OBBERGER, Gerhard (Josef-Holzmann-Weg 5, Leonding, A-4060, AT)
FEILMAYR, Christoph (Schultestraβe 6, Linz, A-4020, AT)
BÜRGLER, Thomas (Fischergasse 4, Steyregg, A-4221, AT)
LACKNER, Bernhard (Im Kohlbrunn 7, A -4663 Laakirchen, AT)
SCHÖLLHAMMER ,Herbert (Helbetschlag 40, Grünbach, A-4264, AT)
STADLER, Peter (Ottensheimerstraβe 48, Linz, A-4040, AT)
SCHUSTER, Stefan (Mövenweg 11, Enns, A-4470, AT)
OBBERGER, Gerhard (Josef-Holzmann-Weg 5, Leonding, A-4060, AT)
FEILMAYR, Christoph (Schultestraβe 6, Linz, A-4020, AT)
BÜRGLER, Thomas (Fischergasse 4, Steyregg, A-4221, AT)
LACKNER, Bernhard (Im Kohlbrunn 7, A -4663 Laakirchen, AT)
SCHÖLLHAMMER ,Herbert (Helbetschlag 40, Grünbach, A-4264, AT)
STADLER, Peter (Ottensheimerstraβe 48, Linz, A-4040, AT)
| P a t e n t a n s p r ü c h e : 1. Verfahren zur Berechnung einer Oberfläche (31) eines Füllguts (4) eines Behälters (2) bei dem mit Hilfe einer, mehrere in einem gemeinsamen Gehäuse (7) angeordnete Antennen (9) aufweisenden Antenneneinrichtung (27) sowohl wenigstens zwei elektromagnetische Signale (V), insbesondere Radarsignale, auf das Füllgut (4) gesendet werden, welche Signale sich an Teilbereichen (A1 bis AN) der Füllgutoberfläche (31) reflektieren, als auch reflektierte Signale (1 ") empfangen werden, und bei dem aus wenigstens den, von den gesendeten und empfangen elektromagnetischen Signalen (1 , 1") abhängigen Daten (29) die Oberfläche (31) des Füllguts (4) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit der, über die Antennen (9) eine synthetische Apertur ausbildenden Antenneneinrichtung (27) elektromagnetische Signale (V) gesendet werden, die sich je im Wesentlichen an allen Teilbereichen (A1 bis AN) der zu berechnenden Oberfläche (31) des Füllguts (4) reflektieren. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (31) des Füllguts (4) im Wesentlichen aus Teilflächen (A1 bis AN) berechnet wird, die aus wenigstens den Daten (29) unter Berücksichtigung wenigstens einer, zwischen den Teilflächen (A1 bis AN) verschiedenen Raumwinkelgröße (ß und/oder ε) bestimmt werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Oberfläche (31) des Füllguts (4) elektromagnetische Signale (V, 1 ") von allen Antennen (9) verwendet werden. 4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander gleiche oder zumindest teilweise orthogonal verschiedene elektromagnetische Signale (V, 1") gesendet werden. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Berechnung der Oberfläche (31) des Füllguts (4) die Zwischenflächen (Z1 bis ZN) zwischen den berechneten Teilflächen (A1 bis AN) anhand der Daten zu den berechneten Teilflächen (A1 bis AN) interpoliert werden. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung bekannter physikalischer Eigenschaften des Füllguts (4), insbesondere die maximale Steigung der Oberfläche (31) des Füllguts (4), die von den gesendeten und empfangen elektromagnetischen Signalen (1 , 1') abhängigen Daten (29) geglättet werden. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen (9) durch eine feuerfeste, insbesondere gemeinsame Gehäusewand (13) senden und/oder empfangen. 8. Verwendung einer Antenneneinrichtung mit mehreren, in einem gemeinsamen Gehäuse (7) angeordneten Antennen (9), insbesondere Radarantennen, zur Berechnung einer Oberfläche (31) eines Füllguts (4) eines Behälters, wobei die Antennen (9) der Antenneneinrichtung (27) eine synthetische Apertur zur Verbesserung der Winkelauflösung und Unterdrückung von Störsignalen ausbilden. 9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Antennen (9) ein Array an Antennen, insbesondere in MIMO, SIMO oder MISO Anordnung, zur Bildung einer synthetischen Apertur bei einem Hochofen zur Berechnung der Oberfläche (31) des Füllstands (3) eines Hochofens verwendet wird. 10. Vorrichtung (1) zur Berechnung einer Oberfläche (3') eines Füllguts (4) eines Behälters (7) mit einer Antenneneinrichtung (27), die mehrere, insbesondere nebeneinander in einem Gehäuse (7) angeordnete Antennen (9) zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Signalen (1', 1"), insbesondere Radarsignalen, aufweist, die an zumindest zwei verschiedenen Teilberei- chen (A1 und A2) der Füllgutoberfläche (31) reflektieren, und mit einer mit der Antenneneinrichtung (27) verbundenen Recheneinrichtung (28) zur Berechnung der Oberfläche (31) des Füllguts (4) aus den, wenigstens von den gesendeten und empfangen elektromagnetischen Signalen (11, 1") abhängigen Daten (29), dadurch gekennzeichnet, dass die Antenneneinrichtung (27) sich je im wesentlichen an allen Teilbereichen (A1 bis AN) der zu bestimmenden Füllgutoberfläche (31) reflektierende, elektromagnetische Signale (V) sendet, wobei die Vorrichtung (1) eine mit den Antennen (9) verbundene Steuereinrichtung (31) aufweist, die die Antennen (9) zur Bildung einer synthetischen Apertur ansteuert. