DE102010000034A1

DE102010000034A1 - Liquid level determination device for racking plant used for racking of liquid in container e.g. blood reservoir, has evaluation unit for deriving level of liquid in bottle based on emitted and detected microwave radiation

Info

Publication number: DE102010000034A1
Application number: DE201010000034
Authority: DE
Inventors: Ralf 92670 Stöber; Marco 95445 Geisler; Gehard Prof. Dr. 95447 Fischerauer
Original assignee: Universitaet Bayreuth
Current assignee: Universitaet Bayreuth
Priority date: 2010-01-11
Filing date: 2010-01-11
Publication date: 2011-07-14

Abstract

A directional antenna (18) e.g. Yagi array antenna directs microwave radiation emitted by microwave transmitter (14) towards bottle (12). A microwave receiver (16) receives reflected and/or transmitted microwave radiation from mediums in bottle and transmitter respectively. An evaluation unit connected to receiver, derives level of liquid in bottle based on emitted and detected radiation. The antenna is arranged for delivering parallel radiation beam whose level is defined. A liquid level measuring device is arranged at spacing from outer side of bottle. Independent claims are included for the following: (1) racking plant; and (2) method for determination of level of liquid in moved container.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter sowie eine Abfüllanlage zum Abfüllen von Flüssigkeiten in Behälter, die eine solche Vorrichtung verwendet.The invention relates to an apparatus and a method for determining the level of a liquid in a container as well as a filling device for filling liquids in containers, which uses such a device.

Der genauen Bestimmung von Füllständen kommt im alltäglichen Umgang mit Flüssigkeitsbehältern ebenso wie im industriellen Bereich eine hohe Bedeutung zu. Das Spektrum der Füllstandsensoren reicht von rein mechanischen Lösungen, z. B. der Verwendung von Schwimmern, über die Messung des Flüssigkeitsdrucks bis zu komplexen elektrischen Messverfahren, z. B. durch Messung von Kapazitäten oder Leitfähigkeiten zur Bestimmung eines Füllstandes. Derartige Messverfahren beruhen darauf, dass Sensoren mit den Behältern, welche die Flüssigkeit enthalten, in direktem, engem Kontakt stehen.The exact determination of levels is of great importance in everyday handling of liquid containers as well as in the industrial sector. The range of level sensors ranges from purely mechanical solutions, eg. As the use of floats, on the measurement of liquid pressure to complex electrical measurement methods, eg. B. by measuring capacitances or conductivities to determine a level. Such measuring methods rely on sensors in direct, close contact with the containers containing the liquid.

Im Stand der Technik sind auch berührungslose Verfahren zur Flüssigkeitsniveaumessung bekannt, die beispielsweise Ultraschall oder elektromagnetische Wellen verwenden. Ultraschall wird eingesetzt, indem die Laufzeit der Welle zwischen dem Ultraschall-Sender und der Flüssigkeitsoberfläche bestimmt und so eine Füllhöhe berechnet wird. Elektromagnetische Wellen, wie Licht oder Mikrowellen, können ein Gefäß seitlich durchleuchten, wobei Mikrowellen auch bei optisch undurchsichtigen Gefäßen eingesetzt werden können.In the prior art, non-contact methods for liquid level measurement are known, for example, use ultrasound or electromagnetic waves. Ultrasound is used by determining the transit time of the wave between the ultrasonic transmitter and the liquid surface, thus calculating a filling level. Electromagnetic waves, such as light or microwaves, can illuminate a vessel laterally, with microwaves can also be used in optically opaque vessels.

Die DE 195 16 789 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung des Füllstands eines Vorratsbehälters, insbesondere eines Blutreservoirs, bei der ein Mikrowellensensor an der Außenwand des Behälters angebracht wird und durch die Behälterwand hindurch Mikrowellenenergien in das Innere des Behälters abstrahlt. Mit der Vorrichtung lässt sich das Überschreiten eines kritischen Füllstandes in dem Behälter bestimmen. Der Mikrowellensensor umfasst einen Sender, einen Hohlraumresonator und einen Empfänger für das reflektierte Mikrowellensignal. Gesendetes und empfangenes Signal durchlaufen den Hohlraumresonator. Bei einem Füllstand oberhalb des kritischen Niveaus ist das empfangene reflektierte Ausgangssignal kleiner als bei einem Füllstand unterhalb des kritischen Niveaus. Sollen mehrere Niveaus erfasst werden, so sind mehrere Sensoren notwendig. Die Signalauswertung ist nicht im Einzelnen beschrieben. Die Anordnung des Mikrowellensenders an der Außenwand des Behälters bzw. mit geringem Abstand zur Innenwand des Behälters soll den Effekt haben, dass die äußere Grenzschicht der zu detektierenden Flüssigkeit, die durch die Innenwand des Behälters festgelegt wird, in einem Abstand unterhalb der Auflösungsgrenze des Sensors liegt. Die beschriebene Vorrichtung eignet sich nicht zur Messung von Füllständen mit kurzen Taktzeiten in industriellen Anlagen oder zur Messung von Füllständen an bewegten Behältern.The DE 195 16 789 A1 describes a device for monitoring the level of a reservoir, in particular a blood reservoir, in which a microwave sensor is attached to the outer wall of the container and emits microwave energy through the container wall into the interior of the container. With the device, the exceeding of a critical level in the container can be determined. The microwave sensor comprises a transmitter, a cavity resonator and a receiver for the reflected microwave signal. Sent and received signal pass through the cavity resonator. At a level above the critical level, the received reflected output is less than a level below the critical level. If several levels are to be detected, several sensors are necessary. The signal evaluation is not described in detail. The arrangement of the microwave transmitter on the outer wall of the container or with a small distance to the inner wall of the container should have the effect that the outer boundary layer of the liquid to be detected, which is defined by the inner wall of the container, at a distance below the resolution limit of the sensor , The device described is not suitable for measuring levels with short cycle times in industrial plants or for measuring levels of moving containers.

DE 199 35 743 A1 beschreibt einen ähnlichen Stand der Technik zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit innerhalb eines rohrförmigen Systems, insbesondere einer Tropfkammer eines Dialysegerätes. Eine mit einem Oszillator verbundene Antenne richtet ein Mikrowellenfeld in Richtung des Rohres und ein in Abhängigkeit des Füllstandes korreliertes Signal wird an einem Empfänger gemessen. Die Antenne ist mit geringem Abstand zur Wandung des Rohres angeordnet, um eine berührungslose Bestimmung des Füllstandes zu ermöglichen. Es kann erfasst werden, ob ein bestimmter Füllstand unter- oder überschritten ist und ob sich der Füllstand in einem definierten Bereich befindet. Die Einzelheiten der Signalauswertung sind nicht beschrieben. Auch mit der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtung ist es nicht möglich, den Füllstand eines Behälters mit hoher Taktzahl in industrieller Umgebung sowie den Füllstand sich bewegender Behälter zu messen. DE 199 35 743 A1 describes a similar prior art for determining the level of a liquid within a tubular system, in particular a drip chamber of a dialysis machine. An antenna connected to an oscillator directs a microwave field in the direction of the tube and a correlated depending on the level signal is measured at a receiver. The antenna is located at a small distance from the wall of the pipe to allow a contactless determination of the level. It can be detected whether a certain level is below or exceeded and whether the level is within a defined range. The details of the signal evaluation are not described. Even with the device described in this document, it is not possible to measure the level of a container with a high number of cycles in an industrial environment and the level of moving container.

