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Die Erfindung betrifft ein integriertes Messgerät gemäß Anspruch 1. Das integrierte Messgerät weist dabei einen Füll- und/oder Grenzstandsensor und eine Druckmesszelle auf. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung eines solchen integrierten Messgerätes an einem Behälter gemäß Anspruch 14.
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Füll- und/oder Grenzstandsensoren zur Erfassung eines Füllstandes oder eines Grenzstandes von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in einem Behälter sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt.
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Aus dem Stand der Technik sind ebenfalls verschiedene Druckmesszellen bekannt, mittels welchen ein Druck von Flüssigkeiten und/oder Gasen in einem Behälter bestimmt werden kann.
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Beispielsweise ist aus
WO 2014/195076 A1 ein Messgerät mit wenigstens einem Grenzstandsensor und einem Drucksensor bekannt. Der Grenzstandsensor ist dazu ausgelegt den Grenzstand vibronisch zu ermitteln. Der Grenzstandsensor und der Drucksensor weisen einen gemeinsamen Prozessanschluss zur Anordnung an einen Behälter auf. Der Drucksensor soll dabei lateral neben dem Grenzstandsensor angeordnet sein.
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Die zugrundeliegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein integriertes Messgerät mit einem Füll- und/oder Grenzstandsensor und einer Druckmesszelle sowie eine Anordnung eines solchen Messgerätes an einem Behälter zur Verfügung zu stellen, welche jeweils besonders kompakt sind.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile sind in Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßes integriertes Messgerät weist einen Füll- und/oder Grenzstandsensor auf. Der Füll- und/oder Grenzstandsensor ist dazu ausgebildet, elektromagnetische Strahlung auszusenden bzw. zu emittieren, welche ausgehend von dem Füll- und/oder Grenzstandsensor in Richtung eines zu messenden Füllguts in einem Behälter ausgesendet wird.
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Ferner weist das integrierte Messgerät eine Druckmesszelle auf. Die Druckmesszelle dient dazu, den Druck in dem Behälter zu bestimmen. Wie nachfolgend noch näher erläutert, können für das erfindungsgemäße Messgerät Druckmesszellen verschiedener Prinzipien eingesetzt werden.
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Der Füll- und/oder Grenzstandsensor ist derart angeordnet, dass die von dem Füll und/oder Grenzstandsensor ausgesandte Strahlung die Druckmesszelle durchdringt oder mit anderen Worten durch die Druckmesszelle hindurchstrahlt. Die Funktionsweise des Füll- und/oder Grenzstandsensors wird dabei nicht beeinträchtigt; die Strahlung kann im Wesentlichen ungehindert durch die Druckmesszelle propagieren. Die Messung der Druckmesszelle wird ebenfalls nicht von der Strahlung beeinflusst.
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Die Druckmesszelle ist insbesondere dem Prozess, d.h. den Medien im Behälter, unmittelbar zugewandt, und steht mittelbar oder unmittelbar mit einem Medium im Behälter in Kontakt. Der Füll- und/oder Grenzstandsensor ist insbesondere auf der dem Prozess abgewandten Seite der Druckmesszelle angeordnet. Die von dem Füll- und/oder Grenzstandsensor ausgesandte Strahlung durchstrahlt die Druckmesszelle und trifft anschließend auf die Oberfläche des zu messenden Füllguts. Ebenfalls propagiert die von der Füllgutoberfläche zurück reflektierte Strahlung wieder durch die Druckmesszelle und kann dann so von dem dahinter angeordneten Füll- bzw. Grenzstandsensor detektiert werden.
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Das erfindungsgemäße integrierte Messgerät, welches eine Einheit aus Füll- und/oder Grenzstandsensor und Druckmesszelle bildet, ist durch die durchstrahlende Anordnung der Druckmesszelle besonders kompakt. Das integrierte Messgerät bietet die Möglichkeit mit nur einem Bauteil sowohl den Füllstand bzw. Grenzstand von Füllgut in einem Behälter als auch den Druck innerhalb des Behälters zu bestimmen. Der Füll- und/oder Grenzstandsensor kann zusammen mit der Druckmesszelle an einem Behälter montiert werden. Insgesamt ist der Aufwand für die Montage des integrierten Messgerätes gering, insbesondere im Vergleich zur Anbindung von zwei separaten Sensoren.