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (28) eine Rasterschaltung (27) aufweist, die mit der Rechenschaltung (10) der Recheneinheit (28) zur Veränderung wenigstens einer Raumwinkelgröße (ß und/oder ε) verbindet, wobei die Rechenschaltung (28) in Abhängigkeit von Raumwinkeln (ß und/oder ε) aus den vom elektromagnetischen Signal (V, 1") abhängigen Daten (29) Abstandsdaten einer Teilfläche (A1 bis AN) der Oberfläche (31) des Füllguts (4) berechnet. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit einen Speicher (38) aufweist, der mit der Rechenschaltung (10) zur Übertragung von Daten (39) über die Eigenschaften des Füllguts (4) verbindet, wobei die Rechenschaltung (10) in Abhängigkeit der Speicherdaten (39) die vom empfangen elektromagnetischen Signal (V, V) abhängigen Daten glättet. 13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) eine vor den Antennen (9) vorgesehene, feuerfeste Schicht, insbesondere Gehäuseseite (13), aufweist, die insbesondere Calcium- sulfat für eine geringe Dämpfung aufweist und durch die die Antennen (9) senden und/oder empfangen. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei unterschiedliche Abstandsweiten (a, b) zwischen den Antennen (9) vorgesehen sind. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Array an Antennen (9), insbesondere ein MIMO, SIMO oder MISO Antennenarray, im Gehäuse (7) vorgesehen ist. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Antennen (9) zueinander geneigte Hauptabstrahlrichtungen (40, 41) aufweisen. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) eine Kühleinrichtung (17) aufweist. 18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinigungseinrichtung (20) vorgesehen ist, die mit wenigstens einer Düse (21) auf die Außenseite der feuerfesten Gehäuseseite (13) gerichtet ist. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) außen wenigstens teilweise eine Anbackung abweisende Beschichtung (42), beispielsweise eine keramische Antihaftbe- schichtung, aufweist. 20. Hochofen (2) mit einem Füllgut aufnehmenden Ofengehäuse (5) und mit einer in eine Öffnung des Ofengehäuses (5) eingesetzten Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 19. |
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Berechnung einer Oberfläche eines Füllguts eines Behälters mit einer Antenneneinrichtung, die mehrere, insbesondere nebeneinander in einem Gehäuse angeordnete Antennen zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Signalen, insbesondere Radarsignalen, aufweist, die an zumindest zwei verschiedenen Teilbereichen der Füllgutoberfläche reflektieren, und mit einer mit der Antenneneinrichtung verbundenen Recheneinrichtung zur Berechnung der Oberfläche des Füllguts aus den, wenigstens von den gesendeten und empfangen elektromagnetischen Signalen abhängigen Daten.
Stand der Technik
Zur Messung der Oberfläche eines Füllstands bzw. des Füllstands eines Behälters ist aus dem Stand der Technik eine Radarvorrichtung bekannt (EP1701142A2), bei der auf das zu messende Schüttgut mehrere Sende- und Empfangsantennen zur Bestrahlung des Schüttguts mit Radarsignalen gerichtet sind. Zu diesem Zweck werden die Antennen über nahezu die gesamte Erstreckung des Schüttguts verteilt angeordnet, um so die Oberflächenform des Schuttguts anhand eines mehrfach empfangenen Radarsignals sowie unter Zuhilfenahme eines geometrischen Modells des Schüttkegels des Füllguts berechnen zu können. Zwar kann mit einer vergleichsweise verteilten Anordnung von Antennen eine erhöhe Anzahl an Teilbereichen der Oberfläche abge- tastet werden, um so eine genaue Darstellung der Oberflächenform des Schuttguts ermöglichen zu können, von Nachteil ist jedoch, dass die Installation einer derartig erstreckten Radarvorrichtung einen vergleichsweise hohen konstruktiven Aufwand bedarf. Nachteilig kommt weiter hinzu, dass diese breitflächig verteilten Antennen einer vergrößerten Beschädigungsgefahr ausgesetzt sind, was unter anderem zu keinen hohen Standzeiten derartiger Vorrichtungen führen kann. Außerdem erhöht sich nachteilig durch die breite Anordnung die Dämpfung aufgrund der langen Hochfrequenzverbindungsleitungen.
Desweiteren ist aus der DE2129290A1 eine Radarvorrichtung zur Messung des Füllstands an Schüttgut eines Hochofens bekannt. Auch hier werden verteilt über die Erstreckung des Schüttguts mehrere die Ofenwand durchbrechende Antennen vorgesehen. Die DE2129290A1 weist daher auch dieselben, aus der EP1701142A2 bekannten Probleme auf, nämlich sowohl einen vergleichsweise hohen konstruktiven Aufwand als auch eine vergleichsweise geringe Standzeit. Insbesondere kommt hier noch hinzu, dass die Standzeit durch die Widrigkeiten innerhalb des Ofens negativ beeinträchtigt wird, so dass die DE2129290A1 zur Verbesserung dieser Umstände eine Wasserkühlung sowie eine Oberflächenspülung der jeweiligen Hornantennen vorschlägt, was zudem vergleichsweise konstruktiv aufwendig ist.
Eine weitere aus der DE20122745U1 bekannte Vorrichtung mit einer verschwenkbaren Antenneneinrichtung offenbart einen kompakten Aufbau, doch müssen nachteilig mechanische Mittel zum Verschwenken vorgesehen werden, die unter widrigen Umständen besonders anfällig sind, so dass derartigen Vorrichtungen der Einsatz bei einem Hochofen versperrt bleibt.
