DE102021131690A1

DE102021131690A1 - Füllstandsmessgerät

Info

Publication number: DE102021131690A1
Application number: DE102021131690.1A
Authority: DE
Inventors: Winfried Mayer; Peter Klöfer; Ralf Reimelt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2023-06-01
Also published as: CN118339437A; EP4441475A1; WO2023099269A1

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät, das an unterschiedlichste Anwendungen anpassbar ist
In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der jeweiligen Prozessparameter sind in den entsprechenden Feldgeräten daher geeignete Messprinzipien implementiert, um als Prozessparameter etwa einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, eine Temperatur, einen pH-Wert, ein Redoxpotential oder eine Leitfähigkeit zu erfassen. Verschiedenste Feldgeräte-Typen werden von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Dabei ist prinzipiell eine umso höhere Mess-Auflösung erreichbar, je höher die Frequenz ist. Als Messverfahren haben sich das Pulslaufzeit-Verfahren und FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) etabliert. Näher beschrieben wird Radar-basierte Füllstandsmessung beispielsweise in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000“.
Typische, für Radar-basierte Füllstandsmessung zugelassene Frequenzbänder liegen bei 26GHz, 60GHz, 80GHz und 120 GHz, sowie vermehrt auch 180GHz und 240GHz. Dabei sind bei höheren Frequenzen liegenden Frequenzbänder für viele Anwendungen vorteilhaft, da bei gegebenen Antennenabmessungen eine höhere Strahlbündelung erreicht wird und in der Regel mehr Bandbreite zur Verfügung steht, die für eine größere Entfernungsauflösung eingesetzt werden kann.
Es sind jedoch auch verschiedene Nachteile bei höheren Frequenzen bzw. höheren Frequenzbändern bekannt, die in speziellen Anwendungen zu Beeinträchtigungen oder sogar zum Ausfallen des Füllstandmesswerts führen können. Diese Nachteile finden sich größtenteils in Wechselwirkungen der Radarmessung mit den zu messenden Füllgütern, den Atmosphären über den Füllgütern und teilweise auch in Behälterformen, Umwelt- und Einbaubedingungen sowie behördlichen Vorschriften.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät bereitzustellen, welches diese Nachteile überwindet.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Füllstandsmessgerät zur Bestimmung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter, das zumindest folgende Komponenten umfasst:

- Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist,
- ◯ um innerhalb eines ersten Frequenzbandes ein erstes Radar-Signal zu erzeugen, und
- ◯ um innerhalb eines zweiten Frequenzbandes ein zweites Radar-Signal zu erzeugen, wobei das zweite Frequenzband nicht mit dem ersten Frequenzband überlappt, sondern sich deutlich vom ersten Frequenzband abgrenzt,
- eine Antennen-Anordnung, mittels welcher im ersten Frequenzband das erste Radar-Signal sowie im zweiten Frequenzband das zweite Radar-Signal gen Füllgut aussendbar sind, und mittels welcher entsprechende Empfangs-Signale nach jeweiliger Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfangbar sind, und
- eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist,
- ◯ um anhand des ersten Empfangs-Signals einen ersten Füllstandswert zu bestimmen, und
- ◯ um anhand des zweiten Empfangs-Signals einen zweiten Füllstandswert zu bestimmen.

