DE102021131498A1 - level gauge - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft explosionsschutzfähige Füllstandsmessgeräte-Typen, die mit verringertem Aufwand zertifizierbar sind und in deren Gehäuse (11) einen verringerten Explosionsdruck aufweisen. Hierzu umfasst das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät (1): Ein Gehäuse (11) mit einem Innenraum (111); Eine dort angeordnete Sende-/Empfangs-Einheit (12) zur Erzeugung von Radar-Signalen (SHF), um anhand entsprechender Empfangs-Signale (RHF) den Füllstand (L) zu bestimmen; Eine Antenne (13) zum Aussenden und Empfang der Radar-Signale (RHF, SHF); Einen zwischen der Antenne (13) und dem Gehäuse (11) angeordneten Messgeräte-Hals (14) zur thermischen Isolation; Und einen im Inneren (141) des Messgeräte-Halses (14) angeordneten Wellenleiter (15) zur Radar-Signal-Übertragung. Das Füllstandsmessgerät (1) weist erfindungsgemäß einen Füllkörper (16) auf, welcher das Innere (141) zwischen dem Messgeräte-Hals (14) und dem Wellenleiter (15) ausfüllt. Hierdurch zählt das Volumen im Inneren (141) des Messgeräte-Halses (14) nicht mehr als potenziell von der Sende-/EmpfangsEinheit (12) entzündbar. Somit ist der erfindungsgemäße Füllstandsmessgeräte-Typ hinsichtlich Explosionsschutz unabhängig von der Länge des Messgeräte-Halses (14) zertifizierbar.The invention relates to explosion-proof fill level measuring device types which can be certified with less effort and have a reduced explosion pressure in their housing (11). For this purpose, the filling level measuring device (1) according to the invention comprises: a housing (11) with an interior (111); A transmitting/receiving unit (12) arranged there for generating radar signals (SHF) in order to determine the fill level (L) on the basis of corresponding received signals (RHF); An antenna (13) for transmitting and receiving the radar signals (RHF, SHF); A measuring device neck (14) arranged between the antenna (13) and the housing (11) for thermal insulation; And an inside (141) of the measuring device neck (14) arranged waveguide (15) for radar signal transmission. According to the invention, the filling level measuring device (1) has a filling body (16) which fills the interior (141) between the measuring device neck (14) and the waveguide (15). As a result, the volume inside (141) of the neck (14) of the measuring device is no longer considered potentially inflammable by the transmitter/receiver unit (12). Thus, the fill level measuring device type according to the invention can be certified with regard to explosion protection independently of the length of the measuring device neck (14).
Description
Die Erfindung betrifft explosionsschutzfähige Füllstandsmessgeräte-Typen, die mit verringertem Aufwand zertifizierbar sind und ein reduziertes, zündfähiges Gasvolumen aufweisen.The invention relates to explosion-proof fill-level measuring device types that can be certified with reduced effort and have a reduced, ignitable gas volume.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der jeweiligen Prozessparameter sind in den entsprechenden Feldgeräten daher geeignete Messprinzipien implementiert, um als Prozessparameter etwa einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, eine Temperatur, einen pH-Wert, ein Redoxpotential oder eine Leitfähigkeit zu erfassen. Verschiedenste Feldgeräte-Typen werden von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.Appropriate field devices are used in process automation technology to record relevant process parameters. For the purpose of recording the respective process parameters, suitable measurement principles are implemented in the corresponding field devices in order to record a fill level, a flow rate, a pressure, a temperature, a pH value, a redox potential or a conductivity as process parameters. A wide variety of field device types are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Dabei ist prinzipiell eine umso höhere Mess-Auflösung erreichbar, je höher die Frequenz ist. Als Messverfahren haben sich das Pulslaufzeit-Verfahren und FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) etabliert. Näher beschrieben wird Radar-basierte Füllstandsmessung beispielsweise in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000“.Non-contact measuring methods have become established for level measurement of filling goods in containers, as they are robust and low-maintenance. Another advantage of non-contact measuring methods is the ability to measure the level almost continuously. In the field of continuous level measurement, radar-based measurement methods are therefore predominantly used (in the context of this patent application, the term “radar” refers to signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz). In principle, the higher the frequency, the higher the measurement resolution that can be achieved. The pulse propagation time method and FMCW (“Frequency Modulated Continuous Wave”) have established themselves as measuring methods. Radar-based level measurement is described in more detail, for example, in "Radar Level Detection, Peter Devine, 2000".