Eine andere Vorrichtung ist aus der DE10149851 A1 bekannt, bei der mit Hilfe einer Antenneneinrichtung wenigstens zwei gebündelte Radarsignale auf das Füllgut gesendet werden, um damit zwei unterschiedliche Teilbereiche des Füllguts ausleuchten zu können. Zu diesem Zweck sind mehrere Patchantennen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Damit kann zwar gegenüber der DE20122745U1 eine mechanische Verstellung der Antenneneinrichtung vermieden werden, da anhand der unterschiedlich ausgeleuchteten Teilbereiche die Oberfläche des Füllguts durch Schätzung berechnet werden kann. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist jedoch die durch „digital beam forming" vergleichsweise geringe Anzahl an ausleuchtbaren Teilbereichen, so dass mit einer vergleichsweise ungenauen Darstellung der Oberfläche des Füllguts gerechnet werden muss.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs geschilderten Art derart zu verbessern, dass trotz geringen Abmessungen der Antenneneinrichtung eine vergleichsweise hohe Genauigkeit in Berechnung der Oberfläche des Füllguts eines Behälters ermöglicht werden kann.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens dadurch, dass mit der, über die Antennen eine synthetische Apertur ausbildenden Antenneneinrichtung elektromagnetische Signale gesendet werden, die sich je im Wesentlichen an allen Teilbereichen der zu berechnenden Oberfläche des Füllguts reflektieren.
Werden mit der Antenneneinrichtung elektromagnetische Signale gesendet, die sich je im Wesentlichen an allen Teilbereichen der zu berechnenden Oberfläche des Füllguts reflektieren, dann kann es möglich werden, dass mit jedem Signal die gesamt zu berechnende Oberfläche des Füllguts ausgeleuchtet werden kann. Aufgrund von Reflexionen an den Behälterwänden kommt es jedoch zu erheblichen Störeinflüssen in den von den gesendeten und empfangen e- lektromagnetischen Signalen abhängigen Daten, welche Einflüsse überraschend mit einer, eine synthetische Apertur ausbildenden Antenneneinrichtung derart vermindert werden können, dass trotz der vergleichsweise geringen Abmessung der Antenneneinrichtung eine vergleichsweise hohe Genauigkeit in Berechnung der Oberfläche des Füllguts eines Behälters ermöglicht werden kann. Zur Berechnung der Teilflächen aus den Daten können bekannte Algorithmen verwendet werden. Vorstellbar sind "beamfomer" Algorithmen, bei denen aus den Daten jene elektromagnetischen Signale gefiltert werden, die vom Teilbereich der zu bestimmenden Oberfläche stammen. Dies kann beispielsweise unter Zuhilfenahme von Raumwinkel zwischen den Antennen und der jeweiligen Teilfläche sowie den bekannten konstruktiven Zusammenhängen, beispielsweise der Position der jeweiligen Antennen, erfolgen. Andere Algorithmen zu Bestimmung sind denkbar, beispielsweise CAPON, RELAX oder MUSIC Algorithmen. Anhand des so gewonnenen Signals bzw. Richtungssignals kann nun unter Verwendung konventioneller Algorithmen zur Abstandsmessung die Entfernung der Teilfläche zur Antenneneinrichtung berechnet werden. Bekanntermaßen wird bei der Abstandsmessung ein Mittelwert der Entfernung der betrachteten Teilfläche ermittelt. Da nun für jede Teilfläche nur an den Raumwinkeln Veränderungen vorgenommen werden muss, kann so auf einfache Weise eine hohe Auflösung der Oberfläche des Füllguts ermöglicht, was erfindungsgemäß auch eine dreidimensionale Darstellung des Füllguts erlaubt, ohne dass die Antenneneinrichtung dafür mechanisch verschwenkt werden muss. Damit ist ein beispielsweise gegenüber den Widrigkeiten eines Hochofens robustes und störsicheres Verfahren geschaffen, was gegenüber dem Stand der Technik vergleichsweise hohe Standzeiten gewährleisten kann. Außerdem ist selbstverständlich, dass im Sinne eines zusammenhängenden Füllguts auch mehrere bereichsweise in einem Behälter oder Raum verteilte Gegenstände verstanden werden können.
Wird die Oberfläche des Füllguts im Wesentlichen aus Teilflächen berechnet, die aus wenigstens den Daten unter Berücksichtigung wenigstens einer, zwischen den Teilflächen verschiedenen Raumwinkelgröße bestimmt werden, dann kann eine genaue Darstellung der Oberfläche des Füllguts geschaffen werden. Lücken zwischen den Teilflächen können so weitgehend vermieden werden. Werden zur Berechnung der Oberfläche des Füllguts elektromagnetische Signale von allen Antennen verwendet, dann kann es möglich werden, dass selbst bei geringen Signal-Rauschabständen aufgrund einer erhöhten Anzahl an Empfangsantennen eine vergleichsweise hohe Genauigkeit in der Berechnung der Oberfläche ermöglicht werden.
Um in einem Zeitintervall des Sendens und Empfangens eine synthetische A- pertur schaffen zu können, können zumindest teilweise orthogonal verschiedene elektromagnetische Signale gesendet werden, was ein vergleichsweise schnelles Verfahren zur Berechnung einer Oberfläche eines Füllguts eines Behälters schaffen kann. Das Verfahren kann auch durch ein mehrmaliges Senden von gleichen elektromagnetischen Signalen ermöglicht werden, um damit durch mehrere Zeitintervalle des Sendens und Empfangens eine synthetische Apertur zu schaffen.
Werden für die Berechnung der Oberfläche des Füllguts die Zwischenflächen zwischen den berechneten Teilflächen anhand der Daten zu den berechneten Teilflächen interpoliert, dann kann mit einer verminderten Berechnung an Teilflächen aus den Daten, um damit das Verfahren in der Rechenzeit zu beschleunigen, trotzdem eine hohe Genauigkeit ermöglicht werden.
Um Messrauschen unterdrücken zu können, kann vorgesehen sein, dass unter Berücksichtigung bekannter physikalischer Eigenschaften des Füllguts die von den gesendeten und empfangen elektromagnetischen Signalen abhängigen Daten geglättet werden. Derartige physikalische Eigenschaften des Füllguts kann beispielsweise eine maximale Steigung der Oberfläche des Füllguts sein.
