DE102005015548B4

DE102005015548B4 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums

Info

Publication number: DE102005015548B4
Application number: DE200510015548
Authority: DE
Inventors: Michael Kirst
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2025-04-05
Also published as: DE102005015548A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums (1) in einem Behälter (2), welche Vorrichtung umfasst: mindestens eine Signalerzeugungseinheit (5), welche elektromagnetische Signale erzeugt, mindestens einen Wellenleiter (6), mindestens eine Einkopplung (7), welche die von der Signalerzeugungseinheit (5) erzeugten elektromagnetischen Signale auf den Wellenleiter (6) einkoppelt, und welche elektromagnetische Signale von dem Wellenleiter (6) auskoppelt, und mindestens eine Empfangseinheit (8), welche die von der Einkopplung (7) von dem Wellenleiter (6) ausgekoppelten elektromagnetischen Signale empfängt und auswertet, wobei der Wellenleiter (6) mindestens einen ersten Abschnitt (13) aufweist, auf welchen die Einkopplung (7) die elektromagnetischen Signale einkoppelt und auskoppelt, und an dessen Außenseite sich die eingekoppelten, elektromagnetischen Signale in Richtung des Füllstands des Mediums (1) ausbreiten, wobei der Wellenleiter (6) mindestens einen an den ersten Abschnitt (13) angrenzenden Leiterabschnitt (10) aufweist, wobei die elektromagnetischen Signale zunächst entlang des ersten Abschnitts (13) des Wellenleiters (6) in Richtung der Oberfläche des Mediums (1) und/oder in Richtung des Bodens des Behälters (2) und entlang des Leiterabschnitts (10) senkrecht dazu in einer Füllstandshöhe in Richtung der Wandung des Behälters (2) geleitet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Referenzmarke (11) vorgesehen ist, welche elektromagnetische Signale reflektiert, und welche an einem der beiden Enden (10.2) des Leiterabschnitts (10) angebracht ist, dass mindestens eine zweite Referenzmarke (12) vorgesehen ist, welche elektromagnetische Signale reflektiert und welche zwischen dem ersten Abschnitt (13) des Wellenleiters (6) und dem Leiterabschnitt (10) an einem anderen Ende (10.1) des Leiterabschnitts (10) angebracht ist, wobei der Leiterabschnitt (10) nur auf einer Füllstandshöhe des Behälters (2) befindlich ist, und dass die Empfangseinheit (8) die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Signale längs des Leiterabschnitts (10) und/oder die dielektrischen und/oder konduktiven Eigenschaften des Mediums (1) aufgrund der Beeinflussung der elektromagnetischen Signale längs des Leiterabschnitts (10) durch das Medium (1) bestimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter, mit mindestens einer Signalerzeugungseinheit, welche elektromagnetische Signale erzeugt, mit mindestens einem Wellenleiter, mit mindestens einer Einkopplung, welche die von der Signalerzeugungseinheit erzeugten elektromagnetischen Signale auf den Wellenleiter einkoppelt, und welche elektromagnetische Signale von dem Wellenleiter auskoppelt, und mit mindestens einer Empfangseinheit, welche die von der Einkopplung von dem Wellenleiter ausgekoppelten elektromagnetischen Signale empfängt und auswertet. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit oder um ein Schüttgut.
Zur Füllstandsmessung über das Laufzeitverfahren mittels Mikrowellen sind im Stand der Technik zwei unterschiedliche Prinzipien bekannt. Die elektromagnetischen Signale werden entweder frei in Richtung der Oberfläche des Mediums abgestrahlt oder sie werden an einem Wellenleiter entlang geführt (siehe beispielsweise die EP 1 004 858 A1 oder EP 1 070 941 A1 ). In beiden Fällen lässt sich aus der Laufzeit zwischen dem Abstrahlen des Signals und dem Detektieren des an der Oberfläche des Mediums reflektierten Signals die Füllstandshöhe berechnen. Die Reflektion hängt ab von der Differenz der Dielektrizitätskonstanten des Füllguts und des oberhalb des Füllguts – z. B. Luft oder Gas – befindlichen Mediums. Teilweise wird auch das sog. End of Line-Signal ausgewertet, welches durch die Reflektion des Signals am Ende des Wellenleiters entsteht. Dieses Signal verläuft somit üblicherweise innerhalb des Mediums über die unterschiedlichen Füllstandshöhen. Allgemein besteht somit eine Abhängigkeit von den Materialeigenschaften des Füllguts, z. B. von dessen elektrische Leitfähigkeit und/oder Dielektrizitätskonstante, oder diese beeinflussende weitere Parameter, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur.
