DE102016111259B4

DE102016111259B4 - Überflutungssicheres Füllstandsmessgerät

Info

Publication number: DE102016111259B4
Application number: DE102016111259.3A
Authority: DE
Inventors: Gerd Bechtel; Florian Palatini; Daniel Kopp; Klaus Feisst
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2036-06-21
Also published as: DE102016111259A1; WO2017220395A1

Abstract

Füllstandsmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstandes (L) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3) mittels eines Mikrowellen-Laufzeitmessverfahrens, umfassend:- ein Gehäuse (4), das fluiddicht gegen das Füllgut (2) ausgestaltet ist,- eine im Gehäuse (4) befindliche Antenne (5) zum Aussenden und/oder Empfangen der Mikrowellen,- einen an einer Außenfläche des Gehäuses (4) angeordneten Antennenaufsatz (6) mit einem Hohlraum (7), wobei sich der Hohlraum (7) an das Gehäuse (4) anschließt und eine dem Füllgut (3) zugewandte Austrittsöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenaufsatz (6) derart ausgestaltet und am (4) Gehäuse angeordnet ist, dass der Hohlraum (7) gasdicht zum Gehäuse (4) hin abdichtet, und dass das Eindringen des Füllgutes (3) bei Anstieg des Füllstandes (L) über einen unteren Rand des Antennenaufsatzes (6) hinaus verhindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein radar-basiertes Füllstandsmessgerät, welches überflutungssicher ist.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie unter Anderem Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Im Rahmen der Erfindung werden unter dem Begriff „Behälter“ auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Allgemein werden all diejenigen Geräte als Feldgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Daher werden im Zusammenhang mit der Erfindung unter Feldgeräten zusätzlich auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil besteht in ihrer Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich und mit einer hohen Auflösung messen zu können. In diesem Bereich werden daher vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt. Ein etabliertes Messprinzip bildet hier das Pulslaufzeit-Messprinzip, auch unter dem Namen Pulsradar bekannt. Daneben gibt es auch das FMCW-Verfahren, bei dem ein kontinuierliches Mikrowellen-Signal mit sich verändernder Frequenz eingesetzt wird.
Neben ausreichender Messgenauigkeit müssen Füllstandsmessgeräte weitere Vorgaben, beispielsweise im Bereich des Explosionsschutzes, erfüllen. So kann es vorkommen, dass in dem Behälter eine entzündbare Atmosphäre vorherrscht, beispielsweise wenn es sich bei dem Füllgut um Kraftstoff oder staubhaltige Schüttgüter handelt. Die in diesen Bereich fallenden Vorgaben lassen sich in verschiedene Zündschutzarten unterteilen, sie sind unter anderem in der Normenreihe EN 60079 festgelegt. Dies ist insbesondere für die Antennen-Einheit des Füllstandsmessgeräts relevant, da sie diejenige Komponente des Füllstandsmessgeräts ist, die zumindest indirekt mit dem Füllgut in Kontakt ist.
Aus dem Stand der Technik sind bereits eine Reihe von Schutz-Maßnahmen hinsichtlich der Antennen-Einheit von Radar-basierten Füllstandsmessgeräten bekannt. So ist in der Offenlegungsschrift DE 10 2012 103 493 A1 ein Füllstandsmessgerät mit einer Hornantenne beschrieben, bei dem das hohle Antennen-Innere der Hornantenne mehrere konstruktive Prozesstrennungen aufweist. Hierdurch wird die Geräte-Elektronik, die innerhalb Gehäuse des Füllstandsmessgerätes angeordnet ist, zum Zweck des Explosionsschutzes vom Füllgut getrennt.
In der Veröffentlichungsschrift EP 01126251 A2 wird ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät beschrieben, das an einem Bypass-Rohr eines Behälters betrieben wird. Dabei weist die Antenne bzw. der Hohlleiter zum Aussenden und Empfangen der Radar-Signale Entlüftungslöcher auf. Die Entlüftungslöscher verhindern, dass sich bei Anstieg des Füllstandes über den unteren Rand in der Antenne bzw. dem Hohlleiter ein Luftpolster ausbildet.
Unabhängig von der Abschirmung der Geräte-Elektronik ist es außerdem kritisch, wenn der Füllstand das Füllstandsmessgerät überschreitet und dementsprechend in die Antenne eindringen kann. In diesem Fall ist es nicht auszuschließen, dass auch bei vorhandenen Prozesstrennungen das Füllstands-Echo von Geräte-internen Reflektionen überlagert wird und dadurch einen falscher Füllstandswert ermittelt wird. Dies birgt insbesondere dann Risiken, wenn der fälschlich ermittelte Füllstandswert niedriger als der wahre Füllstand ist.
Zwar kann zur Umgehung dieses Problems die Antenne in das Gehäuse mit intergiert werden. In diesem Fall ist die Antenne jedoch in der Regel so kompakt auszugestalten, dass der Abstrahlkegel zumindest für Freifeld-Anwendungen zu groß ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät bereitzustellen, welches auch für Anwendungen geeignet ist, bei denen die Gefahr besteht, dass der maximale Füllstand überschritten wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Füllstandsmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstandes (L) eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes mittels eines Mikrowellen-Laufzeitmessverfahrens. Hierzu umfasst es:

- Ein Gehäuse, das fluiddicht gegen das Füllgut ausgestaltet ist,
- eine im Gehäuse befindliche Antenne zum Aussenden und/oder Empfangen der Mikrowellen,
- einen an einer Außenfläche des Gehäuses angeordneten Antennenaufsatz mit einem Hohlraum, wobei sich der Hohlraum an das Gehäuse anschließt und eine dem Füllgut zugewandte Austrittsöffnung aufweist.

Das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät zeichnet sich dadurch aus, dass der Antennenaufsatz derart ausgestaltet und am Gehäuse angeordnet ist, dass der Hohlraum gasdicht zum Gehäuse hin abdichtet, und dass das Eindringen des Füllgutes bei Anstieg des Füllstandes über einen unteren Rand des Antennenaufsatzes hinaus verhindert wird. Durch die Abdichtung wird erreicht, dass sich ein Luftpolster innerhalb des Hohlraums bildet, sobald der Füllstand über den Antennenaufsatz hinaus ansteigt. Das Luftpolster wiederum verhindert das Eindringen von Füllgut in den Hohlraum. In der Folge werden fehlerhafte Füllstandswerte vermieden, die durch eine Überflutung der Antenne verursacht werden.
Vorzugsweise ist der Antennenaufsatz über eine lösbare Verbindung mit dem Gehäuse verbunden. In diesem Fall ist es möglich, den Antennenaufsatz für Anwendungen, die eine kompakte Bauform des Füllstandsmessgerätes erfordern und bei denen kein Risiko einer Überschreitung des maximalen Füllstandes L_max besteht, optional abzunehmen. Beispielsweise kann die lösbare Verbindung als Schraubverbindung oder Flanschverbindung ausgestaltet sein. Sofern die Verbindung als solche nicht gasdicht ausgestaltet werden kann, kann zur gasdichten Abdichtung zwischen dem Antennenaufsatz und dem Gehäuse außerdem ein oder mehrere Dichtelemente, beispielsweise entsprechende O- oder X-Ringe, angeordnet werden.
Der Antennenaufsatz kann je nach Ausgestaltung eine zusätzliche Bündelung der Mikrowellen, die von der Antenne ausgesendet werden, bewirken. Dies kann erreicht werden, indem der Hohlraum in korrespondierend zur Antenne eine zylindrische Form mit einem runden Querschnitt aufweist. In diesem Fall schließt sich der Hohlraum entsprechend über die Endfläche des Zylinders dort an das Gehäuse an, wo sich die Antenne im Inneren des Gehäuses befindet. Vorteilhaft ist es in diesem Fall, wenn der Antennenaufsatz derart am Gehäuse angeordnet ist, dass die Zylinder-Achse zu der Abstrahl-Achse der Antenne fluchtet. Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, dass sich der Querschnitt des Hohlraums zumindest in einem Teilbereich konisch in Richtung des Füllgutes aufweitet. Eine optimale Bündelung wird erreicht, wenn sich der Hohlraum passend zum Öffnungswinkel der Antenne aufweitet.
Um die Bündelungsfunktion des Antennenaufsatzes zu erreichen, ist es außerdem notwendig, dass dieser zumindest in entsprechenden Teilbereichen des Hohlraums elektrisch leitend ist. Sofern also der Antennenaufsatz nicht aus einem metallischen Grundkörper aufgebaut ist, sondern aus einem (fluid-undurchlässigen) Kunststoff-Grundkörper, ist es zur zusätzlichen Bündelungsfunktion vorteilhaft, wenn der Antennenaufsatz zumindest in einem Teilbereich des Hohlraums eine metallische Beschichtung aufweist. Diese kann beispielsweise mittels PVD („physical vapor deposition“) aufgetragen sein.
Für eine optimale Abstrahlung ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn das Gehäuse zumindest in dem Bereich zwischen der Antenne und dem Antennenaufsatz für die ausgesendeten und empfangenen Mikrowellen zumindest teilweise transparent ausgestaltet ist. Dementsprechend sollte das Material und/oder die Geometrie in diesem Bereich des Gehäuses derart gewählt werden, dass die Mikrowellenstrahlung möglichst wenig absorbiert wird.
Um das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät komplett überflutungssicher auszulegen, ist es notwendig, das Gehäuse fluiddicht gegen das Füllgut auszugestalten. Sofern das Gehäuse mehrteilig aufgebaut ist, sind also beispielsweise die Verbindungen entsprechend spaltfrei abzudichten. Dies gilt auch für etwaige Öffnungen des Gehäuses für Kabelführungen, mittels der die Geräte-Elektronik innerhalb des Gehäuses kontaktiert wird. Außerdem muss das Material, aus dem das Gehäuse aufgebaut ist, gegen das Füllgut beständig sein. Bei korrosiv wirkenden Füllgütern sind daher entsprechend resistente Kunststoffe als Gehäusekörper oder geeignete Gehäusebeschichtungen zu verwenden.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

