DE102022128393A1 - Ortsauflösende Füllstandsmessung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät (1) zur Ermittlung ortsbezogener Füllstandswerte (Lx;y), das mit geringer Rechenleistung und geringem Leistungsverbrauch betreibbar ist. Hierzu basiert das Füllstandsmessgerät (1) auf einer Sammel-Linse (11), welche gen Füllgut (2) gerichtet ist, so dass Radarsignale (SHF, RHF) gebündelt gen Füllgut (2) aussendbar bzw. nach Reflektion gebündelt empfangbar sind. Mehrere Radar-ICs (12, 12') zur Erzeugung und zum Empfang der Radar-Signale (SHF, RHF) sind in Bezug zum Füllgut (2) hinter der Sammel-Linse (11) mit einem jeweils unterschiedlichen Versatz (V1x;y, V2x;y) zur optischen Achse (a) angeordnet, woraus die Ortsauflösung resultiert. Hierdurch erfahren die Radar-Signale (SHF, RHF) eine jeweils definierte, unterschiedliche Ablenkung gen Füllgut (2). Um die korrespondierenden, ortsbezogenen Füllstandswerte (Lx;y) zu ermitteln, steuert eine Steuer-Auswerte/-Einheit (14) die Radar-ICs (11, 11') entsprechend an. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung kann auf ein rechenaufwendige Signal-Auswertung, wie beispielsweise digitale Strahlformung verzichtet werden. Zugleich ist der Hardware-Aufwand begrenzt, da keine integrierten Strahl-Arrays als Radar-ICs (12, 12') erforderlich sind, sondern lediglich Einzelstrahler.

Description

• Die Erfindung betrifft ein ortsauflösendes Füllstandsmessgerät sowie ein Verfahren zum Betrieb des Füllstandsmessgerätes.
• 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.
• 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).
• 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.
• Die zeitliche Änderung der Frequenz innerhalb des Frequenzbandes ist standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise DreiecksForm 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 .
• 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 „Strahlwinkel“ handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung um denjenigen Winkel, in dem die Strahlkeule ihre maximale Sende-Intensität bzw. Empfangs-Empfindlichkeit aufweist).
• 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.
• Zur ortsauflösenden Füllstandsmessung kann die Strahlkeule des Radarbasierten Füllstandsmessgerätes mechanisch schwenkbar ausgelegt werden, damit das Füllgut-Profil über den gesamten Behälter-Querschnitt oder zumindest einen Teilbereich hiervon erfasst werden kann. Aufgrund des erhöhten Wartungsaufwands sind solche Ausführungsformen jedoch lediglich in Sonderanwendungen, wie bspw. im Bergbau verwendet.
• 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 α der Strahlkeule in Abhängigkeit der Phasenverschiebung φ gemäß $$\mathrm{\alpha }\sim \text{arcsin}\left(\mathrm{\phi }\right)$$

  