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In einer praktischen Ausführungsform handelt es sich bei dem Füll- und/oder Grenzstandsensor um einen Radarsensor. Der Füll- und/oder Grenzstandsensor weist entsprechend eine Radarquelle auf, welche Radarstrahlung emittiert. Solche Radarmessgeräte sind beispielsweise mit Hornantennen ausgestattet, über die ein eingekoppeltes HF-Signal in Richtung des Füllgutes abgestrahlt wird. Dieses HF-Signal wird von der Oberfläche des Füllgutes reflektiert und dann der zeitliche Verlauf der rückreflektierten elektromagnetischen Strahlung als Echokurve detektiert. Dabei werden unter anderem Reflexionen an der Oberfläche der zu messenden Flüssigkeit bzw. des in dem Behälter eingefüllten Füllguts detektiert. Die Reflexionen ergeben in der Summe ein Signal, das zeitabhängig gemessen wird und als zeitabhängige Echokurve mit meist mehreren Maxima detektiert und dargestellt wird. Aus dem Verlauf dieser Echokurve wird dann die Füllhöhe des in dem Behälter befindlichen Füllguts bestimmt. Nach dem Radarprinzip arbeitende Sensoren sind gut erprobte und verlässliche Sensoren, so dass ein erfindungsgemäßes Messgerät besonders robust ist. Mit einem Radarsensor lassen sich sowohl der Füllstand bzw. der Grenzstand von Flüssigkeiten als auch von Schüttgütern bestimmen.
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Alternativ kann es sich bei dem Füll- und/oder Grenzstandsensor um einen Sensor handeln, der Strahlung im Ultraschallbereich oder radioaktive Strahlung aussendet.
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Insbesondere weist die Druckmesszelle eine Membran auf. Die Membran ist dem Prozess zugewandt und verformt bzw. wölbt sich abhängig vom Druck im Behälter. Das Maß der Verformung bzw. der Wölbung kann gemessen werden und daraus der Druck im Behälter bestimmt werden. Mittels einer Membran können Druckänderungen in einem Behälter besonders zuverlässig detektiert werden.
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In einer besonders kompakten Ausführungsform ist der Füll- und/oder Grenzstandsensor insbesondere derart angeordnet, dass die ausgestrahlte Strahlung die Membran durchdringt. In diesem Fall überlappen sich die Messareale der beiden Sensoren zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig. Als Messareale werden die Bereiche bezeichnet, die konkret dazu dienen, die jeweilige Messgröße zu ermitteln. Damit ist die Fläche, die das Messgerät einnimmt, um den Füllstand bzw. Grenzstand und den Druck zu ermitteln, besonders klein und das integrierte Messgerät kann besonders geringen Abmessungen aufweisen.
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Damit die elektromagnetische Strahlung und insbesondere Radarstrahlung die Membran durchdringen kann, ist die Membran insbesondere aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material ausgebildet. Vorzugsweise ist die Membran aus Keramik ausgebildet.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßes integrierten Messgerätes weist die Druckmesszelle einen Grundkörper auf, auf welchem die Membran angeordnet ist. Üblicherweise ist die Membran in ihren Randbereichen mittels eines Glaslotes bzw. einer Glasnaht auf dem Grundkörper befestigt und durch die Glasnaht beabstandet vom Grundkörper angeordnet. Zwischen dem Grundkörper und der Membran ist ein Hohlraum ausgebildet, in welchem sich ein Referenzdruck einstellt. Der Hohlraum kann evakuiert werden, so dass mittels der Druckmesszelle ein absoluter Druck gemessen werden kann. Alternativ kann ein anderer Referenzdruck in dem Hohlraum eingestellt werden, beispielsweise der Umgebungsdruck, so dass der Druck im Behälter relativ zur Umgebung bestimmt werden kann.
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Der Grundkörper weist insbesondere einen Hohlleiter auf, welcher dazu dient, die von einer Strahlungsquelle, wie z.B. der Hornantenne, ausgesandte Strahlung von dem Füll- und/oder Grenzstandsensor in Richtung der Oberfläche des Füllgutes zu führen. Dabei kann der Hohlleiter entweder direkt in Form einer Bohrung in dem Grundkörper ausgebildet sein oder in der Bohrung kann ein zusätzlicher Hohlleiter geeigneten Materials angeordnet sein. Sowohl die Ausbildung eines Hohlleiters direkt in dem Grundkörper der Druckmesszelle als auch die Anordnung eines Hohlleiters kann in einfacher Weise ohne großen konstruktiven Aufwand erfolgen. Die Funktionsweise der Druckmesszelle wird dadurch nicht beeinträchtigt.
