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Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstandes eines im Prozessraum eines Behälters befindlichen Mediums mittels einem Mikrowellen-Laufzeitmessverfahren, bestehend aus einem Messumformer und einer Antenneneinheit, die zumindest aus einem Einkoppelelement, das eine linear polarisierte Mikrowelle in einer Polarisationsebene abstrahlt und empfängt, zumindest einem Abstrahlelement, zumindest einem Hohlleiter und zumindest einem mikrowellen-durchlässigen Prozesstrennelement, das in den Hohlleiter zur Prozesstrennung zwischen dem Einkoppelelement und/oder in dem den Prozessraum berührenden Abstrahlelement eingefügt ist, ausgestaltet ist. Desweiteren beinhaltet die Erfindung entsprechende Verfahren zur Inbetriebnahme eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts.
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Derartige Füllstandsmessgeräte zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes in einem Behälter werden häufig in den Messgeräten der Automations- und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt. Von der Anmelderin werden beispielsweise Messgeräte unter dem Namen Micropilot produziert und vertrieben, welche nach dem Laufzeit-Messverfahren arbeiten und dazu dienen, einen Füllstand eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen. Bei der freistrahlenden Laufzeitmessmethode werden beispielsweise Mikrowellen bzw. Radarwellen über eine Antenne oder beim Einsatz von Ultraschallwellen über einen Ultraschallwandler in einen Freiraum bzw. Prozessraum ausgesendet, und die an der Mediumsoberfläche reflektierten Echowellen werden nach der abstandsabhängigen Laufzeit des Signals wieder von der Antenne bzw. Messumformer empfangen. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden der Hochfrequenzimpulse und dem Empfang der reflektierten Echosignale lässt sich der Abstand des Messgerätes zu der Mediumsoberfläche ermitteln. Unter Berücksichtigung der Geometrie des Behälterinnern wird dann der Füllstand des Mediums als relative oder absolute Größe ermittelt. Das so genannte FMCW-Verfahren (Frequency Modulated Continuous Waves) ist in diesem Zusammenhang mit dem obigen Messprinzip der Füllstandsmessung und dem obigen Verfahren ebenfalls ausführbar.
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Ein generelles Problem bei allen Mikrowellen Messmethoden zur Ermittlung des Füllstandes nach dem Laufzeitmessverfahren ist die Ausbildung von Mehrwegeausbreitungen, Störmoden-Ausbildung und Störreflexionen von Mikrowellen-Messsignalen. Beispielsweise werden durch die Drehung der linearen Polarisationsrichtung der Sendesignale die Reflexionssignale bzw. Echos nur teilweise oder gar nicht mehr von der Antenne bzw. dem Empfangselement empfangen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verbesserung der Messgenauigkeit von freiabstrahlenden Mikrowellen-Messgeräten zur Ermittlung eines Füllstandes nach der Laufzeitmessmethode und ein entsprechendes Füllstandsmessgerät aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Füllstandsmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstandes eines im Prozessraum eines Behälters befindlichen Mediums mittels einem Mikrowellen-Laufzeitmessverfahren, bestehend aus einem Messumformer und einer Antenneneinheit, die zumindest aus einem Einkoppelelement, das eine linear polarisierte Mikrowelle in einer Polarisationsebene abstrahlt und empfängt, zumindest einem Abstrahlelement, zumindest einem Hohlleiter und zumindest einem mikrowellen-durchlässigen Prozesstrennelement, das in den Hohlleiter zur Prozesstrennung zwischen dem Einkoppelelement und/oder in dem den Prozessraum berührenden Abstrahlelement abdichtend eingefügt ist, ausgestaltet ist, gelöst, wobei die Polarisationsebene des linear polarisierte Mikrowellen abstrahlenden Einkoppel-elements zumindest zum Hohlleiter und/oder zumindest zum Prozesstrennelement drehbar ausgestaltet ist.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung des Füllstandsmessgeräts wird vorgeschlagen, dass die Polarisationsebene des linear polarisierte Mikrowellen abstrahlenden Einkoppelelements in zumindest einer Drehebene auf einer koaxialen Drehachse zum Hohlleiter und/oder zum Prozesstrennelement mechanisch drehbar ausgestaltet ist.
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Einer zweiten, alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung des Füllstandsmessgeräts schlägt vor, dass die Polarisationsebene des linear polarisierten Mikrowellen abstrahlenden Einkoppelelements zum Hohlleiter und/oder zum Prozesstrennelement elektronisch drehbar ausgestaltet ist.
