DE102017126127A1 - Radar-based level gauge - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Radarbasiertes Füllstandsmessgerät zur Befestigung an einem Behälter (2) mit einem Rundanschluss (21, 21'), wobei der Rundanschluss (21, 21') eine vordefinierte Endkontur (210) aufweist. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät (1) einen Deckel (11) mit einem Befestigungsmittel (110, 110'), mittels dem der Deckel (1) am Behälter (2) befestigbar ist. Dabei ist der Deckel (11) so ausgelegt, dass im befestigten Zustand zumindest eine Kontaktfläche des Deckels (11) an die Endkontur (210) anschließt. Zur Füllstandsmessung ist im Deckel (11) eine Sende-/Empfangs-Einheit (12) angeordnet, um radar-basierte Sendesignale (SHF) in Richtung des Füllgutes (3) auszusenden und anhand der Empfangssignale (EHF) den Füllstand (L) des Füllgutes (3) im Behälter (2) zu bestimmen. Erfindungsgemäß weist der Deckel (11) in Bezug zu dessen Kontaktfläche eine Höhe (Wmax) von maximal 60 mm auf. Hierdurch kann der Deckel (11) beispielsweise gemäß den Abmessungen eines Blindflansches für Flanschanschlüsse (21) konzipiert werden. Somit kann das Füllstandsmessgerät (1) platzsparend am Behälter (2) angebracht werden. The invention relates to a radar-based level measuring device for attachment to a container (2) with a round terminal (21, 21 '), wherein the round terminal (21, 21') has a predefined end contour (210). For this purpose, the level measuring device (1) comprises a lid (11) with a fastening means (110, 110 '), by means of which the lid (1) can be fastened to the container (2). In this case, the lid (11) is designed so that in the attached state, at least one contact surface of the lid (11) adjoins the end contour (210). For level measurement, a transmitting / receiving unit (12) is arranged in the lid (11) to emit radar-based transmission signals (S HF ) in the direction of the filling material (3) and based on the received signals (E HF ) the level (L) of the filling material (3) in the container (2) to determine. According to the invention, the cover (11) has a height (W max ) of a maximum of 60 mm in relation to its contact surface. In this way, the lid (11) can be designed, for example, according to the dimensions of a blind flange for flange connections (21). Thus, the level gauge (1) can be mounted to save space on the container (2).
Description
Die Erfindung betrifft ein Radarbasiertes Füllstandsmessgerät zur Befestigung an einem Behälter mit einem Rundanschluss, wie einem Flansch-, Klemm- oder Schraubanschluss.The invention relates to a radar-based level gauge for attachment to a container with a round terminal, such as a flange, clamp or screw.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung 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, oder vergleichbaren Geräten zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.In process automation technology, field devices are often used to detect or influence process variables. For the detection of process variables, sensors are used which are used, for example, in level gauges, flowmeters, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity meters, or comparable devices. They record the corresponding process variables, such as level, flow, pressure, temperature, pH, redox potential or conductivity. Various types of such field device types is manufactured and distributed by the company Endress + Hauser.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher überwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung definiert sich „Radar“ als Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Die beiden gängigen Messprinzipien bilden hierbei das Puls-Laufzeit-Prinzip (auch unter dem Begriff „Pulsradar“ bekannt) sowie das FMCW-Prinzip („Frequency Modulated Continuous Wafe“).Non-contact measuring methods have become established for level measurement of products in containers since they are robust and require little maintenance. The term "container" in the context of the invention, non-self-contained containers, such as pools, lakes or flowing waters understood. Another advantage of non-contact measuring methods is the ability to measure the level virtually continuously. In the field of continuous level measurement, radar-based measuring methods are therefore predominantly used (in the context of this patent application, "radar" is defined as signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz). The two common measurement principles here are the pulse-transit time principle (also known by the term "pulse radar") and the FMCW principle ("Frequency Modulated Continuous Wafe").