US 6,085,589 A beschreibt ein System zum Messen eines Füllstands eines Materials in einem Behälter, mit einer Seilsonde, die in Kontakt mit dem Material steht. Eine Elektronikeinheit ist mit der Seilsonde verbunden, um Mikrowellen auf die Seilsonde einzukoppeln und um Reflektionen zu empfangen, die von einer Diskontinuität der Impedanz an der Luft-Material-Grenzfläche in dem Behälter herrühren. Die Elektronikeinheit zeigt den Füllstand der Luft-Material-Grenzfläche entlang des Stabs der Seilsonde an. Das Ende des Stabs weist einen Winkel von 90° zu dem Rest der Seilsonde auf, um den Füllstand genauer zu bestimmen.
WO 98/05931 A1 beschreibt eine Sonde zur Verwendung in der Zeitbereichsreflektometrie, umfassend einen Körper mit einem leitenden und einem isolierten Bereich. Eine leitende Schleife mit einem ersten und einem zweiten Ende ist dermaßen an dem Körper befestigt, dass das erste Ende an dem isolierten Bereich und das zweite Ende an dem leitenden Bereich des Körpers befestigt ist, um die Leiterschleife kurzzuschließen bzw. zu erden.
WO 01/63219 A2 beschreibt eine Zeitbereichsreflektometrie-Sonde zur Füllstandsmessung, umfassend einen vertikalen Abschnitt und einen horizontalen Abschnitt. Der horizontale Abschnitt weist eine höhere Auflösung auf, als der vertikale Abschnitt.
US 5,058,420 beschreibt einen Präzisionsdetektor für Lecks. Der Detektor misst die Änderungsrate des Volumens einer Flüssigkeit in einem Behälter. Der Detektor weist einen Lichtleiter innerhalb des Behälters auf, der teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht ist.
US 6,184,818 beschreibt eine Anordnung zum Messen des Flüssigkeitspegels in einem Tank. Die Anordnung weist eine Mikrowellensende/Empfangseinrichtung und einen Wellenleiter auf. Der Wellenleiter erstreckt sich in den Behälter, um die eingekoppelten Mikrowellen zu führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Messgerät zur Messung des Füllstands nach dem Laufzeitverfahren anzugeben, welches die Abhängigkeiten von den Materialeigenschaften des Füllguts ausgleicht.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass mindestens eine erste Referenzmarke vorgesehen ist, welche elektromagnetische Signale reflektiert, und welche an einem der beiden Enden des Leiterabschnitts angebracht ist, und dass mindestens eine zweite Referenzmarke vorgesehen ist, welche elektromagnetische Signale reflektiert, und welche zwischen dem ersten Abschnitt des Wellenleiters und dem Leiterabschnitt an einem anderen Ende des Leiterabschnitts angebracht ist, wobei der Leiterabschnitt nur auf einer Füllstandshöhe des Behälters befindlich ist, und dass die Empfangseinheit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Signale längs des Leiterabschnitts und/oder die dielektrischen und/oder konduktiven Eigenschaften des Mediums aufgrund der Beeinflussung der elektromagnetischen Signale längs des Leiterabschnitts durch das Medium bestimmt. Die Erfindung besteht darin, dass ein Abschnitt des Wellenleiters im Wesentlichen nur innerhalb einer Schicht- oder Füllstandshöhe des Mediums bzw. des Behälters verläuft. Somit wird das Signal innerhalb dieses Abschnitts im Wesentlichen nur von den Materialeigenschaften des Mediums beeinflusst und nicht vom Füllstand an sich. Somit lässt sich also beispielsweise die Ausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb des Mediums bestimmen. Der Wellenleiter ist dabei vorzugsweise so ausgestaltet, dass die elektromagnetischen Signale an der Außenseite entlang geführt werden, dass sie also im passenden Fall des Grades der Bedeckung stets mediumsberührend verlaufen.