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Eine Ergänzung der zweiten, alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass das linear polarisierte Mikrowellen abstrahlenden Einkoppelelement aus zumindest zwei in einem Winkel, insbesondere von 90°Grad, zueinander positionierten Erregerelementen aufgebaut ist und dass die elektronische Drehung der Polarisationsebene des Einkoppelelements zum Hohlleiter und/oder zum Prozesstrennelement durch eine Ansteuerung der Erregerelemente mit unterschied-lichen Amplituden des phasengleichen Mikrowellen-Ansteuerungssignals ausgestaltet ist.
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Eine sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösungen ist darin zu sehen, dass die Polarisationsebene des linear polarisierte Mikrowellen abstrahlenden Einkoppelelements senkrecht zur Spiegelebene einer Störung, welche durch Anisotropie der Dielektrizitätskonstanten des Materials des Prozesstrennelements oder durch eine Asymmetrie der Rotationssymmetrie des Hohlleiters und/oder des Prozesstrennelements erzeugt wird, ausgerichtet ist.
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Gemäß einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Lösungen wird angeregt, dass die Polarisationsebene des linear polarisierte Mikrowellen abstrahlenden Einkoppelelements parallel zur Spiegelebene einer Störung, welche durch Anisotropie der Dielektrizitätskonstanten des Materials des Prozesstrennelements oder durch eine Asymmetrie der Rotationssymmetrie des Hohlleiters und/oder des Prozesstrennelements erzeugt wird, ausgerichtet ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass an einer Grenzstelle als eine mechanische Arretierung mittels einer stoffschlüssigen Verbindungen, insbesondere Schweißung oder Klebung, die Ausrichtung des Einkoppelelements zum Hohlleiter und/oder zum Prozesstrennelement fixiert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein erstes Verfahren zur Inbetriebnahme eines Füllstandsmessgeräts nach der Laufzeitmessmethode gelöst, wobei über ein Einkoppelelement einer Antenne hochfrequente Sendesignale in einer linearen Polarisationsebene des elektrischen Feldes ausgesendet werden, wobei das linear polarisierte Mikrowellen abstrahlenden Einkoppelelement in einer Drehebene auf einer koaxialen Drehachse zum Hohlleiter und/oder zum Prozesstrennelement verdreht wird, wobei die Polarisationsebene des linear polarisierte Mikrowellen abstrahlenden Einkoppelelements senkrecht oder parallel zur Spiegelebene einer Störung, welche durch Anisotropie der Dielektrizitätskonstanten des Materials des Prozesstrennelements oder durch eine Asymmetrie des Hohlleiters erzeugt wird, ausgerichtet wird, und wobei die Auswirkung der Drehung der Polarisationsebene auf das empfangene Reflexionssignal des Füllstandsmessgeräts ermittelt wird.
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Die Aufgabe wird durch ein zweites Verfahren zur Inbetriebnahme eines Füllstandsmessgeräts nach der Laufzeitmessmethode gelöst, wobei über ein Einkoppelelement einer Antenne hochfrequente Sendesignale in einer linearen Polarisationsebene des elektrischen Feldes ausgesendet werden, wobei die Polarisationsebene des linear polarisierte Mikrowellen abstrahlenden Einkoppelelements zumindest zum Hohlleiter und/oder zumindest zum Prozesstrennelement gedreht wird, wobei die Polarisationsebene des linear polarisierte Mikrowellen abstrahlenden Einkoppelelements zum Hohlleiter und/oder zum Prozesstrennelement elektronisch gedreht wird, indem die elektronische Drehung der Polarisationsebene des Einkoppelelements zum Hohlleiter und/oder zum Prozesstrennelement durch eine Ansteuerung von zumindest zwei in einem Winkel, insbesondere von 90°Grad, zueinander angeordneten, linear polarisierte Mikrowellen abstrahlenden Erregerelementen mittels unterschiedlichen Amplituden des phasengleichen Mikrowellen-Ansteuerungssignals erzeugt wird, und wobei die Auswirkung der Drehung der Polarisationsebene auf das Reflexionssignal des Füllstandsmessgeräts ermittelt wird. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung der Verfahren schlägt vor, dass dabei die Auswirkung der Drehung der Polarisationsebene auf das Reflexionssignal des Füllstandsmessgeräts mittels Aufnahmen und graphischer Überlagerung von Hüllkurven der Reflexionssignale bei verschieden gedrehten Polarisationsebenen ermittelt wird.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung der Verfahren schlägt vor, dass die Auswirkung der Drehung der Polarisationsebene auf das Reflexionssignal des Füllstandsmessgeräts mittels Bestimmung der Echoamplitude des Füllstandsechos und/oder mittels Bestimmung des Klingelverhaltens der Antenne ermittelt wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Die Bauteile oder Bauteilgruppen der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Füllstandsmessgeräts der Prozessmesstechnik mit einer Antenneneinheit als Sensorelement,
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2 eine schematische Schnittansicht der Antenneneinheit des Füllstandsmessgeräts,
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3 eine erste Darstellung zweier überlagerten Hüllkurve der Reflexionssignale mit Auswirkungen auf das Klingelverhalten, und
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4 eine zweite Darstellung zweier überlagerter Hüllkurven der Reflexionssignale mit Auswirkungen auf die Echoamplitude des Füllstandsechos.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgeräts 1 der Prozessmesstechnik, das beispielsweise zur Ermittlung des Füllstands 2 eines Mediums 3 in einem Behälter 4 eingesetzt wird.
