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Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät, das bei seitlicher Befestigung am Behälter eingesetzt wird.
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In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung diverser Messgrößen dienen. Bei der zu bestimmenden Messgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, die Temperatur, den pH-Wert, das Redoxpotential, eine Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Mediums in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Messprinzipien. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
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Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich Radar-basierte Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein zentraler Vorteil Radar-basierter Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Radar-Signale mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz. Übliche Frequenzbänder, bei denen Füllstandsmessung durchgeführt wird, liegen bei 2 GHz, 26 GHz, 79 GHz, oder 120 GHz. Die beiden gängigen Messprinzipien bilden hierbei das Puls-Laufzeit-Prinzip (auch unter dem Begriff „Pulsradar“ bekannt) sowie das FMCW-Prinzip („Frequency Modulated Continuous Wave“). Ein Füllstandsmessgerät, welches nach dem Puls-Laufzeit-Verfahren arbeitet, ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 2012 104 858 A1 beschrieben. Bezüglich eines typischen Aufbaus von FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten sei exemplarisch auf die Offenlegungsschrift
DE 10 2013 108 490 A1 verwiesen.
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Näher beschrieben werden die Messprinzipien von FMCW und Pulsradar außerdem in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000‟.
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Da Radar-basierte Füllstandsmessgeräte den Füllstand indirekt bestimmen, indem sie von oben den Abstand zur Füllgut-Oberfläche messen, sind Füllstandsmessgeräte nach dem Stand der Technik so konzipiert, dass sie an der Oberseite des Behälters angebracht werden. Hierzu sind die jeweiligen Behälter an der Oberseite mit einem entsprechenden Anschluss wie einem Flanschanschluss auszustatten. Oftmals sind solche Anschlüsse jedoch separat nachzurüsten, wohingegen seitliche Anschlüsse am Behälter oftmals per se vorhanden sind, beispielsweise als ungenutzte Zu- bzw. Abflüsse, oder als Anschlüsse für Druck- oder Temperaturmessung. Eine seitliche Anbringung an einer Behälterwand kann weiterhin die Gefahr bergen, dass die Behälterwand von der Hauptabstrahlkeule des ausgesendeten Radar-Signals erfasst wird, wodurch Störreflektionen erzeugt werden können, die zu einer falschen Füllstands-Messung führen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Füllstandsmessgerät bereitzustellen, mittels dem der Füllstand zuverlässig über einen seitlichen Anschluss des Behälters bestimmt werden kann.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät folgende Komponenten:
- - Ein Befestigungsmittel, wie beispielsweise einem Flanschanschluss, mittels dem das Füllstandsmessgerät an einer seitlichen Behälterwand befestigbar ist,
- - eine Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, ein Radar-Signal zu erzeugen,
- - eine Antennen-Anordnung, mittels der das Radar-Signal im befestigten Zustand in etwa senkrecht gen Füllgut aussendbar und nach Reflektion an der Oberfläche des Füllgutes als entsprechendes Empfangssignal empfangbar ist, mit
- o einer derart asymmetrischen Apertur, mittels der das Radar-Signal mit einer zur Behälterwand hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird, und
- - eine Auswertungs-Einheit, die ausgelegt ist, um anhand des Empfangssignals den Füllstand zu bestimmen.
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Die technische Realisierung der asymmetrischen Apertur ist im Rahmen der Erfindung nicht auf eine spezielle Ausführungsvariante beschränkt. Die asymmetrische Apertur kann daher beispielsweise in Form einer quasioptischen Linse, einer insbesondere planaren Gruppen-Antenne, oder als entsprechend asymmetrischer, quasioptischer Spiegel realisiert werden. Dabei handelt es sich im Kontext der vorliegenden Patentanmeldung bei dem Begriff „Hauptabstrahlkeule“ um den Bereich, der von denjenigen Raumwinkeln, bei denen sich ausgehend von der Hauptabstrahlrichtung (also dem Vektor der Maximal-Leistung des ausgesendeten Radar-Signals) die Leistung auf 50 % bzw. um -3 dB verringert hat, eingeschlossen ist.