Füllstandsmessgeräte sind in der Regel in universellen Feldgeräte-Gehäusen, die für die Anforderungen verschiedenster Feldgeräte-Typen ausgelegt sind, untergebracht. Dementsprechend sind die Gehäuse so konzipiert, dass sie möglichst breiten Anforderungen genügen. Diese betreffen insbesondere die elektromagnetische Verträglichkeit („EMV“), Explosionssicherheit (wie beispielsweise in der Normenreihe EN 60079 definiert), KorrosionsBeständigkeit oder Schlagfestigkeit. Darüber hinaus umfassen die Gehäuse in der Regel zudem mehrere Interfaces wie Displays, Tastaturen oder diverse Kabel-Anschlüsse. Ein entsprechendes Gehäuse für Feldgeräte wird beispielsweise in der internationalen Offenlegungsschrift
Aufgrund dieser umfangreichen Anforderungen an Feldgeräte-Gehäuse resultiert in der Praxis ein vergleichsweise platzintensives Gehäuse, das an engen Einbauorten aus Platzmangel nicht montierbar ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Füllstandsmessgerät bereitzustellen.Due to these extensive requirements for field device housing results in practice a comparatively space-intensive housing, which is not mountable in tight installation locations lack of space. The invention is therefore based on the object to provide a compact level gauge.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein radarbasiertes Füllstandsmessgerät, das an einem Behälter mit einem Rundanschluss befestigbar ist, wobei der Rundanschluss eine vordefinierte Endkontur aufweist. Erfindungsgemäß umfasst das Füllstandsmessgerät:
- - Einen Deckel mit
- ○ einem Befestigungsmittel, mittels dem der Deckel am Behälter befestigbar ist.
- - eine im Deckel angeordnete Sende-/Empfangs-Einheit, die ausgelegt ist, um radar-basierte Sendesignale in Richtung des Füllgutes auszusenden und nach Reflektion an der Füllgutoberfläche anhand von entsprechenden Empfangssignalen den Füllstand eines im Behälter befindlichen Füllgutes zu bestimmen.
- - a lid with
- ○ a fastening means by means of which the lid is attachable to the container.
- - An arranged in the lid transmitting / receiving unit which is designed to emit radar-based transmission signals in the direction of the contents and to determine the level of a filling material located in the container after reflection on the Füllgutoberfläche based on corresponding received signals.
Aufgrund der geringen Höhe des Deckels kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät also für Anwendungen eingesetzt werden, die vor allem hinsichtlich der Einbauhöhe über dem Behälter einen flachen Aufbau des Füllstandsmessgerätes erfordern. Dies betrifft beispielweise Füllstandsmessung an einer Gehäuseöffnung eines quadratischen IBC-Tanks, der trotz eines angebrachten Füllstandsmessgerätes nach wie vor stapelbar sein muss. Unbeschadet hiervon kann auf Basis des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes ein überdrucksicherer Verschluss des Rundanschlusses erreicht werden, da der Deckel beispielsweise gemäß den Abmessungen eines Blindflansches konzipiert werden kann. Somit kann der Deckel potentiell ausgelegt werden, um das Innere des Behälters zumindest gemäß der Nenndruckstufe PN 2,5 überdruckfest abzudichten.Due to the small height of the lid, the level measuring device according to the invention can thus be used for applications that require a flat structure of the level gauge, especially with regard to the installation height above the container. This concerns, for example, level measurement at a housing opening of a square IBC tank, which still has to be stackable despite an attached level gauge. Notwithstanding this, based on the level measuring device according to the invention, a positive-pressure closure of the round terminal can be achieved, since the lid can be designed, for example, according to the dimensions of a blind flange. Thus, the lid can potentially be designed to seal the interior of the container at least according to the nominal pressure level PN 2.5 overpressure resistant.
Als Sende-/Empfangseinheit für das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät eignet es sich insbesondere, wenn die Sende-/Empfangs-Einheit ausgelegt ist, um die Sendesignale mit einer Frequenz von zumindest 75 GHz auszusenden. In diesem Fall kann die Sende-Empfangseinheit sehr kompakt ausgelegt werden, da entsprechende elektronische Bausteine bei solchen Frequenzen (sowie gegebenenfalls auch der Empfang entsprechender Empfangssignale) auf Basis einer integrierten Halbleiterschaltung realisiert werden können. Neben dem Vorteil der Kompaktheit bietet sich bei hohen Frequenzen außerdem der Vorteil, dass bei höheren Frequenzen eine größere absolute Bandbreite genutzt werden kann. Dadurch wird wiederum eine höhere Auflösung bzw. Genauigkeit der Füllstandsmessung erreicht. Insbesondere bei der Füllstandsmessung stellt dies eine wichtige Anforderung dar, da je nach Anwendung eine hochgenaue Kenntnis des Füllstandes erforderlich ist. As a transmitting / receiving unit for the level measuring device according to the invention, it is particularly suitable if the transmitting / receiving unit is designed to emit the transmission signals at a frequency of at least 75 GHz. In this case, the transceiver unit can be made very compact, since corresponding electronic components at such frequencies (and possibly also the receipt of corresponding received signals) can be realized based on a semiconductor integrated circuit. In addition to the advantage of compactness, there is also the advantage at high frequencies that a higher absolute bandwidth can be used at higher frequencies. This in turn achieves a higher resolution or accuracy of the level measurement. This is an important requirement in particular for level measurement since, depending on the application, a highly accurate knowledge of the filling level is required.
