DE112004001988T5

DE112004001988T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Isolierung eines Radarfüllstandsmessgeräts

Info

Publication number: DE112004001988T5
Application number: DE112004001988T
Authority: DE
Inventors: Olov Edvardsson; Anders Jirskog; Magnus Ohlsson
Original assignee: Saab Rosemount Tank Radar AB
Current assignee: Rosemount Tank Radar AB
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2006-12-21
Also published as: WO2005038414A1

Abstract

Radarfüllstandsmessgerät, das Mikrowellen zum Messen eines Füllstandes einer Oberfläche eines Produktes in einem Tank verwendet und das umfasst:
– eine Antenne zum Senden von Mikrowellen zu der Oberfläche und zum Empfangen von durch die Oberfläche reflektierten Mikrowellen,
– einen Messschaltkreis, der die Antenne durch einen hohlen Wellenleiter speist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Radarfüllstandsmessgerät weiterhin umfasst:
– ein Antennenwellenleiterelement, das an einem Ende mit der Antenne verbindbar ist und das an seinem anderen Ende eine Öffnung in einem Schnitt quer zu dem Wellenleiter aufweist,
– eine dielektrische Barriere, die sich entlang des Schnittes über die Öffnung des Antennenwellenleiterelements zum nichtleitenden Trennen des Antennenwellenleiterelements von dem Messschaltkreis erstreckt,
– wobei die dielektrische Barriere eine erste Seite aufweist, die in einer Richtung zu dem Antennenwellenleiterelement zu dem Wellenleiter zeigt, und
– wobei die dielektrische Barriere eine zweite Seite aufweist, die in einer Richtung im Wesentlichen weg...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Füllstandsmessung bei Industrieprozessen, wobei die Erfindung für die Messung eines Füllstands eines Produktes in einem Speichertank des bei Anwendungen in der Industrie verwendeten Typs verwendet wird und wobei die Füllstandsmessung durch Verwendung eines Mikrowellenfüllstandsmessgeräts durchgeführt wird. Genauer betrifft die Erfindung die Verbindung der Elektronik eines Radarfüllstandsmessgeräts mit einer an einer Wand des Tanks montierten Antenne. Die Radarfüllstandsmessgerätverkabelung und ihre Verbindung zu Masse/Erde (ground) sind durch verschiedene Installationsvorschriften und zum Zweck der Sicherheit festgelegt. Die Isolierung von in gefährliche Bereiche (wo entflammbare Zusammensetzungen aufbewahrt werden) führenden Leitern ist ein damit zusammenhängender Aspekt. Eine zum Aufrechterhalten einer guten Betriebsfähigkeit der Radarsensoren gut geeignet Möglichkeit der Isolierung gegenüber Masse und Gegenständen in dem Tank anzugeben ist die Hauptaufgabe der Erfindung.
Hintergrund
Ölraffinerien, chemische Anlagen etc. sind Beispiele von Orten, an denen elektrische Kontrollausrüstungen, wie beispielsweise verschiedene Sensoren und Anzeigen, über große Bereiche installiert sind, einschließlich einer Menge an Ver kabelung. Die Erdung und die Isolierung sind kritische Punkte solcher Einrichtungen und dementsprechend existieren viele Vorschriften, wie auch feststehende physikalische Randbedingungen. Außerdem können die Vorschriften unterschiedlicher Länder voneinander abweichen.
