DE102021119384A1

DE102021119384A1 - Radarfüllstandmessgerät mit Druckmessfunktion

Info

Publication number: DE102021119384A1
Application number: DE102021119384.2A
Authority: DE
Inventors: Lorenz Halbinger; Werner Hoch; Guido Knoll
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2023-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Radarfüllstandmessgerät zum Bestimmen des Füllstands eines Mediums (3a, 3b), mit einem Signalgenerator (10) zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen und einer Antenne (13) zum Abstrahlen der elektromagnetischen Wellen in einen das Medium beinhaltenden Behälter (2) sowie eine Empfangseinheit (10a) zum Empfangen reflektierter elektromagnetischer Wellen aus dem Behälter (2), wobei die Antenne (13) einen Hohlraum aufweist und dieser Hohlraum mediumsseitig durch ein Sichtfenster (11) nach außen hin abgeschlossen ist.Erfindungsgemäß umfasst das Sichtfenster (11) eine auslenkbare Messmembran (11a), deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium (3a, 3b) in Kontakt steht und deren von dem Medium (3a, 3b) abgewandten zweiten Seite einen elektromechanischen Wandler (12) aufweist, der eine vom auf die Messmembran (11a) einwirkenden Druck p abhängige Durchbiegung der Messmembran (11a) in eine elektrische Größe umwandelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Radarfüllstandmessgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Radarfüllstandmessgeräte sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie werden in der Prozessmesstechnik eingesetzt, um den Füllstand eines Mediums, insbesondere einer Flüssigkeit in einem Behälter zu überwachen.
Neben dem Füllstand müssen typischerweise auch andere Eigenschaften des in dem Behälter befindlichen Mediums oder die den Prozess begleitenden Umgebungsbedingungen erfasst werden, wobei vor allem Druck und Temperatur gemeint sind. Häufig ist es notwendig, mehrere dieser Eigenschaften am selben Ort zu erfassen, so dass verschiedene Messgeräte einzeln in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet werden müssen. Es hat sich daher ein Bedarf ergeben, in einem Messgerät - häufig als Kombisensor bezeichnet - gleich eine weitere Größe mit zu erfassen. Ein typisches Beispiel dafür ist die Integration eines Temperatursensors in einem Druckmessgerät, wie es aus der DE 102019115962 A1 bekannt ist. Hier wird die Erwärmung der mit dem Medium in Kontakt stehenden Messmembran des Druckmessgeräts erfasst und damit die Temperatur des Mediums gemessen.
Bei geschlossenen Behältern, bei denen keine Öffnung zur Umgebung vorhanden ist, kann durch verschiedene Ursachen ein vom Umgebungsdruck verschiedener Gasdruck im Behältervolumen über der Flüssigkeit entstehen. Dieser sogenannte Kopfdruck kann bspw. durch Temperaturänderungen, Gärung, Zugabe von Schutzgas oder Befüllen und Entleeren hervorgerufen werden.
Aus der DE 10335520 A1 ist ein Verfahren zur Regulierung des Kopfdrucks bekannt, da es in einigen Anwendungsbereichen erforderlich ist, diesen konstant zu halten, auch wenn sich der Füllstand im Behälter ändert. Hierfür werden parallel zueinander ein Füllstandsmessgerät und ein Druckaufnehmer angeordnet, die zum Datenaustausch über Datenleitungen miteinander verbunden sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Füllstandsmessung und die Kopfdruckmessung in einem Messgerät zu integrieren und damit dem Aufbau der Messeinrichtung zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Radarfüllstandmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird das Sichtfenster des Radarfüllstandmessgeräts, mit dem der Hohlraum der Antenne mediumsseitig abgeschlossen ist, um eine auslenkbare Messmembran für eine Druckmessung erweitert.
Kern der Erfindung ist, das ohnehin vorhandene Sichtfenster des Radarfüllstandmessgeräts gleichzeitig auch als Messmembran für eine Druckmessung zu verwenden. Damit kann mit einem erfindungsgemäßen Radarfüllstandmessgerät auch der Kopfdruck desselben Mediums gemessen werden, ohne dass zum Medium hin eine Veränderung am Messgerät bzw. der Messanordnung nötig wird oder ein separater Druckmessaufnehmer mit entsprechend nötiger Öffnung und Befestigung im bzw. am Behälter.
Vorteilhafterweise erfolgt die Erfassung der Membrandurchbiegung mit Hilfe von Halbleiter-Dehnungsmessstreifen, die sehr empfindlich auf geringste Dehnungen und Stauchungen der Membran reagieren. Aufgrund dessen können sie außermittig, im äußeren Randbereich der Messmembran angeordnet werden, so dass der optische Zugang für die Füllstandsmessung nicht behindert wird. Besonders interessant sind hierbei Halbleiter-Bauelemente mit integrierter Vollbrücke, die ausschließlich in der Stauchzone der Membran aufgebracht werden können. Grundsätzlich von der Erfindung mit umfasst sind jedoch auch Metall-Dehnungsmesstreifen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt stark schematisch:

