DE10014725A1 - Meßgerät zur Messung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät (10) zur Messung eines Füllstands eines Mediums (18) in einem Behälter (12) mittels auf einem Oberflächenwellenleiter (16) geführter Radar- bzw. Mikrowellensignale. DOLLAR A Um einen Verlust an Meßsignalenergie der zu einer Grenzfläche des Mediums gesendeten Meßsignale zu minimieren und damit dafür zu sorgen, daß das erwartete Nutzsignal so gut wie möglich aus dem tatsächlich gemessenen Signal bestimmt werden kann, verwendet die Erfindung elektromagnetische Wellen mit einer höheren Frequenz als bisher üblich. DOLLAR A Als Meßsignale dienen elektromagnetische Wellen mit wahlweise einer gepulsten Signalamplitude von etwa einer Halbwertsbreite von kleiner 5 ns und einer Trägerfrequenz von mindestens 1,5 GHz oder elektromagnetische Wellen mit einem cw-Signal mit einer Sendefrequenz von mindestens 1,5 GHz, die kontinuierlich verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Messung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter mittels Radar- bzw. Mikrowellensignalen.

Um den Füllstand von Feststoffen und Flüssigkeiten in einem Behälter zu messen, werden heute Meßgeräte verwendet, die an oder auf dem Behälter montiert sind und bei denen mittels eines Oberflächenwellenleiters Signale in Form elektromagnetischer Wellen bis zu einer Grenzfläche des Mediums geführt werden. Die an der betrachteten Grenzfläche des Mediums reflektierten Meßsignale laufen auf dem Oberflächenwellenleiter zum Meßgerät zurück und dienen zur Bestimmung eines Abstands zwischen Meßgerät und dieser Grenzfläche, die im einfachsten Fall die Oberfläche des Mediums ist, aber auch eine Grenzfläche zwischen zwei Medien sein kann, wie z. B. zwischen Öl und Wasser. Der Abstand zwischen der Grenz- bzw. Oberfläche des Mediums und dem Meßgerät ist bei an sich bekannten geometrischen Abmessungen im Inneren des Behälters ein Maß für den zu bestimmenden Füllstand des Mediums im Behälter.

Die angesprochenen, heutigen Meßgeräte verwenden meist Mikrowellenpulse als Meßsignale, deren Spektrum typischerweise bis zum Gigahertz-Bereich reicht. Die Mikrowellenpulse lassen sich auf einfache Weise in einer im Meßgerät angeordneten Elektronik erzeugen und nachweisen, so daß eine entsprechende elektronische Schaltung mit relativ geringem Aufwand hergestellt werden kann. Unter dem Begriff "Oberflächenwellenleiter" wird nachfolgend immer ein nicht geschlossener Wellenleiter verstanden, wie zum Beispiel ein metallischer Draht mit oder ohne zusätzlich aufgebrachtem Dielektrikum oder eine sogenannte "Lecher"-Leitung von zwei parallelen Drähten.

Ein erheblicher Teil der Energie des Mikrowellensignals, das auf dem Oberflächenwellenleiter zum Medium geführt werden soll, wird in einem Übergangsbereich von der Elektronik zum Wellenleiter, genauer gesagt bei der Einkopplung der Meßsignale auf den Oberflächenwellenleiter in Form einer Kugelwelle abgestrahlt. Dies ist prinzipbedingt und darin begründet, daß im besagten Übergangsbereich, wo eine bis dahin von der Elektronik her mitgeführte Abschirmung aufhört und wo der Oberflächenleiter im eigentlichen Sinne beginnt, die Ausdehnung einer auf dem und um den Oberflächenwellenleiter herum gebildete Oberflächenwelle viel größer ist als die Öffnung der Einkopplung zum Wellenleiter hin. Diese geometrische Fehlanpassung erzeugt eine Verzerrung des elektromagnetischen Feldes an der Einkopplung, die wie eine Punktquelle für eine elektromagnetische Abstrahlung wirkt.

In Behältern, deren Innenwände ein großes Reflexionsvermögen aufweisen, beispielsweise in Behältern aus Aluminium, können sich die erwähnten, als Kugelwelle abgestrahlten und von den Wänden reflektierten Wellen dem eigentlich gewünschten Nutzsignal, nämlich dem an der betrachteten Grenzfläche des zu messenden Mediums, dem Füllgut, reflektierten Meßsignal überlagern. Insbesondere bei einer kleinen Dielektrizitätskonstante des den Wellenleiter umgebenden Mediums können die Beeinträchtigungen durch unerwünschte behälterbedingte Echos sehr viel größer als das Nutzsignal sein.