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Das erfindungsgemäß asymmetrische Aussenden des Radar-Signals wirkt sich in mehrfacher Hinsicht positiv aus: Einerseits kann die Antennen-Anordnung so ausgelegt werden, dass sie nur unweit den Behälter hineinragt und das Radar-Signal trotzdem nicht ungewollt an der Behälter-Wand reflektiert wird. Diesbezüglich kann die asymmetrische Apertur beispielsweise so ausgelegt werden, bzw. die Frequenz des Radar-Signals kann so an die Apertur angepasst werden, dass die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals die Behälterwand theoretisch erst in einer Distanz zum Füllstandsmessgerät von mindestens 25 m tangiert. Hierdurch ist das Füllstandsmessgerät zumindest an bis zu 25 m hohen Behältern sicher einsetzbar. Dazu ist die Signalerzeugungs-Einheit so auszulegen, dass das elektrische HochfrequenzSignal mit einer entsprechend abgestimmten Frequenz erzeugt, bzw. die Apertur ist entsprechend auszulegen. Darüber hinaus bildet das Füllstandsmessgerät durch die enge seitliche Anbringung keinen störenden Einbau innerhalb des Behälters. Dennoch wird durch die Asymmetrie sichergestellt, dass die Hauptabstrahlkeule breit genug ist, damit das reflektierte Radar-Signal durch das Füllstandsmessgerät auch bei rauer Füllgut-Oberfläche empfangen werden kann.
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Unter dem Begriff „Einheit‟ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung wie einem FPGA oder einen Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Dielektrizitätswert-Messgerätes im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden.
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Die Formulierung „Derart asymmetrische Dimensionierung der Apertur, so dass das Radar-Signal mit einer zur Behälterwand hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird“ definiert sich im Zusammenhang mit der Erfindung beispielweise derart, dass im befestigten Zustand ein horizontaler Querschnitt der Hauptabstrahlkeule eine in Bezug zur Behälterwand maximal parallele Ausbreitung aufweist, die größer als die in Bezug zur Behälterwand maximale orthogonale Ausbreitung des horizontalen Querschnittes ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Apertur so zu dimensionieren, dass die zur Behälterwand parallele Ausbreitung zumindest doppelt so groß ist, wie die zur Behälterwand orthogonale Ausbreitung des Querschnittes. Auch ein Verhältnis von bis zu 4:1 zwischen der parallelen Ausbreitung und der orthogonalen Ausbreitung des Querschnittes ist denkbar. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgegeben, welche Querschnittsform der horizontale Querschnitt der Hauptabstrahlkeule aufweist. Um das gewünschte Verhältnis zwischen der parallelen Ausbreitung und der orthogonalen Ausbreitung zu erreichen, kann die Apertur beispielsweise derart ausgelegt sein, dass im befestigten Zustand der horizontale Querschnitt der Hauptabstrahlkeule des ausgesendeten Radar-Signals eine in etwa elliptische oder rechteckige Form aufweist. Denkbar ist weiterhin ein in etwa halbkreisförmiger, horizontaler Querschnitt.
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Durch die asymmetrische Apertur kann die Antennen-Anordnung vergleichsweise schmal ausgelegt werden, ohne dass die Hauptabstrahlkeule insgesamt zu schmal wird und somit das Risiko besteht, dass das reflektierte Radar-Signal nicht empfangen wird. Dazu kann die Antennen-Anordnung insbesondere stabförmig ausgebildet werden und die Apertur kann derart konzipiert werden, dass die zur Behälterwand maximale orthogonale Ausbreitung des Querschnittes der Hauptabstrahlkeule parallel zur Stab-Achse verläuft. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät zudem auch an entsprechend schmalen, seitlichen Behälter-Anschlüssen angeordnet werden.
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Je nach technischer Auslegung der asymmetrischen Apertur, beispielsweise im Falle einer Gruppen-Antenne, kann diese als Teil der Signalerzeugungs-Einheit so ausgelegt sein, dass das Radar-Signal in einem Brennpunkt der Apertur erzeugt wird. Vorteilhaft hieran ist, dass das Radar-Signal nicht separat entlang der Antennen-Anordnung geführt werden muss, wodurch Signalverluste vermieden werden. Sofern die Signalerzeugungs-Einheit andernfalls in einem Gehäusebereich angeordnet ist, der sich im befestigten Zustand außerhalb der Behälterwand befindet, oder sofern die Signalerzeugungs-Einheit innerhalb der Antennen-Anordnung abseits der Apertur angeordnet ist, kann das Radar-Signal beispielsweise mittels eines Hohlleiters oder eines dielektrischen Wellenleiters gen Apertur geführt werden.