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Das Füllstandmessgerät 1 besteht grundlegend aus einem Sensorelement 17 mit einer Antenneneinheit 7 und einem Messumformer 18. Die Antenneneinheit 7 bzw. das Sensorelement 17 weisen in diesem Ausführungsbeispiel einen dielektrischen Füllkörper als Prozesstrennelement 9 im Hohlleiter 8 auf. Das Füllstandsmessgerät 1 ermittelt beispielsweise nach der Laufzeit-Messmethode den Füllstand 2 eines Mediums 3, bzw. eines Füllguts in einem Behälter 4. Die Antenneneinheit 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Hornantenne ausgebildet, welche sich in zwei grundlegende Funktionseinheiten, – die koaxiale Einkopplung 12 und das Abstrahlelement bzw. Antennenhorn 15, – aufgliedern lässt.
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In der industriellen Messtechnik werden prinzipiell dielektrische Stabantennen, Parabolantennen, Planarantennen und Hornantennen als Abstrahlelemente 15 zum Senden und/oder Empfangen von freiabgestrahlten Mikrowellen-Messsignalen eingesetzt. Typischerweise wird insbesondere bei Antenneneinheiten 7 mit Hornantennen und Stabantennen ein topfartiges Gehäuse als koaxiale Einkopplung 12 verwendet, das die Geometrie eines kurzgeschlossenen Hohlleiters 8 aufweist. In diese Einkopplung 12 ist ein Erregerelement 11 eingeführt, über den Mikrowellen 6 durch den Hohlleiter 8 hindurch gesendet und/oder empfangen werden. Bei einer Hornantenne schließt sich an den Hohlleiter 8 ein trichterförmiges, dem in Prozess 5 zugewandter Richtung aufweitendes Abstrahlelement 15 an. Im Fall der Stabantenne ist ein in den Behälter 4 weisender Stab aus einem Dielektrikum als Abstrahlelement 15 vorgesehen. Üblicherweise ist der Innenraum des Hohlleiters 8 von einem dielektrischen Füllkörper als Prozesstrennelement 9 nahezu vollständig ausgefüllt. Im Fall der Hornantenne als Abstrahlelement 15 weist der Füllkörper 29 einen kegelförmigen, in den Behälter 4, bzw. zum Prozess 5 weisenden Anpasskegel auf. Bei Stabantennen wird der dielektrische Füllkörper als Prozesstrennelement 9 im Hohlleiter 8 als eine kegelförmige, stabförmige Antenneneinheit 7 weiter in den Prozessraum geführt.
