DE10040943A1

DE10040943A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter

Info

Publication number: DE10040943A1
Application number: DE10040943A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hardell; Stefan Burger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2002-03-07
Also published as: EP1311807B1; CN1219191C; AU2001278513A1; CN1447909A; EA200300281A1; US20030167839A1; EA004579B1; WO2002016889A1; EP1311807A1; US6779397B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter mit einer Signalerzeugungseinheit, die elektromagnetische Meßsignale erzeugt, mit einer Sende-/Empfangseinheit (2), die die Meßsignale über eine Antenne (1) in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet und die die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Echosignale empfängt, wobei die Antenne (1) aus einem Wellenleiter (3) besteht, der sich in Abstrahlrichtung in einen Hohlraum (4) einer definierten Form aufweitet, und mit einer Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeit der Meßsignale den Füllstand in dem Behälter ermittelt. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine stabile Vorrichtung zur Füllstandsmessung vorzugschlagen, bei der die Ansatzbildung nahezu ausgeschlossen ist. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest ein dielektrisches Füllmaterial (5) vorgesehen ist, das den Wellenleiter (3) zumindest teilweise ausfüllt und das den aufgeweiteten Hohlraum (4) der Antenne (1) nahezu vollständig ausfüllt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füll standes eines Füllguts in einem Behälter mit einer Signalerzeugungseinheit, die elektromagnetische Meßsignale erzeugt, mit einer Sende-/Empfangs einheit, die die Meßsignale über eine Antenne in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet und die die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Echosignale empfängt, wobei die Antenne aus einem Wellenleiter besteht, der sich in Abstrahlrichtung in einen Hohlraum einer definierten Form aufweitet, und mit einer Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeit der Meßsignale den Füllstand in dem Behälter ermittelt. Bevorzugt arbeiten Vorrichtungen der vorgenannten Art im Mikrowellenbereich und sind allgemein unter dem Namen Mikrowellen-Füllstandsmeßgeräte bekannt. Allerdings ist es auch prinzipiell möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Ultraschall-Meßsignalen zu betreiben.

Kritisch bei allen Meßgeräten, die den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter über die Laufzeit von Meßsignalen bestimmen, ist die Bildung von Ablagerungen, die sog. Ansatzbildung, im Antennenbereich. Lagert sich Ansatz, also Kondensat und/oder Feuchtigkeit sowie Verschmutzung jeglicher Art, im Innenraum der Antenne ab, so hat dies einen direkten Einfluß auf die Ausbreitung und das Reflexionsverhalten der Meßsignale: Es treten Störsignale auf, die sich den eigentlichen Meßsignalen überlagern und so stark werden können, daß letztlich eine verläßliche Füllstandsmessung unmöglich wird.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt geworden, eine Antenne durch ein sog. Radom wirkungsvoll vor Ansatzbildung zu schützen. Ein Radom ist eine dünne, folienartige Schutzschicht, die im Bereich der Außenkante der Antenne angebracht ist und verhindert, daß Kondensat und/oder Feuchtigkeit in den Innenraum der Antenne vordringen kann. Nachteil des Radoms ist, daß es infolge seiner fragilen Ausgestaltung wenig beständig gegen hohe Drücke ist. Sein Einsatz im Bereich der Prozeßmeßtechnik ist daher relativ eng begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine stabile Vorrichtung zur Füllstandsmessung vorzuschlagen, bei der die Ansatzbildung in besonders kritischen Bereichen der Antenne, wie z. B. dem Innenraum der Antenne, ausgeschlossen ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest ein dielektrisches Füll material vorgesehen ist, das den Wellenleiter zumindest teilweise ausfüllt und das den aufgeweiteten Hohlraum der Antenne nahezu vollständig ausfüllt.

Durch die Verwendung eines Einsatzes aus einem dielektrischen Material lassen sich - falls dies gewünscht ist - gleichzeitig mehrere Probleme, die bei Antennen des Standes der Technik auftreten können, beseitigen:

- Die Antenne weist eine sehr stabile Konstruktion auf.
- Die Antenne wird effektiv vor Ansatzbildung geschützt.
- Durch den Einsatz des dielektrischen Materials wird eine hohe Druckbeständigkeit der Antenne erzielt.
- Das gewählte Design des dielektrischen Materials, das in den Innenraum der Antenne eingebracht ist, unterstützt die Fokussierung der elektro magnetischen Meßsignale.