Prinzip-bedingt ist die Antenne von Radar-basierten Füllstandsmessgeräten mit direktem Kontakt zum Behälter-Inneren anzubringen, da zwischen der Antenne des Füllstandsmessgerätes und dem Füllgut keine für Radar-Signale undurchlässige Barriere im Wege stehen darf. Im Inneren des Behälters herrschen jedoch je nach Anwendung hohe Temperaturen, hoher Druck oder gefährliche Gase vor. Daher wird die Sende-/Empfangs-Einheit im entsprechenden Bedarfsfall einerseits thermisch durch einen Messgeräte-Hals von der Antenne gekapselt. Dabei wird der Messgeräte-Hals je nachdem, wie hoch die Hitzebeständigkeit des jeweiligen Füllstandsmessgeräte-Typs sein muss, mit unterschiedlichen Längen ausgelegt. Je länger der Messgeräte-Hals ist, desto höher ist die Hitzebeständigkeit. Insbesondere bei Radar-basierten Füllstandsmessgeräte-Typen, in deren Sende-/Empfangs-Einheit Radar-Frequenzen von 60 GHz oder höher implementiert sind, wird das Radar-Signal über einen zentrisch im Messgeräte-Hals verlaufenden Wellenleiter zur Antenne geführt.Due to the principle, the antenna of radar-based fill level measuring devices must be attached with direct contact to the inside of the container, since there must not be a barrier impermeable to radar signals between the antenna of the fill level measuring device and the filling. Depending on the application, however, high temperatures, high pressure or dangerous gases prevail inside the container. Therefore, if required, the transmitter/receiver unit is thermally encapsulated by a measuring device neck from the antenna. The measuring device neck is designed with different lengths depending on how high the heat resistance of the respective level measuring device type must be. The longer the gauge neck, the higher the heat resistance. Particularly in the case of radar-based fill level measuring device types, in whose transmitter/receiver unit radar frequencies of 60 GHz or higher are implemented, the radar signal is routed to the antenna via a waveguide running centrally in the measuring device neck.
Andererseits muss der Messgeräte-Hals die Sende-/Empfangs-Einheit derart vom Behälter-Inneren trennen, dass Explosionsschutz gewahrt ist. Hierbei ist der entsprechende Füllstandsmessgeräte-Typ häufig gemäß der internationalen Norm IEC 60079-1-1:2014 Explosionsschutz-konform auszulegen. Diese Norm berücksichtigt unter anderem, wie groß dasjenige Gas-Volumen ist, welches die Sende-/Empfangs-Einheit hinsichtlich potenzieller Zündung umgibt. Hierzu zählt einerseits das Innenraum-Volumen des Gehäuses, in welchem die Sende-/empfangs-Einheit angeordnet ist. Als relevantes Volumen zählt jedoch auch das Innere des Messgeräte-Halses, da dies in der Regel ohne konstruktive Trennung an den Innenraum des Gehäuses angrenzt.On the other hand, the neck of the measuring device must separate the transmitter/receiver unit from the inside of the container in such a way that explosion protection is maintained. In this case, the corresponding level measuring device type is often to be designed in compliance with the international standard IEC 60079-1-1:2014 for explosion protection. Among other things, this standard takes into account the size of the gas volume surrounding the transmitter/receiver unit with regard to potential ignition. On the one hand, this includes the interior volume of the housing in which the transmitter/receiver unit is arranged. However, the inside of the neck of the measuring device also counts as a relevant volume, as this usually borders on the interior of the housing without any structural separation.