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Aufgrund der Dimensionierung des Hohlleiters 8 und der Dielektrizitätskonstanten des dielektrischen Füllkörpers als Prozesstrennelement 9 sind nur bestimmte Moden im Hohlleiter 8, bzw. der Antenneneinheit 7 ausbreitungsfähig. Im Bereich der Füllstandsmessungen werden bevorzugt Moden mit einer Abstrahlcharakteristik in Form einer ausgeprägten Vorwärtskeule eingesetzt. Bei Rundhohlleitern ist der bevorzugte Mode der transversal-elektrische TE11-Mode. Dabei wird versucht, nur den Grundmode des Sendesignals S anzuregen, z. B. den TE11-Mode bei einer Hornantenne und den HE11-Mode bei einer Stabantenne. Beide zeigen die auf das Medium 3 gerichteten Abstrahlcharakteristiken auf. Die Abstrahlcharakteristik der Antenne 7 ist meist so ausgestaltet, dass ein möglichst kleiner Abstrahlwinkel des Sendesignals S in Richtung eines Ausbreitungsvektors ausgebildet wird. Durch die Beschränkung der Anregung auf die Grundmoden des Sendesignals wird vermieden, dass Energieanteile des Sendesignals S in seitliche Nebenkeulen bzw. höhere Moden von der Antenneneinheit 7 abgestrahlt werden.
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Im Messumformer 18 ist eine Sende-/Empfangseinheit 20 vorgesehen, in der die Mikrowellen-Messsignale 6 erzeugt werden. Über ein Einkoppelelement 10 werden die Mikrowellen-Messsignale 6 in den Hohlleiter 8 eingekoppelt. Das Einkoppelelement 10 ist beispielsweise über eine Glasdurchführung gasdiffusionsdicht und elektrisch isoliert in den zumeist metallischen Hohlleiter 8 eingebaut. Die in den Hohlleiter 8 der Antenneneinheit 7 eingekoppelten Mikrowellen-Messsignale 6 werden durch einen dielektrischen Füllkörper als Prozesstrennelement 9 hindurch von dem Abstrahlelement 15 als Sendesignale S in den Prozessraum 5 mit einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik abgestrahlt. Meist wird eine Abstrahlcharakteristik der Mikrowellen-Messsignale 6 mit einer ebenen Wellenfront angestrebt, um Laufzeitunterschiede bei den Reflexionssignalen R zu vermeiden. Die in den Prozess 5 ausgesendeten Mikrowellen-Messsignale 6 werden an der Oberfläche des Mediums 3 reflektiert und nach einer bestimmten Laufzeit wieder von der Sende-/Empfangseinheit 20 empfangen. Über die Laufzeit der Mikrowellen-Messsignale 6 wird der Füllstand 2 des Mediums 3 im Behälter 4 bestimmt.
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Die Regel-/Auswerteeinheit 19 im Messumformer 17 hat die Aufgabe, das empfangene Reflektionssignal R des Mikrowellen-Messsignals 6 auszuwerten, indem das Messsignal 6 durch eine Signalverarbeitung und spezielle Signalauswertungs-Algorithmen als eine Echokurve, insbesondere der Hüllkurve HK, die die Einhüllende der Echosignale darstellt, weiterverarbeitet und daraus die Laufzeit, bzw. der Füllstand 2 bestimmt wird.
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Die Regel-/Auswerteeinheit 19 kommuniziert über eine Kommunikationsschnittstelle 21 mit einer entfernten Kontrollstelle und/oder mit weiteren Füllstandsmessgeräten 1, die nicht explizit gezeigt sind. Über die Versorgungsleitung 22 kann das Füllstandsmessgerät 1 mit der benötigten Energie versorgt werden. Eine zusätzliche Versorgungsleitung 22 zur Energieversorgung des Füllstandsmessgeräts 1 entfällt, wenn es sich um ein so genanntes Zweileiter-Messgerät handelt, dessen Kommunikation und Energieversorgung über die Kommunikationsleitung 23, bzw. Feldbus ausschließlich und gleichzeitig über eine Zweidrahtleitung stattfindet. Die Datenübertragung, bzw. Kommunikation über den Feldbus erfolgt beispielsweise nach dem CAN-, HART-, PROFIBUS DP-, PROFIBUS FMS-, PROFIBUS PA-, oder FOUNDATION FIELDBUS-Standard.
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Durch das Einbringen des dielektrischen Füllkörpers als Prozesstrennelement 9 in den Hohlleiter 8 wird der Wellenwiderstand des koaxialen Leitersystems verändert. Um diesen Wellenwiderstand anzupassen, verjüngt sich der Hohlleiter 8 besonders im Anpassbereich. Der dielektrische Füllkörper des Prozesstrennelements 9 weist hierzu in Richtung des Einkoppelelements 10 im Hohlleiter 8 einen Anpasskegel mit einer kegelförmigen Form auf.