Die EP 0 361 023 A1 beschreibt ebenfalls ein Füllstandsensor auf der Grundlage von Mikrowellen. Ein Oszillator erzeugt eine Schwingung im Mikrowellenbereich, die in einen Dipol gekoppelt wird, der an der Wandung eines Blutreservoirs angebracht ist. Abhängig von dem Füllstand des Blutreservoirs kann der Dipol Energie in die Flüssigkeit abgeben oder nicht, wodurch die für die Schwingung des Oszillators maßgebliche Phasen- oder Amplitudenbedingungen verändert wird. Dadurch kann erkannt werden, ob ein kritisches Niveau über- oder unterschritten ist.The EP 0 361 023 A1 also describes a level sensor based on microwaves. An oscillator generates a vibration in the microwave region, which is coupled into a dipole, which is attached to the wall of a blood reservoir. Depending on the level of the blood reservoir, the dipole may or may not release energy into the fluid, thereby altering the phase or amplitude conditions that govern the oscillation of the oscillator. As a result, it can be recognized whether a critical level has been exceeded or fallen short of.

Ein weiterer Füllstandsensor mit einem Mikrowellenresonator, der an der Außenwand eines Behälters angebracht ist, ist in der DE 199 34 041 C2 beschrieben. Das Mikrowellensignal wird über einen Mikrowellenresonator in den Behälter eingekoppelt. Der Mikrowellenresonator ist frequenzbestimmendes Element einer Oszillatorschaltung. Die Signalauswertung erfolgt auf der Grundlage einer Verstimmung der Resonanzfrequenz.Another level sensor with a microwave resonator, which is attached to the outer wall of a container is in the DE 199 34 041 C2 described. The microwave signal is coupled via a microwave resonator in the container. The microwave resonator is the frequency-determining element of an oscillator circuit. The signal evaluation is based on a detuning of the resonant frequency.

Ein Füllstandsensor für eine Tropfkammer eines Infusionsgerätes, der mit Infrarotlicht arbeitet, ist in der FR 2 738 338 A3 beschrieben.A level sensor for a drip chamber of an infusion device, which operates with infrared light is in the FR 2 738 338 A3 described.

Eine Füllstandmessung durch Erfassen unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten einander überlagernder Flüssigkeitsschichten ist in der DE 2 242 723 A beschrieben.A level measurement by detecting different dielectric constants of superimposed liquid layers is in the DE 2 242 723 A described.

Eine Vorrichtung zur Ermittlung des Flüssigkeitsniveaus auf der Grundlage der Laufzeit elektrischer Impulse ist in der US 3,703,829 A beschrieben.A device for determining the liquid level on the basis of the duration of electrical pulses is in the US 3,703,829 A described.

Die DE 198 07 593 A1 beschreibt einen Füllstandsensor, bei dem ein Hochfrequenz-Annäherungssensor an einem Flüssigkeitsbehälter angebracht wird. Der Sensor ist ein Resonator in Form eines Hohlraumresonators, dessen Resonanzfrequenz bestimmt wird, um den Abstand zum Flüssigkeitsniveau oder das Überschreiten eines maximalen Füllstandes zu ermitteln. Hohlraumresonatoren erlauben keine Signalauswertung mittels schneller Algorithmen und sind anfällig für Signalinterferenzen, Rauschen und dergleichen. The DE 198 07 593 A1 describes a level sensor in which a high frequency proximity sensor is attached to a liquid container. The sensor is a resonator in the form of a cavity resonator whose resonant frequency is determined to determine the distance to the liquid level or exceeding a maximum level. Cavity resonators do not allow signal evaluation by means of fast algorithms and are susceptible to signal interference, noise and the like.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter anzugeben, mit denen sich die Probleme des Standes der Technik überwinden lassen und eine Füllstandsmessung an bewegten Behältern möglich ist.It is therefore an object of the invention to provide a method and an apparatus for determining the level of a liquid in a container, with which the problems of the prior art can be overcome and a level measurement on moving containers is possible.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Die Erfindung sieht auch eine Abfüllanlage gemäß Patentanspruch 14 vor.This object is achieved by a device having the features of claim 1 and by a method according to claim 15. The invention also provides a filling system according to claim 14.

Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter, wie einer Flasche, vor, mit einem Mikrowellensender und einer mit dem Mikrowellensender verbundenen Richtantenne zum Richten der von Mikrowellensender emittierten Mikrowellenstrahlung auf den Behälter sowie mit einem Mikrowellenempfänger, der von dem Behälter reflektierte und/oder transmittierte Mikrowellenstrahlung erfasst. Mit dem Mikrowellenempfänger ist eine Auswerteeinheit verbunden, die dazu eingerichtet ist, abhängig von der emittierten und der erfassten Mikrowellenstrahlung den Füllstand der Flüssigkeit in dem Behälter abzuleiten. Die Vorrichtung ist außerhalb des Behälters mit einem ausreichend großen Abstand zu dem Behälter angeordnet, so dass eine Füllstandsmessung an bewegten Behältern möglich ist. Die Richtantenne erzeugt erfindungsgemäß ein im wesentlichen paralleles Strahlenbündel, das ein Erfassungsfenster definiert, in dem der Füllstand erfasst werden kann. Durch das im wesentlichen parallele Strahlenbündel ist es möglich, klar abgegrenzte und örtlich zuordenbare Signale zu erzeugen. Der Abstand zwischen Antenne und Behälter kann auch aus diesem Grund relativ groß sein. Er beträgt vorzugsweise mindestens einen Zentimeter. Insgesamt lässt sich also sagen, dass die Richtantenne insbesondere ein räumliches Erfassungsvermögen besitzt, was es insbesondere ermöglicht, ein Erfassungsfenster zu definieren.The invention provides a device for determining the level of a liquid in a container, such as a bottle, comprising a microwave transmitter and a directional antenna connected to the microwave transmitter for directing the microwave radiation emitted by microwave transmitters onto the container and to a microwave receiver coming from the container detected reflected and / or transmitted microwave radiation. Connected to the microwave receiver is an evaluation unit, which is set up to discharge the level of the liquid in the container, depending on the emitted and the detected microwave radiation. The device is arranged outside the container with a sufficiently large distance to the container, so that a level measurement on moving containers is possible. The directional antenna generates according to the invention a substantially parallel beam that defines a detection window in which the level can be detected. By the substantially parallel beam, it is possible to produce clearly demarcated and locally assignable signals. The distance between antenna and container may also be relatively large for this reason. It is preferably at least one centimeter. Overall, it can thus be said that the directional antenna has in particular a spatial detection capability, which in particular makes it possible to define a detection window.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Überwachen des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter haben dagegen den Nachteil, dass sie alle in oder an dem Behälter oder in unmittelbarer Nähe des Behälters angeordnet werden müssen, so dass ihr Einsatz im industriellen Bereich, wo z. B. der Füllstand einer Vielzahl von Behältern mit hoher Taktzahl erfasst werden soll, sowie die Erfassung des Füllstandes von sich bewegenden Behältern nicht möglich ist. Insbesondere sind die bekannten Vorrichtungen weder bestimmt, noch eignen sie sich zur Verwendung in dynamischen Systemen, wie in industriellen Abfüllanlagen für Getränkeflaschen, die mit einer Taktzahl von z. B. 5 bis 6 Flaschen pro Sekunde arbeiten. Bisher wird in solchen Abfüllanlagen der Füllstand daher nur indirekt über die zugeführte Flüssigkeitsmenge gemessen, wobei dann nicht sichergestellt werden kann, dass die abgegebene Flüssigkeit auch wirklich in die Flaschen gelangt. Andererseits erlauben die Taktzeiten in industriellen Abfüllanlagen nicht das Ein- oder Anbringen eines Sensorkopfes in oder an den Flaschenhals. Abfülltakte von fünf bis sechs Flaschen pro Sekunde bringen ein hohes Maß an Bewegung, Eigendynamik der Flüssigkeit sowie einen gewissen Grad an Unsicherheit hinsichtlich der genauen Lage der Flaschen mit sich, die eine Messung des Füllstandes mit den bekannten Verfahren nicht zulassen.The known methods and devices for monitoring the level of a liquid in a container, however, have the disadvantage that they must all be arranged in or on the container or in the immediate vicinity of the container, so that their use in the industrial sector, where z. B. the level of a plurality of containers to be detected with a high number of cycles, and the detection of the level of moving containers is not possible. In particular, the known devices are neither intended, nor are they suitable for use in dynamic systems, such as in industrial bottling plants for beverage bottles, with a cycle number of z. B. work 5 to 6 bottles per second. So far, in such filling systems, the level is therefore measured only indirectly via the amount of liquid supplied, in which case it can not be ensured that the discharged liquid actually gets into the bottles. On the other hand, the cycle times in industrial bottling plants do not permit the installation or attachment of a sensor head in or on the bottleneck. Filling cycles of five to six bottles per second entail a high degree of movement, fluid dynamics and a certain degree of uncertainty as to the exact position of the bottles, which does not allow the measurement of the level with the known methods.