„Erdung" ist ein sehr heimtückischer Aspekt, da er weit einfacher klingt als er in der Anwendung bei der Einrichtung über große Distanzen oder beim Arbeiten mit Frequenzen, die „hoch" sind gegenüber einer Frequenz, die einer Wellenlänge gleich der Entfernung entspricht (100 kHz entspricht einem oder wenigen km etc.), ist. Drei Bereiche müssen (zusammen mit betrieblichen Anforderungen) berücksichtigt werden:
Physikalische Gesetze besagen, dass sich über einen großen Bereich (wie beispielsweise mehrere zehn Meter bis Kilometer) erstreckende Erdungspunkte unterschiedliche Potenziale für Gleichstrom und für Wechselstrom (hauptsächlich 50/60 Hz) aufweisen werden und dass Kabel zwischen diesen Punkten möglicherweise gute (aber unbeabsichtigte) Antennen für verschiedene elektromagnetische Felder bilden werden. Unter statischen Bedingungen werden selten Spannungen über 1 V auftreten, es können jedoch dennoch Ströme weit über 1 mA gemessen werden, falls zwei getrennte „geerdete Punkte" durch ein übliches Kabel verbunden werden sollen. Kurzzeitig können weit höhere Spannungen auftreten, beispielsweise bei einem Blitzschlag (häufig tödlich für einfache Kühe aufgrund kurzzeitig auftretender Spannungen zwischen ihren vier Erdungspunkten).
Installationsvorschriften (auf Grund Gesetz oder auf Grund von Unternehmensvorschriften) sind nicht in allen Ländern einheitlich und vermutlich nicht optimal für alle unterschiedlichen Situationen. Der Schutz von Personen kann die wichtigste Aufgabe sein, eine ungestörte Übertragung von sehr schwachen Signalen kann jedoch andere Mittel erfordern. In einigen Fällen werden unterschiedliche Lösungen für einen bestimmten Typ von Einheit in unterschiedlichen Ländern benötigt, um die lokalen Vorschriften zu erfüllen und um eine gute Funktionalität zu erreichen. Für an ein Stromversorgungsnetz angeschlossene Schaltkreise ist 1.500 VAC (Volt, Wechselspannung) Nennspannung (1.500 VAC Testspannung zwischen „spannungsführenden" Leitungen und Erde) eine allgemeine Anforderung und in vielen Fällen werden minimale Abstände zwischen „spannungsführenden" Leitern spezifiziert, wie auch eine minimale Dicke von Isolationsschichten. Das Erden von Kabelabschirmungen ist unterschiedlich gegenüber dem Erden von Schaltkreisen und kann ebenso reguliert sein.
Ex-Vorschriften (Ex. als Abkürzung für: Vorschriften zur Sicherheit vor Explosionen) umfassen Erdungsanforderungen und auch Anforderungen für Isolatoren für Leiter, die in Bereichen entsprechend „Zone 0", wobei dies üblicherweise innerhalb eines Tanks ist, angeordnet sind. Ex-Vorschriften sind häufig nicht sehr klar formuliert, wenn es um praktische Fälle geht, sie können jedoch in einigen Aspekten als Gegenstand von Verhandlungen auftreten. Eine Isolierung gegenüber Erde für wirklich sichere Schaltkreise ist in vielen Fällen spezifiziert als 500 VAC Nennspannung, während eine Isolierung von Teilen in der Zone 0 (in nerhalb des Tanks) komplizierter ist. Üblicherweise wird eine nicht störanfällige Isolationskomponente oder drei gute Isolationskomponenten in dem letzteren Fall verwendet, wobei einige mehr oder weniger naheliegende Anforderungen an die guten gestellt werden.
Die praktische Umsetzung der Erdung bei unterschiedlichen Anforderungen wird derart durchgeführt, dass die Elektronik gut gegenüber der lokalen Erde isoliert ausgeführt sein soll und dann, wie benötigt, auf eine unterschiedliche geeignete Weise bei unterschiedlichen Fällen angeschlossen wird. Für Gleichstrom oder sehr niedrige Frequenzen verwendende Einheiten (widerstandsbehaftete Temperatursensoren, elektromechanische Füllstandsschalter etc.) kann das galvanische Konzept „Erdung" geeignet sein, aufgrund von Kapazitäten der Verkabelung (in der Größenordnung von 100 nF/km) werden jedoch alle Signale, bis auf die mit sehr niedrigen Frequenzen, eine mehr oder weniger komplizierte Anbindung an Erde aufweisen, wobei die Folge davon nicht immer einfach vorherzusagen ist.