Senden und/oder Empfangen die Antennen durch eine feuerfeste, insbesondere gemeinsame Gehäusewand, dann kann auch bei Verwendung der Vorrichtung unter widrigen Verfahrensbedingungen, die beispielsweise in einem Hochofen vorherrschen können, ein standfestes Verfahren geschaffen werden. Besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn eine Antenneneinrichtung mit mehreren, in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten Antennen, insbesondere Radarantennen, zur Berechnung einer Oberfläche eines Füllguts eines Behälters verwendet wird, wobei die Antennen der Antenneneinrichtung eine synthetische Apertur zur Verbesserung der Winkelauflösung und Unterdrückung von Störsignalen ausbilden.
Insbesondere hat sich eine Verwendung ausgezeichnet, wenn für die Antennen ein Array an Antennen, insbesondere in MIMO, SIMO oder MISO Anordnung, zur Bildung einer synthetischen Apertur bei einem Hochofen zur Berechnung der Oberfläche des Füllstands eines Hochofens verwendet wird.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung dadurch, dass die Antenneneinrichtung sich je im wesentlichen an allen Teilbereichen der zu bestimmenden Füllgutoberfläche reflektierende, elektromagnetische Signale sendet, wobei die Vorrichtung eine mit den Antennen verbundene Steuereinrichtung aufweist, die die Antennen zur Bildung einer synthetischen Apertur ansteuert.
Sendet die Antenneneinrichtung elektromagnetische Signale, die sich je im wesentlichen an allen Teilbereichen der zu bestimmenden Füllgutoberfläche reflektieren, dann wird es zunächst möglich, mit einem Signal die gesamte auszuleuchtende Füllgutoberfläche abzutasten und damit trotzdem geringsten konstruktiven Abmessungen zu genügen, um so die Antennen in einem gemeinsamen Gehäuse vorsehen zu können. Außerdem ist es weiter nicht notwendig, die Antenneneinrichtung mechanisch zu verschwenken, um so alle Teilbereiche ausleuchten zu können, so dass gerade bei einer Verwendung der Vorrichtung in einem Hochofen eine besonders robuste und standfeste Vorrichtung geschaffen werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass unter anderem wegen der Vielzahl an Reflexionen durch die Behälterwand, es praktisch unmöglich werden kann, aus den empfangenen elektromagnetischen Signalen die Oberfläche des Füllguts genau berechnen zu können. Aus diesem Grunde schlägt die Erfindung weiter vor, dass die Vorrichtung eine mit den Antennen verbundene Steuereinrichtung aufweist, die die Antennen zur Bildung einer synthetischen Apertur ansteuert. Damit kann erfindungsgemäß erreicht werden, dass zur Berechnung der Oberfläche Daten zur Verfügung stehen, die zu einer verbesserten Winkelauflösung und verbesserten Unterdrückung von Störsignalen führen, so dass eine genaue dreidimensionale Oberflächendarstellung von der Recheneinheit berechnet werden kann. So kann dafür beispielsweise die eine Antenne bei einer Messung als Sende- und Empfangsantenne und bei der nächsten Messung als reine Sendeantenne dienen, wohingegen die andere Antenne mindestens bei der nächsten Messung dann die Funktion einer Empfangsantenne einnimmt. Andere Verschaltungen der Antennen sind vorstellbar. Insbesondere auch eine Steuerung, bei der mit orthogonal verschiedenen Signalen in einem Sende- und Empfangsschritt eine synthetische Apertur der Antenneneinrichtung geschaffen werden kann. Der technische Effekt im Allgemeinen dabei ist, dass somit die Daten der beiden Messung eine Art Positionsänderung der Antenneneinrichtung berücksichtigen, was beispielsweise von einem Radar mit synthetischer Apertur bekannt ist. Damit kann eine Apertur einer gegenüber dem tatsächlichen Abstand der Einzelantennen scheinbar vergrößerten Antenne bzw. Antenneneinheit synthetisiert werden, um so trotz einer konstruktiv kleinen Antenneneinrichtung für eine hohe Genauigkeit der Berechnung der Oberfläche sorgen zu können. Für diese hohe Genauigkeit ist es jedoch nicht zwangsweise notwendig, dass aus den elektromagnetischen Signalen unter Berücksichtigung der Antennenabstände die absoluten Abstände zwischen Antenneneinrichtung und den Teilfläche Füllgutoberfläche berechnet wird, denn es kann ausreichen den relativen Abstand zu berechnen, um dann über Verhältnisse die Oberfläche des Füllguts berechnen bzw. dreidimensional darstellen zu können. Hinzu kommt, dass selbst bei geringen Signal-Rauschabständen aufgrund der erhöhten Anzahl an Empfangsantennen der Effekt des Gruppengewinns für genaue Messergebnisse verwendet werden, so dass erfindungsgemäß die Vorteile eines MIMO Anten- nenarrays mit den Vorteilen einer synthetischen Apertur verbunden werden können, um so eine störsichere und robuste Vorrichtung zur Bestimmung der Oberfläche eines Füllguts eines Behälters schaffen zu können, wobei sich zusätzlich die Vorrichtung durch deren Kompaktheit und konstruktiven Einfachheit auszeichnet.
Weist die Recheneinheit eine Rasterschaltung auf, die mit der Rechenschaltung der Recheneinheit zur Veränderung wenigstens einer Raumwinkelgröße verbindet, wobei die Rechenschaltung in Abhängigkeit von Raumwinkeln aus den vom elektromagnetischen Signal abhängigen Daten Abstandsdaten einer Teilfläche der Oberfläche des Füllguts berechnet, dann kann auf einfache Weise in der Art eines Rasters jede Teilfläche berechnet und zu einem dreidimensionalen Bild der Oberfläche des Füllguts zusammengesetzt werden.