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Insbesondere handelt es sich bei der Druckmesszelle um eine kapazitive Druckmesszelle. Bei der kapazitiven Druckmesszelle sind die Membran und der gegenüberliegende Grundkörper auf den zueinander weisenden Flächen, welche den Hohlraum begrenzen, teilweise mit einer metallischen Beschichtung versehen. Der Grundkörper und die Membran dienen dann jeweils als Elektrode und können jeweils als Elektrode eines Plattenkondensators angesehen werden. Zwischen den beiden Elektroden wird eine Kapazität gemessen. Durch die von einer Druckänderung induzierte Wölbung der Membran ändert sich der Abstand der beiden Elektroden und entsprechend auch die gemessene Kapazität. Aus der detektierten Änderung der Kapazität kann dann auf den Druck innerhalb des Behälters geschlossen werden. Die auf dem Grundkörper angeordnete Elektrode und die auf der Membran angeordnete Elektrode werden durch den Grundkörper hindurch kontaktiert. Ferner kann mindestens eine Referenzelektrode vorgesehen sein, mittels welcher unter anderem eine durch eine Temperaturänderung verursachte Änderung der Kapazität detektiert werden kann. Die Elektroden weisen in der Regel eine kreisförmige Geometrie auf und die mindestens eine Referenzelektrode ist konzentrisch um die Elektrode auf dem Grundkörper angeordnet.
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Wenn die Membran, wie vorstehend beschrieben, eine metallische Beschichtung zur Bildung der Elektroden aufweist, ist die Beschichtung auf der Membran insbesondere derart aufgebracht, dass die Strahlung trotzdem durch die Druckmesszelle propagieren kann. Entweder kann die Beschichtung dazu besonders dünn sein. Alternativ oder in Ergänzung dazu ist die Beschichtung derart strukturiert, dass im Austrittsbereich und im Eintrittsbereich der ausgesandten und reflektierten Strahlung die Beschichtung ausgespart ist. Beispielsweise kann die Beschichtung im Bereich des Hohlleiters eine kreisförmige Aussparung im Durchmesser des Hohlleiters aufweisen. Die jeweilige Beschichtung zur Bildung einer Elektrode ist dann insbesondere ringförmig ausgebildet.
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Es ist auch denkbar, dass die Beschichtung in Art eines Drahtgitters (oder Hertzschen Gitters) ausgebildet ist. Die metallische Beschichtung umfasst dabei eine Anordnung paralleler Metallstreifen und bildet entsprechend einen Polarisator für die elektromagnetischen Wellen. Der Polarisator ist für Wellen durchlässig, deren elektrisches Feld senkrecht zu den Streifen schwingt. Insbesondere weist die metallische Beschichtung parallel zueinander angeordnete Längsabschnitte auf, die an ihren Enden miteinander über Querabschnitte verbunden sind. Die metallische Beschichtung kann dann relativ zur Antenne so ausgerichtet sein, dass die Längsabschnitte senkrecht zur Polarisation der elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Beschichtung auch gleichzeitig als Polarisator für die Echosignale wirken kann, so dass beispielsweise an Behälterwänden reflektierte und in der Polarisationsrichtung geänderte parasitäre Strahlung wenigstens teilweise unterdrückt werden kann.
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Die Messung des Druckes mittels der Druckmesszelle kann auch auf einem anderen als dem kapazitiven Prinzip beruhen. So kann die Druckmesszelle einen Dehnungsmessstreifen aufweisen, welcher auf der Membran angeordnet ist. Durch die Wölbung der Membran ändert sich die Länge des Dehnungsmessstreifens, der sich mit der Membran verformt. Die Längenänderung des Dehnungsmessstreifens führt wiederrum zu einem veränderten elektrischen Widerstand in dem Dehnungsmesstreifen, welcher gemessen und mit dem Druck in dem Behälter korreliert werden kann.
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Alternativ können die beiden Messprinzipien der Druckmesszelle und des Füll- und/oder Grenzstandsensors auch kombiniert werden. Dabei kann die ausgesandte Strahlung des Füll- und/oder Grenzstandsensors dazu dienen, die Wölbung der Membran, d.h. den Abstand der Membran von der Strahlungsquelle, zu detektieren und daraus den Druck abzuleiten. Dadurch wird ein noch kompakteres Messgerät erzielt. Zudem liegt nur ein Ausgangssignal vor, wobei hieraus der Abstand der Membran und der Abstand der Oberfläche des Füllgutes zu der Strahlungsquelle ermittelt werden können.