Dadurch, dass das Füllstandsmessgerät potenziell in mehreren, deutlich beabstandeten Frequenzbändern entsprechende Füllstandswerte ermitteln kann, ist das Füllstandsmessgerät in verschiedensten Anwendungen einsetzbar.
Unter dem Begriff „Einheit‟ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell eine separate Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen verstanden, die für einen konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Hochfrequenz-Signalverarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Das entsprechende Modul kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale umfassen. Das Modul kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGA's, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Schaltungen der Einheit im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Dabei ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb der Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.
Im Sinne der Erfindung ist das erste Frequenzband immer dann deutlich vom zweiten Frequenzband abgegrenzt, wenn die Mittenfrequenzen der Frequenzbänder mindestens um einen Faktor zwei auseinanderliegen und deren Bandbreite jeweils schmaler als ein Fünftel ihrer Mittenfrequenz ist. Eine deutliche Abgrenzung ist im Sinne der Erfindung auch dann gegeben, wenn die Mittenfrequenzen der Frequenzbänder mindestens um einen Faktor vier auseinanderliegen und deren Bandbreite jeweils schmaler als die Hälfte ihrer Mittenfrequenz ist. Die Mittenfrequenz eines Frequenzbandes definiert sich dabei als diejenige Frequenz, welche sich genau mittig innerhalb des Frequenzbandes befindet. Gemäß dieser Definition erstreckt sich beispielsweise ein Frequenzband bei einer Mittenfrequenz von 26 GHz und einer Bandbreite von 2 GHz entsprechend von 25 GHz bis 27 Ghz.
Um in deutlich voneinander abgegrenzten Frequenzbändern Radar-Signale erzeugen zu können, kann die Signalerzeugungs-Einheit beispielsweise ein entsprechende Anzahl an entsprechend ausgelegten, phasengesteuerten Regelschleifen (im Englischen als „PLL bzw. Phase Locked Loop“ bekannt) umfassen. Dabei versteht es sich von selbst, dass die Signalerzeugungs-Einheit im Sinne der Erfindung auch so ausgelegt werden kann, dass sie nicht nur in zwei Frequenzbändern, sondern zusätzlich innerhalb dritter Frequenzbänder, welche nicht mit dem ersten Frequenzband und dem zweiten Frequenzband überlappen, entsprechend dritte Radar-Signale erzeugen kann. Um die erfindungsgemäße Idee umsetzen zu können, muss die Auswertungs-Einheit in diesen Fällen ausgelegt sein, um anhand eines entsprechend dritten Empfangs-Signals auch einen dritten Füllstandswert zu bestimmen. Hardwaretechnisch kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät am einfachsten umgesetzt werden, wenn das erste Radar-Signal und das zweite Radar-Signal sequenziell abwechselnd ausgesendet werden, bzw. wenn das erste Empfangs-Signal und das zweite Empfangs-Signal entsprechend abwechselnd empfangen werden. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn die Signalerzeugungs-Einheit eine einzige PLL umfasst.
Das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät kann nicht nur an verschiedene Anwendungen angepasst werden. Weiterhin kann das Füllstandsmessgerät bei entsprechender Auslegung die bei jeweils verschiedenen Frequenzbändern ermittelten Füllstandswerte auch auf Plausibilität hin prüfen. Hierzu ist die Auswertungs-Einheit so auszulegen, dass sie den ersten Füllstandswert mit dem zweiten Füllstandswert und/oder einem etwaigen dritten Füllstandswert auf Übereinstimmung prüft. Sofern dieser innerhalb eines definierten Toleranzbereichs mit zumindest einem der andern Füllstandswerte übereinstimmt, kann das Füllstandsmessgerät die übereinstimmenden Füllstandswerte als plausibel definieren und dementsprechend als Füllstand einen dieser Füllstandswerte ausgeben.
Sofern nicht alle Füllstandswerte innerhalb des definierten Toleranzbereichs übereinstimmen, oder sofern in einem Frequenzband bzw. anhand einem der Empfangs-Signale kein Füllstandswert bestimmbar ist, kann die Auswertungs-Einheit dies wiederum als einen Fehlerzustand des Füllstandsmessgerätes oder als ein definiertes Ereignis im Behälter, wie ein Entleeren/Befüllen des Füllgutes, Schaumbildung, Staub, etc. interpretieren. In diesem Fall kann das Füllstandsmessgerät das Ereignis oder den Fehlerzustand entsprechend signalisieren, bspw. über ein Display oder ein entsprechendes Ausgangssignal.
Wenn etwaige Abweichungen zwischen den Füllstandswerten, die in unterschiedlichen Frequenzbändern ermittelt sind, unerheblich oder nachweislich nicht auf Fehler zurückzuführen sind, kann die Auswertungs-Einheit bei entsprechender Auslegung als Füllstand vorzugsweise auch einen gleich oder ungleich gewichteten Mittelwert der bei den unterschiedlichen Frequenzbändern ermittelten Füllstandswerte ausgeben.
Eine weitere Variante, die je nach Anwendung vorteilhaft sein kann, besteht darin, dass die Auswertungs-Einheit anhand des ersten Empfangs-Signals, des zweiten Empfangs-Signals und/oder anhand dritter Empfangs-Signale eine Ausblend-Kurve für das Empfangs-Signal eines jeweils anderen Frequenzbandes erstellt. In diesem Fall wird die Ausblendkurve, wie aus dem Stand der Technik bekannt, signaltechnisch von der entsprechenden Kurve des Empfangs-Signals subtrahiert, um vor allem statische Stör-Echos im Empfangs-Signal zu eliminieren bzw. zu unterdrücken. Es wird also der vorteilhafte Effekt genutzt, dass in stark verschiedenen Frequenzbändern etwaige Stör-Echos in den ggf. komplexwertigen Mess-Kurven der Empfangs-Signale je nach Herkunft stärker oder schwächer ausgeprägt sind.
Neben der Veränderung von Störechos in Abhängigkeit des eingestellten Frequenzbandes können die Empfangs-Signale bzw. deren aufgezeichnete Mess-Kurven außerdem hinsichtlich Frequenzband-abhängiger Veränderungen weiterer Kenngrößen, wie beispielsweise

