, indem die ortsbezogenen Füllstandswerte durch zumindest einen geometrischen Körper approximiert werden. Determination of location-related fill level values based on the received signals, and creation of the geometric model by approximating the location-related fill level values using at least one geometric body.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt: The invention is explained in more detail using the following figures. It shows:
Fig. 1 : Ein ortsauflösendes Füllstandsmessgerät an einem Behälter, Fig. 1 : A spatially resolving level measuring device on a container,
Fig. 2: eine erfindungsgemäße Modellierung der Füllgut-Oberfläche. Fig. 2: an inventive modeling of the filling material surface.
Zum Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 ein Behälter 3 mit einem Füllgut 2 gezeigt, dessen Füllstand L zu bestimmen ist. Dabei kann der Behälter 3 je nach Art des Füllgutes 2 und je nach Einsatzgebiet bis zu mehr als 100 m hoch sein. To understand the invention, Fig. 1 shows a container 3 with a filling material 2, the filling level L of which is to be determined. Depending on the type of filling material 2 and the area of application, the container 3 can be up to more than 100 m high.
Um den Füllstand L bestimmen zu können, ist ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in einer bekannten Einbauhöhe h über der Sole des Behälter 3 angebracht. Dabei ist das Füllstandsmessgerät 1 derart an einer entsprechenden Öffnung des Behälters 3 befestigt, so dass Radar-Signale SHF, RHF über eine Antennen- Anordnung in den Behälter s hinein vertikal nach unten gen Füllgut 2 ausgesendet bzw. nach deren Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfangen werden können. Dementsprechend kann das Füllstandsmessgerät 1 im Wesentlichen außerhalb des Behälters 3 angeordnet sein. Nach Reflektiert der ausgesandten Radar-Signale SHF an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Radar-Signale RHF. Dabei ist die resultierende Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar- Signals SHF, RHF gemäß
Figure imgf000009_0001
entsprechend proportional zum Abstand d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und dem Füllgut 2. Bei „c“ handelt es sich in diesem Zusammenhang um die jeweils medienabhängige Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit. Zur Bestimmung der Signallaufzeit t kann im Füllstandsmessgerät 1 das FMCW- oder das Pulslaufzeit- Verfahren implementiert sein. Dementsprechend hat die Erzeugung der auszusendenden Radar-Signale SHF sowie der Empfang der entsprechenden Empfangs-Signale RHF innerhalb des Füllstandsmessgerätes 1 durch eine entsprechend ausgelegte Sende- /Empfangs-Einheit zu erfolgen. Im Falle des FMCW-Verfahrens kann die Sende- /Empfangs-Einheit beispielsweise auf Basis einer Phasenregelschleife („ Phase Locked Loop“) ausgelegt werden. Im Falle des Pulslaufzeit-Verfahrens kann die Sende- /Empfangs-Einheit auf dem Prinzip der Puls-Unterabtastung basieren. In order to be able to determine the fill level L, a radar-based fill level measuring device 1 is mounted above the filling material 2 at a known installation height h above the brine of the container 3. The fill level measuring device 1 is attached to a corresponding opening of the container 3 in such a way that radar signals SHF, RHF can be transmitted vertically downwards into the container s towards the filling material 2 via an antenna arrangement or can be received after they have been reflected on the filling material surface. Accordingly, the fill level measuring device 1 can be arranged essentially outside the container 3. After the emitted radar signals SHF have been reflected on the surface of the filling material, the level measuring device 1 receives the reflected radar signals RHF. The resulting signal runtime t between the emission and reception of the respective radar signal SHF, RHF is according to
Figure imgf000009_0001
accordingly proportional to the distance d between the level measuring device 1 and the filling material 2. In this context, “c” is the media-dependent radar propagation speed. To determine the signal propagation time t, the FMCW or pulse propagation time method can be implemented in the level measuring device 1. Accordingly, the generation of the radar signals SHF to be transmitted and the reception of the corresponding reception signals RHF within the level measuring device 1 must take place by an appropriately designed transmitting/receiving unit. In the case of the FMCW method, the transmitting/receiving unit can be designed, for example, on the basis of a phase locked loop. In the case of the pulse propagation time method, the transmitting/receiving unit can be based on the principle of pulse subsampling.