Vor allem bei Radar-Frequenzen oberhalb von 75 GHz bietet es sich erfindungsgemäß an, wenn der Deckel eine quasi-optische Linse zur Bündelung von zumindest den Sendesignalen umfasst. Dadurch kann auf platzintensive (Horn-)Antennen verzichtet werden. Dabei handelt es sich im Rahmen der Erfindung bei dem Begriff „quasioptische Linse“ analog zu optischen Linsen um Materialien, mit denen elektromagnetische Wellen im Radar-Spektralbereich [0,3 bis 300 GHz] gebrochen werden, und durch die sich bei entsprechender Formgebung eine definierte Bündelung oder Ablenkung des Strahlengangs erreichen lässt. Vor allem bei Implementierung einer quasi-optischen Linse (unter Verwendung entsprechend hoher Radar-Frequenzen) kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät so ausgelegt werden, dass es an einen Rundanschluss mit einem Innendurchmesser von maximal 200 mm, insbesondere weniger als 65 mm befestigbar ist. Besonders vorteilhaft ist die Anbringung an einem Rundanschluss mit einem Innendurchmesser von 50 mm (DN50/2) oder 39 mm (DN40/1½)Especially at radar frequencies above 75 GHz, it makes sense according to the invention if the cover comprises a quasi-optical lens for bundling at least the transmission signals. This can be dispensed with space-consuming (horn) antennas. In the context of the invention, the term "quasi-optical lens" is analogous to optical lenses to materials with which electromagnetic waves in the radar spectral range [0.3 to 300 GHz] are refracted, and by means of which a defined one is formed with appropriate shaping Bundling or deflection of the beam path can be achieved. Especially when implementing a quasi-optical lens (using correspondingly high radar frequencies), the level gauge according to the invention can be designed so that it can be attached to a round terminal with an inner diameter of at most 200 mm, in particular less than 65 mm. Particularly advantageous is the attachment to a round connector with an inner diameter of 50 mm (DN50 / 2) or 39 mm (DN40 / 1½)
Im Sinne der Erfindung kann der Deckel an verschiedene Arten von Rundanschlüssen adaptiert werden: Denkbar sind unter anderem Flanschanschlüsse, Schraubanschlüsse oder Klemmanschlüsse (besser bekannt unter dem englischen Begriff „Clamp-Anschluss“, wie beispielsweise Tri-Clamp ®). In Abhängigkeit hiervon ist das Befestigungsmittel des Deckels als Flansch zu konzipieren, um das Füllstandsmessgerät an einem entsprechendem Flansch- oder Klemmanschluss des Behälters zu befestigen. Um das Füllstandsmessgerät an einem entsprechendem Schraubanschluss des Behälters zu befestigen, ist das Befestigungsmittel entsprechend als Innengewinde oder Außengewinde auszulegen.For the purposes of the invention, the cover can be adapted to various types of round connections: Conceivable, inter alia, flange connections, screw terminals or terminal connections (better known under the English term "clamp connection", such as Tri-Clamp ®). In response, the fastener of the cover is to be designed as a flange to secure the level gauge to a corresponding flange or clamp connection of the container. In order to fix the level gauge to a corresponding screw connection of the container, the fastening means must be designed accordingly as internal thread or external thread.