Durch die Verwendung der Richtantenne bei vergleichsweise großem Abstand zu dem Flüssigkeitsbehälter ermöglicht die Erfindung eine kontaktlose Füllstandsüberwachung, die auch in Systemen eingesetzt werden kann, in denen sich die Behälter an der Vorrichtung vorbeibewegen. Während die bekannten Technologien, soweit sie Mikrowellenresonatoren verwenden, das Flüssigkeitsbehältnis selbst als Hohlraumresonator für die eingespeisten elektromagnetischen Wellen nutzen, kann die Signalauswertung erfindungsgemäß direkt auf der Grundlage der von dem Medium reflektierten und/oder transmittierten Mikrowellenstrahlung erfolgen; es werden also die Reflexions- und Transmissionseigenschaften des Mediums in dem Behälter betrachtet, die sich auch in bewegten Systemen gut beobachten lassen. Insofern kann der Füllstand ähnlich wie bei optischen Systemen in vorbei geführten Behältern erfasst und kontrolliert werden, beispielsweise in Getränkeflaschen, die nach der Abfüllung auf einer Fördereinrichtung an der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorbei aus einer Abfüllanlage transportiert werden. Diese Erfindung erlaubt den Einsatz schnellerer Auswerte-Algorithmen.By using the directional antenna at a relatively large distance to the liquid container, the invention enables a contactless level monitoring, which can also be used in systems in which the containers move past the device. While the known technologies, insofar as they use microwave resonators, use the liquid container itself as a cavity resonator for the fed electromagnetic waves, the signal evaluation according to the invention can be carried out directly on the basis of the microwave radiation reflected and / or transmitted by the medium; Thus, the reflection and transmission properties of the medium are considered in the container, which can be well observed even in moving systems. In this respect, the level can be detected and controlled similar to optical systems in passing over containers, for example in beverage bottles, which are transported after filling on a conveyor on the device according to the invention over from a bottling plant. This invention allows the use of faster evaluation algorithms.

Anders als bei den bekannten optischen Kontrolleinrichtungen ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgrund der Verwendung der Mikrowellen auch möglich, den Füllstand in nicht-transparenten sowie in durchscheinenden Behältern mit einem schwachen optischen Kontrastverhältnis, z. B. in Braunglasflaschen, zu überwachen.Unlike the known optical control devices, it is also possible with the device according to the invention due to the use of microwaves, the level in non-transparent and translucent containers with a weak optical contrast ratio, z. B. in amber glass bottles to monitor.

Tatsächlich eignet sich die Erfindung besonders gut zur Bestimmung des Füllstands wasserhaltiger Getränke in einem Behälter, weil Wasser insbesondere in einem Mikrowellenband zwischen 2 GHz und 3 GHz charakteristische Absorptionsfrequenzen aufweist. Der nutzbare Messeffekt entsteht durch die Wechselwirkung der Flüssigkeit in dem Behälter mit den ausgesandten elektromagnetischen Wellen. Wenn die Flüssigkeit einen ausreichend großen Permitivitätskontrast zur Umgebungsluft aufweist, d. h. die relative Permitivität der Flüssigkeit unterscheidet sich deutlich von der der Umgebungsluft, wie dies bei wässrigen Lösungen der Fall ist, während die relative Permittivität des Behältermaterials, z. B. Glas, näher bei der von Luft liegt, so kann durch Vergleichen der Amplitude und der Phase der emittierten Mikrowellen mit denen der reflektierten oder transmittierten Mikrowelle direkt Information über die Reflexions- und Transmissionseigenschaften (Streuparameter) des Mediums in dem Behälter gewonnen werden. Zum Beispiel kann die durch die Flüssigkeit in dem Behälter gebildete Reflexions- bzw. Dämpfungsfläche und hieraus der Pegelstand der Flüssigkeit bestimmt werden. Dadurch ist es auch möglich den Füllstand unabhängig von der Form des Behälters zu bestimmen. Ferner ermöglicht diese Art der Messung die korrekte Bestimmung des Füllstandes auch dann, wenn sich auf der Flüssigkeit eine Schaumkrone bildet, weil die Schaumkrone im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Permitivitätsänderung im Erfassungsfenster hat.In fact, the invention is particularly well suited for determining the level of hydrous beverages in a container, because water especially in a microwave band between 2 GHz and 3 GHz has characteristic absorption frequencies. The usable measuring effect arises from the interaction of the liquid in the container with the emitted electromagnetic waves. If the liquid has a sufficiently large permittivity contrast to the ambient air, ie the relative permeability of the liquid differs significantly from that of the ambient air, as is the case with aqueous solutions, while the relative permittivity of the container material, for. Glass, closer to that of air, so by comparing the amplitude and phase of the emitted microwaves with those of the reflected or transmitted microwave, information about the reflection and transmission properties (scattering parameters) of the medium in the container can be obtained directly. For example, the reflection or damping surface formed by the liquid in the container and, therefrom, the level of the liquid can be determined. This also makes it possible to determine the level regardless of the shape of the container. Furthermore, this type of measurement allows the correct determination of the level even if a foam crown forms on the liquid because the foam crown has essentially no influence on the change in permittivity in the detection window.

Die Information über den Füllstand kann beispielsweise durch mathematische Korrelation der emittierten und der erfassten Mikrowellenstrahlung oder durch vektorielle oder komplexe Netzwerkanalyse gewonnen werden. Komplexe Netzwerkanalyse an sich ist im Stand der Technik zur Erfassung der Streuparameter elektrischer Messobjekte bekannt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Signal auf den Behälter (das Messobjekt) gesandt, dessen Frequenz, Phase und Amplitude bekannt sind. Der reflektierte und/oder der transmittierte Teil dieses Signals wird erfasst und dessen Frequenz, Phase und Amplitude werden mit denen des gesendeten Signals verglichen, z. B. durch mathematische Korrelation oder durch andere Methoden, beispielsweise einen Tabellenvergleich. Aus der Abweichung kann empirisch oder durch Berechnung die durch die Flüssigkeit erzeugte Reflexions- bzw. Dämpfungsfläche und hieraus der Füllstand in einem Erfassungsfenster abgeleitet werden. Überraschend hat sich gezeigt, dass dies bei der Füllstandsmessung an bewegten Behältern hervorragende Ergebnisse liefert und sowohl im Hinblick auf die Auflösung als auch auf die Auswertungsgeschwindigkeit den Systemen des Standes der Technik, die auf der Grundlage von Resonanzverstimmung arbeiten, überlegen ist. In Verbindung mit der Richtantenne, die ein im wesentlich paralleles Strahlenbündel erzeugt, erlaubt diese Art der Signalauswertung die Erfassung des Füllstandes von Behältern aus Entfernungen von 5 cm und mehr, wobei der Füllstand in dem Erfassungsfenster präzise ermittelt werden kann. Die Bündelung der emittierten Mikrowellenstrahlung durch die Richtantenne ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung, um ein präzises Erfassungsfenster zu definieren, in dem selbst bei größeren Abständen zwischen Antenne und Messobjekt eine kontinuierliche Erfassung des Füllstandes möglich ist.The information about the level can be obtained, for example, by mathematical correlation of the emitted and the detected microwave radiation or by vectorial or complex network analysis. Complex network analysis per se is known in the prior art for detecting the scattering parameters of electrical measurement objects. In the method according to the invention, a signal is sent to the container (the measurement object) whose frequency, phase and amplitude are known. The reflected and / or the transmitted part of this signal is detected and its frequency, phase and amplitude are compared with those of the transmitted signal, z. B. by mathematical correlation or by other methods, such as a table comparison. From the deviation can be derived empirically or by calculation, the reflection or damping surface generated by the liquid and from this the level in a detection window. Surprisingly, this has been found to provide excellent results in level measurement on moving vessels, and is superior to prior art systems operating on the basis of resonance detuning both in terms of resolution and speed of evaluation. In conjunction with the directional antenna, which generates a substantially parallel beam, this type of signal analysis allows the detection of the level of containers from distances of 5 cm and more, the level in the detection window can be accurately determined. The bundling of the emitted microwave radiation by the directional antenna is an important feature of the invention to define a precise detection window in which a continuous detection of the level is possible even with larger distances between the antenna and the object to be measured.