1 eine Anordnung aus einem erfindungsgemäßen Radarfüllstandmessgerät und einem Behälter.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Radarfüllstandmessgerät 1, das mit einem als Tank ausgeführten Behälter 2 verbunden ist. In dem Behälter 2 befindet sich das zu messende Medium 3a, 3b in Form eines Fluids, wobei ein Teil des Mediums 3a, 3b die Flüssigkeit 3b betrifft, dessen Füllstand bestimmt werden soll, und ein weiterer Teil ein über der Flüssigkeit 3b befindliche Gasteil 3a. Bei einem geschlossenen Behälter 2, bei dem keine Öffnung zur Umgebung vorhanden ist, kann durch verschiedene Ursachen ein vom Umgebungsdruck verschiedener Gasdruck im Behältervolumen über der Flüssigkeit 3b entstehen. Dieser sogenannte Kopfdruck kann bspw. durch Temperaturänderungen, Gärung, Zugabe von Schutzgas oder Befüllen und Entleeren hervorgerufen werden.
Das Radarfüllstandmessgerät 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 4 und einer Antenne 13. Innerhalb des Messgeräts 1 befindet sich eine Sendeeinheit 10 in Form eines Signalgenerators zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen sowie eine Empfangseinheit 10a zum Empfangen dieser Wellen beinhaltet. Mit Hilfe der Antenne 13 werden die elektromagnetischen Wellen gezielt in den Behälter 2 abgestrahlt, von der Oberfläche der Flüssigkeit 3b reflektiert und schließlich von der Empfangseinheit 10a empfangen. Die Antenne 13 selbst weist einen Hohlraum auf und dieser Hohlraum ist zum Medium 3a, 3b hin durch ein Sichtfenster 11 nach außen hin abgeschlossen. In dem Gehäuse 4 befindet sich des Weiteren noch eine nicht näher dargestellte Auswerteelektronik, die zur Auswertung und Aufbereitung der von Sende- und Empfangseinheit 10, 10a gelieferten Messsignale vorgesehen ist, welche dann typischerweise über einen Steckeranschluss abgegriffen und bspw. an eine SPS weitergeleitet werden können.
Für die Erfindung wesentlich ist das Sichtfenster 11, das aus einem für elektromagnetische Wellen transparenten Material, bspw. PTFE oder Keramik, besteht und so dass es dazu geeignet ist, die von der Sendeeinheit 10 ausgesendeten Wellen auf das Medium 3a, 3b zu richten.
Erfindungsgemäß umfasst das Sichtfenster 11 eine auslenkbare Messmembran 11a für eine Druckmessung. Auf der vom Medium 3 abgewandten Seite des Sichtfensters 11 bzw. der Messmembran 10a ist ein elektromechanischer Wandler 12 angeordnet, der eine Durchbiegung der Messmembran 10a, resultierend aus dem auf die Messmembran 10a einwirkenden Druck p, in eine elektrische Größe umwandelt.
Vorzugsweise ist der elektromechanischer Wandler 12 als Halbleiter-Dehnungsmessstreifen aus einem Halbleitersubstrat und wenigstens einer piezoresistiven Widerstandsbahn ausgeführt, da dieser sehr empfindlich auf geringste Dehnungen und Stauchungen der Membran reagiert. Entsprechend kann der Raum für die Messmembran 11a innerhalb des Sichtfensters 11 sehr klein ausfallen.
Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Halbleiter-Dehnungsmessstreifens 12 kann er außermittig, im äußeren Randbereich des Sichtfensters 11 angeordnet werden. Im äußeren Randbereich bedeutet hierbei insbesondere in der äußeren Hälfte des Sichtfensters 11 angeordnet. Durch eine derartige Anordnung des elektromechanischen Wandlers 12 wird der optische Zugang der Sende- und Empfangseinheit 10, 10a nicht behindert.
Bezugszeichenliste

1: Radarfüllstandmessgerät
2: Behälter
3a, b: Medium
4: Gehäuse
10: Sendeeinheit
10a: Empfangseinheit
11: Sichtfenster
11a: Messmembran
12: elektromechanischer Wandler
13: Antenne

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019115962 A1 [0003]
DE 10335520 A1 [0005]

Claims

Radarfüllstandmessgerät zum Bestimmen des Füllstands eines Mediums (3a, 3b), mit einem Signalgenerator (10) zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen und einer Antenne (13) zum Abstrahlen der elektromagnetischen Wellen in einen das Medium beinhaltenden Behälter (2) sowie eine Empfangseinheit (10a) zum Empfangen reflektierter elektromagnetischer Wellen aus dem Behälter (2), wobei die Antenne (13) einen Hohlraum aufweist und dieser Hohlraum mediumsseitig durch ein Sichtfenster (11) nach außen hin abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sichtfenster (11) eine auslenkbare Messmembran (11a) umfasst, deren erste Seite zumindest teilweise mit dem Medium (3a, 3b) in Kontakt steht und deren von dem Medium (3a, 3b) abgewandten zweiten Seite einen elektromechanischen Wandler (12) aufweist, der eine vom auf die Messmembran (11a) einwirkenden Druck p abhängige Durchbiegung der Messmembran (11a) in eine elektrische Größe umwandelt.
Radarfüllstandmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (12) als Halbleiter-Dehnungsmessstreifen ausgeführt ist.
Radarfüllstandmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (12) aus einem Halbleitersubstrat und wenigstens einer piezoresistiven Widerstandsbahn ausgebildet ist.
Radarfüllstandmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Wandler (12) außermittig, im äußeren Randbereich des Sichtfensters (11) angeordnet ist.