Bei der ersten Referenzmarke handelt es sich beispielsweise um das offene Ende des Leiterabschnitts. Durch diese Referenzmarke findet sich somit im empfangenen Signal ein Hinweis auf das Ende des Verlaufs der Signale auf dem Leiterabschnitt bzw. auf dem Wellenleiter an sich.
Die zweite Referenzmarke befindet sich somit zwischen dem ersten Abschnitt des Wellenleiters und dem Leiterabschnitt. Diese zweite Referenzmarke bzw. das daran reflektierte Signal zeigt somit den Übergang vom Wellenleiter bzw. von dessen ersten Abschnitt zum Leiterabschnitt an. In einer Ausgestaltung sind beide Referenzmarken vorgesehen. Daraus lässt sich beispielsweise im empfangenen Reflektionssignal die Ausbreitung der elektromagnetischen Signale längs des Leiterabschnitts feststellen. Die Empfangseinheit oder eine damit verbundene Auswerteeinheit ist daher vorzugsweise derartig ausgestaltet, dass sie aus dem Signalbereich zwischen den beiden Referenzmarken Informationen über das Medium gewinnt.
Die elektromagnetischen Signale werden zunächst auf den ersten Abschnitt eingekoppelt. Dort breiten sie sich an der Außenseite in Richtung des Füllstands des Mediums aus. Treffen die Signale auf den Leiterabschnitt, so breiten sie sich dort im Wesentlichen nur innerhalb einer Füllstandshöhe aus, d. h. sie verlaufen jetzt im Wesentlichen senkrecht zur ersten Ausbreitungsrichtung auf dem ersten Abschnitt. Der Leiterabschnitt grenzt also an das Ende des ersten Abschnitts an, welches dem Ende, welches mit der Einkopplung verbunden ist, des ersten Abschnitts gegenüber liegt.
Die elektromagnetischen Signale kommen in Kontakt mit dem Medium und werden somit vom Medium entsprechend beeinflusst, um Aussagen über das Medium erlauben zu können.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass der Wellenleiter zumindest teilweise im Wesentlichen die Form eines „L” aufweist, und dass der Leiterabschnitt der Querbalken des „L” ist. Der Wellenleiter gleicht zumindest abschnittsweise dem Großbuchstaben „L”. Somit besteht vorzugsweise der erste Abschnitt des Wellenleiters aus dem Längsabschnitt des „L”, welcher sich über die unterschiedlichen Höhen des Mediums bzw. des Behälters erstreckt. Der Querbalken des „L” verläuft somit im Wesentlichen senkrecht zur Höhe des Behälters und dadurch innerhalb nur einer Schicht des Mediums. Das „L” kann jedoch auch eine Verlängerung des langen Schenkels nach unten aufweisen.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung beinhaltet, dass der Wellenleiter zumindest teilweise im Wesentlichen die Form eines „U” aufweist, und dass der Leiterabschnitt der Querbalken des „U” ist. Diese Ausgestaltung ist eine Weiterführung der vorherigen Ausgestaltung. Der erste Abschnitt des Wellenleiters gleicht somit einem „L”, dessen Querbalken an seinem Ende eine Verlängerung nach oben – als zweiter Schenkel, welcher aus dem „L” ein „U” macht – aufweist. In dieser Ausgestaltung werden die elektromagnetischen Signale somit zweimal durch die unterschiedlichen Höhen des Mediums bzw. des Behälters geleitet. Diese doppelte Führung kann beispielsweise der Plausibilitätsprüfung oder der Steigerung der Messgenauigkeit dienen. Das „U” kann an einer oder beiden Übergängen zum Querbalken des Leiterabschnitts eine senkrechte Verlängerung aufweisen. Ist dies bei beiden Übergängen gegeben, so gleicht der Wellenleiter als Ganzes dem Großbuchstaben „H”.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Position des Leiterabschnitts am Wellenleiter in Bezug auf die Ausgestaltung des Behälters und/oder in Bezug auf die Anbringung des Wellenleiters am Behälter derart ist, dass das Medium den Leiterabschnitt im Wesentlichen permanent bedeckt. Vorteilhaft ist es, wenn der Leiterabschnitt möglichst tief angebracht ist, so dass auch wenig Medium zur Bedeckung ausreicht. Wichtig bei dieser Ausgestaltung ist jedoch, dass das Medium den Leiterabschnitt ständig bedeckt.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung beinhaltet, dass der Leiterabschnitt zumindest teilweise am Boden des Behälters oder in dessen Nähe angebracht ist. Eine hohe mechanische Stabilität ergibt sich dadurch, dass der Leiterabschnitt am Boden des Behälters angebracht ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zwischen Leiterabschnitt und Boden eine galvanische Kopplung vermieden wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
2: eine zweite beispielhafte Ausgestaltung des Wellenleiters.