In einer ersten Ausführung sind der Mikrowellensender und der Mikrowellenempfänger einander gegenüberliegend angeordnet, so dass der Behälter zwischen Ihnen zu liegen kommt. In diesem Fall durchläuft die von dem Mikrowellensender ausgesandte Mikrowelle den Behälter, und der transmittierte Anteil der Mikrowelle erreicht den Empfänger. Zur Bestimmung des Füllstands wird eine Änderung der Amplitude oder eine Änderung der Phasenlage des transmittierten Anteils der Mikrowelle im Vergleich zur von dem Mikrowellensender ausgesandten Mikrowelle erfasst.In a first embodiment, the microwave transmitter and the microwave receiver are arranged opposite one another so that the container comes to rest between them. In this case, the microwave emitted by the microwave transmitter passes through the container, and the transmitted portion of the microwave reaches the receiver. In order to determine the fill level, a change in the amplitude or a change in the phase position of the transmitted portion of the microwave is detected in comparison to the microwave emitted by the microwave transmitter.

In einer bevorzugten zweiten Ausführungsform sind der Mikrowellensender und der Mikrowellenempfänger auf der gleichen Seite des Behälters angeordnet. In diesem Fall ist es möglich, für Mikrowellensender und Mikrowellenempfänger jeweils zwei getrennte Antennen zu verwenden. Vorzugsweise arbeiten der Mikrowellensender und der Mikrowellenempfänger jedoch mit ein- und derselben Antenne. In dieser zweiten Ausführung wird der von dem Medium in dem Behälter reflektierte Teil der Mikrowellenstrahlung in dem Mikrowellensender empfangen. Zur Bestimmung des Füllstands wird eine Änderung der Amplitude oder eine Änderung der Phasenlage der reflektierten Mikrowellenstrahlung im Vergleich zur ausgesandten Mikrowellenstrahlung erfasst.In a preferred second embodiment, the microwave transmitter and the microwave receiver are arranged on the same side of the container. In this case, it is possible to use two separate antennas for microwave transmitters and microwave receivers. Preferably, however, the microwave transmitter and the microwave receiver work with one and the same antenna. In this second embodiment, the part of the microwave radiation reflected from the medium in the container is received in the microwave transmitter. To determine the fill level, a change in the amplitude or a change in the phase position of the reflected microwave radiation in comparison to the emitted microwave radiation is detected.

Die Richtantenne der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise eine Flächenantenne oder eine Yagi-Antenne, auch als Yagi-Uda-Antenne bekannt. Eine Yagi-Antenne z. B. kann einen Antennengewinn von 3 bis 30 dBd erzielen. Eine dreielementige Yagi-Antenne hat in der Regel einen Antennengewinn von 4 bis 5 dBd. Die erfindungsgemäße Richtantenne sollte einen Antennengewinn von mindestens 3 dBi haben. In einem Ausführungsbeispiel wird ein Antennengewinn von ungefähr 9 dBi realisiert. Die Richtantenne wird relativ zu dem Behälter vorzugsweise so angeordnet, dass sie einen Abstand von mindestens 1 cm, vorzugsweise mindestens 3 cm hat und dass der Durchmesser der Hauptkeule bzw. die Abstrahlfläche der Antenne ein Erfassungsfenster abdeckt, durch das wenigstens ein Behälterteil durchlauft. Zur Bestimmung eines maximalen Füllstandes des Behälters sollte der Teil des Behälters durch das Erfassungsfenster gehen, der das maximale Füllniveau enthält. Es ist auch möglich, einen Behälter zu „scannen”, indem mehrere aneinander angrenzende oder einander überlappende Erfassungsfenster definiert werden, die den gesamten Behälter abdecken, um den Füllstand in dem Behälter im wesentlichen kontinuierlich, stufenlos zu erfassen.The directional antenna of the device according to the invention is preferably a planar antenna or a Yagi antenna, also known as a Yagi-Uda antenna. A Yagi antenna z. B. can achieve an antenna gain of 3 to 30 dBd. A three-element Yagi antenna usually has an antenna gain of 4 to 5 dBd. The directional antenna according to the invention should have an antenna gain of at least 3 dBi. In one embodiment, an antenna gain of about 9 dBi is realized. The directional antenna is preferably arranged relative to the container so that it has a distance of at least 1 cm, preferably at least 3 cm and that the diameter of the main lobe or the emitting surface of the antenna covering a detection window through which passes at least one container part. To determine a maximum level of the container, the part of the container should pass through the detection window containing the maximum level of filling. It is also possible to "scan" a container by having several contiguous or overlapping ones Detection windows are defined, covering the entire container to detect the level in the container substantially continuously, continuously.

Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte Mikrowellenstrahlung hat vorzugsweise eine Frequenz von bis zu 10 GHz, insbesondere von ungefähr 2 bis 3 GHz. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sendet der Mikrowellensender eine im Wesentlichen monofrequente Mikrowellenstrahlung. Bei Festlegung auf eine monofrequente oder sehr schmalbandige Mikrowellenstrahlung und durch Verwendung stark gerichteter Antennen, in denen im Wesentlichen keine Streuverluste auftreten, kann sich die Signalauswertung deutlich vereinfachen. Emittierte und erfasste Mikrowellenstrahlung können mit schnellen Algorithmen, wie mathematische Korrelation, abgeglichen werden. Ziehen z. B. befüllte Flaschen in einer Flaschenabfüllanlage an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorbei, dann bilden sich füllstandsabhängig charakteristische Signalmerkmale aus, die beispielsweise durch Korrelation sichtbar gemacht werden können. Hieraus kann der Füllstand berechnet oder mittels Kalibrierung anhand von Tabellen bestimmt werden.The microwave radiation used in the device according to the invention preferably has a frequency of up to 10 GHz, in particular of approximately 2 to 3 GHz. In a preferred embodiment of the invention, the microwave transmitter transmits a substantially monofrequency microwave radiation. When specifying a monofrequency or very narrow-band microwave radiation and by using highly directional antennas, in which there are essentially no scattering losses, the signal evaluation can be significantly simpler. Emitted and detected microwave radiation can be matched with fast algorithms, such as mathematical correlation. Pull z. B. filled bottles in a bottling plant on a device according to the invention over, then fill level dependent characteristic signal characteristics are formed, which can be made visible for example by correlation. From this, the level can be calculated or determined by means of calibration tables.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Mikrowellenfrequenzbereich von bis zu 10 GHz hat den zusätzlichen Vorteil, dass in diesem Bereich durch den Gesetzgeber mehrere Frequenzbänder für industrielle, medizinische und wissenschaftliche Zwecke freigegeben sind. Eine Implementierung oder Inbetriebnahme der Erfindung bedarf also keiner gesonderten Genehmigung von Seiten der Aufsichtsbehörden. Grundsätzlich ist es möglich, Mikrowellensignale im gesamten Ultra-Breitband zu verwenden, wenn bestimmte Leistungen nicht überschritten werden. Wichtigstes Merkmal der Ultra-Breitband-Technologie ist die Nutzung extrem großer Frequenzbereiche mit einer Bandbreite von mindestens 500 MHz oder von mindestens 20% des arithmetischen Mittelwertes von unterer und oberer Grenzfrequenz des genutzten Frequenzbandes.The inventively provided microwave frequency range of up to 10 GHz has the additional advantage that several frequency bands for industrial, medical and scientific purposes are released in this area by the legislature. An implementation or commissioning of the invention thus requires no separate approval from the supervisory authorities. Basically, it is possible to use microwave signals throughout Ultra-broadband, if certain powers are not exceeded. The most important feature of the ultra-wideband technology is the use of extremely large frequency ranges with a bandwidth of at least 500 MHz or at least 20% of the arithmetic mean of lower and upper cutoff frequency of the used frequency band.

