DE102021131501A1 - level gauge - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät (1) zur Bestimmung von Füllständen (L) in Behältern (3), das folgender Komponenten aufweist: Eine Antenne (11) zum Aussenden von Radar-Signalen (SHF) gen Füllgut (2) und/oder zum Empfang entsprechender Empfangs-Signale (RHF) nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche; Und eine Sende-/Empfangs-Einheit (12), die ausgelegt ist, die Radar-Signale (SHF) zu erzeugen und anhand der Empfangs-Signale (RHF) den Füllstand (L) zu bestimmen, mit einem Hohlleiter-Segment (121), das derart angeordnet ist, so dass die Radar-Signale (SHF, RHF) zur bzw. von der Antenne (11) übertragbar sind. Dabei zeichnet sich das Füllstandsmessgerät (1) erfindungsgemäß durch ein Trenn-Element (13) aus, welches das Hohlleiter-Segment (121) galvanisch von der Antenne (11) trennt und das Hohlleiter-Segment (121) gen Antenne (11) zusätzlich staubdicht abschließt, ohne dass die Radar-Signale (SHF, RHF) absorbiert werden. Vorteilhaft ist hieran, dass das Trenn-Element (13) neben der galvanischen Trennung zusätzlich Fluid-abdichtend wirkt. Hierdurch wird der Aufbau des Füllstandsmessgerätes (1) vereinfacht, da auf eine zusätzliche Glas-Abdichtung verzichtet werden kann.The invention relates to a fill level measuring device (1) for determining fill levels (L) in containers (3), which has the following components: an antenna (11) for transmitting radar signals (SHF) towards the filling material (2) and/or for receiving them Corresponding received signals (RHF) after reflection on the product surface; And a transmitter/receiver unit (12), which is designed to generate the radar signals (SHF) and to determine the fill level (L) using the received signals (RHF), with a waveguide segment (121) , which is arranged in such a way that the radar signals (SHF, RHF) can be transmitted to or from the antenna (11). According to the invention, the fill-level measuring device (1) is characterized by a separating element (13) which electrically separates the waveguide segment (121) from the antenna (11) and also makes the waveguide segment (121) gen antenna (11) dustproof closes without absorbing the radar signals (SHF, RHF). The advantage here is that the separating element (13) has a fluid-sealing effect in addition to the galvanic isolation. This simplifies the structure of the fill level measuring device (1), since an additional glass seal can be dispensed with.
Description
Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät.The invention relates to a level gauge.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der jeweiligen Prozessparameter sind im jeweiligen Feldgeräte-Typ 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. In order to record the respective process parameters, suitable measuring principles are implemented in the respective field device type in order to record a fill level, flow rate, pressure, temperature, pH value, redox potential or 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). 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). 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. Vor allem zu Explosionsschutz-Zwecken wird jedoch oftmals eine räumliche Trennung zwischen den aktiven, also mit Strom versorgten Sende-/Empfangs-Einheit Einheit zur Verarbeitung der Radar-Signale, und der passiven Antenne gefordert. Außerdem herrschen im Inneren des Behälters je nach Anwendung hohe Temperaturen, hoher Druck oder gefährliche Gase vor. Daher wird die Sende-/Empfangs-Einheit je nach Auslegung zumindest staubdicht oder sogar komplett fluiddicht von der freiliegenden Antenne gekapselt.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. For explosion protection purposes in particular, however, a spatial separation between the active, i.e. power-supplied, transmitter/receiver unit for processing the radar signals and the passive antenna is often required. In addition, high temperatures, high pressure or dangerous gases prevail inside the container, depending on the application. Therefore, depending on the design, the transmitter/receiver unit is encapsulated at least dust-tight or even completely fluid-tight by the exposed antenna.