Beispielsweise nach einer entsprechenden Kalibration kann das Füllstandsmessgerät 1 die gemessene Signallaufzeit t wiederum dem jeweiligen Abstand d zuordnen. Hierüber kann das Füllstandsmessgerät 1 gemäß d = h — L den Füllstand L zumindest punktuell bestimmen, sofern die Einbauhöhe h im Füllstandsmessgerät 1 hinterlegt wird. For example, after a corresponding calibration, the level measuring device 1 can in turn assign the measured signal transit time t to the respective distance d. The level measuring device 1 can then determine the level L at least at certain points according to d = h - L, provided that the installation height h is stored in the level measuring device 1.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine eigene Kommunikations-Einheit, in welcher als Kommunikations-Protokoll beispielweise „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART1, oder „Ethernet“ implementiert ist, mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden. Hierüber können die gemessenen Füllstandswerte L übermittelt werden, beispielsweise um etwaige Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Über dien Kommunikations-Einheit können jedoch auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. As a rule, the level measuring device 1 is connected to a higher-level unit 4, such as a local process control system or a decentralized server system, via its own communication unit, in which “4-20 mA”, “PROFIBUS”, “HART 1 ” or “Ethernet” is implemented as a communication protocol, for example. The measured level values L can be transmitted via this, for example in order to control any inflows or outflows of the container 3. However, other information about the general operating status of the level measuring device 1 can also be communicated via the communication unit.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist die Oberfläche des Füllgutes 2 nicht planar. Dies kann insbesondere bei Schüttgut-artigen Füllgütern 2 eintreten, bspw. wenn sich beim Befüllen des Behälters 3 Schüttkegel bilden. Daneben kann es beim Abpumpen des Füllgutes 2 zu Vertiefungstrichtern an der Füllgut-Oberfläche kommen. Sofern das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L lediglich punktuell an einer Stelle der Oberfläche des Füllgutes 2 bestimmt, führt dies gegebenenfalls zu einer fehlerhaften Interpretation des Füllstandes L. Hierdurch kann ein Entleerungsvorgang fehlerhafterweise gestoppt werden, wenn durch das Füllstandsmessgerät 1 ein leerer Behälter s ermittelt wurde, obwohl am Rand des Behälter-Inneren noch Füllgut 2 vorhanden ist. Im entgegengesetzten Fall kann es bei vollem Behälter s vorkommen, dass ein Befüll- Vorgang nicht angehalten wird, obwohl ein Maximalfüllstand an einer Stelle der Füllgut- Oberfläche bereits überschritten ist, da dies durch das Füllstandsmessgerät 1 nicht erkannt wird. In the example shown in Fig. 1, the surface of the filling material 2 is not planar. This can occur in particular with bulk-type filling materials 2, for example if Filling the container 3 can result in a cone of material being formed. In addition, when the filling material 2 is pumped out, funnels can form on the surface of the filling material. If the level measuring device 1 only determines the filling level L at one point on the surface of the filling material 2, this may lead to an incorrect interpretation of the filling level L. This can lead to an emptying process being stopped incorrectly if the level measuring device 1 has determined that the container s is empty, although there is still filling material 2 at the edge of the inside of the container. In the opposite case, if the container s is full, a filling process may not be stopped, even though a maximum filling level has already been exceeded at one point on the surface of the filling material, because this is not detected by the level measuring device 1.
Aus diesem Grund bestimmt das in Fig. 1 dargestellte Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand Lx;y bezogen auf die horizontale Ebene x;y ortsaufgelöst. Hierzu können in der Sende-/Empfangs-Einheit bzw. in der Auswerte-Einheit beispielsweise das Phased-Array- Prinzip oder das Digital Beam Forming Prinzip implementiert sein, so dass Füllstandswerte Lx;y mit jeweils lateral verändertem Ortsbezug x;y ausgesendet und Empfangs-Signale RHF entsprechend empfangen werden. Dabei ist es zur Erstellung eines Füllgut-Profils vorteilhaft, die einzelnen Radar-Signale SHF in Bezug zur Vertikalen derart mit jeweils unterschiedlichem Ortsbezug x;y auszusenden bzw. zu empfangen, dass ein regelmäßiges Raster gebildet wird. Somit kann die Auswerte-Einheit anhand der entsprechenden Empfangs-Signale RHF Füllstandswerte Lx;y für dieses Raster ermitteln. Das Raster erstreckt sich lateral optimalerweise über den gesamten Innenraum des Behälters 3. Dementsprechend muss die Sende-/Empfangs-Einheit bezüglich des Phased-Array Prinzips bzw. bezüglich des Digital Beam Forming Prinzips in der Lage sein, die Strahlkeule über einen entsprechend weiten Raumwinkelbereich schwenken zu können. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Füllstandsmessgerät 1 ausgelegt ist, ein Raster bzw. einen Raumwinkelbereich von mindestens 90° mit einer Auflösung von mindestens 2° pro Achse zu erfassen. Hieraus resultiert ein entsprechend großer Datensatz an ortsaufgelösten Füllstandswerten Lx;y, der über die Kommunikations-Einheit zu exportieren ist. For this reason, the level measuring device 1 shown in Fig. 1 determines the level L x;y in relation to the horizontal plane x;y with spatial resolution. For this purpose, the phased array principle or the digital beam forming principle, for example, can be implemented in the transmitting/receiving unit or in the evaluation unit, so that level values L x;y are transmitted with a laterally changed location reference x;y and received signals RHF are received accordingly. In order to create a filling material profile, it is advantageous to transmit or receive the individual radar signals SHF in relation to the vertical with a different location reference x;y in such a way that a regular grid is formed. The evaluation unit can thus determine level values L x;y for this grid based on the corresponding received signals RHF. The grid ideally extends laterally over the entire interior of the container 3. Accordingly, the transmitting/receiving unit must be able to swivel the beam over a correspondingly wide solid angle range with regard to the phased array principle or the digital beam forming principle. It is advantageous if the level measuring device 1 is designed to record a grid or a solid angle range of at least 90° with a resolution of at least 2° per axis. This results in a correspondingly large data set of spatially resolved level values L x;y , which is to be exported via the communication unit.