1: eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes an einem Behälter,
2: eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes, und
3: eine zweite Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes.

In 1 wird eine schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. In dem Behälter 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Hierzu ist das Füllstandsmessgerät 1 in einer vorbekannten Einbauhöhe oberhalb des Füllgutes 3 am Behälter 2 angebracht. Es ist derart ausgerichtet, dass es Mikrowellen über einen Antennenaufsatz 6 in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 3 aussendet. Der Antennenaufsatz 6 ist hierbei an einem fluiddichten Gehäuse 4 des Füllstandsmessgerätes 1 befestigt. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Mikrowellen in Abhängigkeit der Entfernung zur Füllgut-Oberfläche.
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über ein Bussystem, etwa „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ mit einem übergeordneten Prozessleitsystem verbunden. Hierüber können zum einen Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Zum anderen können Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um beispielsweise am Behälter 2 vorhandene Zu- und Abflüsse zu steuern.
In 1 wird der kritische Fall gezeigt, dass der Füllstand L einen maximalen Füllstandswert L_max überschreitet. Dieser liegt bei Radar-basierten Füllstandsmessgeräten nach dem Stand der Technik in der Regel am unteren Rand der Hornantenne. Steigt der Füllstand über den unteren Rand hinaus an, so dringt Füllgut 3 in die Hornantenne ein und es besteht die Gefahr, dass ein falscher Füllstandswert ermittelt wird. Ein Grund hierfür kann sein, dass Füllstands-Echos aus dem Antennen-Inneren von Geräte-internen Stör-Echos, die vornehmlich im selben Zeitbereich auftreten, überlagert werden können. Dies kann dazu führen, dass beispielsweise das Echo des Behälterbodens fälschlicherweise als vermeintliches Füllstands-Echo interpretiert wird und als Folge ein zu geringer Füllstandswert ausgegeben wird. Kritisch kann sich außerdem auswirken, dass die Hornantenne bei Kontakt mit dem Füllgut 3 auf Massepotential gezogen werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Eindringen des Füllgutes 3 in den Antennenaufsatz 6 dadurch unterbunden, dass der Hohlraum 7 des Antennenaufsatzes 6 gasdicht zum Gehäuse 4 hin abgedichtet ist. Hierdurch bildet sich ein Luftpolster innerhalb des Hohlraums 7, wodurch das Eindringen des Füllgutes 3 bei Anstieg des Füllstandes L über den unteren Rand des Antennenaufsatzes 6 hinaus verhindert wird. Somit wird ausgeschlossen, dass das Füllstandsmessgerät 1 zum Beispiel aufgrund von Geräte-internen Stör-Echos einen falschen Füllstandswert ermittelt.
2 zeigt eine Schnitt-Ansicht des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1. Durch diese Ansicht wird erkenntlich, dass im Inneren des Gehäuses 4 eine Antenne 5 zum Aussenden und Empfangen der Mikrowellen angeordnet ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Hornantenne. Der Antennenaufsatz 6 ist dabei derart an der Außenwand des Gehäuses 4 angeordnet, dass die Achse des zylindrischen Hohlraums 7 zu der Abstrahl-Achse der Hornantenne 5 fluchtet, wobei sich der Hohlraum 7 konisch in Verlängerung der Hornantenne 5 aufweitet.
Der Antennenaufsatz 6 ist bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Schraubverbindung 8 am Gehäuse 4 befestigt. Der vergrößerte Ausschnitt in 2 zeigt, dass der entsprechende Bereich des Gehäuses 4 hierzu als Außengewinde ausgestaltet ist. Korrespondierend dazu umfasst der Antennenaufsatz 6 im verjüngten Endbereich des Hohlraums 7 ein Innengewinde. Hierdurch kann der Antennenaufsatz 6 für Anwendungen, die eine kompakte Bauform des Füllstandsmessgerätes 1 erfordern und bei denen kein Risiko einer Überschreitung des maximalen Füllstandes L_max besteht, optional abgenommen werden.
Die erfindungsgemäße Gasundurchlässigkeit zwischen dem Hohlraum 7 und dem Gehäuse 4 im Bereich der Schraubverbindung 8 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen O-Ring 9 erreicht. Der O-Ring 9 ist hierbei so angeordnet, dass er den Antennenaufsatz 6 durch dessen Anschrauben axial zum Gehäuse 4 hin abdichtet.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 gezeigt. Es unterscheidet sich zu der Ausführungsvariante, die in 2 gezeigt ist, durch die Befestigung des Antennenaufsatzes 6. Bei dem Ausführungsbeispiel in 3 wird dieser über eine Flanschverbindung 8' am Gehäuse 4 befestigt. Die Fixierung der Flanschverbindung 8` kann hierbei über eine entsprechende Schelle oder Schraubverbindungen erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Füllstandsmessgerät
2: Behälter
3: Füllgut
4: Gehäuse
5: Antenne
6: Antennenaufsatz
7: Hohlraum
8: Schraubverbindung
8`: Flanschverbindung
9: Dichtelement
L: Füllstand
Lmax: Maximaler Füllstand