In der Folge muss jeder Füllstandsmessgeräte-Typ, der eine eigene Messgeräte-Hals-Länge aufweist, hinsichtlich der Explosionsschutz-Norm einen separaten Zertifizierungs-Prozess unterlaufen, auch wenn der restliche Aufbau bzw. die restlichen Komponenten mit bereits zertifizierten Füllstandsmessgeräte-Typen übereinstimmt. Außerdem sollte das zündfähige Gasvolumen im Inneren des Geräte-Gehäuses so gering wie möglich sein, um bei der nach der Norm erlaubten Zündung einen möglichst niedrigen Explosionsdruck zu erzielen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, hinsichtlich Explosionsschutzvorgaben den Zertifizierungsprozess von Füllstandsmessgeräte-Typen, die sich lediglich in der Länge ihres Messgeräte-Halses unterscheiden, zu vereinfachen.As a result, each type of level gauge that has its own gauge neck length must undergo a separate certification process with regard to the explosion protection standard, even if the remaining structure or the remaining components correspond to types of level gauges that have already been certified. In addition, the ignitable gas volume inside the device housing should be as small as possible in order to achieve the lowest possible explosion pressure with the ignition allowed by the standard. The invention is therefore based on the object of simplifying the certification process of fill level measuring device types, which differ only in the length of their measuring device neck, with regard to explosion protection specifications.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Füllstandsmessgerät zur Bestimmung von Füllständen von Füllgütern in Behältern, das folgende Komponenten umfasst:
- - Ein Gehäuse mit einem Innenraum,
- - eine im Innenraum angeordnete Sende-/Empfangs-Einheit, die ausgelegt ist, Radar-Signale zu erzeugen und anhand entsprechender Empfangs-Signale den Füllstand zu bestimmen,
- - eine Antenne zum Aussenden der Radar-Signale gen Füllgut und/oder zum Empfang der Empfangs-Signale nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche,
- - einen zwischen der Antenne und dem Gehäuse angeordneten Messgeräte-Hals,
- - einen im Inneren des Messgeräte-Halses angeordneten Wellenleiter, über welchen die Signale zwischen der Sende-/Empfangs-Einheit und der Antenne geführt werden.
- - A housing with an interior,
- - a transmitter/receiver unit arranged in the interior, which is designed to generate radar signals and to determine the fill level based on corresponding received signals,
- - an antenna for emitting the radar signals towards the filling material and/or for receiving the received signals after reflection on the filling material surface,
- - a gauge neck located between the antenna and the housing,
- - A waveguide arranged inside the neck of the measuring device, via which the signals between the transmitter/receiver unit and the antenna are routed.
Dabei zeichnet sich das Füllstandsmessgerät durch einen Füllkörper aus, welcher das Innere zwischen dem Messgeräte-Hals und dem Wellenleiter möglichst komplett, also vorzugweise zu mindestens 90 % bis 95 % ausfüllt. Hierdurch zählt das Volumen im Inneren des Messgeräte-Halses nicht mehr als potenziell von der Sende-/Empfangs-Einheit entzündbar, sondern lediglich das Volumen des Gehäuse-Innenraums. Somit ist der entsprechende Füllstandsmessgeräte-Typ hinsichtlich Explosionsschutz unabhängig von der Länge des Messgeräte-Halses innerhalb eines einzigen Zertifizierungsprozesses zertifizierbar. Außerdem wird der Explosionsdruck und dadurch die Gehäusewandstärke entsprechend dem verminderten Volumen reduziert.The filling level measuring device is characterized by a packing which fills the interior between the measuring device neck and the waveguide as completely as possible, ie preferably at least fills at least 90% to 95%. As a result, the volume inside the neck of the measuring device no longer counts as potentially ignitable by the transmitter/receiver unit, but only the volume of the interior of the housing. This means that the corresponding type of level gauge can be certified with regard to explosion protection within a single certification process, regardless of the length of the neck of the gauge. In addition, the explosion pressure and thus the housing wall thickness are reduced in accordance with the reduced volume.
Im Rahmen der Erfindung ist es nicht fest vorgeschrieben, wie der Füllkörper realisiert wird: Der Füllkörper kann beispielsweise in Form eines Hartschaums, insbesondere PVC, PS oder PU, in den Messgerät-Hals eingebracht werden. Alternativ kann der Füllkörper auch als Keramik Formteil oder als Kunststoff-Formteil, das insbesondere aus PP, PE oder PC gefertigt ist, konzipiert werden. Vorteilhaft am erfindungsgemäßen Füllkörper ist außerdem, dass die thermische Isolation zwischen der Antenne bzw. dem Behälter-Inneren und der Sende-/Empfangs-Einheit weiter verbessert werden kann.In the context of the invention, it is not strictly prescribed how the filling body is realized: The filling body can be introduced into the neck of the measuring device, for example, in the form of a rigid foam, in particular PVC, PS or PU. Alternatively, the filling body can also be designed as a ceramic molded part or as a plastic molded part, which is made in particular of PP, PE or PC. Another advantage of the filling body according to the invention is that the thermal insulation between the antenna or the interior of the container and the transmitter/receiver unit can be further improved.