1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung. In der Signalerzeugungseinheit 5 werden elektromagnetische Signale erzeugt und über die Einkopplung 7 auf den Wellenleiter 6 bzw. genauer: auf den ersten Abschnitt 13 des Wellenleiters 6 übertragen, also eingekoppelt. Die elektromagnetischen Signale breiten sich auf der Außenseite des Wellenleiters 6 in Richtung der Oberfläche des Mediums 1 aus und werden u. a. an der Oberfläche des Mediums 1 reflektiert. Die reflektierten Signale werden von der Einkopplung 7 wieder vom ersten Abschnitt 13 des Wellenleiters 6 ausgekoppelt und von der Empfangseinheit 8 empfangen und ausgewertet.
Der Wellenleiter 6 weist einen Leiterabschnitt 10 auf, welcher im Wesentlichen innerhalb einer Schichthöhe des Mediums 1 verläuft. Infolgedessen werden die elektromagnetischen Signale innerhalb dieses Abschnitts 10 und an dessen Außenseite im Wesentlichen nur von den Materialeigenschaften des Mediums 1 – z. B. elektrische Leitfähigkeit oder elektrisch Permitivität – beeinflusst. Basierend darauf kann beispielsweise eine dielektrische und/oder konduktive Eigenschaft des Mediums 1 bestimmt werden.
Die elektromagnetischen Signale verlaufen zunächst entlang des ersten Abschnitts 13 des Wellenleiters 6 in Richtung der Oberfläche des Mediums 1 bzw. in Richtung des Bodens des Behälters 2 und dann entlang des Leiterabschnitts senkrecht dazu in einer Füllstandshöhe in Richtung der Wandung des Behälters 2.
Der Übergang zwischen dem ersten Abschnitt 13 des Wellenleiters 6 und dem Leiterabschnitt 10 ist hier eckig ausgeführt. Um jedoch Abstrahlung der elektromagnetischen Signale zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, diesen Übergang möglichst glatt, also nur leicht gekrümmt auszuführen. Der lange Balken/der Längsbalken des „L” des Wellenleiters 6, d. i. der erste Abschnitt 13 des Wellenleiters 6, kann weiterhin über den Querbalken, d. i. der Leiterabschnitt 10, hinaus senkrecht verlängert sein.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung treten weitere Reflektionen an den Referenzmarken 11 und 12 auf. Dabei handelt es sich bei der ersten Referenzmarke 11 um das Ende des Leiterabschnitts 10 und insoweit auch um das Ende des Wellenleiters 6. Aus den an den beiden Referenzmarken 11 und 12 reflektierten Signalen lässt sich beispielsweise die Laufzeit innerhalb des Mediums 1 bestimmen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Empfangseinheit 8 ferner mit einer übergeordneten Leitwarte oder Auswerteeinheit über ein entsprechendes Bussystem verbindbar.