  ein.
• 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.
• 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 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 Ortsauflösung der Füllstandsmessung erreicht werden. Allerdings ist die Signalverarbeitung in beiden Fällen sehr komplex und erfordert eine entsprechende Hardware bzw. eine entsprechende Rechenleistung. Insbesondere der Leistungsverbrauch ist bei Füllstandsmess-Anwendungen jedoch aufgrund von Explosionsschutzvorgaben stark limitiert.
• Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, ein ortsauflösendes Füllstandsmessgerät bereitzustellen, das sich mit einer geringen Rechenleistung und entsprechend geringem Leistungsverbrauch betreiben lässt.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Ermittlung ortsbezogener Füllstandswerte eines Füllgutes in einem Behälter, das folgende Komponenten umfasst:
• - Eine Sammel-Linse mit einer optischen Achse, welche im befestigten Zustand gen Füllgut gerichtet ist, so dass Radarsignale gebündelt gen Füllgut aussendbar bzw. nach deren Reflektion an der Füllgut-Oberfläche gebündelt empfangbar sind,
• - zumindest zwei Radar-ICs, die ausgelegt sind,
  • ◯ um die auszusendenden Radar-Signale zu erzeugen, und/oder
  • ◯ um nach Reflektion am Füllgut die reflektierten Radar-Signale zu empfangen und hieraus jeweils ein Empfangs-Signal, mittels welchem eine Radar-Signallaufzeit bestimmbar ist, zu generieren.
• Erfindungsgemäß sind die zumindest zwei Radar-ICs in Bezug zum Füllgut hinter der Sammel-Linse mit einem definierten, jeweils unterschiedlichen Versatz zur optischen Achse angeordnet und gen Sammel-Linse ausgerichtet. Es ist hierbei jedoch nicht ausgeschlossen, dass einer der zumindest zwei Radar-ICs einen Versatz von null zur optischen Achse aufweist), und
• - eine Steuer-Auswerte/-Einheit, die ausgelegt ist, die Radar-ICs derart anzusteuern und die Signallaufzeiten zu bestimmen, um zumindest zwei ortsbezogene Füllstandswerte zu ermitteln.
• 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 FPGA's, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Schaltungen der Einheit im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Dabei ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb der Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.
• Durch die Auslegung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes mit einer Mehrzahl an Radar-ICs, die in Bezug zur Sammel-Linse entsprechend angeordnet sind, lässt sich der Bereich der Füllgut-Oberfläche mit geringem Hardware- und Auswertungs-Aufwand ohne Mehrdeutigkeitsfehler bzw. Abweichungen durch etwaig fehlerhafte Kalibrierung erfassen. Das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät ist auch fertigungstechnisch insofern vorteilhaft, als dass die zumindest zwei Radar-ICs eine gemeinsame Kapselung aufweisen können.
• Um eine hinreichende Auflösung an Füllstands-Messpunkten zu erzielen, ist es vorteilhaft,
• - die Anzahl an Radar-ICs,
• - den jeweiligen Abstand der zumindest zwei Radar-ICs zueinander,
• - den Abstand der Radar-ICs zur Sammel-Linse,
• - die Dioptrie der Sammel-Linse, und
• - die Radar-Frequenz der Radar-ICs
derart aufeinander abzustimmen, dass die resultierende Hauptabstrahlkeulen der Radar-ICs in den Behälter einen Versatz von maximal -10dB zueinander aufweisen. Für eine homogene Auflösung ist es außerdem von Vorteil, wenn die zumindest zwei Radar-ICs in Bezug zur optischen Achse spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Anderseits sollten diese Parameter so gewählt sein, dass die Hauptabstrahlkeulen maximal -3dB zueinander aufweisen, da ansonsten die Orts-Eindeutigkeit der gemessenen Füllstandswerte nicht mehr sichergestellt ist.
• Im Rahmen der Erfindung ist es nicht vorrangig, welches Radar-Verfahren zur Bestimmung der einzelnen Laufzeiten implementiert ist. Die zumindest zwei Radar-ICs können beispielsweise entsprechend ausgelegt werden, um die Radar-Signale bzw. die Empfangs-Signale gemäß des FMCW- oder Pulslaufzeit-Verfahrens zu generieren. Außerdem kann das erfindungsgemäße Füllstandmessgerät insofern weiterentwickelt werden, als dass die zumindest zwei Radar-ICs derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass sie die Radar-Signale mit einem umso schmaleren Strahlkegel gen Sammel-Linse aussenden bzw. von dort empfangen, je größer der betragsmäßige Versatz des jeweiligen Radar-ICs zur optischen Achse ist. Hierdurch kann die laterale Auflösung der Füllstandswerte über die Höhe des Behälters annähernd konstant gehalten werden.
• In dem erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät kann im simpelsten Fall das monostatische Betriebsverfahren implementiert werden. In diesem Fall wird das Radar-Signal jeweils durch den gleichen Radar-IC ausgesandt und empfangen, um hieraus einen entsprechenden Füllstandswert L_x;y zu ermitteln. Dementsprechend entspricht die Anzahl der lateralen Positionen, an denen jeweils ein Füllstandswert ermittelbar ist, der Anzahl an eingesetzten Radar-ICs. Um mit gleicher Anzahl an Radar-ICs an deutlich mehr Positionen Füllstandswerte bestimmen zu können, ist es vorteilhaft, die Steuer-Auswerte/- Einheit so auszulegen, dass sie die Radar-ICs mittels des bistatischen Radarverfahrens ansteuert bzw. entsprechende Füllstandswerte bestimmt. Zumindest im Fall des bitstatischen Verfahrens ist es notwendig, dass alle Radar-ICs hochfrequenztechnisch mittels einer gemeinsamen Taktquelle getaktet sind. Hierdurch ist gewährleistet, dass die von den verschiedenen Radar-ICs ausgesandten Radar-Signale dieselbe Phasenlage aufweisen.
• Das bistatische Verfahren ist auch insofern vorteilhaft, als dass am erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät eine Plausibilitätsprüfung von ermittelten Füllstandswerten durchgeführt werden kann, wodurch der Betrieb der Prozess-Anlage sicherer wird. Folgende Verfahrensschritte sind zu Plausibilitätsprüfung anzuwenden:
• - Aussenden eines Radar-Signals mittels des ersten Radar-ICs,
• - Empfang des entsprechenden Radar-Signals nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche über das zweite Radar-IC,
• - Ermittlung einer ersten Signallaufzeit anhand des entsprechenden Empfangs-Signals,
• - Ermittlung einer zweiten Signallaufzeit durch Wiederholen der vorhergehenden Verfahrensschritte, wobei die zwei Radar-ICs als Sender bzw. Empfänger vertauscht werden, und
• - Einstufung des Füllstandswertes als unplausibel, sofern die erste Signallaufzeit und die Signallaufzeit nicht übereinstimmen.
• Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
• 1: Ein erfindungsgemäßes Füllstandsmessgerät an einem Behälter,
• 2: einen konzeptionellen Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes als Querschnittsansicht,
• 3: einen konzeptionellen Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes als Draufsicht, und
• 4: ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Messgerätes.
• Zum prinzipiellen Verständnis der Erfindung ist in 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.
• 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 S_HF, R_HF in Bezug zu einer definierten Achse a, die in den Behälter 3 hinein vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist, 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 Reflektion der ausgesandten Radar-Signale S_HF an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Radar-Signale R_HF. Dabei ist die resultierende Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals S_HF, R_HF gemäß $$t=\frac{2\ast d}{c}$$