Für Radarsysteme ist die Situation noch differenzierter im Vergleich zu bei ausschließlich niedrigen Frequenzen arbeitenden Einheiten. Viele Mikrowellen-(Radar)-Schaltkreise sind selbst lokal geerdet und um zu vermeiden, dass Störungen in diese Schaltkreise gelangen (oder von dort ausgehen), sind geschlossene metallische Gehäuse erwünscht. „Lokal geerdet" („locally grounded") bedeutet einen Bruchteil einer Wellenlänge, wobei dies für Radarfrequenzen in der Größenordnung eines einzigen Millimeters liegt, und „geschlossen" bedeutet bei Radarfrequenzen Öffnungen oder Schlitze, die kleiner sind als ein Bruchteil einer Wellenlänge. Andererseits muss die Radarantenne innerhalb des Tanks installiert werden. Die Kombination von „guter lokaler Verbindung zu Erde" und „guter Isolierung gegenüber Erde und gegenüber dem Inneren des Tanks" und „gute Übertragung in den Tank" führt dazu, dass eine Radareinheit mehr oder weniger speziell in Hinblick auf die Konstruktion der Isolierung ist. Verschiedene Lösungen werden verwendet und die Tatsache, dass eine physikalisch kleine Kapazität gute Mikrowellenübertragungseigenschaften aufweisen kann, wird manchmal ausgenutzt.
Eine Möglichkeit, um eine Isolierung von der Zuführverkabelung aus gesehen aufzubauen, ist, eine Wechselstrom-Stromversorgung und eine Wechselstrom-Datenübertragung zu verwenden, wobei Transformatoren verwendet werden können, um das Messgerät sowohl mit Strom als auch mit einer Datenkommunikation zu versorgen, wobei jedoch eine gute Gleichstrom-Isolierung gewährleistet wird. Der Mikrowellenschaltkreis kann in diesem Fall lokal geerdet oder sonst wie verschaltet sein, während eine gute externe Isolierung gewährleistet wird. In den meisten Fällen wird für Instrumente in der Prozessindustrie ein System basierend auf einer 4 bis 20 mA – Gleichstrom-Datenübertragung verwendet und die entsprechende Isolierung ist komplizierter oder kann die Genauigkeit herabsetzen. Sensoren, die auf Grund ihres Typs eingeschlossen in Metall arbeiten (Temperatursensor, Drucksensor und andere), können eine für alle Komponenten in der elektrischen Einheit gemeinsame interne (und dementsprechend gut geschützte) elektrische Isolierung aufweisen.
In Fällen, bei denen Hochfrequenzsignale in den Tank gelangen, ist die lokale Signalerdung weniger einfach zu verwenden. Eine Isolierung auf der Hochfrequenzseite ist dann eine Alternative. Ein praktisches Beispiel einer Isolierung eines Wellenleiters nach dem Stand der Technik ist in der 1 gezeigt. Ein Standard SMA-Koaxialverbinder 1 wird als ein Einspeisungs-Stiftwandler 2 in einem Wellenleiter 3 bei beispielweise 10 GHz verwendet. Eine dielektrische Scheibe 4 unter dem Verbinder bildet einen Kondensator und durch eine konische Ausnehmung 5 wird der Abstand zwischen den Metallteilen erhöht, um der anlegbaren Testspannung (wie beispielsweise 500 VAC oder 1.500 VAC) zu widerstehen. Die Scheibe 4 muss dünn sein, um das VSWR (Stehwellenverhältnis) zu begrenzen, und aufgrund der begrenzten Kapazität ist diese Lösung am besten für mittlere und hohe Mikrowellenfrequenzen (> 5 GHz) geeignet. Eine Scheibe, die zu dick im Vergleich mit der Wellenlänge ist, kann ein Mikrowellenanpassungsproblem hervorrufen, und dies besonders bei Frequenzen von etwa 25 GHz (Wellenlänge 8 mm).