Dreidimensionale Füllgutoberflächen-Profile, die auf den ermittelten Füllstandswerten Lx;y basieren, lassen sich beispielsweise nummerisch in Form von Netzen oder Volumenzellen beschreiben. Für eine hinreichend genaue Beschreibung sind dazu entsprechend viele Stützwerte und damit sehr große Datenmengen erforderlich. Beispielsweise ergibt die Beschreibung des mit einem ortsauflösenden Radarmessgerätes gemessenen Behälterinhalts mit 180 Azimut, 180 Elevation und 500 Entfernungszellen als Volumenzellen bereits 16 Mbit an Datenmenge. Selbst bei einer Datenreduktion von über 90% ist die resultierende Datenmenge für Schmalbandfunknetze und „HART1 im „4-20 mA“-Betrieb in Zeiträumen von wenigen Minuten nicht zu übertragen. Three-dimensional filling material surface profiles based on the determined filling level values L x;y can be described numerically in the form of networks or volume cells, for example. For a sufficiently accurate description, a corresponding number of support values and thus very large amounts of data are required. For example, the description of the container content measured with a spatially resolving radar measuring device with 180 azimuth, 180 elevation and 500 distance cells as volume cells already results in 16 Mbit of data. Even with a data reduction of over 90%, the resulting data volume for narrowband radio networks is and “HART 1 in “4-20 mA” mode not to be transmitted for periods of a few minutes.
Vor allem, sofern die Kommunikations-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 also auf dem 4-20 mA Übertragungs-Standard basiert oder aufgrund von Explosionsschutz- Vorschriften in sonstiger Weise in seiner Datenübertragungsrate limitiert wird, ist eine verzögerungsfreie Übertragung des kompletten Datensatzes der gerasterten Füllstandswerte Lx;y je nach Größe des Datensatzes nicht möglich, obwohl dies zur Steuerung von Pumpen oder Abflüssen ggf. erforderlich ist. In particular, if the communication unit of the level measuring device 1 is based on the 4-20 mA transmission standard or its data transmission rate is otherwise limited due to explosion protection regulations, a delay-free transmission of the complete data set of the rasterized level values L x;y is not possible depending on the size of the data set, although this may be necessary to control pumps or drains.
Daher erstellt die Auswerte-Einheit erfindungsgemäß ein geometrisches Modell MG von vorzugsweise der gesamten Füllgut-Oberfläche im Behälter s, wobei das Modell MG auf einem oder mehreren geometrischen Körpern z1 , k1 , k2 ,B basiert. Dabei ist es prinzipiell nicht vorgeschrieben, welche Art an geometrischen Körpern z1 , k1 , k2 ,B zur approximierten Abbildung der Füllgut-Oberfläche herangezogen wird. Denkbar sind einfache geometrische Körpern, wie Kuben, Zylinder oder Kegel. Denkbar sind jedoch auch komplexere Körper, wie Kugelsegmente oder Ogive. Dabei kann das geometrische Modell MG durch die Auswerte-Einheit pragmatischer weise zunächst so erstellt werden, dass der Basispunkt des Modells MG am Ort des Füllstandsmessgerätes 1 definiert ist. Eine nachträgliche Änderung des Basispunktes durch den Anwender, so das der Basispunkt beispielsweise an einem Ort innerhalb des Behälters definiert ist, kann durch entsprechende Koordinaten-Translation erreicht werden. Therefore, according to the invention, the evaluation unit creates a geometric model MG of preferably the entire filling material surface in the container s, wherein the model MG is based on one or more geometric bodies z1, k1, k2, B. In principle, it is not prescribed which type of geometric bodies z1, k1, k2, B are used to approximate the filling material surface. Simple geometric bodies such as cubes, cylinders or cones are conceivable. However, more complex bodies such as spherical segments or ogives are also conceivable. In this case, the geometric model MG can pragmatically initially be created by the evaluation unit in such a way that the base point of the model MG is defined at the location of the level measuring device 1. A subsequent change to the base point by the user, so that the base point is defined at a location within the container, for example, can be achieved by appropriate coordinate translation.