  

  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. Beispielsweise auf Basis 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.
• In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine separate Schnittstellen-Einheit, wie etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden. Hierüber können die gemessenen Füllstandswerte L übermittelt werden, beispielsweise um etwaige Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.
• Wie in 1 dargestellt wird, 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 Ablassen 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 3 ermittelt wurde, obwohl am Rand des Behälter-Inneren noch Füllgut 2 vorhanden ist. Im entgegengesetzten Fall kann es bei vollem Behälter 3 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.
• Aus diesem Grund bestimmt das in 1 dargestellte Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L_x;y ortsaufgelöst, bezogen auf die zur Achse a orthogonalen Ebene x;y. Zentraler Bestandteil ist hierbei eine für die Radar-Signale S_HF, R_HF fokussierend wirkende Linse 11. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsvariante schließt die Sammel-Linse 11 das Füllstandsmessgerät 1 gen Füllgut 2 ab. Dabei ist die Sammel-Linse 11 im befestigten Zustand des Füllstandsmessgerätes 1 am Behälter 3 derart ausgerichtet, dass dessen optische Achse a, entlang derer die Radar-Signale S_HF, R_HF fokussierbar sind, vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist, wie in 1 dargestellt ist. Vorzugsweise ist die Sammel-Linse 11 so am Füllstandsmessgerät 1 eingefasst, dass die im Inneren des Füllstandsmessgerätes 1 befindlichen Komponenten explosionskonform vom Inneren des Behälters 3 gekapselt sind.
• Im Inneren des Füllstandsmessgerätes 1, also in Bezug zum Füllgut 2 hinter der Sammel-Linse 11, sind erfindungsgemäß eine Mehrzahl an Radar-ICs 12, 12' vorgesehen. Dabei weist jedes der Radar-ICs 12, 12' hinsichtlich punktueller Abstandsmessung eine vollwertige Funktionalität auf. Das heißt, mit jedem der Radar-ICs 12, 12' können Radar-Signale S_HF, R_HF erzeugt bzw. ausgesendet und empfangen werden. Je nach implementiertem Messprinzip, also bspw. FMCW oder dem Pulslaufzeit-Verfahren, generiert das jeweilige Radar-IC 12, 12' darauf basierend ein eigenes Empfangs-Signal ZF, ZF' , welchem eine Radar-Signallaufzeit zuordbar ist. Um anhand des Empfangs-Signals ZF, ZF' die Signal-Laufzeit t des jeweiligen Radar-Signals S_HF, R_HF zwischen Aussenden und Empfang bestimmen zu können, sind die Radar-ICs 12, 12' mit einer Steuer-/Auswerte-Einheit 14 verbunden. Dabei ermittelt die Steuer-/Auswerte-Einheit 14 die jeweilige Signallaufzeit t bzw. den zugehörigen Füllstandswert L_x;y im Falle des FMCW-Prinzips auf Basis einer Fourier-Transformation des Empfangs-Signals ZF, ZF'.
• Aus 2 und 3 geht hervor, dass die Radar-ICs 12, 12' innerhalb des Füllstandsmessgerätes 1 auf einer Leiterplatte 15 angeordnet sind. Dabei werden alle Radar-ICs 12, 12' in der gezeigten Variante durch bspw. einen Verguss 16 gemeinsam gekapselt. Hierdurch kann auf eine separate Kapselung der einzelnen Radar-ICs 12, 12' verzichtet werden. Die gemeinsame Kapselung 16 ist dabei insofern transparent ausgelegt, als dass das Aussenden bzw. der Empfang der Radar-Signale S_HF, R_HF durch die Radar-ICs 12, 12' nicht unterdrückt wird. Realisiert werden kann dies beispielsweise, indem die entsprechenden Primärstrahler über die Kapselung 16 hinausreichen oder hiervon freigestellt sind. Geeignete Herstellungsverfahren sind hierzu unter anderem selektives Dispensen, Überdrucken mit 3D-Druck, Schutzformen oder Schutzfolien über den nicht zu vergießenden Primärstrahlern („Foil Assisted Moulding“), welche abschließend entfernt werden.