Bisher wird bei solchen Verfälschungen des Meßsignals eine sog. Subtraktionsmethode verwendet, bei der ein Referenzsignal, das bei leerem Behälter gewonnen wird, vom tatsächlich gemessenen Signal abgezogen wird. Bei näherer Betrachtung zeigt sich aber, daß sich die unerwünschten Behälterechos mit dem Füllstand im Behälter ändern. Das als Referenzsignal verwendete Signal gibt also die tatsächlich störenden Einflüsse im Behälter nur unvollständig wieder, so daß Störungen, die das eigentliche Nutzsignal überlagern nur unvollständig ausgeblendet werden können.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Meßgerät für Füllstandsmessungen anzugeben, das einen Verlust an zu einer Grenzfläche des Mediums gesendeten Meßsignalenergie minimiert und damit dafür sorgt, daß das erwartete Nutzsignal so gut wie möglich aus dem tatsächlich gemessenen Signal bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird nach einer ersten Variante der Erfindung gelöst durch ein Meßgerät zur Messung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter, welches Meßgerät
ein Gehäuse
und eine Elektronik aufweist,
die zur Erzeugung und Bearbeitung von Meßsignalen dient,
die auf einem teilweise vom Medium bedeckten Oberflächenwellenleiter zu einer Grenzfläche des Mediums gesandt und, dort reflektiert, als Nutzsignal zum Meßgerät zurück geführt werden,
wobei die Meßsignale elektromagnetische Wellen
mit einer gepulsten Signalamplitude von etwa einer Halbwertsbreite von wahlweise kleiner 5 ns und
einer Trägerfrequenz von mindestens 1,5 GHz sind.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dauern die Pulse etwa eine Nanosekunde.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist eine Trägerfrequenz im Bereich zwischen 3 und 8 GHz vorgesehen.

Die erwähnte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine zweite Variante eines Meßgeräts nach der Erfindung, das der Messung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter dient und das
ein Gehäuse
und eine Elektronik aufweist,
die zur Erzeugung und Bearbeitung von Meßsignalen dient,
die auf einem teilweise vom Medium bedeckten Oberflächenwellenleiter zu einer Grenzfläche des Mediums gesandt und, dort reflektiert, als Nutzsignal zum Meßgerät zurück geführt werden,
wobei die Meßsignale elektromagnetische Wellen sind
mit einem cw-Signal (CONTINUOUS WAVE - Signal) mit einer Sendefrequenz von mindestens 1,5 GHz, die kontinuierlich verändert wird.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der zweiten Variante der Erfindung wird die Sendefrequenz in einem Intervall von mindestens einem Gigahertz verändert.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt das Frequenzintervall in einem Bereich zwischen 3 und 8 Gigahertz.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht ein Meßgerät vor, bei der die Sendefrequenz sägezahnförmig moduliert wird.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird im Meßgerät die momentane Sendefrequenz mit dem momentanen Nutzsignal gemischt und über eine Fourier-Transformation der Mischfrequenz eine den zu messenden Füllstand bestimmende Information gewonnen.

Zusätzliche vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sehen vor, die Elektronik vollständig im Gehäuse des Meßgerätes oder außerhalb dessen unterzubringen.

Noch eine weitere vorteilhaften Ausführungsform des Meßgerätes nach der Erfindung betrifft eine Elektronik, die einen Meßsignal-erzeugenden Teil und einen Meßsignal-bearbeitenden bzw. Meßsignal-auswertenden Teil umfaßt, wobei der Meßsignal-erzeugenden Teil der Elektronik im Gehäuse des Meßgerätes und der damit verbundene Meßsignal-bearbeitenden Teil der Elektronik in einem davon separaten Gehäuse untergebracht sind.

Ein besondere Vorteil der ersten Variante der Erfindung ist darin zu sehen, daß die als Meßsignale verwendeten elektromagnetischen Wellen mit einer gepulsten Signalamplitude und einer Trägerfrequenz von mindestens 1,5 GHz verwendet werden.

Gegenüber den bisher verwendeten Pulssignalen ergeben sich Vorteile in mehrfacher Hinsicht:
Zum einen verringern sich infolge der geringeren Ausdehnung der Oberflächenwelle um den Oberflächenwellenleiter herum unerwünschte Abstrahlung in den Behälter und damit Verluste an Signalenergie, so daß ein energiereicheres Meßsignal für die eigentliche Messung zur Verfügung steht. Ein energiereicheres und somit größeres Reflektionssignal, das von einer Grenzfläche des Mediums auf dem Oberflächenwellenleiter an das Meßgerät zurückgebracht wird, ist leichter aus den verbleibenden unerwünschten Störsignalen herauszulesen, die durch die höhere Frequenz zudem vermindert sind.