Um Messrauschen unterdrücken zu können, kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit einen Speicher aufweist, der mit der Rechenschaltung zur Übertragung von Daten über die Eigenschaften des Füllguts verbindet, wobei die Rechenschaltung in Abhängigkeit der Speicherdaten die vom empfangen elektromagnetischen Signal abhängigen Daten glättet. Zu diesem Zweck können beispielsweise Vorkenntnisse zu maximalen Steigungen des schüttfähigen Füllguts herangezogen werden, was beispielsweise nicht unwesentlich von der Körnung des Füllguts abhängig ist, um so die Genauigkeit der Berechnung der Oberfläche zu verbessern.
Weist das Gehäuse eine vor den Antennen vorgesehene, feuerfeste Schicht auf, durch die die Antennen senden und/oder empfangen, dann kann es möglich werden, dass mit konstruktiver Einfachheit die Antennen gegenüber den Widrigkeiten eines Hochofens geschützt werden können. Beispielsweise kann eine diese Schicht ausbildende feuerfeste Gehäuseseite die Antennen so gegenüber vergleichsweise hohen Temperaturbelastungen schützen, so dass hohe Standzeiten sowie auch nach längeren Betriebszeiten stets genaue Messergebnisse ermöglicht werden. Unter feuerfeste Materialien können insbesondere Werkstoffe verstanden werden, die eine Einsatztemperatur selbst über 600 0 C standhalten können. Außerdem wird es durch die Erfindung möglich, dass eine verminderte Anzahl an Öffnungen in eine Ofenwand bzw. in einen Ofendeckel eingebracht werden muss, weil mit einer Vorrichtung im wesentlichen die gesamte Oberfläche des Füllguts berechnet werden kann, was den konstruktiven Aufwand vermindert bzw. eine Beeinträchtigung der Stabilität des Hochofens vermeiden kann. Hinzu kommt, dass die Vorrichtung mit einem gemeinsamen Gehäuse auch einfach wartbar ist.
Um die Vorrichtung auch bei widrigen Umständen, wie diese in einem Hochofen vorherrschen, einsetzen zu können, kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse eine vor den Antennen vorgesehene, feuerfeste Schicht, insbesondere Gehäuseseite, aufweist, und durch die die Antennen senden und/oder empfangen. Insbesondere hat sich Calciumsulfat oder Keramik als vorteilhaft herausgestellt, weil dieses neben einer reflexionsarmen bzw. radartransparenten Eigenschaft auch eine geringe Dämpfung der Radarsignale aufweisen.
Ist im Gehäuse ein Array an Antennen vorgesehen, dann kann die Apertur noch weiter erhöht werden. Auf konstruktiv einfache Weise kann hierfür beispielsweise ein MIMO, SIMO oder MISO Antennenarray verwendet werden. Insbesondere kann so durch eine erhöhte Anzahl an Antennen geschaffen werden, dass man sich im Nahfeld des Arrays befindet, um damit die Genauigkeit der Messung zu erhöhen. Zu diesem Zweck können die Antennen zueinander lediglich derart auf Abstand angeordnet sein, dass eine synthetische A- pertur zur Nahfeldberechnung ermöglicht werden kann. Damit kann beispielsweise die Auswertung bzw. auch die Winkelauflösung verbessert werden. Außerdem kann mit dem Vorsehen von mehreren Antennen eine gegenüber Störeinflüssen robuste Vorrichtung geschaffen werden, weil durch die erhöhte Anzahl an virtuellen Antennen eine Verbesserung der Signal-Rauschabstände durch Mittelungseffekte eintreten kann.
Sind mindestens zwei unterschiedliche Abstandsweiten zwischen den Antennen vorgesehen, dann kann eine höhere Apertur der Antenneneinrichtung geschaffen werden, weil Überlappungen bei der Generierung der synthetischen Apertur zwischen den relevanten Antennen vermindert werden können. Erhöhte Genauigkeiten in der Berechnung der Oberfläche des Füllguts können so ermöglicht werden.
Weisen wenigstens zwei Antennen zueinander geneigte Hauptabstrahlrichtungen auf, dann kann sowohl die Abstrahlcharakteristik der Radarvorrichtung eingestellt sowie ein verbesserter Empfang von Radarsignalen zur Erhöhung der Winkelauflösung verwendet werden. Außerdem kann durch die Anordnung der Antennen eine Ausblendung von Störsignalen (beispielsweise von Reflexionen der Behälterwand) ermöglicht werden, in dem diese Reflexionen von den Antennen nicht empfangen werden können.
Weist das Gehäuse eine Kühleinrichtung auf, so kann zusätzlich zur Wärmeisolation durch die feuerfeste Gehäuseseite auch für eine Kühlung der Antennen im Gehäuse gesorgt werden. Damit kann nicht nur ein standfester Betrieb der Radarvorrichtung erreicht, sondern es können damit auch temperaturbedingte Messabweichungen vermindert werden.
Weist das Gehäuse eine Reinigungseinrichtung auf, die mit wenigstens einer Düse auf die Außenseite der feuerfesten Gehäuseseite gerichtet ist, dann können Anbackungen auf der Gehäuseseite auf einfache Weise entfernt werden, ohne dass das Gehäuse zu Reinigungszwecken vom Ofen demontiert werden muss. Solche nun durch Anbackungen bedingte negative Einflüsse auf die Messung des Füllstands sind so hin zu vermeiden, sodass im Gegensatz zum Stand der Technik für eine gleichbleibende und damit genaue Messung der Füllstandmenge, und zwar auch bei längeren Betriebszeiten des Radars, gesorgt werden kann.