• Die Leiterplatte 15 ist im Inneren des Füllstandsmessgerätes 1 so platziert, dass die Strahlkegel λ1, λ2, innerhalb derer die Radar-Signale S_HF, R_HF von den Radar-ICs 12, 12` jeweils ausgesendet und empfangen werden, ungefähr parallel zur Achse a gen Sammel-Linse 11 ausgerichtet sind. Dabei sind die Radar-ICs 12, 12', wie insbesondere aus 3 hervorgeht, in Bezug zur Achse a der Sammel-Linse 11 einerseits in jeweils unterschiedlichen Positionen x, y auf der der Leiterplatte 15 angeordnet, und zwar spiegelsymmetrisch zur x- und y-Achse. Andererseits teilen sich die Radar-ICs 12, 12' in zwei vierer-Gruppen auf, wobei sich die Gruppen erfindungsgemäß durch deren betragsmäßig lateralen Versatz V1, V2 der Radar-ICs 12, 12' zur optischen Achse a der Sammel-Linse 11 unterscheiden.
• Wie in 1 symbolisiert wird, resultiert aus den zwei verschiedenen Versatzen V1, V2, dass die Radar-ICs 12, 12' die Radar-Signale S<sub>HF</sub>, R<sub>HF</sub> in Bezug zur Achse a der Sammel-Linse 11 mit zwei unterschiedlich starken Deviationen in den Behälter 3 bzw. gen Füllgut 2 aussenden bzw. von dort empfangen. Dies ermöglicht es der Steuer-/Auswerte-Einheit 14, lateral über einen möglichst weiten Bereich der Füllgut-Oberfläche entsprechende Füllstandswerte L<sub>x;y</sub> zu ermitteln. Im monostatischen Betriebsmodus entspricht die Anzahl m an erfassbaren Füllstandswerten L<sub>x;y</sub> der Anzahl n an Radar-ICs 12, 12', also bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel acht.
• Die laterale Position x;y auf der Füllgut-Oberfläche, welcher dem entsprechenden Füllstandswert L<sub>x;y</sub> zugeordnet ist, ergibt sich aus der Position bzw. dem Versatz V1, V2 des korrespondierenden Radar-ICs 12, 12' auf der Leiterplatte 15 in Bezug zur Achse a der Sammel-Linse 11, dem ermittelten Abstands-Wert d, sowie aus der Dioptrie-Zahl der Sammel-Linse. Um die Füllstandswerte L<sub>x;y</sub> lateral in einem möglichst gleichmäßigen bzw. engen Raster zu erfassen, sind die Dioptrie-Zahl und die Positionen vorzugsweise so auszulegen, dass die resultierenden Hauptabstrahlkeulen der Radar-ICs 12, 12' in den Behälter 2 (siehe 1) einen Versatz von -1 0dB oder weniger aufweisen. Bei einer Überlappung von -3dB oder weniger ist die Ausrichtung der Hauptabstrahlkeulen zu groß bzw. der Blickwinkel zu überlappend.
• Bei der in 2 und 3 gezeigten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 weisen diejenigen vier Radar-ICs 12', welche mit dem betragsmäßig größeren Versatz V2 zur Achse a auf der Leiterplatte 15 angeordnet sind, einen engeren Strahlkegel λ2 auf, als der Strahlkegel λ1 der inneren Radar-ICs 12. Hierdurch sind die korrespondierenden Hauptabstrahlkeulen der Radar-Signals S<sub>HF</sub>, R<sub>HF</sub> hinter der Sammel-Linse 11 gen Füllgut 2 breiter, als die Hauptabstrahlkeulen der vom Versatz V1 her inneren Radar-ICs 12, wie in 1 visualisiert ist. Schematisch wird in diesem Zusammenhang in 1 verdeutlicht, dass die in Bezug zur optischen Achse a äußeren Hauptabstrahlkeulen an Radar-Signalen S<sub>HF</sub>, R<sub>HF</sub> lediglich höhere Füllstände L beleuchten und zumindest im Falle eines relativ schmalen Behälters 3 für niedrige Füllstände L nicht nutzbar sind. Mit den breiteren Hauptabstrahlkeulen der äußeren