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Zum Schutz der Apertur gegenüber Kontamination durch das Füllgut kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät dahingehend erweitert werden, dass die Antennen-Anordnung ein für die Radar-Signale transparentes Radom umfasst, welches zumindest die Apertur oder die gesamte Antennen-Anordnung abdeckt.
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Analog zum erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein entsprechendes MessVerfahren gelöst. Dabei umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
- - Erzeugen eines elektrischen Hochfrequenz-Signals,
- - In etwa senkrechtes Aussenden des elektrischen Hochfrequenz-Signals als Radar-Signal gen Füllgut, wobei das Radar-Signal mit einer zur Behälterwand hin abgeflachten Hauptabstrahlkeule ausgesendet wird, und
- - Empfang eines entsprechenden Empfangssignals nach Reflektion des Radar-Signals an der Füllgut-Oberfläche, und
- - Bestimmung des Füllstandes anhand zumindest des Empfangssignals.
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Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1: Eine schematische Anordnung eines radar-basierten Füllstandsmessgerätes nach dem Stand der Technik an der Oberseite eines Behälters,
- 2: eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen radar-basierten Füllstandsmessgerätes an der seitlichen Behälterwand, und
- 3: eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes.
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Zum grundsätzlichen Verständnis der Erfindung ist in 1 ein frei abstrahlendes, Radar-basiertes Füllstandsmessgerät 1' gezeigt, das nach dem Stand der Technik an der Oberseite eines Behälter 3 angeordnet ist. Dabei befindet sich in dem Behälter 3 ein Füllgut 2, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1' zu bestimmen ist.
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In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1' über ein Bussystem, wie etwa „Ethernet“, „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 4, beispielsweise einem Prozessleitsystem oder einer dezentralen Datenbank verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1' kommuniziert werden. Über das Bussystem können jedoch auch Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter 3 vorhandene Zu- oder Abflüsse zu steuern.
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Zur Bestimmung des Füllstandes L ist das Füllstandsmessgerät 1' oberhalb des Behälters 3 an einem hierfür vorgesehenen Flanschanschluss angebracht. Unabhängig vom implementierten Messprinzip ist eine entsprechende Signalerzeugungs-Einheit 12 des Füllstandsmessgerätes 1' so konzipiert, dass z. B. gemäß dem FMCW-Prinzip oder dem Pulslaufzeit-Prinzip ein entsprechendes Radar-Signal SHF vertikal in Richtung des Füllgutes 2 ausgesendet wird. An der Oberfläche des Füllgutes 2 wird das Radar-Signal SHF reflektiert und nach einer korrespondierenden Signallaufzeit vom Füllstandsmessgerät 1' entsprechend als Empfangssignal EHF empfangen. Hierbei hängt die Signallaufzeit des Radar-Signals SHF , EHF vom Abstand d = h - L des Füllstandsmessgerätes 1' zur Füllgut-Oberfläche ab. Eine entsprechende Auswertungs-Einheit 14 des Füllstandsmessgerätes 1' kann anhand des Empfangs-Signals EHF die Signallaufzeit und darauf basierend den Füllstand L bestimmen.
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Auch das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 arbeitet nach dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Radar-Prinzip. Gemäß der Erfindung kann der Füllstand L jedoch von einer Seitenwand 31 des Behälters 3 aus bestimmt werden. Wie in 2 dargestellt ist, ist das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 daher an einem seitlichen Flanschanschluss 11 des Behälters 3 befestigt, wobei eine stabförmige Antennen-Anordnung 13 des Füllstandsmessgerätes 1 hierzu in das Behälter-Innere hineinragt, während ein Gehäusebereich mit etwaigen Schnittstellen und Elektronik-Komponenten außerhalb des Behälters 3 verbleibt.
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Ausgehend von der Antennen-Anordnung 11, die orthogonal von der Behälterwand 31 nach Innen absteht und somit horizontal ausgerichtet ist, verläuft die Achse der Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals SHF senkrecht gen Füllgut 2. Wie aus dem Vergleich der Frontalansicht und der Seitenansicht des Füllstandsmessgerätes 1 in 2 hervorgeht, ist die Hauptabstrahlkeule dabei asymmetrisch: Die zur Behälterwand 31 maximal parallele Ausbreitung ap des horizontalen Querschnittes der Hauptabstrahlkeule ist ca. 3 mal so groß wie die zur Behälterwand 31 maximale orthogonale Ausbreitung ao des Strahl-Querschnittes, so dass die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals SHF zur Behälterwand 31 hin entsprechend abgeflacht ist.