Das Gehäuse kann außen wenigstens teilweise eine Anbackung abweisende Beschichtung aufweisen, um damit eine vergleichsweise hohe Standfestigkeit der Vorrichtung gegenüber widrigen Umgebungseinflüssen gewährleisten zu können. Vorstellbar ist beispielsweise eine keramische Antihaftbeschichtung, die trotz hohen Umgebungstemperaturen wirkungsvoll Anbackungen reduzieren bzw. vermeiden können. Solch eine Beschichtung kann auch Nanopartikel zur Verbesserung der Antihaftbeschichtung gegenüber Anbackungen und/oder Verzunderungen aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist, wenn ein Hochofen mit einem Füllgut aufnehmenden Ofengehäuse und mit einer in eine Öffnung des Ofengehäuses eine eingesetzte Vorrichtung zur Berechnung der Oberfläche des Füllguts aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In den Figuren ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise anhand mehrerer
Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine teilweise aufgerissene Seitenansicht auf einen Behälter mit einer Vorrichtung zur Berechnung einer Oberfläche eines Füllguts eines Behälters,
Fig. 2 eine vergrößerte und abgerissen Seitenansicht der Fig. 1 mit einer aufgerissenen Vorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 eine abgerissene Draufsicht nach MI-III der Fig. 2 auf ein Array an Antennen,
Fig. 4 eine Seitenansicht auf eine alternative Anordnung der im Array angeordneten Antennen nach Fig. 3,
Fig. 5 eine vergrößerte und abgerissen Seitenansicht der Fig. 1 mit einer aufgerissenen Vorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 eine vergrößerte und abgerissen Seitenansicht der Fig. 1 mit einer aufgerissenen Vorrichtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 7 eine vergrößerte und abgerissen Seitenansicht der Fig. 1 mit einer aufgerissenen Vorrichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel,
Fig. 8 eine schematische Ansicht der Vorrichtungen nach den Fig. 2, 5, 6, und 7 und
Fig. 9 eine schematische Darstellung der Rasterung der Oberfläche des Füllguts in Teilflächen. Weg zur Ausführung der Erfindung
Nach Fig. 1 wird beispielsweise eine Anordnung einer Vorrichtung 1 zum Senden von als Radarsignale 1' bzw. 1" ausgebildete elektromagnetische Signalen in einem als Hochofen ausgeführten Behälter 2 gezeigt. Der Behälter 2 weist einen Füllstand 3 an Füllgut 4 bzw. Möller auf. Um nun die Oberfläche 3' des Füllguts 4 und/oder den Füllstand 3 berechnen zu können, ist im Ofendeckel 5 eine Öffnung 6 vorgesehen, durch die die Vorrichtung 1 in das Innere des Behälters 2 mit seinem Gehäuse 7 ragt, was der Fig. 2 besser entnommen werden kann. Auf Grundlage der von der auf die in Fig. 1 verwendete Vorrichtung 1 gesendeten und empfangen Radarsignalen 1' bzw. 1", die unter anderem auch vom Möller 4 reflektiert werden, kann nun die Berechnung durchgeführt werden. Weiters weist der Behälter 2 Leitungen 8 für ein nicht näher dargestelltes Gichtgas auf.
Gemäß Fig. 2 wird eine vergrößerte Seitensicht auf eine aufgerissene Vorrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel beispielsweise gezeigt. Die auf die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 weist mehrere Antennen 9 auf, die zum Senden und zum Empfangen von Radarsignalen 1', 1" ausgebildet sind. Des Weiteren ist eine Recheneinheit 10 vorgesehen, die Daten über eine Datenverbindung 11 von den Antennen 9 empfängt, wobei die Daten sich auf den gesendeten und empfangenen Radarsignalen 1', 1" begründen bzw. davon abhängig sind. Um für kompakte Konstruktionsverhältnisse zu sorgen, sind die Antennen 9 eng nebeneinander anordnet was bei einem Senden von Radarsignalen 1' auf die gesamt zu berechnende Oberfläche 3' des Füllguts 4 für erhebliche Reflexionsprobleme durch die Behälterseitenwand sorgt. Um diese Probleme vermeiden zu können wird erfindungsgemäße eine besondere Konstruktion bzw. ein besonderes Verfahren verwendet, was in der Figurenbeschreibung nach Fig. 8 und 9 näher erläutert wird. Vorteilhafter Weise können so die Antennen 9 in einem gemeinsamen Gehäuse 7 vorgesehen werden, welches Gehäuse 7 dann über einen Flansch 12 am Ofendeckel 5 befestigt werden kann. Außerdem können so die Antennen 9 über ein gemeinsames Gehäuse 7 auf einfache konstruktive Weise gegenüber Hitze- und Staubbelastungen geschützt werden, was dadurch verbessert werden kann, wenn das in den Behälter 2 vorstehende Gehäuse 7 eine vor den Antennen 9 angeordnete feuerfeste Schicht in Form einer Gehäuseseite 13 aufweist. Solch eine feuerfeste Gehäuseseite 13 kann beispielsweise ein feuerfestes Plattenmaterial 14 oder eine feuerfeste Beschichtung darstellen. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist auf der einen Stirnseite des zylinderförmigen Gehäusemantels ein feuerfestes Plattenmaterial 14 aufgesetzt, was die feuerfeste Gehäuseseite 13 schafft. Das Material 14 der Gehäuseseite 13 muss dann nur derart gewählt werden, dass die dahinter vorgesehenen Antennen 9 auf einfache Weise durch diese feuerfeste Gehäuseseite 13 senden bzw. empfangen können.