Visualisiert ist die erfindungsgemäßen Erstellung des geometrischen Modells MG schematisch in Fig. 2: Bei der dort gezeigten Ausführungsvariante basiert das Modell MG auf einem Grundkörper B, welcher aus der gen Füllgut-Oberfläche extrudierten Querschnittsgeometrie des Behälter-Inneren resultiert. In diesem Fall ist es erforderlich, die die Querschnittsgeometrie des jeweiligen Behälters 3 in der Auswertungs-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 zu hinterlegen. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, handelt es sich bei der dortigen Ausführungsvariante um einen Behälter s, dessen Innenraum über die gesamte Höhe h eine kreisförmige Querschnittsgeometrie aufweist. The creation of the geometric model MG according to the invention is visualized schematically in Fig. 2: In the embodiment shown there, the model MG is based on a base body B, which results from the cross-sectional geometry of the interior of the container extruded towards the filling material surface. In this case, it is necessary to store the cross-sectional geometry of the respective container 3 in the evaluation unit of the level measuring device 1. As shown in Fig. 2, the embodiment shown there is a container s, the interior of which has a circular cross-sectional geometry over the entire height h.
Um die Füllgut-Oberfläche zu modellieren, wird der Grundkörper B bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante exemplarisch durch drei geometrische Körper z, k1 , k2 modifiziert. Dabei erfolgt die Modifikation in Form logischer bzw. arithmetischer Operationen: Von einem Zylinder z wird ein erster Kegel k1 subtrahiert und vertikal versetzt durch Addition ein zweiter Kegel k2 hinzugefügt. Der resultierende Teilkörper wird mit dem extrudierten Grundkörper B geschnitten, woraus das geometrische Modell MG der Füllgut-Oberfläche resultiert. Wie das in Fig. 2 gezeigte Modell MG zeigt, kann dadurch der Füllstand Lx;y des Füllgut 2 insofern ortsaufgelöst nachgebildet werden, als dass sich im Behälter s bspw. ein Schüttgutkegel und gleichzeitig ein Vertiefungstrichter durch ablaufendes Schüttgut 2 ausbildet. Es versteht sich hierbei von selbst, dass es sich bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante lediglich um ein stark vereinfachtes Beispiel handelt. In order to model the filling material surface, the base body B is modified by three geometric bodies z, k1, k2 in the embodiment shown in Fig. 2. The modification takes place in the form of logical or arithmetic operations: a first cone k1 is subtracted from a cylinder z and a second cone k2 is added vertically offset by addition. The resulting partial body is cut with the extruded base body B, which results in the geometric model MG of the filling material surface. As the model MG shown in Fig. 2 shows, the filling level L x;y of the filling material 2 can be reproduced in a spatially resolved manner in that that in the container s, for example, a bulk material cone and at the same time a depression funnel are formed by the flowing bulk material 2. It goes without saying that the embodiment shown in Fig. 2 is only a greatly simplified example.
Vorteilhaft an dieser erfindungsgemäßen Modellierung der Füllgut-Oberfläche ist, dass hierdurch je nach Art, Anzahl und Größe derjenigen geometrischen Körper z1 , k1 , k2 , B, die dem resultierenden Modell MG zugrunde liegen, das Model MG in Bezug zu den ortsbezogenen Füllstandswerten Lx;y durch eine deutlich reduzierte Datenmenge darstellbar ist. Veranschaulicht wird diese Datenkomprimierung dadurch, dass beispielsweise ein Kegel k1 , k2 als geometrischer Körper z1 , k1 , k2 ,B mathematisch lediglich durch dessen Höhe, dessen Öffnungswinkel, dessen Position und ggf. dessen räumlicher Ausrichtung darstellbar ist. Dabei ist die Datenmenge, die zur mathematischen Beschreibung dieser Parameter erforderlich ist, je nach korrespondierenden Bereich auf der Füllgut-Oberfläche wesentlich kleiner als die Datenmenge an ortsaufgelösten Füllstandswerten Lx;y aus dem Teilbereich der Füllgut-Oberfläche, der durch den Kegel k1 , k2 abgedeckt wird. The advantage of this modeling of the filling material surface according to the invention is that, depending on the type, number and size of the geometric bodies z1, k1, k2, B on which the resulting model MG is based, the model MG can be represented in relation to the location-related fill level values L x;y using a significantly reduced amount of data. This data compression is illustrated by the fact that, for example, a cone k1, k2 as a geometric body z1, k1, k2, B can only be represented mathematically by its height, its opening angle, its position and, if applicable, its spatial orientation. The amount of data required to mathematically describe these parameters is, depending on the corresponding area on the filling material surface, significantly smaller than the amount of data on spatially resolved fill level values L x;y from the partial area of the filling material surface covered by the cone k1, k2.
