DE10108993B4

DE10108993B4 - Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter

Info

Publication number: DE10108993B4
Application number: DE10108993A
Authority: DE
Inventors: Thomas Malzahn
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2021-02-24
Also published as: US20020116996A1; DE10108993A1; US7201050B2

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes (F) eines Füllguts (3) in einem Behälter (2) mit einer Signalerzeugungseinheit (6), die Meßsignale erzeugt, mit einer Einkoppeleinheit (18) und mit einer Planarantenne (1), wobei die Einkoppeleinheit (18) die Meßsignale auf die Planarantenne (1) einkoppelt und wobei die Planarantenne (1) die Meßsignale in Richtung der Oberfläche (9) des Füllguts (3) aussendet, und mit einer Empfangs-/Auswerteschaltung (7), welche die an der Oberfläche (9) des Füllguts (3) reflektierten Meßsignale empfängt und über die Laufzeit der Meßsignale den Füllstand (F) in dem Behälter (2) bestimmt,
wobei die Planarantenne (1) zumindest eine erste dielektrische Schicht (10) aufweist,
wobei die vom Füllgut (3) abgewandte Seite der dielektrischen Schicht (10) eine Speisestruktur (11) trägt und
wobei die dem Füllgut (3) zugewandte Seite der dielektrischen Schicht (10) mehrere Ausnehmungen (12) aufweist, die zumindest teilweise unterschiedliche Dimensionierungen und/oder Formen besitzen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter.

In der Füllstandsmeßtechnik werden neben Horn-, Stab- und Parabolantennen auch Planarantennen eingesetzt. Ausgestaltungen von Planarantennen ist beispielsweise in dem Buch 'Einführung in die Theorie und Technik planarer Mikrowellenantennen in Mikrostreifenleitungstechnik', Gregor Gronau, Verlagsbuchhandlung Nellissen-Wolff oder in dem Zeitschriftenartikel 'Impedance of a radiating slot in the ground plane of a microstrip line', IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-30, 922–926, Mai 1982 beschrieben.

Eine Planarantenne besteht üblicherweise aus einem dielektrischen Substrat, auf dessen einer Seite die Antennenstruktur und auf dessen anderer Seite eine leitfähige Beschichtung vorgesehen ist. Eine unsymmetrische Streifenleitung ist die Basis der am weitesten verbreiteten planaren Antennenstruktur. In der Patentschrift US 4 263 598 wird ein schichtweiser Aufbau einer Planarantenne zu Kommunikationszwecken aufgezeigt. Diese Planarantenne besteht aus zwei Streifenleiterplatten, die um 90° zu einander verdreht angeordnet sind. Dadurch entstehen kreuzpolarisierte Elemente, die eine Wiederverwendung der selben Frequenz ohne gegenseitiges Einkoppeln der Signale zulassen und somit die Datenübertragungsbandbreite verdoppeln.

Desweiteren besteht üblicherweise die Möglichkeit in der leitfähigen Schicht Ausnehmungen vorzunehmen, wobei dann auf der anderen Seite des dielektrischen Substrates Versorgungsleitungen zu den Ausnehmungen vorzunehmen sind. Diese Ausnehmungen sind z. B. derart ausgestaltet und angeordnet, daß die Antenne bevorzugt nur elektromagnetische Wellen eines gewünschten Modes abstrahlt oder der Gewinn der Antenne optimiert wird.

Eine Art und Weise den Antennengewinn durch die Optimierung der Ausnehmungen bzw. Öffnungen zu verbessern, ist aus der Patentschrift DE 40 14 133 C2 bekannt.