Zum anderen fällt gegenüber üblichen Geräten mit niedrigeren Frequenzen durch die Verwendung einer wesentlich höheren Frequenz die Ausdehnung der Oberflächenwelle um den Oberflächenwellenleiter herum deutlich geringer aus, wodurch die Möglichkeit störender Echos durch "einfache" oder multiple Reflexionen an Behältereinbauten in der Nähe des Oberflächenwellenleiters verringert wird. Durch die höhere Frequenz, bei der weniger Störstrahlung zu erwarten ist, aber auch durch die geringere relative Bandbreite ergibt sich eine allgemein verringerte Anfälligkeit gegenüber Störsignalen, also auch gegenüber solchen, die von außen in den Behälter eingestrahlt werden. Die Empfindlichkeit des Meßgerätes nach der Erfindung gegenüber elektromagnetische Einstrahlungen von außen (EMV) ist damit gegenüber herkömmlichen Geräten deutlich besser.

Außerdem ergibt sich beim Meßgerät nach der Erfindung für die Meßsignale eine Bandbreite in der Größenordnung von einem Gigahertz und folglich eine ähnliche Auflösung wie bei den derzeit verwendeten Pulsen.

Es hat sich aber auch gezeigt, daß die Trägerfrequenz nicht beliebig groß gewählt werden kann, da ab Frequenzen in der Größenordnung von 10 Gigahertz die Dämpfung des Meßsignals auf dem Oberflächenwellenleiter durch den Skin-Effekt so groß werden kann, daß keine hinreichende Signalenergie für ein Meßsignal mehr zur Verfügung steht. Trägerfrequenzen im Bereich zwischen 3 und 8 Gigahertz haben sich für Füllstandsmessungen als besonders günstig und vorteilhaft herausgestellt.

Der besondere Vorteil der zweiten Variante der Erfindung gegenüber bekannten Füllstandsmeßgeräten ist darin zu sehen, daß als Meßsignale elektromagnetische Wellen in Form von kontinuierlich in der Frequenz veränderten cw-Signalen (continuous wave) im Bereich einiger Gigahertz verwendet werden. Dabei wird die den zu messenden Füllstand bestimmende Information über den Abstand zwischen dem Meßgerät und der betrachteten Grenzfläche des Mediums aus der Frequenzverschiebung der momentan ausgesandten Welle zur momentan empfangenen Welle gewonnen.

Auch bei der zweiten Variante der Erfindung ergeben sich infolge der höheren Frequenz des Meßsignals die gleichen, oben erwähnten Vorteile hinsichtlich der Verringerung bzw. Unterdrückung von unerwünschten Störsignalen wie bei der ersten Variante der Erfindung. Das durchfahrene Frequenzintervall der cw- Signale ist vorteilhafterweise so gewählt, das es der Bandbreite der Pulssignale nach der ersten Variante der Erfindung entspricht, so daß sich dieselbe Auflösung in Bezug auf die Abstandsbestimmung zwischen Meßgerät und Medium ergibt. Auch hier hat ein Bereich von 3 und 8 Gigahertz für das Frequenzintervall der cw-Signale als günstig herausgestellt.

Eine besonders einfache Form der Auswertung der mit der Erfindung gemessenen Signale ergibt sich, wenn die Sendefrequenz sägezahnförmig moduliert und mit dem empfangenen Signal gemischt wird. Die gewünschte, den zu messenden Füllstand bestimmende Information über den Abstand zwischen dem Meßgerät und der betrachteten Grenzfläche des Mediums wird durch Fourier-Transformation der Zwischenfrequenz gewonnen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer ersten Ausführungsform eines Meßgerätes nach der Erfindung zur Messung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung einer zweiten Ausführungsform eines Meßgerätes nach der Erfindung zur Messung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter

Fig. 3 ein bisher übliches Mikrowellen-Pulssignal;

Fig. 4 ein Mikrowellen-Meßsignal nach einer ersten Variante der Erfindung und

Fig. 5 ein Mikrowellen-Meßsignal nach einer zweiten Variante der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines Meßgerätes 10 nach der Erfindung schematisch dargestellt, das auf einem Behälter 12, genauer gesagt in einem Stutzen 14 des Behälters 12 montiert ist. Ein Oberflächenwellenleiter 16 des Meßgerätes 10 ragt in ein im Behälter 12 befindliches Medium 18 hinein. Sinnvollerweise durchstößt der Oberflächenwellenleiter 16 eine Grenzfläche 20 des Mediums 18. Das Meßgerät 10 weist ein Gehäuse 22 auf, an dem ein Anschlußstück 24 vorgesehen ist, das einen Übergang von einer im Gehäuse untergebrachten Elektronik 26 zum Oberflächenwellenleiter 16 darstellt und das der eigentlichen Befestigung des Meßgerätes 10 an bzw. in einem hier nicht näher bezeichneten Deckel, beispielsweise einem Flansch, auf dem Stutzen 14 dient.