In Bezug zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante erfordert es zur Übertragung des konkreten Modells MG gemäß
Figure imgf000012_0001
In relation to the embodiment shown in Fig. 2, the transfer of the concrete model MG according to
Figure imgf000012_0001
2 Byte an Datenmenge pro Parameterwert und ein Byte für die Objektart. Für die Verknüpfungen genügen weniger als 64 Byte. 2 bytes of data per parameter value and one byte for the object type. Less than 64 bytes are sufficient for the links.
Das Beispiel macht deutlich, dass der Faktor der Datenreduktion unter anderem davon abhängt, wie stark das geometrische Modell MG an das zugrundeliegende Raster an Füllstandswerten Lx;y approximiert wird. Dabei können in der Auswerte-Einheit entweder klassische Approximations-Algorithmen, wie beispielsweise die Methode der kleinsten Quadrate („Least Squares“), oder maschinelle bzw. selbstlernende Algorithmen, wie ein künstliches neuronales Netz implementiert werden, um anhand der Füllstandswerte Lx;y das geometrische Model MG ZU approximieren. Denkbar ist es in diesem Zusammenhang, den Approximations-Algorithmus derart in der Auswerte-Einheit zu implementieren, so dass das resultierende geometrische Modell Mc eine definierte Maximai-Datenmenge umfasst, oder so dass die Datenmenge des Modells MG in Bezug zu den zugrundeliegenden Füllstandswerten Lx;y um einen Mindest-Faktor von bspw. 102 komprimiert wird. Hierdurch wird es der Kommunikations-Einheit ermöglicht, das jeweils approximiertes Modell MG der Füllgut-Oberfläche auch im Falle limitierter Datenrate mit hoher Aktualisierungs-Rate von bspw. 10 Hz an die übergeordnete Einheit 4 zu übermitteln. The example makes it clear that the data reduction factor depends, among other things, on how closely the geometric model MG is approximated to the underlying grid of fill level values L x;y . In this case, either classic approximation algorithms, such as the least squares method, or machine or self-learning algorithms, such as an artificial neural network, can be implemented in the evaluation unit in order to approximate the geometric model MG ZU based on the fill level values L x;y . In this context, it is conceivable to implement the approximation algorithm in the evaluation unit in such a way that the resulting geometric model Mc includes a defined maximum data volume, or so that the data volume of the model MG is compressed by a minimum factor of, for example, 10 2 in relation to the underlying fill level values L x;y . This enables the communication unit to to transmit the approximated model MG of the filling material surface to the higher-level unit 4 even in the case of a limited data rate with a high update rate of e.g. 10 Hz.
Die Approximations-Dauer, welche die Auswerte-Einheit zur Approximation des jeweils aktuellen Modells MG benötigt, hängt unter anderem davon ab, ob das Modell MG in Bezug zu dem zuvor generierten Modell MG stark angepasst werden muss. Dies richtet sich wiederum danach, ob sich der Füllstand Lx;y bzw. die Topologie stark geändert hat. Sofern in der Auswerte-Einheit zur Generierung des geometrischen Modells MG ein maschineller Lern-Algorithmus implementiert ist, hängt die jeweilige Approximations- Dauer zudem vom aktuellen Lernfortschritt des Lern-Algorithmus ab. Dementsprechend kann die Kommunikations-Einheit im Bedarfsfall insofern flexibel ausgelegt werden, als dass sie die Aktualisierungs-Rate, mit welcher das jeweils aktuelle Modell MG an die übergeordnete Einheit 4 übertragen wird, selbstständig in Abhängigkeit der Approximations-Dauer einstellt. The approximation time that the evaluation unit needs to approximate the current model MG depends, among other things, on whether the model MG has to be significantly adjusted in relation to the previously generated model MG. This in turn depends on whether the fill level L x;y or the topology has changed significantly. If a machine learning algorithm is implemented in the evaluation unit for generating the geometric model MG, the respective approximation time also depends on the current learning progress of the learning algorithm. Accordingly, the communication unit can be designed flexibly if necessary in that it independently sets the update rate with which the current model MG is transmitted to the higher-level unit 4 depending on the approximation time.