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Der dielektrische Füllkörper des Prozesstrennelements 9 liefert weiter den Vorteil, dass die Elektronik und der Messumformer 18 abgenommen werden könnte, da in einer ersten Sicherheitsstufe die messinaktiven Teile der Antenneneinheit 7, wie beispielsweise eine nicht explizit gezeigte Flanschplattierung des Prozesstrennelements 9, den Prozess nach außen hin abschließen und zusätzliche Dichtelemente, insbesondere O-Ring Dichtungen, eine weitere, bzw. eine zweite Sicherheitsstufe (second line of defence) ausbilden. Dadurch ist es möglich, bei einer Umrüstung oder Reparatur des Füllstandsmessgeräts 1 den Messumformer 18 auf die Antenneneinheit 7 im geschlossenen Prozess 5 zu montieren. Je nach Ausführung und Anwendung kann das Füllstandsmessgerät 1 aus unterschiedlichen Modulen zusammengesetzt werden, so dass beispielsweise eine Umrüstung des Füllstandsmessgeräts 1 auf eine andere Einkoppelungsart, z. B. Stufen- oder Stifteinkopplung, oder eine andere Frequenz, z. B. 6 GHz oder 26 GHz, durch die Trennmöglichkeit der aktiven Teile von den passiven Teilen auch im geschlossenen Prozess möglich ist.
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Standardgemäß wird in Hochtemperatur-Anwendungen der Füllstandsmesstechnik ein temperaturbeständiges und mikrowellendurchlässiges Material, beispielsweise Fluorkunststoffe, Aluminiumoxid-Keramik, Bornitrid-Keramik, Polyetheretherketon- oder Polyimid-Kunststoffe, als dielektrisches Material des Prozesstrennelements 9 verwendet.
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Aufgrund der Dimensionierung des Hohlleiters 8 und der Dielektrizitätskonstanten des dielektrischen Materials des Prozesstrennelements 9 sind nur bestimmte Grundmoden, z. B. TE11, ausbreitungsfähig. Für die Füllstandsmessungen sind bevorzugt Moden mit einer Abstrahlcharakteristik in Form einer ausgeprägten Vorwärtskeule, bei Rundhohlleitern z. B. der transversal-elektrische TE11-Mode einzusetzen. Als Störmoden, die sich im Hohlleiter 8 ausbilden können und für die Messgenauigkeit des Füllstandsmessgeräts hinderlich sein können, ist beispielsweise der TM01-Mode zu nennen.
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2 zeigt ein Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Antenneneinheit 7 gezeigt.
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Die Antenneneinheit 7 besteht zumindest aus einem Einkoppelelement 10, das eine linear polarisierte Mikrowelle in einer Polarisationsebene PE abstrahlt und/oder empfängt, aus zumindest einem metallischen Hohlleiter 8 bzw. Rundhohlleiter, der die Mikrowellensignale im Inneren führt, und zumindest einem mikrowellen-durchlässiges Prozesstrennelement 9, das in den Hohlleiter 8 zur Prozesstrennung zwischen dem Einkoppelelement 10 und/oder in dem den Prozessraum 5 berührenden Abstrahlelement 15 eingefügt ist. Das Mikrowellen Anregungssignal wird vom Messumformer 18 über ein Koaxialkabel in das Einkoppelelement 10, insbesondere eine Finnen-Einkopplung, eingespeist. Dieses Einkoppelelement 10 erzeugt in dem Hohlleiter ein linear polarisiertes Sendesignal S in einer TE11 Mode.
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Üblicherweise sind Mikrowellen-Sensorelemente 17 bzw. Antenneneinheiten 7 nach der koaxialen Einkopplung 12 in den Hohlleiter 8 rotationssymmetrisch zur koaxialen Drehachse 14 aufgebaut. Dies betrifft den Signal führenden Hohlleiter 8, das durch Elastomere-Dichtungen oder eine Lötung, bzw. eine Schweißung der Grenzstelle 13 des Hohlleiters 8 gedichtete dielektrische Prozesstrennelement 9 und das Abstrahl-element bzw. Antennenhorn 15. Um Störungen im Hohlleiter 8 zu vermeiden, müssen die Übergänge der konstruktionsbedingten einzelnen Bauteile des Hohlleiters 8 bzw. der gesamten Antenneneinheit 7 spaltfrei ausgeführt sein.