Wie bereits oben erwähnt, werden die in der Elektronik 26 erzeugten Meßsignale auf den Oberflächenwellenleiter 16 eingekoppelt und zur Grenzfläche 20 des Mediums geführt, wo sie reflektiert werden. Dieses gewünschte Nutzsignal wird auf dem Oberflächenwellenleiter 16 zum Meßgerät 10 zurückgeführt, wo in der Elektronik 26 mithilfe dessen der Weg der Signale vom Meßgerät 10 zur Grenzfläche 20 und zurück bestimmt wird. Der daraus gewonnene Abstand zwischen Meßgerät 10 und der Grenzfläche 20 des Mediums 18 dient bei an sich bekannten geometrischen Abmessungen im Innern des Behälters 12 als Maß für einen zu bestimmenden Füllstand des Mediums 18 im Behälter 12 in der Elektronik wird ein dem Füllstand entsprechender Meßwert als Ausgangssignal erzeugt, das mittels einer Feld- Verbindungsleitung 28 zu einer hier nicht dargestellten Kontrolleinheit, beispielsweise eine Meßwarte, weitergeleitet wird. Die Feld-Verbindungsleitung 28 ist an sich beliebig, solange sie zur Übertragung des Meßwertes dient. In der Praxis werden über sie auch Meßgeräte wie das hier betrachtete Meßgerät 10 nach der Erfindung mit Energie versorgt.

Fig. 2 zeigt beispielhaft eine zweite Ausführungsform eines Meßgerätes 40 nach der Erfindung in schematisch dargestellter Anordnung auf einem Behälter 42. Auch dieses Meßgerät 40 ist der Einfachheit halber als ein an bzw. auf einem Stutzen 44 des Behälters 42 montiertes Gerät dargestellt. Ein Oberflächenwellenleiter 46 des Meßgerätes 40 ragt in ein im Behälter 42 befindliches und hier mit "48" bezeichnetes Medium, das durch eine Grenzfläche 50 nach oben hin begrenzt ist. Der Oberflächenwellenleiter 46 ragt auch hier in das Medium 48 hinein. Das Meßgerät 40 weist ein Gehäuse 52 auf, dessen Anschlußstück 54 auch bei diesem Beispiel der eigentlichen Befestigung des Meßgerätes 40 an bzw. in einem hier nicht näher bezeichneten Deckel, beispielsweise einem Flansch, auf dem Stutzen 44 dient. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Meßgerät 10 nimmt das in Fig. 2 gezeigte Meßgerät 40 in seinem Gehäuse 52 eine ein Meßsignal erzeugende Elektronik 58 auf. Eine Meßsignale bearbeitende bzw. Nutzsignale auswertende Elektronik 60 ist getrennt vom Meßgerät 40 in einem separaten zweiten Gehäuse 62 untergebracht und mit der Meßsignal-erzeugenden Elektronik 58 durch eine erste Verbindungsleitung 64 verbunden. Der Vorteil einer solchen getrennten Anordnung der Nutz- bzw. Meßsignale auswertenden Elektronik 60 ist z. B., das sie nicht nur von einem Meßgerät 40 sondern von mehreren solcher oder ähnlicher Meßgeräte genutzt werden kann. Zur Veranschaulichung einer solchen Anordnung, die auch unter dem Begriff "Scanner-Anordnung" von anderen Meßgeräten geläufig ist, ist in Fig. 2 ein weiteres Meßgerät 66 abgebildet, das mit einer zweiten Verbindungsleitung 68 mit der Meßsignale auswertenden Elektronik 60 verbunden ist. Noch ein anderes Meßgerät 70 ist in Fig. 2 gestrichelt dargestellt, das ebenfalls mit der Meßsignale auswertenden Elektronik 60 verbunden ist, und zwar über eine ebenfalls gestichelt dargestellte dritte Verbindungsleitung 72. Der Einfachheit halber sind in Fig. 2 mehrere gleichartige Meßgeräte gezeigt, es können aber auch Meßgeräte unterschiedlicher Art an ein und derselben Meßsignale auswertenden Elektronik 60 angeschlossen werden, sofern die Elektronik 60, dies zuläßt. In jedem dieser Fälle läßt sich jedoch eine solche Scanner- Anordnung mit relativ einfachem Installationsaufwand realisieren, da üblicherweise nur niederfrequente Signale über die Verbindungsleitungen 64, 68, 72 übertragen werden, wie z. B. das Misch-(oder Zwischen-) Frequenz- Signal.

In Anlehnung an die Darstellung in Fig. 2 ist es auch denkbar, die (gesamte) Elektronik 26 des Meßgerätes 10 nach Fig. 1 separat vom Meßgerät 10 in einem gesonderten zweiten Elektronikgehäuse 62 nach Fig. 2 anzuordnen. Eine solche Anordnung, die auch unter dem Begriff "Remote-Anordnung" von anderen Meßgeräten geläufig ist, wird der Fachmann dann verwenden, wenn z. B. vom Behälter 12 bzw. 42 starke Vibrationen oder hohe Temperaturen auf das Meßgerät und damit die Elektronik einwirken und sie beeinträchtigen können. Eine solche Remote-Anordnung bietet sich auch an, wenn am Einbauort des Meßgerätes beengte Platzverhältnisse herrschen und wo eine häufig im Gehäuse 22 vorgesehen Anzeigevorrichtung nicht ohne größere Anstrengungen eingesehen werden kann. Abhilfe schafft in diesen Fällen die Remote-Anordnung der Elektronik zusammen mit der entsprechenden Anzeige an einem für leicht zugänglichen und einsehbaren Platz.

Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnungen handelt es sich um Beispiele einer häufig in der Praxis anzutreffenden Installation der Meßgeräte 10 bzw. 40 nach der Erfindung an einem Stutzen 14 bzw. 44 auf einem Behälter 12 bzw. 42. Die Meßgeräte 10 bzw. 40 können jedoch ebenso direkt in einer Wand des jeweiligen Behälters 12 bzw. 42 befestigt sein. Dann wird in der Regel der Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 so gekrümmt sein, daß er wiederum in das Medium (oder Medien) hineinragt.

Obwohl in den Fig. 1 und 2 jeweils Meßgeräte 10, 40 dargestellt sind, die oberhalb der zu messenden Medien 18, 48 an den Behältern 12, 42 eingebaut sind, so daß die jeweiligen Oberflächenwellenleiter 16, 46 quasi von oben her in die Medien 18, 48 hineinragen, ist auch eine andere Art der Montage bzw. Anordnung des Meßgerätes 10 oder 40 denkbar. Bei einem Medium, das in einem Behälter 12 oder 42 in mehreren Phasen vorliegt, beispielsweise als flüssige Phase im unteren Bereich des Behälters 12 oder 42 mit einer darauf befindlichen Schaumphase, oder bei zwei nicht-mischbaren, in getrennten Schichten vorliegende Medien in einem Behälter 12 oder 42 treten üblicherweise zwei Grenzflächen auf, die jeweils zu einem Nutzsignal führen: Zum ersten ist dies eine Grenzfläche zwischen den beiden Phasen oder Medien und zum zweiten eine Grenzfläche, die die obere Phase oder das obere Medium mit einer darüberliegenden Gas- oder Dampfphase, häufig Luft, hat. In dem Fall, wo der Füllstand der unteren im Behälter 12 oder 42 befindlichen Phase oder des entsprechenden unteren Mediums im Behälter 12 oder 42 von größerem Interesse ist, kann es wünschenswert sein, das Meßgerät 10 oder 40 so in einem Bodenbereich des Behälters 12 oder 42 anzubringen, daß dessen Oberflächenwellenleiter 16 oder 46 quasi von unten nach oben in den Behälter 12 oder 42 und in das Medium hineinragt. Der Grund ist, daß das erste Nutzsignal, was von der Grenzfläche zwischen der flüssigen und Schaum-Phase (oder entsprechend zwischen den Medien) zurückgeworfen wird, häufig auch das bessere Nutzsignal ist und somit einfacher zu detektieren ist.

Fig. 3 veranschaulicht ein Mikrowellen-Pulssignal wie es bei heute üblichen Füllstands-Meßgeräten mit geführten Pulssignalen verwendet wird.

Aufgetragen ist der Verlauf einer kurzen Signalamplitude a_(t) in Abhängigkeit von einer Zeit t, die hier in Nanosekunden aufgetragen ist. Der pulsförmige Charakter des Signals, das in diesem Fall ein zum Medium gesandtes Meßsignal des Meßgerätes 10 oder 40 (siehe Fig. 1 und 2) ist, ist deutlich zu sehen. Wie oben bereits erläutert, wird ein derartiges Pulssignal als Meßsignal auf dem Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 des Meßgerätes 10 bzw. 40 zum Medium gesandt, wo es an der Grenzfläche 20 bzw. 50 reflektiert wird und als Nutzsignal oder Nutzecho auf dem Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 zum Meßgerät 10 bzw. 40 zurückkehrt (siehe Fig. 1 und 2). In der Elektronik 26 (siehe Fig. 1) oder in einer entfernt vom Meßgerät 40 angeordneten, das Nutzsignal auswertenden Elektronik 60 (siehe Fig. 2) wird unter Berücksichtigung des Meßsignals (Fig. 3) die Zeit zwischen dem Aussenden des Meßsignals und dem Eintreffen des Nutzsignals und daraus der Abstand zwischen Meßgerät 10 bzw. 40 und Grenzfläche 20 bzw. 50 ermittelt, aus dem der Füllstand oder ggf. das im Behälter vorhandene Volumen des Mediums berechnet werden kann.

Bereits in der Beschreibungseinleitung wurde darauf hingewiesen, daß Füllstandsmeßgeräte, die als Meßsignale die bisher üblichen in Fig. 3 veranschaulichten Pulssignale verwenden, bei manchen Anwendungen nicht allen Anforderungen in vollem Umfang genügen. Um diesen Nachteilen zu begegnen, werden bei den Meßgeräten 10 bzw. 40 nach der Erfindung (Fig. 1 und 2) Meßsignale verwendet, wie sie in den Fig. 4 und 5 veranschaulicht sind.