Auf einer Leiterplatte (printed circuit board, oder einem entsprechenden keramischen Träger) kann ein isolierter Koaxialverbinder angeordnet sein und durch Kondensatoren als Komponenten isoliert sein. Dreifachkondensatoren können verwendet werden, um wirklich sichere Anforderungen bei der Gleichstromisolierung zu erfüllen, während die Mikrowellenkopplung für Frequenzen in dem unteren Mikrowellenbereich erhalten bleibt.
Bei jedwedem dieser Fälle ist eine stabile Isolierung, die eine spezifizierte Dicke der dielektrischen Schicht, wie beispielsweise 0,5 mm, aufweist, schwierig zu erfüllen. Kondensatoren mit hohen Nennspannungen sind aufgrund ihrer größeren Abmessungen schwierig mit einer guten Mikrowellenfunktionalität zu kombinieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Radarfüllstandsmessgerät bereitgestellt, das Mikrowellen zum Messen eines Füllstandes einer Oberfläche eines Produkts in einem Tank verwendet und das umfasst: eine Antenne zum Senden von Mikrowellen zu der Oberfläche und zum Empfangen von durch die Oberfläche reflektierten Mikrowellen, einen Messschaltkreis, der die Antenne durch einen hohlen Wellenleiter speist, wobei der Wellenleiter zumindest ein Antennenwellenleiterelement enthält, das an einem Ende mit der Antenne verbindbar ist und das an seinem anderen Ende eine Öffnung in einem Schnitt quer zu dem (intersection across) Wellenleiter aufweist, wobei das Radarfüllstandsmessgerät weiterhin umfasst: eine dielektrische Barriere, die sich entlang des Schnitts über die Öffnung des Antennenwellenleiterelements erstreckt, um das Antennenwellenleiterelement von dem Messschaltkreis nicht leitend zu trennen, wobei die dielektrische Barriere eine erste Seite aufweist, die in einer Richtung zu dem Antennenwellenleiterelement zu dem Wellenleiter zeigt, und wobei die dielektrische Barriere eine zweite Seite aufweist, die in einer Richtung im Wesentlichen weg von dem Antennenwellenleiterelement zeigt. Der Schnitt des Antennenwellenleiterelements ist vorzugsweise in einer Schnittebene enthalten.
Die Erfindung betrifft ein Radarfüllstandsmessgerät, wobei ein Wellenleiter zur Antennenzuführung verwendet wird, und spezifischer Systeme, bei denen der Wellenleiter von einem bestimmten Punkt an nichtleitend von dem elektronischen und Mikrowellen-Schaltkreis, wie beispielsweise einem Messschaltkreis, des Radarfüllstandsmessgeräts mit einem dielektrischen Material einer vorbestimmten Dicke (wie beispielsweise 0,5 mm) oder einer vorbestimmten dielektrischen Durchschlagsfestigkeit getrennt sein muss. Vorzugsweise wird diese nichtleitende Trennung nahe dem Messschaltkreis des Radarfüllstandsmessgeräts ausgeführt.
Eine andere wichtige und vorteilhafte Ausführungsform ist die Anordnung der dielektrischen Barriere an einem Wellenleiterverbinder, so dass ermöglicht wird, dass der Messschaltkreis zum Austausch entfernt wird etc. Der Wellenleiterverbinder ist robust im Vergleich zu einer entsprechenden Koaxialdichtung, gut geeignet für den Service vor Ort und einfacher an eine erfindungsgemäße isolierende dielektrische Barriere anzupassen.
Das Wort „Wellenleiter" wird hier für ein im Wesentlichen zylinderförmiges (in der weitestgehenden Bedeutung des Ausdrucks Zylinder) Rohr zur Mikrowellenübertragung verwendet, wobei der Wellenleiter mit Luft oder einem festen dielektrischen Material gefüllt ist, das entlang des Wellenleiters unterschiedlich sein kann. Der Querschnitt des Wellenleiters kann unterschiedlich sein, wie beispielsweise kreisförmig, rechteckig oder ein mit Stegen versehener rechteckiger Querschnitt (ridged rectangular) als eines von gut bekannten Beispielen komplizierterer Querschnitte. Allgemein wird der Ausdruck hohler Wellenleiter verwendet, um die beschriebenen Wellenleiter von anderen Wellenleiterstrukturen zu unterscheiden.