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Desweiteren wird diese ideale Rotationssymmetrie zur Drehachse 14 gestört, entweder durch zu starke Abweichungen von der Maßtoleranz der einzelnen konstruktiven Bauteilkomponenten des Hohlleiters 8 oder des Prozesstrennelementes 9, insbesondere durch eine nicht exakt konzentrische Positionierung des Prozess-trennelements 9 im Hohlleiter 8 oder durch eine Anisotropie der Dielektrizitäts-konstante des dielektrischen Materials des Prozesstrennelements 9 selbst, wie sie beispielsweise durch einen nicht optimalen Sinterprozess des Prozesstrennelements 9 entstehen kann.
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Durch diese Abweichungen vom Ideal der Symmetrie zur Drehachse 14 oder Aniso-tropie des Prozesstrennelements 9 wird die Rotationssymmetrie gebrochen und auf eine Spiegelsymmetrie reduziert, wobei das Maximum der Störung in dieser Spiegelebene SE liegt. Diese Störungen führen zur Anregung höherer Moden, insbesondere der TM01 Mode, im Hohlleiter 8 oder verursachen beim üblicherweise linear polarisierten Sendesignal S eine Drehung der Polarisationsebene PE des Mikrowellensignals 6 im Hohlleiter 8 und/oder Prozesstrennelement 9.
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Aufgrund von nicht spaltfreien Übergängen im Hohlleiter 8, Einlassnuten von Dichtelementen im Hohlleiter 8 oder Prozesstrennelement 9 und beispielsweise Spülschlitze im Hohlleiter 8, welche den dem prozesszugewandten Bereich des Hohlleiters 8 und des Prozesstrennelements 9 durch Spülen mit Druckluft vom Ansatz befreien, werden elektromagnetische Störfelder bzw. Laufzeitunterschiede des Mikrowellensignals 6 im Hohlleiter 8 erzeugt. Bei diesen Störungen im Hohlleiter 8 ist es von Vorteil die Polarisationsebene PE des linear polarisierten Mikrowellensignals 6 parallel zu dieser Störebene SE auszurichten.
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Aufgrund dieser Erzeugung höherer Moden und/oder der Drehung der Polarisations-ebene PE erhöht sich das Klingelverhalten KV im Nahbereich der Antenneneinheit 7 in der Hüllkurve HK und/oder verringert sich die Echoamplitude EA des Füllstands-echos F in der Hüllkurve HK.
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Zur Lösung dieses Problems wird die Polarisationsebene PE des linear polarisierten, Mikrowellen 6 abstrahlenden Einkoppelelements 10 zumindest zum Hohlleiter 8 und/oder zumindest zum Prozesstrennelement 9 in zumindest einer Drehebene XS drehbar ausgestaltet. Die Drehbarkeit der Polarisationsebene PE kann einerseits mechanisch mittels der an den Drehebenen XS drehbaren der einzelnen Bauteilkomponenten des Hohlleiters 8 oder des Einkoppelelements 10 erfolgen und andererseits elektronisch mittels zwei in einem beispielsweise 90°Grad Winkel angeordneten Erregerelementen 11 und ferner durch die Ansteuerung der Erregerelemente 11 mit unterschiedlichen Amplituden des phasengleichen Mikrowellen-Ansteuerungssignals erfolgen.
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Durch diese Konstruktion der Antenneneinheit 7 ist es möglich, während der Montage bzw. Inbetriebnahme des Sensors 17 bzw. Antenneneinheit 7 die Einkopplung 12 relativ zum Prozesstrennelement 9 im Hohlleiter 8 so auszurichten, dass das Klingelverhalten KV im Abklingbereich des Sendeimpulses S in der Hüllkurve HK minimal und die Echoamplitude EA des Füllstandsechos maximal wird. Üblicherweise ist dies dann der Fall, wenn die Polarisationsebene PE des hochfrequenten Mikrowellen-Signals entweder parallel oder senkrecht zur Spiegelebene SE der Störung ausgerichtet ist. Die Optimierung der Hüllkurve kann hierbei manuell erfolgen, indem die Polarisationsebene PE der Antenneneinheit 7 in der Drehebene XS verdreht wird und in jeder Drehposition eine Hüllkurve HK aufgenommen wird und die gespeicherten Hüllkurven HK miteinander verglichen werden. In der Drehposition, in der die Echoamplitude EA maximal und das Klingelverhalten KV minimal in der Hüllkurve HK ist, werden die drehbaren Bauteile in der Drehebene XS der Antenneneinheit 7 miteinander fixiert oder markiert. Nach Optimierung der Hüllkurve über die Ausrichtung der Einkopplung relativ zur Prozesstrennung werden die Einzelbauteile der Antenneneinheit 7 an der Grenzstelle 13 der Bauteile in dieser Position mechanisch arretiert durch eine stoffschlüssige Verbindung, z. B. verschweißen oder verkleben. Die HF-Performance eines auf diese Weise optimierten Sensorelements 17 bzw. Antenneneinheit 7 unterscheidet sich dann nicht mehr von derjenigen eines ideal rotationssymmetrisch aufgebauten Sensorelements 17 bzw. Antenneneinheit 7.