In Fig. 4 ist eine Meßsignalamplitude a_(t) einer ersten Variante eines Meßsignals in Abhängigkeit von einer Zeit t aufgetragen. Derartige Meßsignale werden in den Meßgeräten 10 und 40 (Fig. 1 und 2) nach der Erfindung verwendet, wobei die Meßsignale elektromagnetische Wellen mit einer gepulsten Signalamplitude a_(t) von einer Halbwertsbreite τ_1/2 von kleiner 5 ns und einer Trägerfrequenz von mindestens 1,5 GHz sind. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Meßsignal erwiesen, bei dem, wie in Fig. 4 veranschaulicht, das gepulste Signal etwa eine Nanosekunde dauert.

Wie bereits oben erwähnt, sorgen die bei einem Meßgerät 10 oder 40 nach der Erfindung verwendeten Trägerfrequenzen größer 1,5 Gigahertz dafür, daß das Meßgerät 10 oder 40 unempfindlicher oder sogar gänzlich unempfindlich gegenüber den von Einbauten im Innern des Behälters 12 bzw. 42 herrührenden Störungen wird. Je größer die Trägerfrequenz ist, desto geringer ist die wirksame Ausdehnung des durch die Meßsignale um den Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 herum gebildeten elektromagnetischen Feldes und desto weniger wird es durch die Einbauten im Innern des Behälters 12 bzw. 42 beeinflußt. Auf diese Weise steht durch eine kleinere Feldausdehnung um den Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 herum mehr wirksame Meßsignalenergie im Nahbereich des Oberflächenwellenleiters 16 bzw. 46 zur Verfügung, so daß durch Erhöhung der Trägerfrequenz die Empfindlichkeit des Meßgerätes 10 bzw. 40 gegenüber Störstrahlungen verbessert werden kann.

Es hat sich aber gezeigt, daß einer solchen Erhöhung der Trägerfrequenz je nach verwendetem Material auf einer Oberfläche des Wellenleiter 16 bzw. 46 und nach der Art des zu messenden Mediums gewisse Grenzen gesetzt sind. Zum einen führt eine Erhöhung der Trägerfrequenz infolge des Skin-Effektes zu einer größeren Dämpfung der Meßsignale auf dem Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46. Die Trägerfrequenz wird daher sinnvollerweise so gewählt, daß bei dem für den Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 gewählten Oberflächen- Material noch ein hinreichend zu detektierendes Nutzsignal erwartet werden kann. Zum anderen ist bei einem zu einer Ansatzbildung neigenden Medium die Trägerfrequenz so zu wählen, daß die wirksame Ausdehnung des Feldes um den Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 herum über einen eventuell auf der Oberfläche des Wellenleiters angelagerten Ansatz hinausgeht. Das eigentlich gewünschte und für den zu messenden Füllstand bestimmende Nutzsignal soll ja von einer quasi ausgedehnteren Grenzfläche des zu messenden Mediums ausgelöst werden und nicht von einer dünnen, auf dem Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 angelagerten Ansatzschicht. Als in der Praxis besonders vorteilhafte Trägerfrequenz hat sich eine solche im Bereich zwischen 3 und 8 GHz erwiesen.

Eine wieder andere obere Grenzfrequenz für eine mögliche Trägerfrequenz ist bei solchen Anwendungen beobachtet worden, bei denen der Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 im Bereich zwischen dem Meßgerät 10 bzw. 40 und der zu bestimmenden Grenzfläche des Mediums von einer reinen Wasserdampf-Phase umgeben ist. Es hat sich herausgestellt, daß bei Trägerfrequenzen ab 5 GHz die Absorption der Signalenergie in solch reiner Wasserdampf-Umgebung sehr stark ansteigt. Auch hier wird die Trägerfrequenz daher sinnvollerweise so gewählt, daß noch ein hinreichend zu detektierendes Nutzsignal von der zu bestimmenden Grenzfläche des Mediums erwartet werden kann, also vorzugsweise zwischen 1,5 und 5 GHz.

In Fig. 5 ist eine Meßsignalfrequenz f_(t) einer zweiten Variante eines Meßsignals in Abhängigkeit von einer Zeit t aufgetragen, wie es in den Meßgeräten 10 und 40 (Fig. 1 und 2) nach der Erfindung verwendet wird. In diesem Fall sind die Meßsignale elektromagnetische Wellen, die aus einem cw-Signal mit einer Sendefrequenz von mindestens 1,5 GHz gebildet werden, die kontinuierlich verändert wird. Prinzipiell sind cw-Meßsignale aus dem Bereich der freistrahlenden Radarmeßgeräte bekannt, aber die Erfindung realisiert ihre vorteilhafte Anwendung auch für Meßgeräte 10 bzw. 40, wo sie auf einem Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 zum (und vom) Medium 18 bzw. 48 geführt werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei ein Meßsignal erwiesen, bei dem die Sendefrequenz in einem Intervall von mindestens einem Gigahertz kontinuierlich verändert wird. Andere und zusätzliche Vorteile ergeben sich, wenn die Sendefrequenz sägezahnförmig moduliert wird, was, in der Praxis erprobt, mit relativ einfachem Schaltungsaufwand realisiert werden kann.