Aus Gründen des Explosionsschutzes sind außerdem die zulässigen Spannungen innerhalb der Sende-Empfangs-Einheit auf einen maximalen Wert beschränkt, um insbesondere Überschläge, die zu einer Zündung führen könnten, zu verhindern. Neben staubdichter Kapselung ist bei Radar-basierten Füllstandsmessgeräten daher des Weiteren eine galvanische Trennung der Sende-Empfangs-Einheit zur Antenne erforderlich. Hierdurch wird verhindert, dass entsprechende Spannungsgrenzwerte überschritten werden, wenn von außen unvermittelt hohe Spannungen anliegen sollten. Da insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 60 GHz die Sende-/Empfangs-Einheit als monolithisch integriertes Halbliterbauelement ausgelegt ist und dementsprechend unmittelbar über ein Hohlleiter-Segment mit der Antenne verbunden wird, kann eine galvanisch trennende Hülse zwischen die Antenne und das Hohlleiter-Segment eingesetzt werden. Insgesamt wird jedoch deutlich, dass der konstruktive Aufwand durch die steigende Anzahl an Anforderungen steigt.For reasons of explosion protection, the permissible voltages within the transmitter/receiver unit are also limited to a maximum value, in particular to prevent flashovers that could lead to ignition. In addition to dust-tight encapsulation, radar-based level gauges also require galvanic isolation of the transmitter/receiver unit from the antenna. This prevents corresponding voltage limit values from being exceeded if high voltages are suddenly present from the outside. Since the transmitter/receiver unit is designed as a monolithically integrated half-litre component, particularly at frequencies above 60 GHz, and is accordingly connected directly to the antenna via a waveguide segment, a galvanically isolating sleeve can be used between the antenna and the waveguide segment . Overall, however, it is clear that the design effort increases due to the increasing number of requirements.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein sicheres Füllstandsmessgerät mit konstruktiv verringerter Komplexität bereitzustellen.The invention is therefore based on the object of providing a reliable filling level measuring device with a structurally reduced complexity.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Füllstandsmessgerät zur Bestimmung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter, das folgende Komponenten umfasst:
- - Eine Antenne zum Aussenden von Radar-Signalen gen Füllgut und/oder zum Empfang entsprechender Empfangs-Signale nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche, und
- - Eine Sende-/Empfangs-Einheit, die ausgelegt ist, die Radar-Signale zu erzeugen und anhand der Empfangs-Signale den Füllstand zu bestimmen, mit
- ◯ einem Hohlleiter-Segment, das derart angeordnet ist, so dass die Radar-Signale zur bzw. von der Antenne übertragbar sind.
- - An antenna for emitting radar signals towards the filling material and/or for receiving corresponding received signals after reflection on the filling material surface, and
- - A transmitter/receiver unit that is designed to generate the radar signals and to determine the fill level based on the received signals
- ◯ a waveguide segment arranged in such a way that the radar signals can be transmitted to and from the antenna.
Das Füllstandsmessgerät zeichnet sich erfindungsgemäß durch ein Trenn-Element aus, welches das Hohlleiter-Segment einerseits galvanisch von der Antenne trennt und andererseits das Hohlleiter-Segment gen Antenne (bspw. entsprechend der Richtlinie EN 60079 - 11) staubdicht abschließt. Dabei ist Trenn-Element so ausgelegt, dass es trotz Staub-Abdichtung durchlässig für die Radar-Signale ist. Im Falle der Richtlinie EN 60079 - 11 ist es erforderlich, dass das Trenn-Element eine Wandstärke von mindestens 0,5 mm aufweist.According to the invention, the fill level measuring device is characterized by a separating element which on the one hand electrically separates the waveguide segment from the antenna and on the other hand seals the waveguide segment from the antenna (e.g. in accordance with guideline EN 60079-11) in a dust-tight manner. The separating element is designed in such a way that it is permeable to the radar signals despite the dust seal. In the case of guideline EN 60079 - 11, it is necessary for the separating element to have a wall thickness of at least 0.5 mm.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät ist, dass das Trenn-Element neben der galvanischen Trennung zusätzlich Schutz vor Staub-bedingter Explosion bewirkt. Hierdurch kann die konstruktive Komplexität des Füllstandsmessgerätes verringert werden, da auf eine zusätzliche Glas-Trennung verzichtet werden kann. Vor allem Füllstandsmessgeräte, deren Sende-/Empfangs-Einheit die Radar-Signale mit einer Frequenz von 60 GHz oder mehr erzeugt bzw. entsprechende Empfangs-Signale verarbeitet, profitieren von der erfindungsgemäßen Auslegung. Denn aufgrund des entsprechend kleinen Hohlleiter-Querschnittes muss eine galvanische Trennung bzw. Staubdichtung mit zunehmender Frequenz allgemein filigraner ausgestaltet sein.The advantage of the fill level measuring device according to the invention is that the separating element, in addition to the galvanic isolation, also provides protection against dust-related explosion. As a result, the structural complexity of the fill level measuring device can be reduced, since an additional glass separation can be dispensed with. In particular, fill level measuring devices whose transmission/reception unit generates the radar signals with a frequency of 60 GHz or more or processes corresponding reception signals benefit from the design according to the invention. Because because of Correspondingly small waveguide cross-section, a galvanic isolation or dust seal must generally be designed more filigree with increasing frequency.
Unter dem Begriff „Einheit‟ wird 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 der Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.Within the scope of the invention, the term “unit” is understood in principle 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 unit are arranged on a common printed circuit board or on several connected printed circuit boards.