Erfindungsgemäß kann die Auswerteeinheit die Amplitude und/oder die Phase und/oder die Frequenz der reflektierten oder transmittierten Mikrowellenstrahlung auswerten und daraus den Füllstand ableiten.According to the invention, the evaluation unit can evaluate the amplitude and / or the phase and / or the frequency of the reflected or transmitted microwave radiation and derive therefrom the fill level.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in einer industriellen Flaschenabfüllanlage zum Abfüllen von Flüssigkeit in Flaschen, wobei die Flaschen auf einer Fördereinrichtung transportiert werden. Die Vorrichtung ist in dieser Anlage relativ zur Fördereinrichtung so angeordnet, dass die Flaschen mit einem Abstand von etwa 3 cm bis 30 cm, vorzugsweise von etwa 5 cm bis 10 cm an der Richtantenne vorbeigeführt werden. Bei der Wahl des richtigen Abstandes muss auch der erzielbare Antennengewinn berücksichtigt werden.A preferred field of application of the device according to the invention is in an industrial bottling plant for bottling liquid, the bottles being transported on a conveyor. The device is arranged in this system relative to the conveyor so that the bottles with a distance of about 3 cm to 30 cm, preferably from about 5 cm to 10 cm are guided past the directional antenna. When choosing the right distance, the achievable antenna gain must also be taken into account.

Die Erfindung eignet sich grundsätzlich zur Füllstandsmessung in allen Behältnissen, die hochfrequente elektromagnetische Wellen durchdringen können, wie PET- oder Glas-Flaschen, Farbeimer, Lagertanks und dergleichen. Da die Vorrichtung berührungslos arbeitet und die Erfassung der reflektierten oder transmittierten Mikrowellenstrahlung unmittelbar erfolgt, eignet sich die Erfindung besonders für industrielle dynamische Systeme, in denen bewegte Behälter an der Messeinrichtung vorbeigeführt werden.The invention is basically suitable for level measurement in all containers that can penetrate high-frequency electromagnetic waves, such as PET or glass bottles, paint buckets, storage tanks and the like. Since the device operates without contact and the detection of the reflected or transmitted microwave radiation takes place directly, the invention is particularly suitable for industrial dynamic systems in which moving containers are guided past the measuring device.

Durch das kontaktlose Messverfahren mit einem Abstand der Richtantenne von 1 cm oder mehr, vorzugsweise von 3 cm oder mehr, noch weiter bevorzugt von 5 cm oder mehr können industrieübliche Schutzklassen hinsichtlich Staubeintrag und Spritzwasser leicht eingehalten werden.By the contactless measuring method with a distance of the directional antenna of 1 cm or more, preferably of 3 cm or more, even more preferably of 5 cm or more industry standard protection classes with regard to dust and splashing water can be easily met.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren sind kompatibel mit in die Flaschen eingeführten Befüllungshilfen, beispielsweise ein Edelstahlrohr, durch das die Flüssigkeit in die Flaschen eingeleitet wird. Auch wenn solche Befüllungshilfen vorhanden sind, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ein zuverlässiges Messergebnis liefern.The device according to the invention and the method are compatible with filling aids introduced into the bottles, for example a stainless steel tube through which the liquid is introduced into the bottles. Even if such filling aids are present, the device according to the invention can provide a reliable measurement result.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to a preferred embodiment with reference to the drawings. In the figures show:

1 eine vereinfachte Darstellung einer Fördereinrichtung einer Flaschenabfüllanlage mit einer Vorrichtung zum Bestimmen des Füllstands gemäß der Erfindung; 1 a simplified representation of a conveyor of a bottling plant with a device for determining the level according to the invention;

2 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung; 2 a block diagram of an embodiment of the device according to the invention;

3 eine Kurvenschar zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen dem Füllstand und den von dem Mikrowellenempfänger aufgenommenen Signalen. 3 a set of curves for explaining the relationship between the level and the signals received by the microwave receiver.

In 1 ist eine Fördereinrichtung 10 dargestellt, auf der Flaschen 12 zwischen einem Mikrowellensender 14 und einem Mikrowellenempfänger 16 hindurchgeführt werden. Mikrowellensender 14 und -empfänger 16 umfassen jeweils eine Richtantenne 18, 20, die eine gerichtete Mikrowellenstrahlung senden bzw. empfangen kann. Die Richtantenne 18 des Mikrowellensenders 14 ist so ausgelegt, dass sie wenigstens bis zu einem gegebenen Messabstand ein im wesentlichen paralleles Strahlenbündel erzeugt. Sie hat einen Durchmesser 19, durch den ein Erfassungsfenster definiert wird, durch das wenigstens ein Teil (in 1 schraffiert gezeichnet) der Flaschen 12 hindurchgeht. Alternativ zu der gezeigten Ausführungsform kann die Richtantenne z. B. auch durch einen Flächenstrahler mit nicht rundem Querschnitt realisiert sein. Grundsätzlich gilt, dass aufgrund der hohen Bündelungswirkung die Abstrahlfläche der Antenne im wesentlichen das Erfassungsfenster definieren sollte. Daher sollte der Antennengewinn nicht weniger als 3 dBi betragen.In 1 is a conveyor 10 shown on the bottles 12 between a microwave transmitter 14 and a microwave receiver 16 be passed. microwave transmitter 14 and receiver 16 each comprise a directional antenna 18 . 20 which can transmit or receive directional microwave radiation. The directional antenna 18 of the microwave transmitter 14 is designed so that it generates at least up to a given measuring distance a substantially parallel beam. It has a diameter 19 , by which a detection window is defined by which at least a part (in 1 hatched) of the bottles 12 passes. Alternatively to the embodiment shown, the directional antenna z. B. also be realized by a surface radiator with non-round cross-section. Basically, due to the high bundling effect, the radiating surface of the antenna should essentially define the detection window. Therefore, the antenna gain should not be less than 3 dBi.

Der Mikrowellenempfänger 16 empfängt mittels der Richtantenne 20 die durch die Flasche 12, und gegebenenfalls die Flüssigkeit in der Flasche, transmittierte Mikrowellenstrahlung.The microwave receiver 16 receives by means of the directional antenna 20 the through the bottle 12 , and optionally the liquid in the bottle, transmitted microwave radiation.