- der Amplitude eines ausgewählten Signalmaximums,
- einer Änderung oder einer Standardabweichung der Amplitude dieses Signalmaximums,
- einem Rauschniveau, und/oder
- der Anzahl an Signal-Maxima

Durch den Vergleich ausgewählter Kenngrößen in den Empfangs-Signalen bzw. deren Mess-Kurven kann beispielsweise festgestellt werden, welches der Frequenzbänder für die jeweilige Anwendung besonders geeignet oder ungeeignet ist. In der Folge kann die Signalerzeugungs-Einheit daher im geeignetsten Frequenzband arbeiten, das heißt, entweder lediglich das erste Radar-Signal oder das zweite Radar-Signal erzeugen. Bei Füllgut-Oberflächen, die stark streuend reflektieren, weil sie beispielsweise zerklüftet sind oder Wellen schlagen, kann das Füllstandsmessgerät dadurch beispielsweise automatisch das tiefst-mögliche Frequenzband einstellen, da dieses den breitesten Abstrahlwinkel erzeugt. Korrespondierend zur Signalerzeugungs-Einheit ist die Auswertungs-Einheit in diesem Fall so auszulegen, dass sie im Anschluss an diejenigen Messzyklen, in denen die Kenngrößen für den Vergleich ermittelt wurden, lediglich im geeigneten Frequenzband bzw. lediglich anhand dessen Empfangs-Signal den Füllstandswert ermittelt.
Die Ermittlung von spezifischen Kenngrößen aus den Frequenzbandabhängigen Empfangs-Signalen, bzw. deren Vergleich kann nicht nur dazu dienen, dass für die jeweilige Anwendung geeignetste Frequenzband zu finden. Darüber hinaus kann die Auswertungs-Einheit bei entsprechender Auslegung in Abhängigkeit der jeweils ermittelten Kenngrößen oder in Abhängigkeit von deren Vergleich wiederum auf definierte Ereignisse im Behälter, wie Schaumbildung, staubhaltige Atmosphäre oder Blasenbildung im Füllgut schließen. Auch für den Fall, dass durch dieses Verfahren solch ein etwaiges Ereignis detektiert wird, kann dies durch das Füllstandsmessgerät signalisiert werden.
Neben einer automatischen Wahl des passenden Frequenzbandes durch das Füllstandsmessgerät kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät hinsichtlich des gewünschten Frequenzbandes auch manuell konfigurierbar ausgelegt werden, so dass die Signalerzeugungs-Einheit je nach Anwenderseitiger Konfiguration entweder lediglich das erste Radar-Signal, das zweite Radar-Signal oder das dritte Radar-Signal erzeugt, und so dass die Auswertungs-Einheit lediglich anhand des korrespondierenden Empfangs-Signals des gewünschten Frequenzbandes den entsprechenden Füllstandswert bestimmt.
Die Antennen-Anordnung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes muss derart breitbandig ausgelegt sein, dass in allen Frequenzbändern entsprechende Radar-Signale ausgesendet und empfangen werden können. Hierzu kann die Antennen-Anordnung für alle Radar-Signale bzw. alle Frequenzbänder einen gemeinsamen Primärstrahler mit entsprechend großer Bandbreite umfassen. Alternativ kann die Antennen-Anordnung für das erste und zweite Radar-Signal bzw. jedes einzelne Frequenzband jeweils einen eigenen Primärstrahler umfassen. Dabei kann bzw. können der/die Primärstrahler beispielsweise in Form einer planaren Mäander- oder Patch-Antenne realisiert sein. Zu einer stärkeren Bündelung der auszusendenden und eingehenden Radar-Signale kann die Antennen-Anordnung außerdem eine Radar-bündelnde Linse umfassen, wobei der bzw. die Primärstrahler in etwa im Fokus der Linse anzuordnen ist/sind. Je nach Auslegung der Primärstrahler und deren Anordnung in Bezug zur Linse kann die Antennen-Anordnung hierdurch entweder so ausgelegt werden, dass der Abstrahlwinkel des jeweiligen Radar-Signals umso größer ist, je tiefer dessen Frequenzband liegt, oder dass die Radar-Signale in etwa unter einem gleichen Abstrahlwinkel ausgesandt bzw. empfangen werden.
Um in den verschiedenen Frequenzbändern nicht nur ggf. verschiedene Abstrahlwinkel erzielen zu können, kann die Antennen-Anordnung das erste Radar-Signal, das zweite Radar-Signal und/oder das dritte Radar-Signal je nach Ausführungsvariante außerdem mit einer definierten Polarisation aussenden.
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren. Es zeigt:

1: Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät an einem Behälter, und
2: Eine mögliche Ausführungsvariante der Antennen-Anordnung.