Der aufgeweiteten Hohlraum hat übrigens bevorzugt die Form eines Trichters. Entsprechend gestaltete Antennen heißen üblicherweise Hornantennen. Bei einer Hornantenne kann die Innenfläche entweder glatt sein, oder sie weist eine gewisse Strukturierung auf. Hornantennen mit strukturierter Innenfläche sind unter der Bezeichnung "corrugated horn antennae" allgemein bekannt. Sinn und Zweck der strukturierten Innenfläche der Antenne ist es, den Meßsignalen eine Phasenverschiebung aufzuprägen, die so bemessen ist, daß am Antennenausgang eine im wesentlichen ebene Wellenfront abgestrahlt wird.

Der aufgeweitete Hohlraum der Antenne ist jedoch nicht auf die Trichterform, die bei Hornantennen üblich ist, beschränkt. Beispielsweise kann der aufgeweitete Hohlraum auch die Form eines Parabolspiegels oder aber eine zylindrische Form haben.

Bei dem Füllmaterial kann es sich im Grunde genommen um ein beliebiges dielektrisches Material handeln. Beispielsweise wird als Füllmaterial Teflon, Saphir, Keramik oder Quarzglas zur Anwendung kommen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Außenfläche des Füllmaterials als Linse geformt. So kann die Außen fläche des Füllmaterials konvex ausgestaltet sein. Ebenso kann die Außen fläche des Füllmaterials auch die Form einer Fresnel-Linse aufweisen.

Um eine Beschädigung des Füllmaterials während des Transports, beim Ein- und Ausbau oder beim Lagern der Antenne zu vermeiden, liegt gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die höchste Erhebung der Außenfläche des Füllmaterials unter der Außenkante des aufgeweiteten Hohlraums der Antenne.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine zusätzliche Schutzschicht vorgesehen, die in Abstrahlrichtung vor dem Füllmaterial angeordnet ist. Bevorzugt kommt diese zusätzliche Schutzschicht dann zum Einsatz, wenn die Außenfläche des Füllmaterials strukturiert ist - wobei man bedenken muß, daß eine strukturierte Außenfläche der Ansatz bildung entgegenkommt. Diese Schutzschicht kann entweder eben ausgestaltet sein, sie kann jedoch auch beispielsweise die Form eines nach innen oder außen gestülpten Kegels aufweisen.

Bevorzugt ist die Frequenz der hochfrequenten elektromagnetischen Meß signale größer als 30 GHz. Liegt die Frequenz in dieser Größenordnung, können die Antennen relativ klein ausgestaltet sein. Gerade bei kleinen Antennen ist die Ansatzbildung in hohem Maße problematisch, da die Innenmaße des Hohlleiters meist klein sind im Vergleich zu der Größe von Kondensattropfen oder Schmutzteilchen, die den Ansatz ausmachen. Das bedeutet, daß oft schon ein einzelner Tropfen oder einzelnes Schmutzteilchen ausreicht, um den Hohlleiter zu verstopfen und sehr starke Störreflexionen hervorzurufen. Ist der Antennenhohlraum erfindungsgemäß mit einem Dielektrikum ausgefüllt, wird der Hohlleiter sowie alle Antennenbereiche mit kleinen Innenmaßen wirkungsvoll vor Kondensat und anderen Verschmut zungen geschützt. An der relativ großen Außenfläche des Dielektrikums ist die Ansatzbildung weniger kritisch, da einzelne Tropfen oder Teilchen nicht den ganzen Durchmesser bedecken und leichter wieder abtropfen können.

Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, kann durch die Oberflächen form und Oberflächenstruktur des Füllmaterials darüber hinaus ein Fokussierungseffekt erreicht werden: Der Bereich, in dem die Meßsignale auf der Oberfläche des Füllguts auftreffen, ist genau definiert, wodurch Störsignale, also Meßsignale, die nicht an der Oberfläche des Füllguts, sondern an irgendwelchen Einbauten im Behälter oder an der Behälterwand reflektiert worden sind, wenig wahrscheinlich werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt die Sende-/Empfangseinheit die elektromagnetischen Meßsignale durch die Rückwand oder durch eine Seitenwand des Wellenleiters in die Antenne hinein bzw. aus der Antenne heraus.