In der Druckschrift DE 44 31 886 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Pegelmessung in einem Tank unter Verwendung von Mikrowellensignalen vorgestellt. Die Einspeisung und das Empfangen der Mikrowellen erfolgt getrennt vom Prozessraum außerhalb des Tanks durch eine Planarantenne, die auf einem für Mikrowellen durchlässigen Druckfenster am Tank angebracht ist. Die Planarantenne besteht aus einer dielektrischen Scheibe mit aufgedruckten strahlenden Schaltkreiselementen, die auf Grund von gleich langen Mikrowellenpfaden der Elemente die Abstrahlung und den Empfang von frequenzmodulierten Signalen einer bestimmten Bandbreite ermöglicht. Der weitere Grund für die Möglichkeit der breitbandigen Abstrahlung ist, dass diese Ausführungsform einer Planarantenne keine Resonatorscheibe mit Ausnehmungen aufweist, die alle Frequenzanteile der Meßsignale, die außerhalb der sog. Resonanzfrequenz der Ausnehmungen liegen, mehr oder minder reflektiert.

Eine Planarantenne für den Einsatz in einer explosiven Umgebung ist aus der nicht vorveröffentlichten EP 99 11 7604.1 (Veröffentlichung erfolgt am 14.03.01 unter der Nr. EP 1 083 413 A1 ) bekannt geworden. Diese bekannte Lösung kann selbstverständlich auch in Kombination mit der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Erfindung zum Einsatz kommen. Diese bekannte Lösung ist daher ausdrücklich dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung zuzurechnen.

Als Meßsignale werden üblicherweise (Gauß-förmige) delta-förmige Impulse oder aber frequenzmodulierte kontinuierliche Signale benutzt. Beide Arten von Meßsignalen sind relativ breitbandig. Beispielsweise haben die impulsförmigen Meßsignale eine Bandbreite von einigen hundert Megahertz. Die bekannt gewordenen Planarantennen sind jedoch nur in der Lage, die Meßsignale in einem quasi punktförmigen Frequenzbereich bei der Resonanzfrequenz nahezu ungedämpft abzustrahlen. Wie aus der 2 zu sehen ist, erfahren alle Frequanzanteile der Meßsignale, die außerhalb der sog. Resonanzfrequenz der Ausnehmungen liegen, mehr oder minder reflektiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne derart zu optimieren, daß Meßsignale möglichst breitbandig abgestrahlt werden.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die die folgenden Merkmale aufweist: eine Signalerzeugungseinheit, die Meßsignale erzeugt, eine Einkoppeleinheit und eine Antenne, wobei die Einkoppeleinheit die Meßsignale auf die Antenne einkoppelt und wobei die Antenne die Meßsignale in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet, und eine Empfangs-/Auswerteschaltung, welche die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Meßsignale empfängt und über die Laufzeit der Meßsignale den Füllstand in dem Behälter bestimmt. Die Antenne weist zumindest eine erste dielektrische Schicht auf, wobei die vom Füllgut abgewandte Seite der dielektrischen Schicht eine Speisestruktur trägt und wobei die dem Füllgut zugewandte Seite der dielektrischen Schicht mehrere Ausnehmungen aufweist, die zumindest teilweise unterschiedliche Abmessungen und/oder Formen besitzen.

Die Erfindung geht aus von der physikalischen Tatsache, daß die Resonanzfrequenz der Ausnehmungen, also die Frequenz, bei der ein Meßsignal im wesentlichen ungedämpft abgestrahlt wird, abhängig ist von den jeweiligen Abmessungen der Ausnehmungen. Im Falle eines rechteckförmigen Schlitzes bedeutet dies, daß die Resonanzfrequenz abhängig ist von der Länge und Breite des Schlitzes.

Erfindungsgemäß weisen die Ausnehmungen nun variabele Abmessungen auf und sind insbesondere derart ausgestaltet, daß die zugehörigen Resonanzfrequenzen einen gewünschten Frequenzbereich vollständig abdecken. Hierdurch wird erreicht, daß das komplette Frequenzspektrum eines Breitbandsignals nahezu ungehindert in Richtung auf das Füllgut abgestrahit werden können.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß es sich bei den Ausnehmungen um schlitzförmige Aussparungen handelt, wobei die Längsachsen der Schlitze im wesentlichen radial ausgerichtet sind.