Das in 1 gezeigte Erfassungsfenster ist so gewählt, dass der maximale Füllstand der Flasche 12 in diesem Fenster zu liegen kommt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ausgebend von dem erfassten Mikrowellensignal nicht nur das Überschreiten eines Füllstands-Schwellwertes erkennen, sondern sie kann ein Ausgangssignal erzeugen, das die genaue Lage des Füllstands innerhalb des Erfassungsfensters wiedergibt.This in 1 shown acquisition window is chosen so that the maximum level of the bottle 12 comes to rest in this window. The device according to the invention can not only detect the exceeding of a fill level threshold, issuing from the detected microwave signal, but it can generate an output signal which represents the exact position of the fill level within the detection window.

In der Ausführung der 1 ist es auch möglich, über die Richtantenne 20 die transmittierte Mikrowellenstrahlung zu erfassen und zusätzlich über die Richtantenne 18 den reflektierten Anteil der Mikrowellenstrahlung zu erfassen. In diesem Fall können der transmittierte und der reflektierte Signalanteil mit dem ursprünglich ausgesandten Mikrowellensignal korreliert werden, was beispielsweise die Auswertegenauigkeit erhöhen kann.In the execution of 1 it is also possible via the directional antenna 20 to detect the transmitted microwave radiation and additionally via the directional antenna 18 to detect the reflected portion of the microwave radiation. In this case, the transmitted and the reflected signal component can be correlated with the originally transmitted microwave signal, which can increase the evaluation accuracy, for example.

Abweichend von der in 1 gezeigten Ausführung sind in einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung Mikrowellensender und Mikrowellenempfänger auf der gleichen Seite des Behälters angeordnet. Dabei ist es möglich, den Mikrowellensender und den Mikrowellenempfänger mittels zweier Antennen zu betreiben. Vorzugsweise wird in diesem Fall jedoch ein- und dieselbe Richtantenne für Sender und Empfänger verwendet. In dieser Ausführung erreicht ein reflektierter Anteil der von dem Mikrowellensender ausgesandten Mikrowellenstrahlung den Empfänger und wird mit dem ausgesandten Mikrowellensignal korreliert.Notwithstanding the in 1 shown embodiment, in another preferred embodiment of the invention, microwave transmitter and microwave receiver are arranged on the same side of the container. It is possible to operate the microwave transmitter and the microwave receiver by means of two antennas. Preferably, however, one and the same directional antenna is used for transmitter and receiver in this case. In this embodiment, a reflected portion of the microwave radiation emitted by the microwave transmitter reaches the receiver and is correlated with the transmitted microwave signal.

Ein schneller Algorithmus, der sich insbesondere für dynamische Systeme, wie Abfüllanlagen, eignet, in denen Flaschen mit hoher Geschwindigkeit an den Antennen vorbeigeführt werden, wertet die emittierte und empfangene Mikrowellenstrahlung durch mathematische Korrelation aus. Auf der Grundlage der Abstrahlfläche der Antenne, die das Erfassungsfenster definiert, und der Reflektions- bzw. Dämpfungsfläche, die durch den Füllstand im Erfassungsfenster gebildet wird, bilden sich in der reflektierten bzw. transmittierten Mikrowellenstrahlung Signalmerkmale aus, die vereinfacht gesagt der Korrelation der einhüllenden Funktionen der beiden Flächen ähnlich sind. Durch inverse Berechnung dieser Signalmerkmale kann bei bekanntem Antennenverhalten die Reflektions- bzw. Dämpfungsfläche (entsprechend der Füllstandsfläche) und damit der Füllstand berechnet werden. Alternativ lässt sich die Füllstandsfläche bzw. der Füllstand auch, nach entsprechender Kalibration des Systems, auf Grundlage der erfassten Mikrowellenstrahlung aus einer Tabelle ableiten. Dadurch kann die Rechenzeit zur Ermittlung des Füllstands weiter verkürzt werden.A fast algorithm, which is particularly suitable for dynamic systems, such as bottling plants, in which bottles are passed past the antennas at high speed, evaluates the emitted and received microwave radiation by mathematical correlation. Based on the radiating surface of the antenna defining the detection window and the reflection or attenuation surface formed by the fill level in the detection window, signal characteristics are formed in the reflected or transmitted microwave radiation, in simple terms the correlation of the enveloping functions the two surfaces are similar. By inverse calculation of these signal characteristics, the reflection or attenuation area (corresponding to the fill level area) and thus the fill level can be calculated given known antenna behavior. Alternatively, the level surface or the level can also, after appropriate calibration of the system, based on the detected microwave radiation derived from a table. As a result, the computing time for determining the fill level can be further shortened.

2 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Schaltung zum Auswerten der emittierten und empfangenen Mikrowellensignale. Zur Erzeugung des von dem Mikrowellensender zu sendenden Mikrowellensignals umfasst die Vorrichtung eine Hochfrequenz-Signalquelle 22, die ein Mikrowellensignal mit variabler Frequenz erzeugen kann. Der HF-Signalquelle 22 ist ein Schaltkreis zur Pegelanpassung 24 nachgeschaltet, der das Ausgangssignal der HF-Signalquelle 22 auf einen Schalter 26 gibt. Über den Schalter 26 kann das Mikrowellensignal an eine erste Antenne 28 oder eine zweite Antenne 30 angelegt werden, die jeweils als Richtantennen ausgebildet sind. In der gezeigten Ausführung ist der Schalter 26 so eingestellt, dass das Mikrowellensignal der ersten Antenne 28 zugeführt wird. Das Signal geht durch einen Signalteiler 32 und einen Richtkoppler 34, bevor es zu der Antenne 28 gelangt. Signalteiler 32 und Richtkoppler 34 sind Teil eines symmetrisch aufgebauten komplexen Netzwerkanalysators, wobei auch der zweiten Antenne 30 ein entsprechender Signalteiler 36 und ein nachgeschalteter Richtkoppler 38 zugeordnet sind. Die Richtkoppler 34, 38 können sowohl ein von der HF-Signalquelle 22 ausgegebenes Mikrowellensignal an die erste bzw. zweite Antenne 28, 30 anlegen als auch ein von den Antennen 28, 30 aufgenommenes, durch den Behälter 40, z. B. eine Flasche, reflektiertes oder transmittiertes Mikrowellensignal an zugeordnete Messsignalempfänger 42 bzw. 44 weiterleiten. Die Ausgangssignale der Messsignalempfänger 42, 44 sowie die Ausgangssignale von zwei Referenzsignalempfängern 46, 48 werden an eine Signalverarbeitungseinheit 50 übergeben. Die Referenzsignalempfänger 46, 48 erhalten über die Signalteiler 32 bzw. 36 das im Wesentlichen unveränderte Mikrowellensignal, das von der HF-Signalquelle 22 ausgegeben wurde. Die Signalverarbeitungseinheit 50 erhält somit das im Wesentlichen unveränderte Eingangs-Mikrowellensignal sowie die über die Messsignalempfänger 42 und 44 erfassten reflektierten und/oder transmittierten Signalanteile. Ferner wird in die Signalverarbeitungseinheit 50, die Messsignalempfänger 42, 44 und die Referenzsignalempfänger 46, 48 ein HF-Referenzsignal mit bekannter fester Frequenz aus einer Referenz-HF-Signalquelle 52 eingegeben, was der Ermittlung der Streuparameter entspricht. In der Signalverarbeitungseinheit 50 kann auf der Grundlage einer vektoriellen oder komplexen Netzwerkanalyse die Amplitudenänderung und/oder die Phasenverschiebung des durch den Behälter 40 reflektierten und/oder transmittierten Mikrowellensignals ermittelt werden. Hieraus kann der Füllstand in dem Behälter rechnerisch oder empirisch abgeleitet werden. Alternativ können auf der Grundlage des bekannten Verhaltens der Antennen die Füllstandsfläche und damit der Füllstand durch inverse Berechnung der Korrelation des emittierten und/oder des empfangenen Mikrowellensignals berechnet werden. Bei Kalibration des Systems ließen sich diese Werte auch aus einer Tabelle ableiten. 2 shows a block diagram of an embodiment of the device according to the invention with a circuit for evaluating the emitted and received microwave signals. To generate the microwave signal to be transmitted by the microwave transmitter, the device comprises a high-frequency signal source 22 which can generate a microwave signal of variable frequency. The RF signal source 22 is a level matching circuit 24 connected downstream of the output signal of the RF signal source 22 on a switch 26 gives. About the switch 26 can transmit the microwave signal to a first antenna 28 or a second antenna 30 be created, which are each designed as directional antennas. In the embodiment shown, the switch 26 adjusted so that the microwave signal of the first antenna 28 is supplied. The signal goes through a signal divider 32 and a directional coupler 34 before getting to the antenna 28 arrives. signal splitter 32 and directional coupler 34 are part of a symmetrical complex network analyzer, including the second antenna 30 a corresponding signal divider 36 and a downstream directional coupler 38 assigned. The directional coupler 34 . 38 Both can be used by the RF signal source 22 outputted microwave signal to the first and second antenna 28 . 30 create as well as one of the antennas 28 . 30 picked up, through the container 40 , z. As a bottle, reflected or transmitted microwave signal to associated measuring signal receiver 42 respectively. 44 hand off. The output signals of the measuring signal receiver 42 . 44 and the output signals from two reference signal receivers 46 . 48 are sent to a signal processing unit 50 to hand over. The reference signal receiver 46 . 48 obtained via the signal divider 32 respectively. 36 the substantially unchanged microwave signal from the RF signal source 22 was issued. The signal processing unit 50 thus receives the substantially unchanged input microwave signal as well as the via the measuring signal receiver 42 and 44 detected reflected and / or transmitted signal components. Further, in the signal processing unit 50 , the measuring signal receiver 42 . 44 and the reference signal receivers 46 . 48 an RF reference signal of known fixed frequency from a reference RF signal source 52 which corresponds to the determination of the scattering parameters. In the Signal processing unit 50 may be based on a vectorial or complex network analysis, the amplitude change and / or the phase shift of the through the container 40 reflected and / or transmitted microwave signal can be determined. From this, the level in the container can be derived mathematically or empirically. Alternatively, based on the known behavior of the antennas, the fill level area and thus the fill level can be calculated by inverse calculation of the correlation of the emitted and / or the received microwave signal. When calibrating the system, these values could also be derived from a table.