Eine besonders vorteilhafte, da kostengünstige Lösung sieht vor, daß das dielektrische Füllmaterial lediglich einen Teilbereich des Wellenleiters ausfüllt, wobei sich besagter Teilbereich an den aufgeweiteten Hohlraum der Antenne anschließt. Als Beispiel sei hier eine Antenne genannt, bei der aus Gründen der Temperaturentkopplung zwischen Füllstandssensor und Prozeß/Prozeß medium die Länge des Wellenleiters relativ groß ausfällt.

Füllt das Füllmaterial den Hohlraum der Antenne nur teilweise aus, dann ist es besonders günstig, wenn der Endbereich des dielektrischen Füllmaterials, das sich in den Wellenleiter hineinerstreckt, derart geformt ist, daß die Ein kopplung der elektromagnetischen Meßsignale beim Übergang Luft-Füll material optimiert ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Antenne 1 besteht aus einem Wellen leiter 3, an den sich in Abstrahlrichtung der elektromagnetischen Meßsignale ein aufgeweiteter Hohlraum 4 anschließt. Im dargestellten Fall handelt es sich bei der Antenne 1 übrigens um eine Hornantenne mit kreisförmigem Querschnitt.

Die elektromagnetischen Meßsignale werden über die Sende-/Empfangs einheit 2 seitlich in die Antenne 1 eingekoppelt bzw. seitlich aus der Antenne 1 ausgekoppelt. Die Signalerzeugungseinheit und die Regel-/Auswerteeinheit sind in den Figuren nicht gesondert dargestellt.

Der Innenraum des Wellenleiters 3 und des aufgeweiteten Hohlraums 4 ist mit einem dielektrischen Füllmaterial 5 aufgefüllt. Dieses dielektrische Füllmaterial 5 schützt die Antenne 1 vor Ansatzbildung und Beschädigung. Je nach Ausgestaltung kann das dielektrische Füllmaterial 5 jedoch auch noch andere Funktionen erfüllen: Es verleiht der Antenne 1 eine hohe Stabilität; es schafft eine druckbeständige Schutzabdeckung für die Antenne 1, und/oder es dient dazu, die Meßsignale optimal zu fokussieren.

Zwecks Fokussierung der Meßsignale ist die Außenfläche 6 des dielektrischen Materials 5 im gezeigten Fall konvex geformt. Andere Ausformungen der Außenfläche sind selbstverständlich möglich. Als Beispiel sei an dieser Stelle noch einmal die Ausbildung der Außenfläche als Fresnel-Linse genannt.

In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu sehen. Wiederum besteht die Antenne 1 aus einem Wellenleiter 3 und einem aufgeweiteten Hohlraum 4, der sich unmittelbar an den Wellenleiter 3 anschließt. Die Ein- und Auskopplung der Meßsignale erfolgt über eine Sende-/Empfangseinheit 2, die durch die Rückwand 9 der Antenne 1 geführt ist.

Der Wellenleiter 3 und der aufgeweitete Hohlraum 4 sind nahezu vollständig mit dem dielektrischen Füllmaterial ausgefüllt. Die Außenfläche 6 des dielektrischen Füllmaterials 5 hat im gezeigten Fall eine konvexe Form, wobei die höchste Erhebung des dielektrischen Füllmaterials 5 unterhalb der Außen kante 7 des aufgeweiteten Hohlraums 4 zu liegen kommt. Durch diese Ausgestaltung wird die Außenfläche 6 des dielektrischen Materials 5 sehr effektiv gegen Beschädigungen beim Transport, beim Ein- und Ausbau und bei der Lagerung der Antenne 1 geschützt.

Ist die Außenfläche 6 des dielektrischen Füllmaterials 5 strukturiert - z. B. in Form einer Fresnel-Linse - ist es vorteilhaft, wenn - in Abstrahlrichtung der elektromagnetischen Meßsignale - vor der Außenfläche 6 noch eine zusätz liche Schutzschicht 8a; 8b vorgesehen ist. Bei der Schutzschicht 8a handelt es sich um eine ebene Scheibe, die als separates Teil im Bereich der Außenkante 7 der Antenne 1 befestigt ist. Hingegen zeigt die Schutzschicht 8b eine kegelförmige Ausstülpung, was wiederum der Ansatzbildung hervorragend entgegenwirkt. Möglich ist natürlich auch eine Schutzschicht, die z. B. eine kegelförmige Einbuchtung aufweist.

Es versteht sich darüber hinaus von selbst, daß die Antenne 1 sowohl einen kreisförmigen als auch einen eckigen Querschnitt aufweisen kann.