Zum prinzipiellen Verständnis des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 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. Von der Art des Füllgutes 2 und dem Einsatzgebiet hängen auch die Bedingungen im Behälter 3 ab. So kann es im Falle von exothermen Reaktionen beispielsweise zu hoher Temperatur- und Druckbelastung kommen. Bei staubhaltigen oder entzündlichen Stoffen sind im Behälter-Inneren entsprechende Explosionsschutzbedingungen einzuhalten.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine separate 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 kann der gemessene Füllstandswert L übermittelt werden, beispielsweise um gegebenenfalls Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.
Um den Füllstand L unabhängig von den vorherrschenden Bedingungen ermitteln zu können, ist das Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in einer bekannten Einbauhöhe h über der Sole des Behälter 3 angebracht. Dabei ist das Füllstandsmessgerät 1 derart Druck- und Mediendicht an einer entsprechenden Öffnung des Behälters 3 befestigt und ausgerichtet, dass lediglich die Antennen-Anordnung 11 des Füllstandsmessgerätes 1 in den Behälter 3 hinein vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist, während die weiteren Komponenten des Füllstandsmessgerätes 1 außerhalb des Behälters 3 angeordnet sind.
Über die Antennen-Anordnung 11 werden innerhalb eines vordefinierten Frequenzbandes Radar-Signale S_HF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 ausgesendet. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Empfangs-Signale R_HF wiederum über die Antennen-Anordnung 11. Dabei ist die Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals S_HF, R_HF gemäß $t = \frac{2 * d}{c}$
proportional zum Abstand d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und dem Füllgut 2, wobei c die Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit der jeweiligen Lichtgeschwindigkeit entspricht. Die Signallaufzeit t kann vom Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise mittels des FMCW- oder mittels des Pulslaufzeit-Verfahrens bestimmt werden. Hierdurch kann das Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise auf Basis einer entsprechenden Kalibration die gemessene Laufzeit t dem jeweiligen Abstand d zuordnen. Hierüber kann das Füllstandsmessgerät 1 gemäß $d = h - L$
wiederum den Füllstand L bestimmen, sofern die Einbauhöhe h im Füllstandsmessgerät 1 hinterlegt wird. Zur Bestimmung der Signallaufzeit t bzw. des korrespondierenden Füllstandswertes L anhand des eingehenden Empfangs-Signals R_HF umfasst das Füllstandsmessgerät 1 eine entsprechend ausgelegte Auswertungs-Einheit, in welcher beispielsweise das FMCW- oder Pulslaufzeit-Messprinzip implementiert ist. Zur Erzeugung des auszusendenden Radar-Signals S_HF dient im Füllstandsmessgerät 1 eine korrespondierende Signalerzeugungs-Einheit.
Die Frequenz bzw. das Frequenzband, in welchem die Signalerzeugungs-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 das Radar-Signal S_HF erzeugt, wird maßgeblich in Abhängigkeit der Beschaffenheit des Füllgutes 2 gewählt: Zu einer hochgenauen Füllstandsmessung ist prinzipbedingt ein möglichst hohes Frequenzband vorteilhaft, während bei einer unebenen oder bewegten Füllgut-Oberfläche ein möglichst bereiter Abstrahlwinkel der Antennen-Anordnung 11 und somit eine möglichst niedrige Frequenz vorteilhaft ist. Dabei handelt es sich bei dem Begriff „Abstrahlwinkel“ im Rahmen der vorliegenden Erfindung um denjenigen Raumwinkel, unter dem die Antennen-Anordnung 11 eine definierte, gleiche Sende-Intensität bzw. Empfangs-Empfindlichkeit von bspw. -3dB aufweist.
Infolge dieser unterschiedlichen Anforderungen muss für jede spezifische Anwendung ein eigener Füllstandsmessgeräte-Typ eingesetzt werden, dessen Frequenzband möglichst gut zur Anwendung passt. Das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 überwindet diesen Nachteil, indem es Radar-Signale S_HF1, S_HF2, S_HF3 in mindestens zwei, vorzugsweise drei verschiedenen Frequenzbändern aussenden kann, wobei sich die Frequenzbänder nicht überlappen, sondern deutlich voneinander abgrenzen. Um Radar-Signale S_HF1, S_HF2, S_HF3 in unterschiedlichen Frequenz-bändern erzeugen zu können, kann die Signalerzeugungs-Einheit für jedes Frequenzband beispielsweise mit einer eigenen PLL („Phase Locked Loop“) ausgestattet sein.
Bei einer entsprechenden Auslegung ist es beispielsweise möglich, das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 je nach Anwendung hinsichtlich des gewünschten Frequenzbandes manuell zu konfigurieren. Das heißt, bei grobkörnigem, schwach reflektierenden oder schwappendem Füllgut 2 kann am Füllstandsmessgerät 1 eine tiefes Frequenzband bei beispielsweise 6 GHz voreingestellt werden, während das Füllstandsmessgerät 1 bzw. die Signalerzeugungs-Einheit/Auswertungs-Einheit zwecks hochgenauer Füllstandsmessung von Flüssigkeiten mit Mikrometer-Auflösung auf ein hohes Frequenzband von beispielsweise 180 Ghz konfigurierbar ist. Genutzt werden kann eine manuelle Konfigurierbarkeit des Frequenzbandes auch, wenn im Behälter 3 weitere, Radar-basierte Füllstandsmessgeräte betrieben werden, deren Betrieb durch Einstellung unterschiedlicher Frequenzbänder nicht beeinflusst werden soll.
Neben einer manuellen Konfiguration des Frequenzbandes kann das erfindungsgenmäße Füllstandsmessgerät 1 auch so ausgelegt werden, dass es eines der zwei oder mehreren möglichen Frequenzbänder Ereignisabhängig selbst einstellen kann. Ein relevantes Ereignis kann unter anderem dann vorliegen, wenn die Auswertungs-Einheit anhand des entsprechenden Empfangs-Signals R_HF1, R_HF2, R_HF3 beispielsweise aufgrund zu geringer Signalstärke momentan keinen Füllstandswert L₁, L₂, L₃ bestimmen kann. Als relevantes Ereignis kann beispielsweise ein Entleer-/Befüll-Vorgang, eine Schaumbildung, eine wellige bzw. bewegte Füllgut-Oberfläche oder eine vergleichbare Füllgut-Aktivität vorliegen. Je nach Ereignis-Typ kann das Füllstandsmessgerät 1 das konkrete Ereignis entsprechend aus dem Empfangs-Signal R_HF1, R_HF2, R_HF3 bzw. anhand einer spezifischen Kenngröße der entsprechenden Mess-Kurve, wie:

_HF1

_HF2

_HF3

Durch eine automatische, Ereignis-abhängige Einstellung bzw. Änderung des Frequenzbandes kann im Falle eines solchen Ereignisses durch Auswahl eines „passenden“ Frequenzbandes ggf. nicht nur ein korrekter Füllstandswert L₁, L₂, L₃ bestimmt werden. Vielmehr kann das Füllstandsmessgerät 1 das zugrundeliegende Ereignis außerdem signalisieren, sofern es, wie bspw. im Falle einer Schaumbildung oder eines rotierenden Rührwerkes, bekannt bzw. anhand der Kenngröße im Empfangs-Signal R_HF1, R_HF2, R_HF3 eindeutig als solches identifizierbar ist. Als Ereignis ist beispielsweise eine bewegte Füllgut-Oberfläche denkbar: Für den Fall, dass bei solch einem Ereignis ein hohes Frequenzband eingestellt ist, führt dies aufgrund des abgelenkten Empfangs-Signals zu einem Verschwinden des entsprechenden Signal-Maximums. Wertet das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 das Empfangs-Signal R_HF1, R_HF2, R_HF3 hinsichtlich dieser Kenngröße aus, so kann es anhand des Ergebnisses, nämlich „kein Signal-Maximum an der entsprechenden Stelle“, für die nachfolgenden Messzyklen, bzw. bis sich der Wert dieser Kenngröße für höhere Frequenzbänder wieder ändert, das tiefst-mögliche Frequenzband eingestellt lassen. Dies erhöht bei welliger-Füllgut-Oberfläche durch den resultierenden breiten Abstrahlwinkel des Radar-Signals S_HF1 die Wahrscheinlichkeit, dass das an der welligen Oberfläche reflektierte Empfangs-Signal R_HF1 von der Antennen-Anordnung 11 empfangen wird, so dass ein entsprechender erster Füllstandswert L₁ bestimmbar ist
Je nach Art des Ereignisses kann es außerdem vorkommen, dass sich die entsprechende Kenngröße, wie beispielsweise die Signalamplitude des Füllstands-Maximums bei Schaumbildung, im Empfangssignal R_HF1, R_HF2, R_HF3 je nach Frequenzband ändert. Daher kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 bzw. die Auswertungs-Einheit bei entsprechender Auslegung je nach Ereignis-Typ durch Vergleich der entsprechenden Kenngrößen auf das Vorliegen des korrespondierenden Ereignisses schließen.
Vorteilhaft an einer selbstständigen bzw. automatischen Änderung des Frequenzbandes ist außerdem, dass das Füllstandsmessgerät 1 hierdurch den ermittelten Füllstandswert L₁, L₂, L₃ des jeweiligen Frequenzbandes auf Plausibilität hin überprüfen kann. Sofern die Füllstandswerte L₁, L₂, L₃ aller Frequenzbänder im Rahmen der Messgenauigkeit übereinstimmen, kann hieraus auf Plausibilität des entsprechenden Füllstandes L geschlossen werden. Im umgekehrten Fall, also sofern nicht in allen Frequenzbändern übereinstimmende Füllstandswerte L₁, L₂, L₃ ermittelt werden, kann hieraus beispielsweise auf eine Störung oder einen Fehler im Füllstandsmessgerät 1 geschlossen werden, welches das Füllstandsmessgerät 1 wiederum entsprechend signalisieren kann.
Insbesondere zur reinen Plausibilitätsprüfung ist es vorteilhaft, wenn die Antennen-Anordnung 11 die Radar-Signale S_HF1, S_HF2, S_HF3 der verschiedenen Frequenzbänder in demselben Abstrahlwinkel aussendet. In 2 ist eine hierzu geeignete Auslegungs-Variante der Antennen-Anordnung 11 gezeigt: Demnach umfasst die Antennen-Anordnung 11 für jedes der drei auszusendenden Frequenzbänder einen eigenen Primärstrahler 112a, b, c. Dabei können die Primärstrahler 112a, b, c vorzugsweise als monolithischer Bestandteil der jeweiligen Signalerzeugungs-Einheit, beispielsweise als Patch-Antenne ausgelegt werden.