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Der Füll- und/oder Grenzstandsensor und die Druckmesszelle sind insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Insbesondere ist die Strahlungsquelle des Füll- und/oder Grenzstandsensors auch zusammen mit dem Drucksensor in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse ist dann mit beiden Sensoren an einem Behälter befestigbar. Die Befestigung kann dabei über einen gemeinsamen Prozessanschluss, wie beispielsweise einen Flansch oder ein Einschraubgewinde erfolgen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform sind der Füll- und/oder Grenzstandsensor und die Druckmesszelle mit einer gemeinsamen Auswerteelektronik verbunden. Entsprechend werden die Messsignale, die jeweils von dem Füll- und/oder Grenzstandsensor und der Druckmesszelle ermittelt werden, an eine gemeinsame Auswerteeinheit gesendet. Damit wird wiederrum die Anzahl an Komponenten reduziert.
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Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung eines wie vorstehend beschriebenen Messgerätes an einem Behälter. Dabei wird das integrierte Messgerät mit dem Füll- und/oder Grenzstandsensor und der Druckmesszelle an dem Behälter montiert und es kann sowohl der Druck in dem Behälter als auch der Füllstand bzw. Grenzstand von Füllgut in dem Behälter mit nur einem kompakten Messgerät bestimmt werden. In Bezug auf die weiteren Vorteile wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
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Weitere praktische Ausführungsformen sind in Verbindung mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1: ein erfindungsgemäßes integriertes Messgerät in einer schematischen Schnittansicht,
- 2: das Messgerät aus 1 in einer Draufsicht auf den Grundkörper der Druckmesszelle und
- 3: die Anordnung eines Messgerätes gemäß 1 und 2 an einem Behälter in einer schematischen Darstellung.
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In 1 ist ein integriertes Messgerät 10 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Das integrierte Messgerät 10 weist dabei einen Füll- bzw. Grenzstandsensor 12 auf, wobei hier von dem Füll- und/oder Grenzstandsensor 12 nur ein Teil dargestellt ist, nämlich ein Hohlleiter 14. Ausgehend von einer Strahlungsquelle (nicht dargestellt) wird elektromagnetische Strahlung 16 emittiert, welche sich durch den Hohlleiter 14 ausbreitet und von diesem geführt wird.
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Ferner weist das integrierte Messgerät 10 eine Druckmesszelle 18 auf. Die Druckmesszelle 18 umfasst eine Membran 20. Die Membran 20 ist vorliegend aus Keramik und elektrisch nicht-leitfähig. Die Membran 20 ist in einem außenseitigen Randbereich über eine Glasnaht 22 an einem Grundkörper 24 befestigt. Durch die Glasnaht 22 sind die Membran 20 und der Grundkörper 24 voneinander beabstandet und ein Hohlraum 26 ist zwischen dem Grundkörper 24 und der Membran 20 ausgebildet.
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Durch den Grundkörper 24 führt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Bohrung 28, durch welche der Hohlraum 26 mit der Umgebung verbunden ist und entsprechend eine Messung des Druckes relativ zum Umgebungsdruck erfolgen kann.
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Die Membran 20 ist mit ihrer Oberseite einem Medium in einem Behälter 42 zugewandt (vgl. 3) und wölbt sich je nach Druck in dem Behälter 42. Die Ausgangsposition der Membran 20 ist mit der gestrichelten Linie angedeutet. Um aus der Wölbung einen Druck abzuleiten, sind die einander zugewandten Flächen der Membran 20 und des Grundkörpers 24 mit einer metallischen Beschichtung versehen, welche jeweils eine Elektrode 30 32 bilden. Die Kontaktierung der Elektroden 30, 32 erfolgt über Bohrungen 34, 36 in dem Grundkörper 24. Zwischen den beiden Elektroden 30 ,32 wird eine Kapazität gemessen, welche sich je nach Abstand der Elektroden 30, 32, bzw. Wölbung der Membran 20 verändert.
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Zudem ist eine Referenzelektroden 38 mittels einer metallischen Beschichtung auf dem Grundkörper 24 ausgebildet. Die Referenzelektrode 38 dient dazu etwaige Messfehler oder Fehlfunktionen der Druckmesszelle 18 zu detektieren. Die Referenzelektrode 38 wird über eine Bohrung 40 im Grundkörper kontaktiert.