Die Figuren Fig. 3 und Fig. 4 zeigen schematische Darstellungen einer dritten bzw. einer vierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Während bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform die Sende-/Empfangs einheit 2 die Meßsignale durch die Seitenwand 9 in den Wellenleiter 3 hineinführt bzw. aus dem Wellenleiter 3 herausführt, erfolgt die Einkopplung bzw. die Auskopplung der Meßsignale bei der in Fig. 4 gezeigten Ausge staltung durch die Rückwand 9.

Beiden Ausgestaltungen (Fig. 3, Fig. 4) ist gemeinsam, daß der Wellenleiter 3 relativ lang dimensioniert ist. Eine derartige Ausgestaltung hat gewisse Vorteile, wenn hochfrequente Meßsignale zum Einsatz kommen. Hochfrequent bedeutet dabei, daß die Frequenz größer als ca. 30 GHz ist.

Insbesondere bei einer derartig ausgestalteten Antenne 1 ist es nicht erforder lich, daß das dielektrische Material 5 den Wellenleiter 3 und den aufgeweiteten Hohlraum 4 vollständig ausfüllt. So genügt es, wenn das dielektrische Füllmaterial 5 den aufgeweiteten Hohlraum 4 und den sich an den aufgeweiteten Hohlraum 4 anschließenden Bereich des Wellenleiters 3 ausfüllt. Eine optimierte Anpassung beim Übergang der Meßsignale von dem füllmaterialfreien Bereich des Wellenleiters 3 auf den Bereich des Wellen leiters 3, in dem Füllmaterial 5 angeordnet ist, wird dadurch erreicht, daß der entsprechende Endbereich 11 des dielektrischen Füllmaterials 5 eine besondere Form aufweist. In diesem Zusammenhang hat sich übrigens ein kegel- oder pyramidenförmiger Übergangsbereich bestens bewährt.

Bezugszeichenliste

1

Antenne

2

Sende-/Empfangseinheit

3

Hohlleiter

4

aufgeweiteter Hohlraum

5

Dielektrisches Füllmaterial

6

Außenfläche

7

Außenkante

8

a Zusätzliche Schutzschicht

8

b Zusätzliche Schutzschicht

9

Rückwand

10

Seitenwand

11

Endbereich des dielektrischen Füllmaterials

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter mit einer Signalerzeugungseinheit, die elektromagnetische Meßsignale erzeugt, mit einer Sende-/Empfangseinheit, die die Meßsignale über eine Antenne in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet und die die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Echosignale empfängt, wobei die Antenne aus einem Wellenleiter besteht, der sich in Abstrahlrichtung in einen Hohlraum einer definierten Form aufweitet, und mit einer Auswerte einheit, die anhand der Laufzeit der Meßsignale den Füllstand in dem Behälter ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein dielektrisches Füllmaterial (5) vorgesehen ist, das den Wellenleiter (3) zumindest teilweise ausfüllt und das den aufgeweiteten Hohlraum (4) der Antenne (1) nahezu vollständig ausfüllt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche (6) des dielektrischen Füllmaterials (5) als Linse geformt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche (6) des dielektrischen Füllmaterials (5) konvex ausgestaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche (6) des dielektrischen Füllmaterials (5) die Form einer Fresnel-Linse aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die höchste Erhebung der Außenfläche (6) des dielektrischen Füllmaterials (5) unter der Außenkante (7) des aufgeweiteten Hohlraums (4) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Schutzschicht (8a; 8b) vorgesehen ist, die in Abstrahlrichtung vor dem dielektrischen Füllmaterial (5) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der hochfrequenten elektromagnetischen Meßsignale größer als 30 GHz ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende-/Empfangseinheit (2) die elektromagnetischen Meßsignale durch die Rückwand (9) oder durch eine Seitenwand (10) des Wellenleiters (3) in die Antenne (1) hineinführt bzw. aus der Antenne (1) herausführt.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Füllmaterial (5) lediglich einen Teilbereich des Wellenleiters (3) ausfüllt, wobei sich der Teilbereich an den aufgeweiteten Hohlraum (4) der Antenne (1) anschließt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Endbereich (11) des dielektrischen Füllmaterials (5), das sich in den Wellenleiter (3) hineinerstreckt, derart geformt ist, daß die Einkopplung der elektromagnetischen Meßsignale auf das dielektrische Füllmaterial (5) optimiert ist.