Angesteuert werden die Primärstrahler 112a, b, c derart koordiniert, dass der erste Primärstrahler 112a das erste Radar-Signal S_HF1 im niedrigsten Frequenzband von bspw. 26 GHz aussendet, bzw. das entsprechende Empfangs-Signal R_HF empfängt. Korrespondierend hierzu sendet der zweite Primärstrahler 112b in einem mittleren Frequenzband von bspw. 80 GHz aus, während der dritte Primärstrahler 112c im höchsten Frequenzband von bspw. 180 GHz sendet bzw. empfängt.
Damit die von den Primärstrahlern 112a, b, c erzeugten Radar-Signale S_HF1, S_HF2, S_HF3 mit einer hinreichenden Bündelung ausgesendet werden, ist ihnen bei der in 2 gezeigten Antennen-Anordnung 11 eine Linse 111 vorgeschaltet. Hierzu ist die Linse 111 aus einem geeigneten Material wie bspw. PE oder PTFE gefertigt, so dass die Radar-Signale S_HF1, S_HF2, S_HF3 bzw. entsprechend gebündelt werden. Dabei sind die Primärstrahler 112a, b, c in Bezug zur Linse 111 so ausgelegt und angeordnet, dass die Radar-Signale S_HF1, S_HF2, S_HF3 außerhalb der Linse 111 unter einem gleichen Abstrahlwinkel ausgesandt werden. Hierzu wird die Linse 111, wie in 2 gezeigt ist, gemäß $a \approx N * λ_{H F 1,2,3}$
im niedrigsten Frequenzband optimalerweise über ihren gesamten Querschnitt ausgeleuchtet. Wie die Formel beschreibt, entspricht der Gesamtquerschnitt in diesem Fall einem ganzzahligen Vielfachen N der Anzahl der Wellenlängen λ₁ des tiefsten Frequenzbands. Durch den zweiten Primärstrahler 112b und den dritten Primärstrahler 112c bzw. in den höheren Frequenzbändern wird dementsprechend nur diejenige Querschnittsfläche Linse 111 ausgeleuchtet, welche der Strahlbreite a₂,₃ des jeweiligen Primärstrahlers 112b, c entspricht, wie es auch in 2 gezeigt wird. Aufgrund der allgemein reziproken Eigenschaften der Primärstrahler 112 a,b,c bzw. der Antennen-Anordnung 11 insgesamt ist deren Abstrahlwinkel unabhängig davon, ob gesendet oder empfangen wird.
Sofern das Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 für jedes Frequenzband explizit einen anderen Abstrahlwinkel verlangt, kann die Antennen-Anordnung 11 alternativ zu der in 2 gezeigten Darstellung für alle Radar-Signale S_HF1, S_HF2, S_HF3, R_HF1, R_HF2, R_HF3 bzw. alle Frequenzbänder einen gemeinsamen Primärstrahler umfassen, so dass der Abstrahlwinkel im niedrigsten Frequenzband von bspw. 26 GHz mit bspw. 12° am weitesten ist, und dass der Abstrahlwinkel im höchsten Frequenzband von bspw. 180 GHz mit bspw. 3° am niedrigsten ist. Etwaige mittlere Frequenzbänder von 60 GHz, 80 GHz oder 120 GHz können entsprechend mit einem dazwischen liegenden Abstrahlwinkel von bspw. 6° ausgesandt/empfangen werden. Dabei versteht es sich von selbst, dass das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät auch ausgelegt werden kann, um in mehr als drei verschiedenen Frequenzbändern senden/empfangen zu können.
Bezugszeichenliste