In der 2 ist eine Ausgestaltung des Wellenleiters 6 dargestellt, in welcher das „L” in 1 um einen zweiten Längsbalken ergänzt ist. Somit befindet sich der Leiterabschnitt 10 als Querbalken zwischen zwei Längsbalken. Am Anfang 10.1 und am Ende 10.2 des Leiterabschnitts 10 befindet sich jeweils eine Referenzmarke 11, 12. In dieser Ausgestaltung laufen die elektromagnetischen Signale somit zweimal entlang der Höhe des Behälters 2 bzw. des Mediums 1. Diese insoweit doppelte Füllstandsmessung kann beispielsweise der Erhöhung der Messgenauigkeit oder der Plausibilitätsprüfung und zur Gewinnung weiterer Aussagen über das Medium 1 bzw. dessen momentanen Füllstand dienen. Der Leiterabschnitt 10 kann beispielsweise entlang des Bodens 3 des Behälters 2 oder – wie hier dargestellt – in dessen Nähe befestigt sein.
Bezugszeichenliste

1: Medium
2: Behälter
3: Baden des Behälters
5: Signalerzeugungseinheit
6: Wellenleiter
7: Einkopplung
8: Empfangseinheit
10: Leiterabschnitt
10.1: Anfang des Leiterabschnitts
10.2: Ende des Leiterabschnitts
11: Erste Referenzmarke
12: Zweite Referenzmarke
13: Erster Abschnitt

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums (1) in einem Behälter (2), welche Vorrichtung umfasst: mindestens eine Signalerzeugungseinheit (5), welche elektromagnetische Signale erzeugt, mindestens einen Wellenleiter (6), mindestens eine Einkopplung (7), welche die von der Signalerzeugungseinheit (5) erzeugten elektromagnetischen Signale auf den Wellenleiter (6) einkoppelt, und welche elektromagnetische Signale von dem Wellenleiter (6) auskoppelt, und mindestens eine Empfangseinheit (8), welche die von der Einkopplung (7) von dem Wellenleiter (6) ausgekoppelten elektromagnetischen Signale empfängt und auswertet, wobei der Wellenleiter (6) mindestens einen ersten Abschnitt (13) aufweist, auf welchen die Einkopplung (7) die elektromagnetischen Signale einkoppelt und auskoppelt, und an dessen Außenseite sich die eingekoppelten, elektromagnetischen Signale in Richtung des Füllstands des Mediums (1) ausbreiten, wobei der Wellenleiter (6) mindestens einen an den ersten Abschnitt (13) angrenzenden Leiterabschnitt (10) aufweist, wobei die elektromagnetischen Signale zunächst entlang des ersten Abschnitts (13) des Wellenleiters (6) in Richtung der Oberfläche des Mediums (1) und/oder in Richtung des Bodens des Behälters (2) und entlang des Leiterabschnitts (10) senkrecht dazu in einer Füllstandshöhe in Richtung der Wandung des Behälters (2) geleitet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine erste Referenzmarke (11) vorgesehen ist, welche elektromagnetische Signale reflektiert, und welche an einem der beiden Enden (10.2) des Leiterabschnitts (10) angebracht ist, dass mindestens eine zweite Referenzmarke (12) vorgesehen ist, welche elektromagnetische Signale reflektiert und welche zwischen dem ersten Abschnitt (13) des Wellenleiters (6) und dem Leiterabschnitt (10) an einem anderen Ende (10.1) des Leiterabschnitts (10) angebracht ist, wobei der Leiterabschnitt (10) nur auf einer Füllstandshöhe des Behälters (2) befindlich ist, und dass die Empfangseinheit (8) die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Signale längs des Leiterabschnitts (10) und/oder die dielektrischen und/oder konduktiven Eigenschaften des Mediums (1) aufgrund der Beeinflussung der elektromagnetischen Signale längs des Leiterabschnitts (10) durch das Medium (1) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (6) zumindest teilweise im Wesentlichen die Form eines „L” aufweist, und dass der Leiterabschnitt (10) der Querbalken des „L” ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (6) zumindest teilweise im Wesentlichen die Form eines „U” aufweist, und dass der Leiterabschnitt (10) der Querbalken des „U” ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Leiterabschnitts (10) am Wellenleiter (6) in Bezug auf die Ausgestaltung des Behälters (2) und/oder in Bezug auf die Anbringung des Wellenleiters (6) am Behälter (2) derart ist, dass das Medium (1) den Leiterabschnitt (10) im Wesentlichen permanent bedeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiterabschnitt (10) zumindest teilweise am Boden (3) des Behälters (2) oder in dessen Nähe angebracht ist.