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Die asymmetrische Hauptabstrahlkeule wird durch eine entsprechende Apertur
131 bewirkt, die innerhalb der Antennen-Anordnung
13 angeordnet ist. Näher dargestellt ist dies in
3: Die stabförmige Antennen-Anordnung
13 des dortigen erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes
1 zeigt schematisch zwei Ausführungsvarianten der Apertur
131, eine elliptische und eine rechteckige. Dabei zeichnet sich die Apertur
131 in beiden Fällen durch eine definierte Apertur-Länge a'
o, die parallel zur Stabachse
132 verläuft, und eine Apertur-Breite a'
p, die orthogonal zur Stabachse
132 verläuft, aus. Somit entspricht das Verhältnis zwischen der zur Stabachse
132 parallelen Apertur-Länge a'
o und der zur Stabachse orthogonalen Apertur-Breite a'
p dem Verhältnis zwischen der zur Behälterwand
31 maximalen parallelen Ausbreitung
ap und der zur Behälterwand
31 maximalen orthogonalen Ausbreitung a'
o des horizontalen Querschnitts der Hauptabstrahlkeule gemäß
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht dieses Verhältnis ca. 3 zu 1. Realisiert werden kann die Apertur 131 bspw. in Form einer entsprechend ausgelegten quasioptischen Linse, einer insbesondere planaren Gruppen-Antenne, oder als entsprechend asymmetrischer quasioptischer Spiegel. Durch die stabförmige Auslegung der Antennen-Einheit 13 ist es möglich, die Antennen-Anordnung 13 bei vorgegeben quasioptischen Eigenschaften der Apertur 131 mit minimalen Abmessungen zu realisieren, so dass das Füllstandsmessgerät 1 auch an möglichst kleinen, seitlichen Behälteröffnungen montierbar ist. In diesem Zusammenhang ist es im Gegensatz zu der gezeigten Ausführungsvariante außerdem möglich, die Antennen-Anordnung 13 beispielsweise mittels eines entsprechenden Kugelgelenkes in Bezug zur Behälterwand 31 derart beweglich auszulegen, dass die Hauptabstrahlkeule des Radar-Signals SHF in einem gewissen Winkelbereich verschwenkbar ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Radar-Signal SHF auch bei leicht geneigter Behälterwand 31 senkrecht gen Füllgut 2 ausgesendet wird.
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Die Signal-Erzeugungs-Einheit 12 zur Erzeugung des Radar-Signals SHF sowie die Auswertungs-Einheit 14, die anhand des Empfangs-Signals EHF den Füllstand L bestimmt, sind bei der in 3 dargestellten Ausführungs-Variante in dem Gehäusebereich des Füllstandsmessgerätes 1 angeordnet, das sich nach Befestigung des Füllstandsmessgerätes 1 außerhalb des Behälters 3 befindet. Dementsprechend sind diese elektronischen Komponenten 12, 14 über einen dielektrischen Wellenleiter oder einen Hohlleiter mit der Apertur 131 zu verbinden. Vorteilhaft hieran ist, dass das Füllstandsmessgerät 1 leichter etwaige Explosionsschutz-Vorgaben einhalten kann. Eine direkte Anbringung der Signalerzeugungs-Einheit 12 im Brennpunkt f der Apertur 131 bietet im Gegensatz dazu den Vorteil verringerter Signalverluste.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Füllstandsmessgerät
- 2
- Füllgut
- 3
- Behälterwand
- 4
- Übergeordnete Einheit
- 11
- Befestigungsmittel
- 12
- Signalerzeugungs-Einheit
- 13
- Antennen-Anordnung
- 14
- Auswertungs-Einheit
- 31
- Behälterwand
- 131
- Apertur
- 132
- Stabachse
- ap
- Zur Behälterwand parallele Ausbreitung des Strahl-Querschnittes
- a'p
- Apertur-Breite
- ao
- Zur Wand orthogonale Ausbreitung des Strahl-Querschnittes
- a'o
- Apertur-Länge
- d
- Abstand
- EHF
- Empfangenes Radar-Signal
- f
- Brennpunkt
- h
- Einbauhöhe
- L
- Füllstand
- SHF
- Radar-Signal
- x
- Entfernung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012104858 A1 [0003]
- DE 102013108490 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- FMCW und Pulsradar außerdem in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000‟ [0004]