Bei einem solchen cw-Meßsignal, das in Fig. 5 mit dickerem Strich als das von der Grenzfläche 20 bzw. 50 (Fig. 1 und 2) zurückgeworfene Nutzsignal dargestellt ist, steigt die Sendefrequenz in einem Zeitintervall linear an. Infolge einer Verzögerungszeit Δt, die das auf dem Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 geführte Signal benötigt um vom Meßgerät 10 bzw. 40 zur Grenzfläche 20 bzw. 50 und von dort zurück zum Meßgerät 10 bzw. 40 zu gelangen, ändert sich zwischenzeitlich die Sendefrequenz zur Frequenz des Nutzsignals um Δf_{( Δ t)}. Die somit aus der Sendefrequenz und der Frequenz des Nutzsignals gebildete Differenzfrequenz Δf_{( Δ t)} ist üblicherweise ein niederfrequentes Signal von typischerweise einigen kHz und ist ein Maß für den Abstand zwischen dem Meßgerät 10 bzw. 40 und der Grenzfläche 20 bzw. 50, woraus der gesuchte Füllstand des Mediums im Behälter 12 bzw. 42 bestimmt werden kann. Vorzugsweise wird dazu nach der Erfindung in der Elektronik 26 bzw. 60 die Sendefrequenz mit dem Nutzsignal gemischt, so daß die Differenzfrequenz Δf_{( Δ t)} im Mischprodukt erscheint und über eine Fourier-Transformation der so erhaltenen Differenzfrequenz die den zu messenden Füllstand bestimmende Information gewonnen wird.

Auch bei Meßgeräten 10 bzw. 40 nach der Erfindung (siehe Fig. 1 und 2), die ein cw-Meßsignal nach Fig. 5 verwenden, gilt, daß die Meßgeräte 10 bzw. 40 unempfindlicher oder sogar gänzlich unempfindlich gegenüber den von Einbauten im Innern des Behälters 12 bzw. 42 herrührenden Störungen werden, wenn, wie bei der Erfindung realisiert, die Sendefrequenz größer 1,5 Gigahertz ist. Je größer die Sendefrequenz ist, desto geringer ist die wirksame Ausdehnung des durch die Meßsignale um den Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 herum gebildeten elektromagnetischen Feldes und desto weniger wird es durch die Einbauten im Innern des Behälters 12 bzw. 42 beeinflußt. Auf diese Weise steht durch eine kleinere Feldausdehnung um den Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 herum mehr wirksame Meßsignalenergie im Nahbereich des Oberflächenwellenleiters 16 bzw. 46 zur Verfügung, so daß durch Erhöhung der Sendefrequenz die Empfindlichkeit des Meßgerätes 10 bzw. 40 gegenüber Störstrahlungen verbessert werden kann.

Es hat sich aber bei cw-Meßsignalen nach Fig. 5 gezeigt, daß einer solchen Erhöhung der Sendefrequenz je nach verwendetem Material auf einer Oberfläche des Wellenleiter 16 bzw. 46 und nach der Art des zu messenden Mediums gewisse Grenzen gesetzt sind. Zum einen führt eine Erhöhung der Sendefrequenz infolge des Skin-Effektes zu einer größeren Dämpfung der Meßsignale auf dem Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46. Die Sendefrequenz wird daher sinnvollerweise so gewählt, daß bei dem für den Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 gewählten Oberflächen-Material noch ein hinreichend zu detektierendes Nutzsignal erwartet werden kann. Zum anderen ist bei einem zu einer Ansatzbildung neigenden Medium die Sendefrequenz so zu wählen, daß die wirksame Ausdehnung des Feldes um den Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 herum über einen eventuell auf der Oberfläche des Wellenleiters angelagerten Ansatz hinausgeht. Das eigentlich gewünschte und für den zu messenden Füllstand bestimmende Nutzsignal soll ja von einer quasi ausgedehnteren Grenzfläche des zu messenden Mediums ausgelöst werden und nicht von einer dünnen, auf dem Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 angelagerten Ansatzschicht. Als in der Praxis besonders vorteilhafte Sendefrequenz hat sich eine solche im Bereich zwischen 3 und 8 GHz erwiesen.