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In 3 ist schematisch eine zweite Darstellung zweier überlagerter Hüllkurven HK der Reflexionssignale R mit Auswirkungen auf das Klingelverhalten KV dargestellt.
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In dieser Darstellung wird das Problem dargestellt, dass beispielsweise das Prozesstrennelement 9 eines nicht konzentrisch zur koaxialen Drehachse 14 im Hohlleiter 8 angeordnet ist. Aufgrund der Störung der Rotationssymmetrie wird das Klingelverhalten KV im Nahbereich der Antenneneinheit 7 signifikant verstärkt. Durch eine optimale Ausrichtung, insbesondere in diesem Fall Polarisationsebene PE senkrecht zur Spiegelebene SE der Störung, wird der Einfluss der durch die Asymmetrie verursachte Störung des Abklingverhaltens des Sendeimpulses S bzw. Klingelverhaltens KV komplett unterdrückt.
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Die gestrichelte Hüllkurve HK zeigt hier den besten Fall bei maximaler Unterdrückung des Klingelverhaltens KV an und die durchgezogen Hüllkurve HK zeigt den schlechtesten Fall an.
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In 4 ist eine Darstellung zweier überlagerter Hüllkurven der Reflexionssignale mit Auswirkungen auf die Echoamplitude des Füllstandsechos gezeigt In diesem Fall sind die Hüllkurven HK in den beiden Maximalsituationen der drehbaren Ausrichtung in der Drehebene XS einer Antenneneinheit 7 bzw. Sensorelements 17 gezeigt, deren Prozesstrennelement 9 eine anisotrope Dielektrizitätskonstanten-Verteilung aufweist. Im schlechtesten Fall der Ausrichtung findet beim Durchlaufen des anistropen, dielektrischen Materials des Prozesstrennelements 9 eine maximale Drehung der Polarisationsebene PE statt, so dass das elektrische Feld des Reflexionssignals R nicht mehr parallel zum Erregerelement 11 bzw. Einkoppelfinne ausgerichtet ist. Nur die Anteile des Reflexionssignals R, die in der Polarisationsrichtung der Einkoppelfinne als Erregerelement 11 liegen, werden empfangen, wodurch sich die Echoamplitude EA in der Hüllkurve HK erheblich reduziert. Hingegen findet bei einer Ausrichtung im besten Fall keine Drehung der Polarisationsebene PE statt und das maximale Reflexionssignal R wird in das Erregerelement 11 zurück eingekoppelt und empfangen.
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Die gestrichelte Hüllkurve HK zeigt hier den besten Fall bei maximaler Echoamplitude EA an und die durchgezogen Hüllkurve HK zeigt den schlechtesten Fall bei minimaler Echoamplitude EA an.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät, Füllstandsmessgerät
- 2
- Füllstand
- 3
- Medium
- 4
- Behälter
- 5
- Prozess, Prozessraum
- 6
- Mikrowellen, Mikrowellen-Messsignal
- 7
- Antenneneinheit
- 8
- Hohlleiter
- 9
- Prozesstrennelement
- 10
- Einkoppelelement
- 11
- Erregerelement
- 12
- koaxiale Einkopplung
- 13
- Grenzstelle
- 14
- Koaxiale Drehachse
- 15
- Antennenhorn
- 16
- Prozessanschluss
- 17
- Sensorelement
- 18
- Messumformer
- 19
- Regel-/Auswerteeinheit
- 20
- Sende-/Empfangseinheit
- 21
- Kommunikationsschnittstelle
- 22
- Versorgungsleitung
- 23
- Kommunikationsleitung
- S
- Sendesignal
- F
- Füllstandsecho
- R
- Reflexionssignal
- HK
- Hüllkurve
- XS
- Drehebene
- PE
- Polarisationsebene
- SE
- Spiegelebene
- KV
- Klingelverhalten
- EA
- Echoamplitude