Sofern sich die Approximations-Dauer also bspw. durch zunehmenden Lernfortschritt verringert, kann die Kommunikations-Einheit die Aktualisierungs-Rate entsprechend antiproportional zur Approximations-Dauer erhöhen, zumindest bis die maximal mögliche Datenübertragungsrate erreicht ist. Im anderen Fall, also wenn sich die Approximations- Dauer trotz etwaigem Lernfortschritt erhöht, lässt dies wiederum auf eine starke Änderung der Füllgut-Topologie schließen. In diesem Szenario kann die Kommunikations-Einheit bei entsprechender Auslegung ein Warnsignal an die Prozessleitstelle 4 ausgeben, sofern die Approximations-Dauer einen definierten Maximalwert überschreitet, oder sofern sich die Approximations-Dauer in Bezug zu einem vorhergehend approximierten Modell MG um einen Mindestwert erhöht hat. Hierdurch kann vor irregulären Zuständen im Behälter 3 gewarnt werden, wie z. B. dem Abrutschen einer Flanke oder dem Abbrechen einer Wechte. If the approximation time decreases, for example due to increasing learning progress, the communication unit can increase the update rate inversely to the approximation time, at least until the maximum possible data transfer rate is reached. In the other case, i.e. if the approximation time increases despite any learning progress, this in turn indicates a major change in the filling material topology. In this scenario, the communication unit can, if designed accordingly, issue a warning signal to the process control center 4 if the approximation time exceeds a defined maximum value, or if the approximation time has increased by a minimum value in relation to a previously approximated model MG. This can be used to warn of irregular conditions in the container 3, such as a flank slipping or a cornice breaking off.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Füllstandsmessgerät 1 level gauge
2 Füllgut 3 Behälter 2 Filling material 3 Container
4 Übergeordnete Einheit 4 Superior unit
11 Sammel-Linse 11 Collecting lens
B Innenquerschnittsform des Behälters d Entfernung H Höhe des geometrischen Körpers h Einbauhöhe k1 ,2 Kegel B Internal cross-sectional shape of the vessel d Distance H Height of the geometric body h Installation height k1 ,2 Cone
Lx;y Füllstandswert L x;y level value
MG Geometrisches Modell R Radius MG Geometric Model R Radius
RHF SHF (Reflektiertes) Radar-Signal x;y Ortskoordinaten z Zylinder R HF SHF (Reflected) Radar Signal x;y Location Coordinates z Cylinder

Claims

Patentansprüche Patent claims
1 . Füllstandsmessgerät zur Ermittlung eines geometrischen Modells (MG) von zumindest einem Ausschnitt der Oberfläche eines Füllgutes (2), umfassend: 1 . Level measuring device for determining a geometric model (MG) of at least a section of the surface of a filling material (2), comprising:
Eine Sende-/Empfangs-Einheit, die ausgelegt ist, o Radar-Signale (SHF) mit lateral veränderbarem Ortsbezug (x;y) gen Füllgut (2) auszusenden, o nach Reflektion an einem entsprechenden Ort (x;y) der Füllgut-Oberfläche entsprechende-Empfangs-Signale (RHF) ZU empfangen, und eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, o anhand der Empfangs-Signale (RHF) ortsbezogene Füllstandswerte (Lx;y) zu ermitteln, und o um das geometrische Modell (MG) ZU erstellen, indem die ortsbezogenen Füllstandswerte (Lx;y) durch zumindest einen geometrischen Körper (z1 , k1 , k2 ,B) approximiert werden. A transmitting/receiving unit which is designed to o transmit radar signals (SHF) with a laterally variable location reference (x;y) towards the filling material (2), o receive corresponding reception signals (RHF) after reflection at a corresponding location (x;y) on the filling material surface, and an evaluation unit which is designed to o determine location-related filling level values (L x;y ) based on the reception signals (RHF), and o to create the geometric model (MG) by approximating the location-related filling level values (L x;y ) by at least one geometric body (z1 , k1 , k2 ,B).
2. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 , umfassend: 2. Level measuring device according to claim 1, comprising:
Eine Kommunikations-Einheit, mittels dem das geometrische Modell (MG) an eine externe Einheit (4) übertragebar ist. A communication unit by means of which the geometric model (MG) can be transmitted to an external unit (4).
3. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 2, wobei die Kommunikations-Einheit ausgelegt ist, eine Aktualisierungs-Rate, mit welcher das jeweils aktuelle Modell MG an die externe Einheit 4 übertragen wird, insbesondere antiproportional in Abhängigkeit einer Approximations-Dauer einzustellen. 3. Level measuring device according to claim 2, wherein the communication unit is designed to set an update rate with which the respective current model MG is transmitted to the external unit 4, in particular antiproportionally depending on an approximation duration.
4. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Kommunikations-Einheit ausgelegt ist, ein Warnsignal auszugeben, sofern die Approximations-Dauer einen definierten Maximalwert überschreitet, und/oder sofern sich die Approximations-Dauer in Bezug zu einem vorhergehend approximierten Modell MG um einen Mindestwert erhöht. 4. Level measuring device according to claim 2 or 3, wherein the communication unit is designed to output a warning signal if the approximation duration exceeds a defined maximum value and/or if the approximation duration increases by a minimum value in relation to a previously approximated model MG.
5. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sende- ZEmpfangs-Einheit ausgelegt, ist Radar-Signale (SHF) gemäß des Phased-Array-Prinzips oder mittels des Digital Beam Forming Prinzips mit lateral veränderbarem Ortsbezug (x;y) auszusenden und Empfangs-Signale (RHF) entsprechend zu empfangen, und wobei die Auswerte-Einheit ausgelegt ist, die ortsbezogenen Füllstandswerte (Lx;y) gemäß des entsprechenden Prinzips zu ermitteln. 5. Level measuring device according to one of the preceding claims, wherein the transmitting/receiving unit is designed to transmit radar signals (SHF) according to the phased array principle or by means of the digital beam forming principle with a laterally variable location reference (x;y) and to receive reception signals (RHF) accordingly, and wherein the evaluation unit is designed to determine the location-related level values (L x;y ) according to the corresponding principle.
6. Verfahren zur Erstellung eines geometrischen Modells (MG) von zumindest einem Ausschnitt der Oberfläche eines Füllgutes (2) mittels des Füllstandsmessgerätes (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: 6. Method for creating a geometric model (MG) of at least a section of the surface of a filling material (2) by means of the level measuring device (1) according to one of the preceding claims, comprising the following method steps:
Aussenden von Radar-Signalen (SHF) gen Füllgut (2) mit jeweils lateral verändertem Ortsbezug (x;y), Empfang der entsprechenden Radar-Signale (RHF) nach Reflektion an den verschiedenen Orten (x;y) auf der Füllgut-Oberfläche, Ermittlung ortsbezogener Füllstandswerte (Lx;y) anhand der Empfangs-Signale (RHF), und Erstellung des geometrischen Modells (MG), indem die ortsbezogenen Füllstandswerte (Lx;y) durch zumindest einen geometrischen Körper (z1 , k1 , k2 ,B) approximiert werden. Sending radar signals (SHF) towards the filling material (2), each with a laterally changed location reference (x;y), receiving the corresponding radar signals (RHF) after reflection at the various locations (x;y) on the filling material surface, determining location-related filling level values (L x;y ) based on the received signals (RHF), and creating the geometric model (MG) by approximating the location-related filling level values (L x;y ) by at least one geometric body (z1 , k1 , k2 ,B).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Anzahl, die Form und/oder die Größe der geometrischen Körper (z1 , k1 , k2 ,B) derart gewählt sind/ist, so dass die Datenmenge des Modells (MG) in Bezug zu den ortsbezogenen Füllstandswerten (Lx;y) um zumindest einen Faktor 102 komprimiert wird. 7. The method according to claim 6, wherein the number, the shape and/or the size of the geometric bodies (z1, k1, k2, B) are/is selected such that the data volume of the model (MG) is compressed by at least a factor of 10 2 in relation to the location-related fill level values (L x; y ).
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei als geometrische Körper ein oder mehrere Quader, Kegel (k1 , k2), Zylinder (z), Ogive und/oder Kugelausschnitte zur Approximation des Modells (MG) herangezogen werden/wird. 8. Method according to claim 6 or 7, wherein one or more cuboids, cones (k1, k2), cylinders (z), ogives and/or sphere sections are used as geometric bodies for approximating the model (MG).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Füllgut (2) in einem Behälter (3) mit bekannter Innenquerschnittsform (B) gelagert ist, und wobei die Auswerte-Einheit ausgelegt die extrudierte Innenquerschnittsform (B) zur Approximation des Modells (MG) miteinzubeziehen. 9. Method according to one of claims 6 to 8, wherein the filling material (2) is stored in a container (3) with a known internal cross-sectional shape (B), and wherein the evaluation unit is designed to include the extruded internal cross-sectional shape (B) for approximating the model (MG).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das geometrische Modell (MG) mittels der Methode der kleinsten Quadrate oder mittels eines maschinellen Lern- Algorithmus, insbesondere eines künstlichen neuronalen Netzes, approximiert wird. 10. The method according to one of claims 6 to 9, wherein the geometric model (MG) is approximated by means of the least squares method or by means of a machine learning algorithm, in particular an artificial neural network.
11 . Verfahren nach Anspruch 6 bis 10, wobei die geometrischen Körper (z1 , k1 , k2 ,B) zur Erstellung des Models (MG) entsprechend logischer und/oder arithmetischer Operationen, insbesondere Vereinigung, Schnitt und/oder Differenz, verknüpft werden, sofern mehrere geometrische Körper (z1 , k1 , k2 ,B) zur Approximation herangezogen werden. 11. Method according to claim 6 to 10, wherein the geometric bodies (z1, k1, k2, B) are linked to create the model (MG) according to logical and/or arithmetic operations, in particular union, intersection and/or difference, if several geometric bodies (z1, k1, k2, B) are used for the approximation.