Radar-Signale S<sub>HF</sub>, R<sub>HF</sub> können somit bei auf den damit ausgeleuchteten, höheren Füllständen L ähnliche Flächenauflösungen erzielt werden können, wie es mit den schmalen, inneren Hauptabstrahlkeulen der Radar-Signale S<sub>HF</sub>, R<sub>HF</sub> bei einem niedrigen Füllstand L der Fall ist. Da die Anzahl an Pixeln bzw. ortsaufgelösten Füllstandswerten L<sub>x;y</sub> der Anzahl an Hauptabstrahlkeulen bzw. Radar-ICs 12, 12' entspricht, wären zur vollständigen Ausleuchtung höherer Füllstände L mit ausschließlich schmalen Hauptabstrahlkeulen eine sehr große Anzahl hiervon notwendig. Da für eine gute Abbildung für den Anwender die Flächenauflösung für hohe Füllstände L jedoch nicht zunehmen muss, genügen bei größeren Ablagewinkeln und höheren Füllständen L breitere Strahlungskeulen, von denen erfindungsgemäß lediglich eine begrenzte Anzahl benötigt werden.
• Um den Strahlkegel λ1, λ2 der jeweiligen Radar-ICs 12, 12' entsprechend breiter bzw. schmaler einzustellen, kann den Radar-ICs 12, 12' vor deren planar-Antenne beispielsweise ein radartechnisch entsprechend fokussierender Primärstrahler 13, 13` vorgeschaltet werden. Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Auslegung des Füllstandsmessgerätes auf Basis der Einzel-Radar-ICs 12, 12' in Verbindung mit der Sammel-Linse 11 über einen großen Höhenbereich h des Behälters 3 ein Füllstands-Profil mit lateral hinreichender Auflösung erzielt werden, ohne dass eine komplexe und somit leistungsintensive Signal-Auswertung nachgeschaltet werden muss.
• Auf Basis der an unterschiedlichen Positionen x;y ermittelten Füllstandswerte L_x;y kann die Steuer-/Auswerte-Einheit 14 ein Profil der Füllgut-Oberfläche erstellen, bspw. mittels Interpolation. Dabei kann das Profil der Füllgut-Oberfläche visualisiert werden, entweder an einem Display des Füllstandsmessgerätes 1, oder beispielsweise durch die übergeordnete Einheit 4.
• Neben dem monostatischen Betriebsmodus ist das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 prinzipiell außerdem im so genannten bistatischen Modus betreibbar. Dabei kann der Betriebsmodus wiederum durch die Steuer-Auswerte/-Einheit 14 eingestellt werden. Eine exemplarische Schaltungsausführung von zwei der Radar-ICs 12, 12', mit denen die Radar-Signale S_HF, R_HF nicht nur monostatisch, sondern auch bistatisch erzeugt bzw. empfangen werden können, ist in 4 gezeigt: Dabei ist im gezeigten Beispiel das FMCW-Prinzip implementiert, so dass die Radar-ICs 12, 12' in 4 jeweils auf einem Mischer 125, 125` basieren. Dieser dient dazu, das momentan ausgesendete Radar-Signal S<sub>HF</sub> mit dem aktuell über den Primärstrahler 13, 13` empfangenen Radar-Signal R_HF zu mischen. Hierdurch wird ein Empfangs-Signal ZF, ZF' erzeugt, dessen Frequenz sich proportional zur Signallaufzeit bzw. dem Abstand d ändert. Durch Auslesen dieser Frequenz - bspw. mittels einer Fast Fourier Transformation - kann die Steuer-/Auswerte-Einheit 14 entsprechend des FMCW-Prinzips die korrespondierende Signallaufzeit t ermitteln.
• Innerhalb des jeweiligen Radar-ICs 12, 12' wird das auszusendende Radar-Signal S_HF über eine Sende-/Empfangs-Weiche 123, 123` dem Primärstrahler 13, 13` zugeführt, über welchen außerdem das empfangene Radar-Signal R_HF an den Mischer 125, 125` weitergeleitet werden kann. Dabei wird das Radar-Signal S<sub>HF</sub>, R<sub>HF</sub> vor dem Aussenden bzw. nach dem Empfang jeweils durch einen Verstärker 122, 122', 123, 123', der direkt vor oder hinter dem Sende-/Empfangs-Verstärker 123, 123` angeordnet ist, bedarfsabhängig verstärkt. Hinsichtlich bistatischer Messung ist es von Vorteil, wenn zumindest die Empfangsverstärker 124, 124` eine ausreichende Rückwärtsdämpfung von insbesondere > 20dB aufweisen.