Für diese Art der Berechnung wäre eine Auswerteschaltung ausreichend, bei der nur ein Messsignal (Reflexion oder Transmission) mit dem emittierten Mikrowellensignal verglichen wird, also im Wesentlichen eine Hälfte der Auswerteschaltung der 2 (Bezugszeichen 42 und 46 oder Bezugszeichen 44 und 48) weggelassen wird.For this type of calculation, an evaluation circuit would suffice, in which only one measurement signal (reflection or transmission) is compared with the emitted microwave signal, ie essentially one half of the evaluation circuit of FIG 2 (Reference 42 and 46 or reference number 44 and 48 ) is omitted.

3 zeigt ein Beispiel für die Bestimmung des Füllstandes abhängig von der erfassten Amplitude des empfangenen Mikrowellensignals. Der Betrag der Amplitude der von dem Mikrowellenempfänger 16 empfangenen reflektierten Mikrowellenstrahlung ist für verschiedene Frequenzen der emittierten Mikrowellenstrahlung abhängig von dem Füllstand bzw. der Füllmenge der Flaschen 12. Aus der Figur ist zu erkennen, dass das Ausgangssignal des Mikrowellenempfängers 16 bis zu einer Füllmenge von etwa 800 ml weitgehend konstant ist. Der Grund hierfür ist, dass bis zu dieser Füllmenge sich in dem Erfassungsfenster keine Flüssigkeit befindet und sich somit auch keine Änderung des Ausgangssignals des Mikrowellenempfängers 16 ergeben kann. Mit ansteigendem Flüssigkeitsstand in das Erfassungsfenster hinein ergibt sich bei sämtlichen Frequenzen zunächst ein leichter Anstieg der Amplitude und dann, abhängig von der Frequenz der ausgesendeten Mikrowellenstrahlung, ein stärkerer Anstieg oder Abfall der Amplitude der reflektierten Mikrowellenstrahlung. Aus diesen Kurven kann sowohl das Überschreiten eines bestimmten Füllstandsniveaus in den Flaschen 12, als auch der absolute Füllstand innerhalb des Erfassungsfensters ermittelt werden. Auf ähnliche Weise könnte der Füllstand auch aus einem Phasendiagramm abgeleitet werden. 3 shows an example of the determination of the level depending on the detected amplitude of the received microwave signal. The magnitude of the amplitude of the microwave receiver 16 received reflected microwave radiation is for different frequencies of the emitted microwave radiation depending on the level or the capacity of the bottles 12 , From the figure it can be seen that the output signal of the microwave receiver 16 is substantially constant up to a capacity of about 800 ml. The reason for this is that up to this filling amount there is no liquid in the detection window and thus no change in the output signal of the microwave receiver 16 can result. With increasing liquid level into the detection window, a slight increase in the amplitude occurs at all frequencies and then, depending on the frequency of the emitted microwave radiation, a greater increase or decrease in the amplitude of the reflected microwave radiation. From these curves, both the exceeding of a certain fill level in the bottles 12 , as well as the absolute level within the detection window are determined. Similarly, the level could also be derived from a phase diagram.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wurde jeweils mit monofrequenten Mikrowellenstrahlungen in der Größe von 2,345 GHz, 2,5 GHz und 2,72 GHz gearbeitet Für die Erfindung eignet sich besonders das Mikrowellenband zwischen 2 GHz und 3 GHz, wenn der Füllstand von wasserhaltigen Flüssigkeiten erfasst werden soll. Es ist erfindungsgemäß somit möglich, innerhalb des Erfassungsfensters zu ermitteln, wo sich der Füllstand befindet. Das Erfassungsfenster wird durch den Durchmesser der Richtantenne 18 bzw. durch ihre Abstrahlfläche bestimmt. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf irgendwelche vorgegebenen geometrischen Abmessungen der Behälter. Die Behälter sind frei wählbar, so dass flüssigkeitsbefüllte Gefäße beliebiger Form verwendet werden können. Wichtig ist lediglich, dass sich die dielektrischen Eigenschaften des Behältermaterials deutlich von denen der Flüssigkeit unterscheiden. Diese Bedingung ist bei Glas- und Kunststoffflaschen immer erfüllt.In the embodiment shown, in each case with monofrequency microwave radiation in the size of 2.345 GHz, 2.5 GHz and 2.72 GHz worked for the invention is particularly suitable, the microwave band between 2 GHz and 3 GHz, when the level of aqueous liquids is to be detected , It is thus possible according to the invention to determine within the detection window where the filling level is located. The detection window is determined by the diameter of the directional antenna 18 or determined by their emission area. The invention is not limited to any given geometrical dimensions of the containers. The containers are freely selectable, so that liquid-filled vessels of any shape can be used. It is only important that the dielectric properties of the container material differ significantly from those of the liquid. This condition is always met with glass and plastic bottles.