Der Ausdruck nichtleitend wird in der Bedeutung verwendet, dass zwei leitende Materialien in Bezug auf Gleichstrom und niederfrequente Wechselströme, zumindest für eine vorbestimmte Wechsel-Nennspannung voneinander getrennt und gegeneinander isoliert sind. Dies ist eng verbunden mit verschiedenen Testspannungen elektrischer Einrichtungen (wie beispielsweise 1.500 VAC gegenüber Erde) oder von Ex-Vorschriften (wie beispielsweise 500 VAC gegenüber Erde).
Ein Verbinder ist ein praktisches und wichtiges Detail des Wellenleiters und ein spezielles Detail für die Füll standsmessanwendung. In den meisten Fällen ist ein Teil des Wellenleiters ein Teil der Tankdichtung, der bei hohem Druck, korrosivem oder gefährlichem Material in dem Tank etc. ein kritischer Teil ist. Es ist auch notwendig, dass elektronische Einheiten des Radarfüllstandsmessgeräts einfach vor Ort ausgetauscht werden können, wobei ein trennbarer Verbinder vorteilhaft ist.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung wird auch ein Verfahren zum nichtleitenden Trennen eines an eine Antenne anschließbaren Wellenleiters von einem Messschaltkreis eines Radarfüllstandsmessgeräts zum Messen des Füllstands einer Oberfläche eines Produkts in einem Tank offenbart, wie in dem unabhängigen Verfahrensanspruch angegeben.
Weitere Aspekte der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Zuführung eines Wellenleiters eines Radarfüllstandsmessgeräts einer Anmeldung des Standes der Technik.
2 zeigt schematisch ein Beispiel eines Radarfüllstandsmesssystems zum Bestimmen des Füllstands der Oberfläche eines Produkts in einem Tank.
3 zeigt schematisch eine dielektrische Barriere bei einem Wellenleiter eines Radarfüllstandsmessgeräts in Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung.
4 zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung der 3.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung der 3.
6 zeigt die dielektrische Barriere in einem Wellenleiterverbinder.
7 zeigt einige alternative Ausführungsformen der Öffnung des Antennenwellenleiterelements.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Ausbildung einer in einem Wellenleiterverbinder eingeführten dielektrischen Barriere.
9 zeigt eine Ausführungsform, wobei ein Teil einer Wand des Gehäuses des Messschaltkreises als die dielektrische Barriere fungiert.
10 zeigt eine Ausführungsform, wobei die Leiterplatte die dielektrische Barriere bildet.
11 zeigt eine Ausführungsform, wobei ein Verbinder eine Dichtung zwischen der Isolationsbarriere und dem Antennenwellenleiterelement aufweist.
12 zeigt eine Ausführungsform, die eine Alternative zu den Ausführungsformen entsprechend den 4 oder 5 ist.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Reihe von erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird im Folgenden mit Unterstützung der und Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Eine Anwendung eines Radarfüllstandsmessgeräts ist in der 2 gezeigt. Ein Tank 11 wird zum Aufbewahren eines Produkts 12 verwendet. Das Produkt kann beispielsweise Öl, Raffinerieprodukte, Chemikalien und flüssiges Gas oder kann ein pulverförmiges Material sein. Ein Radar 13 wird an der Decke 14 des Tanks 11 befestigt. Ein Mikrowellenfunkstrahl wird von dem Radar über eine Antenne 15 in dem Inneren des Tanks gesendet. Der gesendete Funkstrahl wird von der Oberfläche 16 des Produkts reflektiert und durch die Antenne 15 empfangen. Mittels eines Vergleichs und durch Auswerten der Zeitspanne zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Strahl in einer Mess- und Kontrolleinheit wird eine Bestimmung der Füllhöhe der Produktoberfläche 16 auf eine bekannte Weise durchgeführt. Die Mikrowellen können von der Antenne als ein frei ausgestrahlter Strahl oder durch einen mit dem Produkt in Verbindung stehenden Wellenleiter (nicht gezeigt) gesendet werden. Das in der 2 gezeigte Radarfüllstandsmessgerät wird lediglich als ein Beispiel verwendet.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der 3 gezeigt, die einen Teil eines Querschnitts einer Radarfüllstandsmessgeräteinheit 20 zeigt. In der 3 bezeichnet 21 ein Antennenwellenleiterelement, das an die Antenne angeschlossen werden kann. In dieser Ausführungsform bildet das Gehäuse (teilweise gezeigt) um den Messschaltkreis 23 zusammen mit dem Antennenwellenleiterelement 21 eine Einheit, wobei das Antennenwellenleiterelement 21 zum Anordnen an dem und zum Tragen des Messschaltkreises 23, in der 3 durch eine Leiterplatte 23a dargestellt, mit Flanschen 22 versehen ist. Ein mechanisches Gehäuse 24 schützt auf herkömmliche Weise den Messschaltkreis 23. Das Gehäuse 24 ist aus Klarheitsgründen teilweise entfernt.