Das Material des Trenn-Elementes ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben. Sofern das Trenn-Element allgemein aus einem dielektrischen Material wie Glas, Keramik oder Kunststoff (insbesondere PTFE oder PFA) gefertigt wird, ist sichergestellt, dass die Radar-Signale durch das Trenn-Element nicht komplett absorbiert bzw. reflektiert werden. Insbesondere eine Reflektion kann effektiv unterdrückt werden, wenn das Trenn-Element eine Wandstärke aufweist, die einem Ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge der Radar-Signale entspricht. Die staubdichte Abgrenzung des Hohlleiter-Segmentes durch das Trenn-Element kann außerdem dadurch sichergestellt werden, dass die Sende-/Empfangs-Einheit beispielsweise über eine Feder derart im Gehäuse befestigt ist, so dass das Hohlleiter-Segment mit einer definierten Kraft gegen das Trenn-Element gepresst wird. Außerdem ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, wenn das Gehäuse, in welchem die Sende-/Empfangs-Einheit angeordnet ist, galvanisch von der Sende-/Empfangs-Einheit getrennt angeordnet ist, da das Gehäuse gegebenenfalls galvanisch mit der Antenne verbunden sein muss.The material of the separating element is not strictly specified within the scope of the invention. If the separating element is generally made of a dielectric material such as glass, ceramic or plastic (in particular PTFE or PFA), it is ensured that the radar signals are not completely absorbed or reflected by the separating element. In particular, a reflection can be effectively suppressed if the separating element has a wall thickness that corresponds to a whole multiple of half the wavelength of the radar signals. The dust-tight delimitation of the waveguide segment by the separating element can also be ensured in that the transmitter/receiver unit is fastened in the housing, for example via a spring, in such a way that the waveguide segment is pressed against the separating element with a defined force. element is pressed. It is also advantageous within the scope of the invention if the housing in which the transmitter/receiver unit is arranged is arranged electrically isolated from the transmitter/receiver unit, since the housing may have to be electrically connected to the antenna.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät an einem Behälter, und -
2 : eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes.
-
1 : A radar-based level gauge on a tank, and -
2 : a cross-sectional view of the filling level measuring device according to the invention.
Zum prinzipiellen Verständnis des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 ist in
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 in den Behälter 3 hinein eine Antenne 11 des Füllstandsmessgerätes 1 vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist.In order to be able to determine the fill level L independently of the prevailing conditions, the fill
Über die Antenne 11 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 11. Dabei ist die Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals SHF, RHF gemäß
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 Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Die separate Unterbringung der Schnittstellen als separates Modul besitzt den Vorteil, dass es neben Füllstandsmessgeräten auch in anderen, modular aufgebauten Feldgeräte-Typen eingesetzt werden kann.As a rule, the fill
Wie in
Umschlossen wird die Leiterplatte mitsamt der Sende-/Empfangs-Einheit 12 innerhalb des Gehäuses 14 durch eine Kapselung 15, die beispielsweise aus einem Kunststoff, wie PC, PE, PP oder PA gefertigt ist. Dies ermöglicht es, die Leiterplatte mitsamt der Sende-/Empfangs-Einheit 12 zu Explosionsschutzzwecken zusätzlich mittels einer Vergussmasse zu kapseln (nicht explizit in
Bei der in
Die galvanische Trennung 13 ist so konzipiert, dass das Hohlleiter-Segment 121 und die Antenne 11 im montierten Zustand des Füllstandsmessgerätes 1 elektrisch voneinander isoliert sind, wobei das Hohlleiter-Segment 121 und die Antenne 11 von der jeweils anderen Seite spaltfrei an die galvanische Trennung 13 angrenzen. Hierzu ist die galvanische Trennung 13 aus einem elektrisch isolierenden Material wie einem Kunststoff, einem Glas oder einer Keramik gefertigt. Somit kann eine etwaige Überspannung an der Sende-/Empfangs-Einheit 12 nicht in das Innere des Behälters 3 übertragen werden, wodurch entsprechender Explosionsschutz gewährleistet wird.The
Damit das Hohlleiter-Segment 121 zu einer optimalen HF-Übertragung spaltfrei an das galvanische Trenn-Element 13 grenzt, wird die Kapselung 15 mit einer definierten Kraft gegen die galvanische Trennung 13 gepresst. Hierzu ist ein Feder-Element 16 im Inneren des Gehäuses 14 auf derjenigen Außenseite der Kapselung 15, die dem Hohlleiter-Segment 121 abgewandt ist, eingespannt. Dabei dient das Innere des Gehäuses 14 als Führung für die Kapselung 15 bzw. das Hohlleiter-Segment 121.The
Wie aus
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Füllstandsmessgerätlevel gauge
- 22
- Füllgutcontents
- 33
- Behältercontainer
- 44
- Übergeordnete Einheitparent unit
- 1111
- Antenneantenna
- 1212
- Sende-/Empfangs-EinheitTransmitting/receiving unit
- 1313
- Trenn-Elementseparator element
- 1414
- GehäuseHousing
- 1515
- Kapselungencapsulation
- 1616
- Feder-Elementfeather element
- 121121
- Hohlleiter-Segmentwaveguide segment
- 141141
- Durchführungexecution
- di.e
- Entfernungdistance
- hH
- Einbauhöheinstallation height
- LL
- Füllstandlevel
- RHFRHF
- Reflektiertes Radar-SignalReflected radar signal
- SHFSHF
- Radar-Signalradar signal
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