• Zusätzlich zu der Signal-Verstärkung unterläuft das auszusendende Radar-Signal S<sub>HF</sub> außerdem eine Frequenzvervielfachung. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsvariante ist hierzu pro Radar-IC 12, 12' jeweils sowohl im Sendepfad, als auch im Empfangspfad, also vor der Sende-/Empfangs-Weiche 123, 123` und vor dem Mischer 125, 125', jeweils ein eigener Frequenzvervielfacher 121, 121', 126, 126` mit gleichem Frequenzvervielfachungs-Faktor N vorgesehen. Durch dies separate Verstärkung im Sendepfad als auch im Empfangspfad wird vor allem für den bistabilen Betrieb die LO-Unterdrückung verbessert.
• Der Frequenzvervielfachungs-Faktor N der Frequenzvervielfacher 121, 121', 126, 126` ergibt sich als Quotient der gewünschten Frequenz des Radar-Signals S_HF, R_HF, geteilt durch die Frequenz einer Taktquelle 17, welche die Radar-ICs 12, 12' ansteuert. Die Taktquelle 17 kann beispielsweise als einstellbarer, phasengesteuerter Regelkreis (besser bekannt im Englischen als „Phase Locked Loop, PLL“) für einen VCO („Voltage Controlled Regulator, VCO“) realisiert werden. Hierdurch kann die Frequenz des Radar-Signals S_HF gemäß des FMCW-Prinzips zeitlich entsprechend rampenförmig moduliert werden.
• Bei der in 4 gezeigten Ausführungsvariante werden alle Radar-ICs 12, 12' durch dieselbe Taktquelle 17 angesteuert. Realisiert werden kann dies beispielsweise dadurch, dass der VCO von einem der Radar-ICs 12, 12' zusätzlich als Taktquelle 17 für alle weiteren Radar-ICs 12, 12' fungiert, während deren VCOs deaktiviert sind. Hierdurch wird Phasengleichheit der von den verschiedenen Radar-ICs 12, 12' ausgesandten Radar-Signalen S_HF gewährleistet, was für einen bistatischen Betrieb der Radar-ICs 12, 12' wesentlich ist. Im Gegensatz zu monostatischem Betrieb, bei dem die Anzahl der ortsabhängigen Füllstandswerte L_x;y auf die der Anzahl an vorhandenen Radar-ICs 12, 12' beschränkt ist, ermöglicht ein bistatischer Betrieb die Erfassung von Füllstandswerten L_x;y an einer größeren Anzahl an Positionen x; y im Behälter 3, als Radar-ICs 12, 12' vorhanden sind.
• Zusätzlich zu denjenigen Füllstandswerten L_x;y, die im monostatischen Betriebsmodus (das Radar-Signal S_HF, R_HF wird im monostatischen Betrieb jeweils durch den gleichen Radar-IC 12, 12' ausgesandt und empfangen, um hieraus den entsprechenden Füllstandswert L_x;y zu ermitteln) wird das Radar-Signal S_HF im bistatischen Betrieb durch den ersten Radar-IC 12 ausgesandt und nach Reflektion durch den zweiten Radar-IC 12' empfangen. Hierzu sind die in 4 schraffiert dargestellten Komponenten 124, 126, 121', 122' der Radar-ICs 12, 12' für den bistatischen Betrieb entsprechend zu deaktivieren. Dabei kann die (De-)Aktivierung dieser Komponenten 124, 126, 121', 122` bzw. die Koordination der bistatischen Messung durch die Steuer-/Auswerte-Einheit 14 erfolgen. Entgegen der Darstellung in 4 lässt sich das bistatische Prinzip zur ortsaufgelösten Füllstandsmessung im Rahmen der Erfindung auch auf eine beliebige Anzahl n an Radar-ICs 12 übertragen. Allgemein beträgt die theoretisch maximale Anzahl m an Orten, an denen jeweils ein Füllstandswert L_x;y erfassbar ist, im bistatischen Betrieb gemäß $$m={\displaystyle \sum _{i=1}^{n}i}$$