Um nun die Antennen 9 je nach gewählter Sende- bzw. Empfangsfunktion betreiben zu können, ist eine Ansteuerschaltung 15 vorgesehen, die mit den Antennen elektrisch verbunden ist. Eine derartige Ansteuerschaltung 15 wird oftmals auch als Radarmodul bezeichnet. Zu diesem Zweck sind die als Patchantennen ausgeführten Antennen 9 auf einer Leitungsträger 16 vorgesehen, über welchen Leitungsträger 16 eine nicht näher dargestellte elektrische Verbindung zwischen der Ansteuerschaltung 15 und den Antennen 9 besteht. In dem nach Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zu einer Radarvorrichtung 1 ist die Recheneinheit 10 außerhalb des Gehäuses 7 vorgesehen, um damit die Recheneinheit 10 gegenüber eventuellen Hitzebelastungen zu schützen. Um verminderte Kopplungs- und Dämpfungseffekte zwischen der Ansteuerschaltung 15 bzw. der Elektronik und den Antennen 9 zu ermöglichen, ist gemäß der Radarvorrichtung 1 nach Fig. 2 die Ansteuerschaltung 15 nahe an den Patchantennen angeordnet.
Für eine geringe bzw. gleichbleibende Temperaturbelastung sorgt eine in Fig. 2 schematisch dargestellte Kühlvorrichtung 17, die mit einer Zu- und/oder Ableitung 18 und einem Spühlkopf 29 den vom Gehäuse 7 umfassten Raum mit nicht näher dargestellten Kühlmittel, insbesondere Kühlflüssigkeit, beaufschlagen kann.
Außerdem ist eine Reinigungseinrichtung 20 vorgesehen, die mit wenigstens einer Düse 21 auf die Außenseite der feuerfesten Gehäuseseite 13 gerichtet ist. Damit können auf einfache Weise eventuelle Anbackungen auf dieser Gehäuseseite 13 entfernt werden. Die Düse 21 kann über eine Düsenleitung 22, die durch den Flansch 12 des Gehäuses 7 verläuft, mit einer Spülung 23 beaufschlagt werden. Über dem Flansch 12 vorstehende Anschlüsse 24, 25 können die Düsenleitung 22 bzw. die Zu- und/oder Ableitung 18 mit anderen Verbindungsleitungen, die nicht näher dargestellt sind, verbunden werden.
Nach Fig. 3 ist eine aufgerissene Schnittansicht auf die im Wesentlichen ebene Anordnung der Antennen 9 dargestellt. Diese als Patchantennen ausgeführten Antennen 9 sind in einem Array in der Art einer Gruppenantenne angeordnet, wodurch die Apertur noch weiter verbessert werden kann. Über Verbindungsleitungen 26 des Leitungsträgers 16 sind die Antennen 9 mit der nicht dargestellten Ansteuerschaltung 15 verbunden, wobei die Verbindungsleitungen 26 als Bus vereinfacht als eine Leitung dargestellt worden sind.
Eine weitere Anordnung der Antennen 9 ist nach Fig. 4 dargestellt. Hier sind die Antennen 9 auf einem Leitungsträger 16 nebeneinander angeordnet, der zwei zueinander senkrecht verlaufende Teile aufweist. Es sind daher wenigstens zwei Antennen 9 zueinander mit deren Hauptabstrahlrichtungen 40, 41 geneigt angeordnet, was für eine verbesserte Auflösung bei einer Messung des Füllstands 3 sorgen kann. Die Antennen 9 auf dem jeweiligen Teil des Leitungsträgers 16 können jedoch auch, wie in Fig. 3 gezeigt, in einem Array nebeneinander angeordnet sein.
Im Gegensatz zu der nach Fig. 2 dargestellten Radarvorrichtung 1 ist bei der nach Fig. 5 dargestellten zweiten Ausführungsform die Ansteuerschaltung 15 außerhalb des Gehäuses 7 vorgesehen, wodurch Einflüsse des Behälters 2 auf die Ansteuerschaltung 15 vermindert werden können.
Dem nach Fig. 6 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel kann entnommen werden, das als Antennen 9 Homantennen verwendet werden, wodurch sich auch dieses Ausführungsbeispiel im Wesentlichen vom Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet.
Gemäß dem zuletzt nach Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zum Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 die veränderte Lage der Ansteuerschaltung 15 zu entnehmen. Diese ist ähnlich zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 außerhalb des Gehäuses 7 angeordnet.
Es versteht sich von selbst, dass alle nach den Figuren 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele auch eine Annordnung deren Antennen gemäß den Figuren 3 und 4 aufweisen können.