Anstelle einer Erfassung der Amplitude des reflektierten oder transmittierten Mikrowellenstrahls, wie in 3, kann alternativ oder zusätzlich die Phase der Mikrowellenstrahlung ausgewertet werden. Dabei nutzt die Erfindung nicht, wie im Stand der Technik, den zu befüllenden Behälter als einen Hohlraumresonator für die eingespeisten elektromagnetischen Wellen, um anschließend eine Resonanz zu überprüfen. Vielmehr werden erfindungsgemäß Reflexions- und Transmissionseigenschaften des leeren bzw. befüllten Behälters direkt aus den erfassten reflektierten oder transmittierten Mikrowellensignalen abgeleitet, wodurch das Messverfahren deutlich schneller ist als der Stand der Technik.Instead of detecting the amplitude of the reflected or transmitted microwave beam, as in 3 , Alternatively or additionally, the phase of the microwave radiation can be evaluated. In this case, the invention does not use, as in the prior art, the container to be filled as a cavity resonator for the supplied electromagnetic waves, to then check a resonance. Rather, according to the invention reflection and transmission properties of the empty or filled container are derived directly from the detected reflected or transmitted microwave signals, whereby the measuring method is significantly faster than the prior art.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen des Füllstandes wird nicht an dem Behälter selbst, sondern in einem relativ großen Abstand von Mikrowellensender und Mikrowellenempfänger bzw. deren Antennen zu dem Behälter angeordnet. Abstände von mehreren 10 cm sind möglich, wobei ein Abstand von ca. 5 cm bis 20 cm bevorzugt wird. Dadurch eignet sich die Erfindung besonders für den Einsatz in industriellen Getränkeabfüllanlagen und anderen dynamischen Systemen.The inventive device for determining the level is not arranged on the container itself, but at a relatively large distance from the microwave transmitter and microwave receiver or their antennas to the container. Distances of several 10 cm are possible, with a distance of about 5 cm to 20 cm is preferred. As a result, the invention is particularly suitable for use in industrial beverage filling plants and other dynamic systems.

Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert auch zur Füllstandsbestimmung, wenn sich eine Schaumkrone auf der Flüssigkeit bildet oder der Behälter durch Spritzer verunreinigt ist. Ebenso funktioniert das Verfahren bei undurchsichtigen Behältern.The inventive method also works for level determination when a foam crown forms on the liquid or the container is contaminated by splashes. The procedure also works with opaque containers.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.The features disclosed in the foregoing description, the figures and the claims may be of importance both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: FördereinrichtungConveyor
1212: Flaschenbottles
1414: Mikrowellensendermicrowave transmitter
1616: Mikrowellenempfängermicrowave receiver
1818: Richtantennedirectional antenna
1919: Durchmesser der RichtantenneDiameter of the directional antenna
2020: Richtantennedirectional antenna
2222: Hochfrequenz-SignalquelleHigh-frequency signal source
24 24: Schaltkreis zur PegelanpassungCircuit for level adjustment
2626: Schalterswitch
2828: erste Antennefirst antenna
3030: zweite Antennesecond antenna
3232: Signalteilersignal splitter
3434: Richtkopplerdirectional coupler
3636: Signalteilersignal splitter
3838: Richtkopplerdirectional coupler
4040: Behältercontainer
42, 4442, 44: MesssignalempfängerMeasuring signal receiver
46, 4846, 48: ReferenzsignalempfängerReference signal receiver
5050: SignalverarbeitungseinheitSignal processing unit
5252: Hochfrequenz-SignalquelleHigh-frequency signal source

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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DE 19935743 A1 [0005]
EP 0361023 A1 [0006]
DE 19934041 C2 [0007]
FR 2738338 A3 [0008]
DE 2242723A [0009]
US 3703829 A [0010]
DE 19807593A1 [0011]

Claims

Device for determining the level of a liquid in a container with a microwave transmitter ( 14 ), one with the microwave transmitter ( 14 ) connected directional antenna ( 18 ) for directing the from the microwave transmitter ( 14 ) emitted microwave radiation to the container, a microwave receiver ( 16 ), which detects microwave radiation reflected and / or transmitted by the medium in the container, and with one with the microwave receiver ( 16 ), which is adapted to derive depending on the emitted and the detected microwave radiation, the level of the liquid in the container, wherein the directional antenna is adapted to emit a substantially parallel beam which defines a detection solid, in which the fill level detectable is, and the device is arranged at a distance from the container outside the container and allows a level measurement on moving containers.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the directional antenna ( 18 ) has an antenna gain of at least 3 dBi, preferably at least 4 dBi and even more preferably about 9 dBi.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the directional antenna ( 18 ) is an area antenna or a Yagi antenna.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the directional antenna ( 18 ) is arranged at a distance from the container of at least 1 cm, in particular at least 3 cm.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam diameter of the main lobe of the directional antenna ( 18 ) defines the entry window.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the directional antenna is an area antenna and the emission surface of the directional antenna ( 18 ) defines the entry window.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the microwave receiver ( 16 ) with an antenna ( 20 ) is coupled to receive the reflected or transmitted microwave radiation.

Apparatus according to claim 7, characterized in that the with the microwave receiver ( 16 ) coupled antenna equal to the one with the microwave transmitter ( 14 ) is connected directional antenna.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit is adapted to to detect an amplitude and / or a phase and / or a frequency of the reflected and / or transmitted microwave radiation and with the amplitude and / or phase and / or frequency of the emitted microwave radiation, to detect an effective reflection and / or attenuation surface formed by the liquid in the container in the detection window and to determine therefrom the level of the container.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the microwave transmitter is arranged to transmit microwave energy in a frequency range in which the influence of the relative permittivity of the container material on the microwave radiation reflected or transmitted by the container is less than the influence of the liquid contained in the container ,

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the microwave transmitter ( 14 ) is adapted to emit a substantially monofrequency microwave radiation.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit is adapted to detect the level in the detection window substantially continuously.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit is adapted to detect the level independently of the container shape.

Filling plant for filling liquid into containers with a device for determining the filling level according to one of the preceding claims and with a conveying device ( 10 ) for transporting the containers, wherein the device is arranged relative to the conveyor so that the containers at a distance of 3 cm to 30 cm, preferably from 5 cm to 20 cm to the directional antenna ( 18 ) are passed.

Method for determining the level of a liquid in a moving container, comprising the steps of: directionally transmitting microwave radiation to the container and detecting the microwave radiation reflected or transmitted by the medium in the container, wherein the microwave radiation by means of a directional antenna ( 18 ) is directed in the form of a substantially parallel beam from a distance to the moving container, while the container is guided past the directional antenna, and the beam defines a detection solid, in which the level is detected, and depending on the emitted and the detected Microwave radiation, the level of the liquid is discharged in the container.

A method according to claim 15, characterized in that the container with a distance of at least 1 cm, in particular at least 3 cm is guided past the directional antenna.

Method according to claim 15 or 16, characterized in that the directional antenna ( 18 ) is aligned relative to the container such that by the diameter of the main emission lobe of the directional antenna ( 18 ) the entry window is defined.

A method according to any one of claims 15 to 17, characterized in that the directional antenna transmits with an antenna gain of at least 3 dBi, preferably at least 4 dBi and even more preferably about 9 dBi.

Method according to one of claims 15 to 18, characterized in that in the detection window, the level of the liquid is determined continuously.

Method according to one of claims 15 to 19, characterized in that the reflected or transmitted microwave radiation is coupled via an antenna in a microwave receiver.

Method according to one of claims 15 to 20, characterized in that an amplitude and / or a phase and / or a frequency of the reflected and / or transmitted microwave radiation is detected and adjusted with the amplitude and / or phase and / or frequency of the emitted microwave radiation to detect a reflection and / or attenuation surface formed by the liquid in the container in the detection window and to determine therefrom the level of the container.

A method according to claim 21, characterized in that the microwave energy is transmitted in a frequency range in which the influence of the relative permittivity of the container material on microwave radiation reflected or transmitted by the container is less than the influence of the liquid present in the container.

Method according to one of claims 15 to 22, characterized in that the microwave radiation is a substantially monofrequente microwave radiation.

Method according to one of Claims 15 to 23, in which the containers are guided past the directional antenna at a distance of 3 cm to 30 cm, preferably 5 cm to 20 cm.