Der Begriff „Endkontur“ bezieht sich im Zusammenhang mit der Adaptierbarkeit des erfindungsgemäßen Deckels auf verschiedene Rundanschlüsse allgemein auf diejenige Fläche oder planare Kontur des Rundanschlusses, die (in Bezug zur imaginären Achse des Rundanschlusses) der Behälter-Außenseite zugewandt ist. Dementsprechend handelt es sich im Fall eines Flansch- oder Klemmanschlusses bei der Endkontur des um diejenige Flanschfläche des Behälter-seitigen Flansches, die dem Deckel-seitigen Flansch zugewandt ist. Sofern der Rundanschluss als Schraubanschluss realisiert ist, handelt es sich bei der Endkontur wiederum um diejenige planare Kontur des Rundanschlusses, die bei vollständigem Verschrauben des Deckels als dessen Endanschlag fungiert.In connection with the adaptability of the cover according to the invention to various round connections, the term "final contour" generally refers to that surface or planar contour of the round connection which faces the container outer side (in relation to the imaginary axis of the round connection). Accordingly, in the case of a flange or clamp connection, the end contour of the flange face of the container-side flange faces the lid-side flange. If the round connection is realized as a screw connection, the final contour is again that planar contour of the round connection which, when the cover is completely screwed, functions as its end stop.
Eine vorteilhafte Umsetzung der Erfindung besteht darin, die Bemaßung der Höhe des Deckels (unter Berücksichtigung der maximalen Höhe von 60 mm) an den Innendurchmesser des Rundanschlusses zu koppeln. Eine mögliche Kopplung kann sich dabei nach der Art des Rundanschlusses richten. Im Fall eines Flanschanschlusses kann die Höhe beispielsweise gemäß der Norm EN 1092-01/01 A für Flanschanschlüsse an den Innendurchmesser des Flansches gekoppelt werden. Die nachfolgende Tabelle stellt hierbei einen Auszug aus der Norm dar und veranschaulicht die dortige Kopplung der (Flansch-) Höhe an den Flansch-Innendurchmesser:
Es versteht sich von selbst, dass der Deckel erfindungsgemäß auch in jeglicher anderen gekoppelten Bemaßung von Innendurchmesser zu Höhe, die in dieser Norm gezeigt ist, konzipiert werden kann. Bei der Auslegung des Deckels auf einen Klemmanschluss gilt die gekoppelte Bemaßung gleichermaßen für die Normen DIN 32676.It goes without saying that the lid according to the invention can also be designed in any other coupled dimension from inner diameter to height, which is shown in this standard. When designing the cover on a terminal connection, the coupled dimension applies equally to the standards DIN 32676.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt:
-
1 : eine schematische Darstellung der Anordnung von Radar-basierten Füllstandsmessgeräten an einem Behälter, -
2 : eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes für Flanschanschlüsse, -
3 : eine zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes für Schraubanschlüsse mit Innengewinde, und -
4 : eine dritte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes für Schraubanschlüsse mit einem Außengewinde.
-
1 : a schematic representation of the arrangement of radar-based level gauges on a container, -
2 : a first embodiment variant of the level measuring device according to the invention for flange connections, -
3 A second variant of the filling level measuring device according to the invention for screw connections with internal thread, and -
4 A third variant of the filling level measuring device according to the invention for screw connections with an external thread.
Zum allgemeinen Verständnis der Erfindung ist in
Das Füllstandsmessgerät
Im Fall von FMCW Radar handelt es sich bei dem Sendesignal
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät
Das in
Dies kann durch das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät
Wie aus
Begünstigt wird die Integration der Sende-/Empfangseinheit
Eine reduzierte Bemaßung der Höhe
Anstelle der in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Radar-basiertes FüllstandsmessgerätRadar-based level gauge
- 22
- Behältercontainer
- 33
- Füllgutfilling
- 44
- Übergeordnete EinheitParent unit
- 11,11
- Deckelcover
- 11*11 *
- Gehäusecasing
- 1212
- Sende-/EmpfangseinheitTransmit / receive unit
- 2121
- Flanschanschlussflange
- 21'21 '
- SchraubanschlussScrew
- 110110
- Flanschflange
- 110'110 '
- Gewindethread
- 111111
- Quasi-optische LinseQuasi-optical lens
- 210210
- Endkonturfinal contour
- Di D i
- InnendurchmesserInner diameter
- dd
- Entfernungdistance
- EHF E HF
- Empfangssignalereceive signals
- hH
- Einbauhöheinstallation height
- LL
- Füllstandlevel
- SHF S HF
- Sendesignalsend signal
- Wmax W max
- Höhe des GehäusesHeight of housing
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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