  

  nach der Gauß`schen Summenformel berechnet.
• Insbesondere in Bezug zur industriellen Füllstandsmessung besteht ein weiterer Vorteil des bistatischen Verfahrens darin, dass entsprechende Füllstandswerte L_x;y auf Plausibilität prüfbar sind. Möglich ist dies im Rahmen der Erfindung, indem bei denjenigen Messungen, bei denen der Füllstandswert L_x;y nicht auf monostatischer Basis erfasst wird, die paarweise Funktion der Radar-ICs 12, 12' als Sender und Empfänger vertauscht wird. Dabei wird in beiden Konstellationen jeweils eine Signallaufzeit bzw. ein entsprechender Füllstandswert L_x;y erfasst, welcher logischerweise denselben Wert aufweisen muss. Ist dies beispielsweise aufgrund eines Fehlers im Füllstandsmessgerät 1 nicht der Fall, so ist von einem unplausiblen Füllstandswert L_x;y auszugehen. Für solch ein Szenario kann die Steuer-/Auswerte-Einheit 14 beispielsweise ausgelegt sein, um eine entsprechende Störungs-Meldung zu generieren. Dies versetzt das Füllstandsmessgerät 1 in die Lage, eine entsprechende Selbstdiagnose durchzuführen, um der übergeordneten Einheit 4 eine etwaige Fehlfunktion mitteilen zu können. Hierdurch lässt sich das Risiko eines unkontrollierten Prozess-Zustandes im Behälter 3 weiter reduzieren.
• Bezugszeichenliste