Eine wieder andere obere Grenzfrequenz für eine mögliche Sendefrequenz ist bei solchen Anwendungen beobachtet worden, bei denen der Oberflächenwellenleiter 16 bzw. 46 im Bereich zwischen dem Meßgerät 10 bzw. 40 und der zu bestimmenden Grenzfläche des Mediums von einer reinen Wasserdampf-Phase umgeben ist. Es hat sich gezeigt, daß bei Sendefrequenzen ab 5 GHz die Absorption der Signalenergie in solch reiner Wasserdampf-Umgebung sehr stark ansteigt. Auch hier wird die Sendefrequenz daher sinnvollerweise so gewählt, daß noch ein hinreichend zu detektierendes Nutzsignal von der zu bestimmenden Grenzfläche des Mediums erwartet werden kann, also vorzugsweise zwischen 1,5 und 5 GHz.

Bei den oben erwähnten Ausführungsformen der Erfindung wurde ein Oberflächenwellenleiter, also ein nicht geschlossener Wellenleiter, beschriebenen. Die Vorteile, die mit der Erfindung erzielt werden, sind bei einem solchen Wellenleiter am deutlichsten. Es ist jedoch für bestimmte Anwendungen denkbar, statt dessen einen anderen Wellenleiter, beispielsweise einen geschlossenen Wellenleiter, vorzugsweise einen Koaxial- Wellenleiter, zu verwenden.

Claims (11)

1. Meßgerät (10, 40) zur Messung eines Füllstands eines Mediums (18, 48) in einem Behälter (12, 42), welches Meßgerät (10, 40)
in Gehäuse (22, 52)
und eine Elektronik aufweist,
die zur Erzeugung (26, 58) und Bearbeitung (26, 60) von Meßsignalen dient,
die auf einem teilweise vom Medium (18, 48) bedeckten Oberflächenwellenleiter (16, 46) zu einer Grenzfläche (20) des Mediums (18, 48) gesandt und, dort reflektiert, als Nutzsignal zum Meßgerät (10) zurück geführt werden,
wobei die Meßsignale elektromagnetische Wellen
mit einer gepulsten Signalamplitude (a_(t)) von etwa einer Halbwertsbreite (τ_1/2) von wahlweise kleiner 5 ns und
einer Trägerfrequenz von mindestens 1,5 GHz sind.

2. Meßgerät (10, 40) nach Anspruch 1, bei dem die Pulse etwa eine Nanosekunde dauern.

3. Meßgerät (10, 40) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit einer Trägerfrequenz im Bereich zwischen 3 und 8 GHz.

4. Meßgerät (10, 40) zur Messung eines Füllstands eines Mediums (18, 48) in einem Behälter (12, 42), welches Füllstandsmeßgerät (10, 40)
ein Gehäuse (22, 52)
und eine Elektronik aufweist,
die zur Erzeugung (26, 58) und Bearbeitung (26, 60) von Meßsignalen dient,
die auf einem teilweise vom Medium (18, 48) bedeckten Oberflächenwellenleiter (16, 46) zu einer Grenzfläche (20, 50) des Mediums (18, 48) gesandt und, dort reflektiert, als Nutzsignal zum Meßgerät (10, 40) zurück geführt werden,
wobei die Meßsignale elektromagnetische Wellen sind
mit einem cw-Signal f_(t) mit einer Sendefrequenz von mindestens 1,5 GHz, die kontinuierlich verändert wird.

5. Meßgerät (10, 40) nach Anspruch 4, bei dem die Sendefrequenz in einem Intervall von mindestens einem Gigahertz verändert wird

6. Meßgerät (10, 40) nach Anspruch 5, bei dem das Frequenzintervall in einem Bereich zwischen 3 und 8 Gigahertz liegt.

7. Meßgerät (10, 40) nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, bei dem die Sendefrequenz sägezahnförmig moduliert wird.

8. Meßgerät (10, 40) nach einem der Ansprüche 4, 5, 6 oder 7, bei dem die Sendefrequenz mit dem Nutzsignal gemischt und über eine Fourier- Transformation einer Mischfrequenz (Δf_{( Δ t)}) eine den zu messenden Füllstand bestimmende Information gewonnen wird.

9. Meßgerät (10, 40) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Elektronik (26), die im Gehäuse (22) des Meßgerätes (10, 40) untergebracht ist.

10. Meßgerät (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Elektronik (60), die außerhalb des Gehäuses (52) des Meßgerätes (40) in einem davon separaten Gehäuse (62) untergebracht ist.

11. Meßgerät (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einer Elektronik, die einen Meßsignal-erzeugenden Teil (58) und einen Meßsignal­ bearbeitenden bzw. Meßsignal-auswertenden Teil (60) umfaßt, wobei der Meßsignal-erzeugenden Teil (58) der Elektronik im Gehäuse (52) des Meßgerätes (40) und der damit verbundene Meßsignal-bearbeitenden Teil (60) der Elektronik in einem davon separaten Gehäuse (62) untergebracht sind.