Durch die nachfolgend genannten vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich die Abstrahlcharakteristik der Antenne werter verbessern: So ist vorgesehen, daß eine Gruppe von Ausnehmungen bzw. von Schlitzen im wesentlichen äquidistant in einem ersten Abstand r₁ von dem Symmetriezentrum der dielektrischen Schicht angeordnet ist; eine zweite Gruppe von Ausnehmungen bzw. Schlitzen ist im wesentlichen äquidistant in einem zweiten Abstand r₂ von dem Symmetriezentrum der dielektrischen Schicht angeordnet ist.

Bevorzugt sind die Ausnehmungen bzw. die Schlitze der zumindest einen weiteren Gruppe auf Lücke zu den Ausnehmungen bzw. Schlitzen der ersten Gruppe angeordnet sind.

Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn es sich bei den Ausnehmungen um rechteckförmige Schlitze bzw. Aussparungen handelt und wenn die Abmessungen der Schlitze im Bereich von 0.8 × a bis 1.2 × a bzw. 0.8 × b bis 1.2 × b variieren; hierbei charakterisiert a die Länge und b die Breite eines Schlitzes.

Um zu verhindern, daß sich Ablagerungen an der dem Füllgut zugewandten Seite der dielektrischen Schicht bilden, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine dielektrische Schutzschicht vorgesehen, die mit der dielektrischen Schicht auf der Seite verbunden ist, auf der die Ausnehmungen bzw. die Schlitze angeordnet sind.

Bevorzugt werden sowohl die (Speisestruktur =) Antennenstruktur und die Ausnehmungen über einen Ätzprozeß auf die dielektrische Schicht aufgebracht sind. Beispielsweise tragen beide Seiten der dielektrischen Schicht eine Kupferbeschichtung. Eine Seite der dielektrischen Schicht wird nun so behandelt, daß auf ihr die gewünschte Speisestruktur verbleibt; auf der zweiten Seite werden die Ausnehmungen mit den gewünschten Abmessungen herausgeätzt. Die korrekte Lage von der Speisestruktur relativ zu den Ausnehmungen wird über Registermarken sichergestellt.

Bevorzugt weist die Planarantenna einen kreisförmigen Querschnitt auf. Sie läßt sich dann relativ mühelos in dem Stutzen eines Behälters, dar üblicherweise ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, montieren. Daher handelt es sich bevorzugt bei der ersten dielektrischen Schicht und/oder bei der zumindest einen weiteren dielektrischen Schicht um eins kreisförmige Scheibe bzw. um kreisförmige Scheiben.

Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, ist die Antenne bevorzugt für die Abstrahlung relativ breitbandiger Maßsignale geeignet.