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Wie in 1 gut erkennbar ist, ist der Füll- und/oder Grenzstandsensor 12 derart angeordnet, dass die durch den im Grundkörper 24 ausgebildeten Hohlleiter 14 geführte elektromagnetische Strahlung 16 durch die Membran 20 hindurch strahlt. Bei der elektromagnetischen Strahlung 16 handelt es sich vorliegend um Radarstrahlung. Die Ausbreitung der Strahlung 16 wird durch die Druckmesszelle 18 mit Grundkörper 24 und Membran 20 nicht wesentlich beeinflusst, so dass die Strahlung 16 im Wesentlichen ungehindert in Richtung der zu messenden Oberfläche von Füllgut propagieren kann.
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Der Füll- und/oder Grenzstandsensor 12 und die Druckmesszelle 18 weisen sich überschneidende Messareale M1 und M2 auf. Das erste Messareal M1 wird durch die Fläche der Ausgangsöffnung des Hohlleiters 14 definiert und weist einen Durchmesser D1 auf. Das zweite Messareal M2 wird durch die Fläche der Membran 20 definiert, die einen Durchmesser D2 aufweist. Das erste Messareal M1 liegt dabei vollständig innerhalb des zweiten Messareals M2.
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Die geometrische Anordnung der Elektroden 32, 38 auf dem Grundkörper 24 ist in 2 gut erkennbar. Hier ist eine schematische Draufsicht auf den Grundkörper 24 gezeigt. Die oberhalb des Grundkörpers 24 angeordneten Membran 20 und Glasnaht 24 sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die metallische Beschichtung auf dem Grundkörper 24 sowie auf der Membran 20 weist im Bereich der Aus- und Eintrittsöffnung für die elektromagnetische Strahlung 16 in dem Hohlleiter 14 eine Aussparung auf. Die Elektroden 30, 32 sind ringförmig ausgebildet. Die Referenzelektrode 38 ist ebenfalls ringförmig ausgebildet und umgibt die Elektrode 32 auf dem Grundkörper 24 konzentrisch. Alternativ kann die metallische Beschichtung auf dem Grundkörper 24 sowie auf der Membran 20 auch nach Art eines Drahtgitters mit mehreren metallischen Streifen ausgebildet sein (nicht dargestellt).
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In 3 ist eine Anordnung des integrierten Messgerätes 10 an einem Behälter 42 dargestellt. In dem Behälter 42 ist als Füllgut 44 eine Flüssigkeit angeordnet. Zur Bestimmung des Füllstandes und des Druckes in dem Behälter 42 ist das integrierte Messgerät 10 an der Oberseite des Behälters 42 angeordnet.
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Das integrierte Messgerät 10 weist ein gemeinsames Gehäuse 46 für den Füllstand- bzw. Grenzstandsensor 12 und die Druckmesszelle 18 auf.
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Die Membran 20 der Druckmesszelle 18 steht unmittelbar mit der Gasphase oberhalb der Flüssigkeit 44 in Kontakt und wird durch den einwirkenden Druck verformt. Auf der dem Behälter 42 abgewandten Seite der Druckmesszelle 18 ist der Füll- und/oder Grenzstandsensor 12 angeordnet. Mit anderen Worten ist der Füll- und/oder Grenzstandsensor 12 hinter der Druckmesszelle 18 angeordnet. Die von einer Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung 16 propagiert entlang des Hohlleiters 14 und strahlt durch die Druckmesszelle 18 einschließlich der Membran 20 hindurch. Die Strahlung 16 trifft dann auf die Oberfläche des Füllgutes 44 und wird dort reflektiert. Die reflektierte Strahlung 16 kann dann ebenfalls wieder im Wesentlichen ungehindert die Membran 20 und den Grundkörper 24 der Druckmesszelle 18 durchlaufen und an der Strahlungsquelle detektiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- integriertes Messgerät
- 12
- Füll- und/oder Grenzstandsensor
- 14
- Hohlleiter
- 16
- elektromagnetische Strahlung
- 18
- Druckmesszelle
- 20
- Membran
- 22
- Glasnaht
- 24
- Grundkörper
- 26
- Hohlraum
- 28
- Bohrung
- 30
- Elektrode
- 32
- Elektrode
- 34
- Bohrung
- 36
- Bohrung
- 38
- Referenzelektrode
- 40
- Bohrung
- 42
- Behälter
- 44
- Füllgut
- 46
- Gehäuse P025n
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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