1: Füllstandsmessgerät
2: Füllgut
3: Behälter
4: Übergeordnete Einheit
11: Antennen-Anordnung
111: Radar-bündelnde Linse
112a,b,c: Primärstrahler
a: Strahlbreite des jeweiligen Primärstrahlers
d: Entfernung
h: Einbauhöhe
L: Füllstand
L1,2: Füllstandswerte
RHF1,2: Empfangs-Signale
SHF1,2: Radar-Signale

Claims

Füllstandsmessgerät zur Bestimmung eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3), folgende Komponenten umfassend: - Eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, ◯ um innerhalb eines ersten Frequenzbandes ein erstes Radar-Signal (S_HF1) zu erzeugen, und ◯ um innerhalb eines zweiten Frequenzbandes, welches nicht mit dem ersten Frequenzband überlappt, ein zweites Radar-Signal (S_HF2) zu erzeugen, - eine Antennen-Anordnung (11), mittels welcher das erste Radar-Signal (S_HF1) sowie das zweite Radar-Signal (S_HF2) gen Füllgut (2) aussendbar sind, und mittels welcher entsprechende Empfangs-Signale (R_HF1, R_HF2) nach jeweiliger Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfangbar sind, und - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, ◯ um anhand des ersten Empfangs-Signals (R_HF1) einen ersten Füllstandswert (L₁) zu bestimmen, und ◯ um anhand des zweiten Empfangs-Signals (R_HF2) einen zweiten Füllstandswert (L₂) zu bestimmen.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, wobei die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, das erste Radar-Signal (S_HF1) bzw. das zweite Radar-Signal (S_HF2) derart zu erzeugen, - dass das zweite Frequenzband eine Mittenfrequenz aufweist, welche sich um zumindest einen Faktor 2, insbesondere mindestens einen Faktor 4 von der Mittenfrequenz des ersten Frequenzbandes unterscheidet, und/oder - dass die zumindest zwei Frequenzbänder jeweils eine Bandweite aufweisen, die jeweils maximal die Hälfte, insbesondere maximal einem Fünftel ihrer Mittenfrequenz entsprechen.
Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, um innerhalb eines dritten Frequenzbandes, welches nicht mit dem ersten Frequenzband und dem zweiten Frequenzband überlappt, ein drittes Radar-Signal zu erzeugen, und wobei die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, um anhand eines entsprechend dritten Empfangs-Signals einen dritten Füllstandswert (L₃) zu bestimmen.
Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungs-Einheit ausgelegt ist, - um den ersten Füllstandswert (L₁) mit dem zweiten Füllstandswert (L₂) und/oder dem dritten Füllstandswert (L₃) auf Übereinstimmung zu prüfen und - um als Füllstand (L) einen der Füllstandswerte (L₁, L₂, L₃) auszugeben, sofern dieser innerhalb eines definierten Toleranzbereichs mit zumindest einem der andern Füllstandswerte (L₁, L₂, L₃) übereinstimmt, und/oder - um einen Fehlerzustand des Füllstandsmessgerätes (1) oder ein definiertes Ereignis im Behälter (3) zu signalisieren, sofern nicht alle Füllstandswerte (L₁, L₂, L₃) innerhalb des definierten Toleranzbereichs übereinstimmen, oder sofern anhand einem der Empfangs-Signale (R_HF1, R_HF2, R_HF3) kein Füllstandswert (L₁, L₂, L₃) bestimmbar ist.
Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Auswertungs-Einheit ausgelegt ist, um als Füllstand (L) einen gleich oder ungleich gewichteten Mittelwert der zumindest zwei Füllstandswerte (L₁, L₂, L₃) auszugeben.
Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungs-Einheit ausgelegt ist, um anhand des ersten Empfangs-Signals (R_HF1), des zweiten Empfangs-Signals (R_HF2) und/oder anhand des dritten Empfangs-Signals (R_HF3) eine Ausblend-Kurve für ein jeweils anderes Frequenzband zu erstellen.
Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ausgelegt ist, um insbesondere in einer Mehrzahl an Messzyklen sowohl das erste Radar-Signal (S_HF1), als auch das zweite Radar-Signal (S_HF2) auszusenden, wobei die Auswertungs-Einheit anhand entsprechender Empfangs-Signale (R_HF2, R_HF1) pro Frequenzband jeweils zumindest eine definierte Kenngröße, insbesondere eine Amplitude eines Signalmaximums, eine Änderung oder Standardabweichung von dessen Amplitude, ein Rauschniveau und/oder eine Anzahl an Signal-Maxima, ermittelt.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 7, wobei die Auswertungs-Einheit ausgelegt ist, die jeweiligen Kenngrößen der zugrundeliegenden Frequenzbänder miteinander zu vergleichen.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 8, wobei die Signalerzeugungs-Einheit im Anschluss an die Mehrzahl an Messzyklen in Abhängigkeit des Kenngrößen-Vergleichs entweder das erste Radar-Signal (S_HF1) oder das zweite Radar-Signal (S_HF2) erzeugt, bzw. wobei die Auswertungs-Einheit in den anschließenden Messzyklen den Füllstandswert (L₁, L₂) entweder anhand des ersten Empfangs-Signals (R_HF1) oder anhand des zweiten Empfangs-Signals (R_HF2) ermittelt.
Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Auswertungs-Einheit ausgelegt ist, um in Abhängigkeit der jeweils ermittelten Kenngrößen oder in Abhängigkeit des Vergleichs das definierte Ereignis im Behälter (3) zu signalisieren.
Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das derart manuell konfigurierbar ist, so dass die Signalerzeugungs-Einheit entweder das erste Radar-Signal (S_HF1), das zweite Radar-Signal (S_HF2) oder das dritte Radar-Signal (S_HF3) erzeugt, wobei die Auswertungs-Einheit anhand des korrespondierenden Empfangs-Signals (R_HF1, R_HF2, R_HF3) den entsprechenden Füllstandswert (L₁, L₂, L₃) bestimmt.
Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennen-Anordnung (11) für alle Radar-Signale (S_HF1, S_HF2, S_HF3, R_HF1, R_HF2, R_HF3) bzw. alle Frequenzbänder einen gemeinsamen Primärstrahler umfasst.
Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Antennen-Anordnung (11) für jedes Radar-Signal (S_HF1, S_HF2, S_HF3, R_HF1, R_HF2, R_HF3) bzw. jedes Frequenzband einen eigenen Primärstrahler (112a, b, c) umfasst.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Antennen-Anordnung (11) derart ausgelegt ist, dass der Abstrahlwinkel des jeweiligen Radar-Signals (S_HF1, S_HF2, S_HF3, R_HF1, R_HF2, R_HF3) umso größer ist, je tiefer dessen Frequenzband liegt.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 13, wobei die Antennen-Anordnung (11) derart ausgelegt ist, dass die Radar-Signale (S_HF1, S_HF2, S_HF3) unter einem gleichen Abstrahlwinkel ausgesandt werden.
Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Antennen-Anordnung (11) eine Radar-bündelnde Linse (111) umfasst, und wobei der/die Primärstrahler (112a, b, c) in etwa im Fokus der Linse (111) angeordnet ist/sind.
Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antennen-Anordnung (11) ausgelegt ist, das erste Radar-Signal (S_HF1), das zweite Radar-Signal (S_HF2) und/oder das dritte Radar-Signal (S_HF3) mit einer definierten Polarisation auszusenden.
Verfahren zum Betrieb des Füllstandsmessgerätes (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Radar-Signal (S_HF1) und das zweite Radar-Signal (S_HF2) sequenziell abwechselnd ausgesendet werden, bzw. wobei das erste Empfangs-Signal (R_HF1) und das zweite Empfangs-Signal (R_HF2) entsprechend abwechselnd empfangen werden.