Sofern der Wellenleiter als Hohlleiter ausgelegt ist, muss dieser zur Abtrennung des Gehäuse-Innenraums mittels einer Radar-durchlässigen Dichtung durchschlagfest gekapselt sein. Dabei kann eine solche Dichtung beispielsweise als Glasdichtung ausgelegt werden. Die Position der Dichtung im Hohlleiter ist hierbei nicht fest vorgegeben. So kann die Dichtung zum Beispiel an einem der Antenne zugewandten Endbereich des Hohlleiters angeordnet werden.If the waveguide is designed as a waveguide, it must be encapsulated in a puncture-resistant manner using a radar-permeable seal to separate the interior of the housing. Such a seal can be designed as a glass seal, for example. The position of the seal in the waveguide is not fixed here. For example, the seal can be arranged on an end region of the waveguide that faces the antenna.
Die erfindungsgemäße Auslegung ist vor allem bei Radar-basierten Füllstandsmessgeräte-Typen vorteilhaft, deren Sende-/Empfangs-Einheit das Radar-Signal mit Frequenzen von 60 GHz oder höher aussendet bzw. empfängt, da das Radar-Signal in diesem Fall über einen zentrisch im Messgeräte-Hals verlaufenden Wellenleiter zur Antenne geführt wird. Dabei wird unter dem Begriff „Einheit“ im Rahmen der Erfindung prinzipiell eine separate Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen verstanden, die für einen konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Hochfrequenz-Signalverarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Das entsprechende Modul kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale umfassen. Das Modul kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGA's, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Schaltungen des Moduls im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Dabei ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb des Moduls auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.The design according to the invention is particularly advantageous for radar-based level measuring device types whose transmitter/receiver unit emits or receives the radar signal at frequencies of 60 GHz or higher, since the radar signal in this case has a center in the Meters-neck running waveguide is guided to the antenna. In this context, the term “unit” within the scope of the invention is in principle understood to mean a separate arrangement or encapsulation of those electronic circuits that are provided for a specific application, for example for high-frequency signal processing or as an interface. Depending on the intended use, the corresponding module can therefore include corresponding analog circuits for generating or processing corresponding analog signals. However, the module can also include digital circuits such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with appropriate programs. The program is designed to carry out the necessary procedural steps or to apply the necessary arithmetic operations. In this context, different electronic circuits of the module within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit. It is irrelevant whether different electronic circuits within the module are arranged on a common printed circuit board or on several connected printed circuit boards.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät an einem Behälter, -
2 : eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes, und -
3 ein vergrößerter Ausschnitt im Bereich des Messgeräte-Halses.
-
1 : A radar-based level gauge on a tank, -
2 : a cross-sectional view of the filling level measuring device according to the invention, and -
3 an enlarged section in the area of the measuring device neck.