Claims

Füllstandsmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstandes (L) eines in einem Behälter (2) befindlichen Füllgutes (3) mittels eines Mikrowellen-Laufzeitmessverfahrens, umfassend: - ein Gehäuse (4), das fluiddicht gegen das Füllgut (2) ausgestaltet ist, - eine im Gehäuse (4) befindliche Antenne (5) zum Aussenden und/oder Empfangen der Mikrowellen, - einen an einer Außenfläche des Gehäuses (4) angeordneten Antennenaufsatz (6) mit einem Hohlraum (7), wobei sich der Hohlraum (7) an das Gehäuse (4) anschließt und eine dem Füllgut (3) zugewandte Austrittsöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenaufsatz (6) derart ausgestaltet und am (4) Gehäuse angeordnet ist, dass der Hohlraum (7) gasdicht zum Gehäuse (4) hin abdichtet, und dass das Eindringen des Füllgutes (3) bei Anstieg des Füllstandes (L) über einen unteren Rand des Antennenaufsatzes (6) hinaus verhindert wird.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenaufsatz (6) über eine lösbare Verbindung (8, 8`) mit dem Gehäuse (4) verbunden ist.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der lösbaren Verbindung (8, 8`) um eine Schraubverbindung (8) handelt.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lösbare Verbindung als Flanschverbindung (8`) ausgestaltet ist.
Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur gasdichten Abdichtung zwischen dem Antennenaufsatz (6) und dem Gehäuse (4) zumindest ein Dichtelement (9) angeordnet ist.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem zumindest einen Dichtelement (9) um einen O-Ring oder einen X-Ring handelt.
Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (7) eine zylindrische Form mit einem runden Querschnitt aufweist, wobei der Hohlraum (7) über eine Endfläche des Zylinders an das Gehäuse (4) anschließt.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenaufsatz (6) derart am Gehäuse (4) angeordnet ist, dass die Zylinder-Achse zu einer Abstrahl-Achse der Antenne (5) fluchtet.
Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des Hohlraums (7) zumindest in einem Teilbereich konisch aufweitet.
Füllstandsmessgerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenaufsatz (6) aus einem fluid-undurchlässigen Kunststoff-Grundkörper aufgebaut ist.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenaufsatz (6) zumindest in einem Teilbereich des Hohlraums (7) eine metallische Beschichtung aufweist.
Füllstandsmessgerät nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) zumindest in einem Bereich zwischen der Antenne (5) und dem Antennenaufsatz (6) für die Mikrowellen zumindest teilweise transparent ausgestaltet ist.