PCT/EP2023/075161 2022-10-24 2023-09-13 Transmission of spatially resolved filling level measurement values WO2024088642A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022128063.2A DE102022128063A1 (en) 2022-10-24 2022-10-24 Transmission of spatially resolved level measurements
DE102022128063.2 2022-10-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024088642A1 true WO2024088642A1 (en) 2024-05-02

Family

ID=88092839

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/075161 WO2024088642A1 (en) 2022-10-24 2023-09-13 Transmission of spatially resolved filling level measurement values

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022128063A1 (en)
WO (1) WO2024088642A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10036131A1 (en) 2000-07-25 2002-02-07 Volkswagen Ag Radar sensor for sensing traffic situation around a vehicle, has patch antennas, millimeter wave circuit and digital signal processor arranged on both sides of integrated carriers i.e. insulation layers with wirings
US20060201246A1 (en) * 2005-03-11 2006-09-14 Ilona Rolfes Method employing the radar principle for measuring the fill level of a medium in a container
DE102013108490A1 (en) 2013-08-07 2015-02-12 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Dispersion correction for FMCW radar in a tube
EP3137857B1 (en) * 2014-05-02 2020-08-19 VEGA Grieshaber KG Filling level measurement by surface topology determinition and with pivot point coordinate correction
US11326926B2 (en) * 2017-10-06 2022-05-10 Vega Grieshaber Kg Radar fill level measurement device with a radar system-on-chip

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190346355A1 (en) 2018-05-14 2019-11-14 Jack Oliver Adolf LUNDIN Method for estimating in real-time stockpile particle size distribution associated to a level-based discretization
US11796377B2 (en) 2020-06-24 2023-10-24 Baker Hughes Holdings Llc Remote contactless liquid container volumetry

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10036131A1 (en) 2000-07-25 2002-02-07 Volkswagen Ag Radar sensor for sensing traffic situation around a vehicle, has patch antennas, millimeter wave circuit and digital signal processor arranged on both sides of integrated carriers i.e. insulation layers with wirings
US20060201246A1 (en) * 2005-03-11 2006-09-14 Ilona Rolfes Method employing the radar principle for measuring the fill level of a medium in a container
DE102013108490A1 (en) 2013-08-07 2015-02-12 Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg Dispersion correction for FMCW radar in a tube
EP3137857B1 (en) * 2014-05-02 2020-08-19 VEGA Grieshaber KG Filling level measurement by surface topology determinition and with pivot point coordinate correction
US11326926B2 (en) * 2017-10-06 2022-05-10 Vega Grieshaber Kg Radar fill level measurement device with a radar system-on-chip

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022128063A1 (en) 2024-04-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2803951B1 (en) Topology determination for bulk materials
EP2803952B1 (en) Measuring device control for determining a topology of a surface of a bulk material
EP3209979B1 (en) Topology determination of a filling material surface with uniform line scanning
EP3105554B1 (en) Determining a topology of the surface of a material filled into a container
EP3309899A1 (en) Radar antenna for a fill level measuring device
EP3309523B1 (en) Level meter for determining a topology of a product surface
CH710383B1 (en) Antenna device with slot antenna
EP3105815B1 (en) Fill level and topology determination
EP3736546B1 (en) Fill level radar with adaptive transmission power
DE102005063079A1 (en) Medium`s fluid level determining and monitoring method for use in container, involves determining measurement position representing fluid level within group range of echo groups, based on determination procedure
DE102019118581A1 (en) Measuring device and method for creating a tank table
DE102021103543A1 (en) Angle-resolving level gauge
EP3861305B1 (en) Method of filling-level measurement
WO2022111942A1 (en) Fill volume measurement
DE102021100695B4 (en) Method of operating a topology sensing radar system inside a vessel
DE102018112819A1 (en) Angle-resolving distance measuring device
WO2024088642A1 (en) Transmission of spatially resolved filling level measurement values
WO2021175813A1 (en) Fill level measurement device
EP3105556B1 (en) Determining a fill level and topology
DE102022128393A1 (en) Spatially resolving level measurement
EP3910326A1 (en) System for detecting and / or determining the volume of bodies or materials made from dielectric and / or conductive material
EP4232783A1 (en) Topology-acquiring level gauge
WO2022058102A1 (en) Angular resolution fill level measuring device
DE102018128253A1 (en) Method for aligning a radar-based level measuring device
EP2662928B1 (en) Antenna device and method for the electronic panning of a radar beam

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23772165

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1