Liquid level estimation in confined geometries using ultra-wideband radar

Die zuverlässige Füllstandsmessung von Flüssigkeiten ist in zahlreichen industriellen Anwendungen von zentraler Bedeutung – von der Prozessautomatisierung in der Chemie- und Lebensmitteltechnik bis hin zu sensitiven Anwendungen in der Medizintechnik. Während für große Behälter eine Vielzahl erprobter Messprinzipien zur Verfügung steht, stellt die präzise Füllstandserfassung in kleinen, oftmals metallischen und geometrisch komplexen Behältern nach wie vor eine große Herausforderung dar. Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung und Weiterentwicklung von Methoden zur Füllstandsmessung in kleinen Behältern mithilfe von Ultra Breitband (UWB) Radarsensorik. Ziel ist es, die besonderen physikalischen und signaltechnischen Herausforderungen dieser Anwendung zu adressieren und ein hohes Maß an Genauigkeit und Robustheit zu erzielen. Insbesondere Effekte wie Nahfeldeinflüsse, Mehrwegeausbreitung oder niedrige Permittivitätskontraste erschweren die Anwendung. Im Rahmen der Arbeit werden drei Messmethoden entwickelt, die sowohl kontaktbasiert als auch kontaktlos eingesetzt werden können. Der Schwerpunkt liegt auf der laufzeitbasierten Abstandsmessung zur Flüssigkeitsoberfläche sowie einer ergänzenden Laufzeitanalyse der Bodenreflexion, welche sich besonders bei Medien mit geringer Permittivität als vorteilhaft erweist. Ergänzend werden zwei Referenzmethoden zur Detektion spezifischer Füllstände vorgestellt, die ohne geometrisches Referenzmodell auskommen. Die entwickelten Verfahren werden in umfangreichen Laborstudien evaluiert. Dabei kommen sowohl Wasser als auch Speiseöl als Referenzmedien zum Einsatz. Für die kontaktbasierte Messung mit einem Doppelleiter und M-Sequenz UWB Radar wird eine Messgenauigkeit von unter 1 mm für Wasser sowie etwa 3 mm für Öl erreicht. In der kontaktlosen Messkonfiguration mit im Deckel integrierter UWB Antenne kann – trotz starker Mehrwegeeffekte – eine vergleichbare Genauigkeit erzielt werden. Zusätzlich zeigen die vorgestellten Methoden zur Referenzfüllstandüberwachung eine hohe Reproduzierbarkeit und Robustheit. Insgesamt zeigt die Arbeit, dass UWB Radartechnologie in Verbindung mit angepasster Signalverarbeitung einen vielversprechenden Ansatz zur präzisen Füllstandsmessung in kleinen Behältern darstellt. Die Ergebnisse liefern einen Beitrag zur Erweiterung des Einsatzspektrums radarbasierter Sensorik und schaffen eine Grundlage für zukünftige Anwendungen in der Miniaturisierung von Messsystemen für industrielle und sicherheitskritische Umgebungen.