Bevorzugt wirken die Antennenstruktur und die Ausnehmungen bzw. die Schlitze so miteinander zusammen, daß die Antenne im wesentlichen Meßsignale eines ausgewählten Modes aussendet. Bei der Abstrahlung von monomodigen Meßsignalen tritt bei geführter Abstrahlung der Meßsignale nahezu keinerlei Dispersion auf. Die Echosignale, die den Anteil der Meßsignale widerspiegeln, der an der Oberfläche des Füllguts reflektiert wird, werden dann durch einen definierten Peak charakterisiert, welcher mit großer Genauigkeit dem entsprechenden Füllstand zuzuordnen ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: den Graphen der Reflexionsdämpfung einer Planarantenne in Abhängigkeit von der Frequenz bei Ausnehmungen gleicher Abmessungen (Stand der Technik),
3: eine Draufsicht auf die Speisestruktur gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4: eine Draufsicht auf die Ausnehmungen gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5: eine Darstellung der dielektrischen Schicht, die die in 3 und 4 gezeigten Strukturen trägt, und
6: einen Graphen, der die Refexionsdämpfung eines Meßsignals in Abhängigkeit von der Frequenz bei der erfindungsgemäßen Planarantenne darstellt.
1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Planarantenne 1 zur Bestimmung des Füllstands F des Füllguts 3, das sich in dem Behälter 2 befindet, ist in einer Öffnung 5 im Deckel 4 des Behälters 2 montiert. Die Planarantenne 1 ist so in der Öffnung 5 angeordnet, daß die Meßsignale, die in der Signalerzeugungseinheit 6 erzeugt werden, im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche 9 des Füllguts auftreffen. Die an der Oberfläche 9 reflektierten Meßsignale werden von der Planarantenne 1 empfangen und von dort zu der Empfangs-/Auswerteschaltung 7 weitergeleitet. Die Empfangs-/Auswerteschaltung 7 ermittelt anhand der Laufzeit der. Meßsignale den Füllstand F des Füllguts 3 in dem Behälter 2. Der prinzipielle Aufbau eines entsprechenden Mikrowellenmeßgerätes ist aus dem Stand der Technik bekannt. Entsprechende Geräte werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung Micropilot angeboten und vertrieben.
2 bezieht sich auf die Reflexionsdämpfung einer bekannten Planarantenne. Verwiesen wird in diesem Zusammenhang wiederum auf die bereits zitierte EP 99 11 7604.1 . Wie sich anhand der Resonanzkurve unschwer erkennen läßt, erreicht die Amplitude A bei der Resonanzfrequenz f_r ein Minimum – hier ist die Reflexion des Meßsignals also minimal. Bei allen übrigen Frequenzen treten mehr oder minder starke Reflexionen auf, was bedeutet, daß die entsprechenden Frequenzanteile eine Reflexion erfahren. Dies wirkt sich bei breitbandigen Meßsignalen natürlich äußerst nachteilig aus, da nur noch ein Bruchteil des Frequenzspektrums überhaupt abgestrahlt wird und somit die Oberfläche 9 des Füllguts 3 erreichen kann.
3 zeigt die Speisestruktur 11, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der ertfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt wird. Die Speisestruktur 11 ist in hohem Maße symmetrisch aufgebaut. Im Bereich des Symmetriezentrums 13 ist die Kontaktierung 16 für die Verbindung zur Einkoppeleinheit 18 vorgesehen. Nähere Angaben hierzu finden sich in der bereits mehrfach zitierten EP 99 11 7604.1 .
In 4 sind die Anordnung und die unterschiedlichen Abmessungen der Ausnehmungen 12 dargestellt. Die Ausnehmungen 12, die bevorzugt aus einer leitfähigen Schicht 15 herausgeätzt wurden, haben keine einheitlichen Abmessungen, sondern unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Breite b und Länge a. Im gezeigten Fall sind die Ausnehmungen 12 in zwei Gruppen angeordnet: eine erste Gruppe hat einen Abstand r₁ vom Symmetriezentrum 13, während die zweite Gruppe von Ausnehmungen einen Abstand r₂ vom Symmetriezentrum 13 aufweist.
5 zeigt eins Darstellung der dielektrischen Schicht 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Auf der Seite der dielektrischen Schicht 10, die vom Füllgut 3 abgewandt ist, ist die Speisestruktur 11 aufgebracht; auf der Seite der dielektrischen Schicht 10, die dem Füllgut 3 zugewandt ist, sind die Ausnehmungen 12 vorgesehen. Die korrekte Lage der Antennenstruktur (11) relativ zu den Ausnehmungen 12 ist durch die Registermarken 17 gewährleistet, die zu beiden Seiten der dielektrischen Schicht 10 vorgesehen sind.
6 zeigt schematisch den Graphen, der den Betrag der Reflexionsdämpfung der Planarantenne in Abhängigkeit von der Frequenz f entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung darstellt, Aufgrund der Abhängigkeit der Resonanzfrequenz f_r von den Abmessungen der Ausnehmungen 12, hier also von der Länge a und der Breite b der Schlitze, treten eine Vielzahl n von Resonanzfrequenzen f_rn auf, die relativ dicht zusammenliegen. In Zusammenschau läßt sich so ein Frequenzband erzeugen, in dem die Meßsignale nahezu ungedämpft über die erfindungsgemäße Planarantenne 1 abgestrahlt werden.