Zum prinzipiellen Verständnis des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 ist in
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine separate Schnittstellen-Einheit, wie etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden. Hierüber kann der gemessene Füllstandswert L übermittelt werden, beispielsweise um gegebenenfalls Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.As a rule, the fill
Um den Füllstand L unabhängig von den vorherrschenden Bedingungen ermitteln zu können, ist das Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in einer bekannten Einbauhöhe h über der Sole des Behälter 3 angebracht. Dabei ist das Füllstandsmessgerät 1 derart Druck- und Mediendicht an einer entsprechenden Öffnung des Behälters 3 befestigt bzw. ausgerichtet, dass lediglich die Antenne 13 des Füllstandsmessgerätes 1 in den Behälter 3 hinein vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist, während die weiteren Komponenten 11, 14 des Füllstandsmessgerätes 1 außerhalb des Behälters 3 angeordnet sind.In order to be able to determine the fill level L independently of the prevailing conditions, the fill
Über die Antenne 13 werden Radar-Signale SHF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 ausgesendet. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Radar-Signale RHF wiederum über die Antenne 13. Dabei ist die Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals SHF, RHF gemäß
Die Antenne 13 wird über einen als Wellenleiter fungierenden Hohlleiter 15 an die Sende-/Empfangs-Einheit 12 angekoppelt, wobei der Hohlleiter 15 von der Sende-/Empfangs-Einheit 12 in Bezug zur Leiterplatte orthogonal ausgeht und entlang der Achse des Messgeräte-Halses 14 verläuft. Dabei ist der Hohlleiter 15 zwecks Hochfrequenz-Leitfähigkeit und mechanischer Stabilität vorzugsweise aus einem Metall, wie bspw. Edelstahl gefertigt. Abgesehen von dessen unteren Endbereich ist der Querschnitt des Hohlleiters 15 so bemessen, dass der Hohlleiter 15 um ca. das Doppelte seines Außenradius von der Wandung des Messgeräte-Halses 14 beabstandet ist. Hierdurch bildet sich ohne weitere Maßnahmen ein entsprechender Freiraum, durch welchen einerseits der Hohlleiter 15 thermisch vom Messgeräte-Hals 14 isoliert wird. Andererseits fördert die Beabstandung zwischen dem Hohlleiter 15 und dem Messgeräte-Hals 14 die thermische Isolation zwischen der Antenne 13 und der Sende-/Empfangs-Einheit 12.The
Wie insbesondere in der vergrößerten Darstellung von
Durch die Erfindungsgemäße Auslegung zählt das Volumen im Inneren 141 des Messgeräte-Halses 14 nicht mehr als potenziell von der Sende-/Empfangs-Einheit 12 entzündbar, sondern lediglich das Volumen im Innenraum 111 des Gehäuses 11. Somit kann ein Füllstandsmessgeräte-Typ hinsichtlich Explosionsschutz im Rahmen eines einzigen Zertifizierungsprozesses zertifiziert werden, und zwar unabhängig davon, wie lang dessen Messgeräte-Hals ist, sofern die restlichen Komponenten, insbesondere das Gehäuse 11 und die Sende-/Empfangs-Einheit 12, ansonsten baugleich sind. Dies vereinfacht die Zertifizierung von Füllstandsmessgeräte-Typen mit unterschiedlich lang ausführbaren Messgeräte-Hälsen 14 hinsichtlich des Explosionsschutzes gemäß der Norm IEC 60079-1-1:2014 wesentlich, da der jeweilige Füllstandsmessgeräte-Typ nicht für jede erhältliche Länge l des Messgeräte-Halses 14 separat zertifiziert werden muss. Als weiterer Aspekt ergibt sich hieraus, dass das Inneres 141 des Messgeräte-Halses 14 hinsichtlich des Explosionsschutzes nicht mehr berücksichtigt werden muss. Hierdurch reduziert sich zulassungstechnisch der zu berücksichtigende Explosionsdruck, wodurch das Gehäuse 11 mit einer geringeren Wandstärke ausgelegt werden kann.Due to the inventive design, the volume inside 141 of the measuring
Im Gegensatz zu der in
Alternativ zu der in
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Füllstandsmessgerätlevel gauge
- 22
- Füllgutcontents
- 33
- Behältercontainer
- 44
- Übergeordnete Einheitparent unit
- 1111
- GehäuseHousing
- 1212
- Sende-/Empfangs-EinheitTransmitting/receiving unit
- 1313
- Antenneantenna
- 1414
- Messgeräte-Halsgauges neck
- 1515
- Wellenleiterwaveguide
- 1616
- Füllkörperrandom packing
- 1717
- Dichtungpoetry
- 111111
- Innenraum des Gehäusesinterior of the housing
- 141141
- Inneres des Messgeräte-HalsesInside of the gauge neck
- AA
- Vergrößerter AusschnittEnlarged section
- di.e
- Entfernungdistance
- hH
- Einbauhöheinstallation height
- LL
- Füllstandlevel
- ll
- Länge des Messgeräte-HalsesGauge neck length
- RHFRHF
- Reflektiertes Radar-SignalReflected radar signal
- SHFSHF
- Radar-Signalradar signal
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