Nach Fig. 8 wird beispielsweise eine schematische Ansicht der Vorrichtungen nach den Fig. 2, 5, 6, und 7 gezeigt, anhand der das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert wird. So weist die Vorrichtung 1 zur Berechnung einer Oberfläche 3' eines Füllguts 4 eines Behälters 2 eine Antenneneinrichtung 27 auf, die mehrere Antennen 9 zum Senden und Empfangen von Radarsignalen 1' bzw.1 " aufweist. Die Antennen 9 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 7 angeordnet, wie bereits in den anderen Figuren dargestellt. Wie in Fig. 9 zu entnehmen, reflektieren sich die gesendeten Radarsignale 1' an zumindest zwei verschiedenen Teilbereichen A1 und A2 der Füllgutoberfläche 3 1 . Mit der Antenneneinrichtung 27 ist eine Recheneinrichtung 28 verbunden, die dann zur Berechnung der Oberfläche 3 1 des Füllguts 4 aus den, wenigstens von den gesendeten und empfangen elektromagnetischen Signalen 1', 1 " abhängigen Daten 29 durchführt. Die Daten 29 sind in einem Speicher 30 vorgesehen, wobei die Recheneinheit 10 auf den Speicher 20 zugreifen kann. Um nun gegenüber bekannten Vorrichtungen trotz geringster Abmessungen der Vorrichtung 1 eine vergleichsweise hohe Genauigkeit in der Berechnung der Oberfläche 3' des Füllguts 4 und/oder des Füllstands 3 ermöglichen zu können, sendet die Antenneneinrichtung 27 Radarsignale 1' je auf alle Teilbereiche A1 bis AN der zu bestimmenden Füllgutoberfläche 3", was der Fig. 9 besser entnommen werden kann. Die Radarsignale V reflektieren sich so an den Teilbereichen A1 bis AN 1 wonach dann die reflektierten Signale 1" wieder empfangen werden. Um für eine hohe Winkelauflösung und Verringerung von Störeinflüssen zu sorgen, bildet die Antenneneinrichtung eine synthetische Apertur aus, was in Fig. 8 näher erläutert wird. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung 1 eine mit den Antennen 9 verbundene Steuereinrichtung 31 auf, die die Antennen zur Bildung einer synthetischen Apertur ansteuert. So ist in Fig. 8 zu erkennen, dass die Steuereinrichtung 31 eine Verbindung zwischen Sender 32 und Antenne 9' herstellt, um ein Radarsignal 1' zu senden. Als Steuereinrichtung 31 kann alternativ auch die Recheneinheit 10 verwendet werden. Der Sender 32 wird beispielsweise von einem Signalgenerator 33 für eine rampenförmige Frequenzmodulation angesteuert. Im Gegensatz zum Sendepfad ist die Antenne 9" mit dem Empfänger 33 verbunden, um so das reflektierte Radarsignal 1 " empfangen zu können. Das reflektierte Radarsignal 1" wird weiter einem Mischer 35 zugeführt. Anhand der Mischung des reflektierten Hochfrequenzsignals wird durch Mischung mit dem Lokaloszillatorsignal das Zwischenfrequenzsignal generiert, dass dann einer Analog-Digtal Wandlung mit Hilfe eines AD-Konverter 36 unterworfen wird, um so zur digitalen Speicherung in den Daten 29 dienen zu können. Mit veränderter Ansteuerung der Antennen 9 kann nun durch die Steuereinrichtung 31 eine synthetische Apertur der Antenneneinrichtung 27 ermöglicht werden. Dies ist beispielsweise möglich in dem anstatt der Empfangsantenne 9" eine andere Antennen 9 für den Empfang angesteuert wird. Ebenso ist vorstellbar, dass eine Sendeantenne 9 1 ein Signal 1' sendet und die anderen Antennen 9 allesamt als Empfangsantennen 9" verwendet werden, so dass für eine Teilfläche A1 eine Vielzahl an empfangenen Signaldaten zur Berechnung zur Verfügung stehen. Außerdem können eine Vielzahl an parallelen Sendeteilen und Empfangsteilen für je eine Antenne 9 vorgesehen sein, was an der Punktierung in Fig. 8 angedeutet ist. Im allgemeinen kann so erfindungsgemäß eine Art Fokussierung bzw. eine Art Empfangskeule auf die gewünschten Teilflächen berechnet werden, deren Daten für eine genaue Oberflächenberechnung sorgen können, wenn dabei eine synthetische Apertur berücksichtigt wird. Insbesondere wenn von einem Array an Antennen 9 eine Vielzahl an empfangenen elektromagnetischen Signalen 1" für die Berechnung zur Verfügung steht, wie beispielsweise bei einem MIOMO Array, kann so über den Versatz der Antennen für eine besonders hohe Genauigkeit in der Berechnung der Teilflächen A1 bis AN gesorgt werden. Dies ist gerade für eine Verwendung der Vorrichtung 1 in einem Hochofen von Vorteil, weil so trotz des dabei zu erwartenden hohen Reflexionsanteils in den empfangenen Signalen 1" dennoch ein stabiles Verfahren mit einer vergleichsweise hohen Auflösung ermöglicht werden kann. Hinzu kommt, dass durch diese Auflösung besondere Verfahrensbedingungen bei der Berechnung des Randbereichs geschaffen werden können. So ist es nämlich nun möglich, über andere berechnete Teilbereiche Störungen aufgrund von Reflexionen im Randbereich entgegenzuwirken, in dem mit einer Abschätzung des Verlaufs des Füllguts auf Basis der bekannten anderen Teilbereiche Störungen verbessert erkannt werden können.
Eine Darstellung der Rasterung der Oberfläche des Füllguts in Teilflächen ist beispielsweise der Fig. 9 zu entnehmen. Mit Hilfe der in Fig. 8 dargestellten Rasterschaltung 37 der Recheneinheit 28 wird der Raumwinkel, insbesondere Azimut ß und/oder Höhenwinkel ε, verändert, um die Teilflächen A1 bis AN aus den vom elektromagnetischen Signal abhängigen Daten berechnen zu können. Dafür verbindet die Rasterschaltung 37 mit der Rechenschaltung 10 der Recheneinheit 28 zur Veränderung wenigstens eines Raumwinkels, wobei dabei auch Abstandsdaten einer Teilfläche A1 bis AN der Oberfläche 3' des Füllguts 4 berechnet werden können. Außerdem weist die Recheneinheit 28 einen Speicher 38 auf, der mit der Recheneinheit 28 zur Übertragung von Daten 39 über die Eigenschaften des Füllguts 4 verbindet. Daher kann die Rechenschaltung 10 in Abhängigkeit der Speicherdaten 39 die vom empfangen elektromag- netischen Signal abhängigen Daten 29 glätten. Über die zu jeder Teilfläche A1 bis AN ermittelten Abstände zu den jeweiligen Punkten P kann außerdem auf einfache Weise der Füllstand 3 eines Behälters 2 berechnet werden.
Weiters ist in der Fig. 2 beispielsweise für alle Ausführungsbeispiele das Gehäuse 7 außen mit einer Beschichtung 42 versehen, die eine Anbackung oder eine Verzunderung am Gehäuse 7 abweisen bzw. verhindern kann. Um hohen Temperatureinflüssen standhalten zu können, ist dafür eine keramische Anti- haftbeschichtung denkbar.