1: Planarantenne
2: Behälter
3: Füllgut
4: Deckel
5: Öffnung
6: Signalerzeugungseinheit
7: Empfangs-/Auswerteschaltung
8: Sende-/Empfangsweiche
9: Oberfläche
10: dielektrische Schicht
11: Antennenstruktur/Speisestruktur
12: Ausnehmung
13: Symmetriezentrum
14: dielektrische Schutzschicht
15: leitfähige Beschichtung
16: Kontaktierung
17: Registermarke
18: Einkoppeleinheit

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes (F) eines Füllguts (3) in einem Behälter (2) mit einer Signalerzeugungseinheit (6), die Meßsignale erzeugt, mit einer Einkoppeleinheit (18) und mit einer Planarantenne (1), wobei die Einkoppeleinheit (18) die Meßsignale auf die Planarantenne (1) einkoppelt und wobei die Planarantenne (1) die Meßsignale in Richtung der Oberfläche (9) des Füllguts (3) aussendet, und mit einer Empfangs-/Auswerteschaltung (7), welche die an der Oberfläche (9) des Füllguts (3) reflektierten Meßsignale empfängt und über die Laufzeit der Meßsignale den Füllstand (F) in dem Behälter (2) bestimmt, wobei die Planarantenne (1) zumindest eine erste dielektrische Schicht (10) aufweist, wobei die vom Füllgut (3) abgewandte Seite der dielektrischen Schicht (10) eine Speisestruktur (11) trägt und wobei die dem Füllgut (3) zugewandte Seite der dielektrischen Schicht (10) mehrere Ausnehmungen (12) aufweist, die zumindest teilweise unterschiedliche Dimensionierungen und/oder Formen besitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Ausnehmungen (12) um Schlitze handelt und die Längsachsen der Schlitze radial ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Gruppe von Ausnehmungen (12) bzw. von Schlitzen näherungsweise äquidistant in einem ersten Abstand (r₁) von dem Symmetriezentrum (13) der dielektrischen Schicht (10) angeordnet ist, und wobei zumindest eine weitere Gruppe von Ausnehmungen (12) bzw. Schlitzen näherungsweise äquidistant in einem zweiten Abstand (r₂) von dem Symmetriezentrum (13) der dielektrischen Schicht (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ausnehmungen (12) bzw. die Schlitze der zumindest einen weiteren Gruppe auf Lücke zu den Ausnehmungen (12) bzw. Schlitzen der ersten Gruppe angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei es sich bei den Ausnehmungen (12) um rechteckförmige Schlitze handelt und wobei die Abmessungen der Schlitze nicht einheitlich sind, sondern sich hinsichtlich ihrer Breite b und Länge a unterscheiden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine dielektrische Schutzschicht (14) vorgesehen ist, die mit der dielektrischen Schicht (10) auf der Seite verbunden ist, auf der die Ausnehmungen (12) bzw. die Schlitze angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Speisestruktur (11) und die Ausnehmungen (12) über einen Ätzprozeß auf die dielektrische Schicht (10) aufgebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, wobei es sich bei der ersten dielektrischen Schicht (10) und/oder bei der zumindest einen weiteren dielektrischen Schutzschicht (14) um eine kreisförmige Scheibe bzw. um kreisförmige Scheiben handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Meßsignalen um breitbandige Meßsignale handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, oder 2, wobei die Antennenstruktur (11) und die Ausnehmungen (12) bzw. die Schlitze so miteinander zusammen wirken, daß die Planarantenne (1) im wesentlichen Meßsignale eines ausgewählten Modes aussendet.