1

Füllstandsmessgerät

2

Füllgut

3

Behälter

4

Übergeordnete Einheit

11

Sammel-Linse

12

Radar-IC

13, 13'

Primärstrahler

14

Steuer-/Auswerte-Einheit

15

Leiterplatte

16

Kapselung

17

Taktquelle

121, 121'

Frequenzvervielfacher im Sendepfad

122, 122'

Sendeverstärker

123, 123'

Sende-/Empfangsweiche

124, 124'

Empfangsverstärker

125, 125`

Mischer

126, 126'

Frequenzvervielfacher im Empfangspfad

λ1, λ2

Strahlkegel-Breite

a

Optische Achse der Sammel-Linse

d

Entfernung

h

Einbauhöhe

Lx;y

Füllstandswert

m

Anzahl m an Orten x;y, an denen ein Füllstandswert erfasst wird

N

Frequenzvervielfachungs-Faktoren

n

Anzahl an Radar-ICs

RHF, SHF

(Reflektiertes) Radar-Signal

V1, V2

Versatz

x;y

Positionskoordinaten

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102013108490 A1 [0005]
• DE 10036131 A1 [0010]

Claims (10)

1. Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Ermittlung ortsbezogener Füllstandswerte (L_x;y) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3), umfassend: - Eine Sammel-Linse (11) mit einer optischen Achse (a), welche im befestigten Zustand gen Füllgut (2) gerichtet ist, so dass Radarsignale (S_HF, R_HF) gebündelt gen Füllgut (2) aussendbar bzw. nach deren Reflektion an der Füllgut-Oberfläche gebündelt empfangbar sind, - zumindest zwei Radar-ICs (12, 12'), die ausgelegt sind, ◯ um die auszusendenden Radar-Signale (S_HF) zu erzeugen, und/oder ◯ um nach Reflektion am Füllgut (2) die reflektierten Radar-Signale (R_HF) zu empfangen und hieraus jeweils ein Empfangs-Signal, mittels welchem eine Radar-Signallaufzeit bestimmbar ist, zu generieren, wobei die zumindest zwei Radar-ICs (12, 12') in Bezug zum Füllgut (2) hinter der Sammel-Linse (11) mit einem definierten, jeweils unterschiedlichen Versatz (V1_x;y, V2_x;y) zur optischen Achse (a) angeordnet und gen Sammel-Linse (11) ausgerichtet sind, und - eine Steuer-Auswerte/-Einheit (14), die ausgelegt ist, die Radar-ICs (11, 11') derart anzusteuern und die Signallaufzeiten zu bestimmen, um zumindest zwei ortsbezogene Füllstandswerte (L_x;y) zu ermitteln.
2. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, wobei die zumindest zwei Radar-ICs (12, 12') ausgelegt sind, die Radar-Signale (S_HF) bzw. die Empfangs-Signale gemäß des FMCW-Verfahrens zu generieren.
3. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei einer der zumindest zwei Radar-ICs (12, 12') keinen Versatz (V1_x;y, V2_x;y) zur optischen Achse (a) aufweist.
4. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Radar-ICs (12, 12') eine gemeinsame Kapselung (16) aufweisen.
5. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Radar-ICs (11, 11') für den Fall, dass das Füllstandsmessgerät (1) mehr als zwei die Radar-ICs (11, 11') umfasst, in Bezug zur optischen Achse (a) spiegelsymmetrisch angeordnet sind.
6. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Radar-ICs (12, 12') derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass sie die Radar-Signale (S_HF, R_HF) mit einem umso schmaleren Strahlkegel (λ1, λ2) gen Sammel-Linse (11) aussenden bzw. von dort empfangen, je größer der betragsmäßige Versatz (V1_x;y, V2_x;y) des jeweiligen Radar-ICs (12, 12') zur optischen Achse (a) ist.
7. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Anzahl (n) an Radar-ICs (12, 12`,) - der jeweilige Abstand der zumindest zwei Radar-ICs (12, 12') zueinander, - der jeweilig Abstand der zumindest zwei Radar-ICs (12, 12') zur Sammel-Linse (11), - die Dioptrie der Sammel-Linse (11), und/oder - die Radar-Frequenz der Radar-ICs (12, 12') derart aufeinander abgestimmt sind, dass resultierende Hauptabstrahlkeulen der Radar-ICs (12, 12') in den Behälter (2) einen Versatz von minimal -3dB und/oder maximal -10dB zueinander aufweisen.
8. Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer-Auswerte/-Einheit (14) ausgelegt ist, die Radar-ICs (12, 12') mittels des bistatischen Radarverfahrens anzusteuern bzw. entsprechende Füllstandswerte (L_x;y) zu bestimmen.
9. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 8, wobei die zumindest zwei Radar-ICs (12, 12') hochfrequenztechnisch mittels einer gemeinsamen Taktquelle (17) getaktet sind.
10. Verfahren zur Prüfung des ortsaufgelösten Füllstandswertes (L_x;y) auf Plausibilität mittels des Füllstandsmessgerätes (1) nach Anspruch 8 oder 9, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Aussenden eines Radar-Signals (S_HF) mittels des ersten Radar-ICs (12), - Empfang des entsprechenden Radar-Signals (R_HF) nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche über das zweite Radar-IC (12'), - Ermittlung einer ersten Signallaufzeit anhand des entsprechenden Empfangs-Signals, - Ermittlung einer zweiten Signallaufzeit durch Wiederholen der vorhergehenden Verfahrensschritte, wobei die zwei Radar-ICs (12, 12') als Sender bzw. Empfänger vertauscht werden, und - Einstufung des Füllstandswertes (L_x;y) als unplausibel, sofern die erste Signallaufzeit und die Signallaufzeit nicht übereinstimmen.

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