Die Leiterplatte 23a enthält elektronische Komponenten des Radarfüllstandsmessgeräts und ist an den Flanschen 22 des Antennenwellenleiterelements 21 mittels einer erfindungsgemäßen, dazwischenliegenden dielektrischen Barriere 25, die in der 3 als eine Isolationsschicht ausgebildet ist, befestigt. Eine als ein Endstück zum Abschließen des Wellenleiters in der Richtung weg von der Antenne ausgebildete Metallkappe 26 ist auf der Leiterplatte 23a angeordnet. Ein Mikrostreifen (micro strip) 27 zum Übertragen von Mikrowellen in der Richtung des Wellenleiters ist auf der Leiterplatte 23a montiert.
Die 3 ist eine mögliche erfindungsgemäße Anordnung. Die dicke Isolationsschicht 25, in dieser Ausführungsform eine Scheibe, wird an der metallischen Trage-Schutz-Box (Gehäuse 24) durch Kleber befestigt, um eine longitudinale Wellenleiterdichtung zu bilden, und die Leiterplatte 23a weist eine geerdete Ebene an ihrer Unterseite auf (mit Ausnahme der Wellenleiteröffnung) und ein als eine Metallkappe 26 ausgebildetes Wellenleiterendstück ist auf ihrer Oberseite befestigt.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird eine dielektrische Isolationsschicht 25 anstelle einer Scheibe verwendet, um sowohl eine elektrische Isolation als auch eine longitudinale Dichtung zum Schutz während des Service vorzusehen und um eine Leckage durch den Wellenleiter zu unterbinden. Üblich für den Wellenleiter bei der Radarfüllstandsmessanwendung ist, dass eine Dichtung an einer oder zwei Stellen entlang des Wellenleiters benötigt wird, um den Tank abzudichten und um die elektronische Einheit zu schützen oder abzudichten. Eine dritte Art der Anforderung an die Dichtung ist eine Dichtung zum Schutz vor Explosionen, die bei einer Art von Ex-Schutz verwendet werden. Eine Dichtung mit, beispielsweise einem O-Ring, wird üblicherweise zwischen der dielektrischen Barriere und dem Wellenleiter angeordnet, wie in einer der Zeichnungen gezeigt, wobei dies sowohl bei der als eine Isolationsschicht ausgebildeten dielektrischen Barriere als auch bei der als eine Isolationsscheibe ausgebildeten dielektrischen Barriere der Fall ist.
In der 4 weist der Boden unter der Isolationsschicht eine Ausnehmung 28 auf, um einen Viertelwellenlängen(horizontal) -Weg 29 durch die Isolationsschicht 25 zu bilden, um die elektrische Dichtung (electrical sealing) zu verbessern. Abhängig von den exakten Abmessungen kann eine Konstruktion entsprechend der 3 oder der 4 die optimale sein.
Ein weiteres Verfahren ist in der 5 mit einem Viertelwellenlänge-Schlitz 30 (auch Viertelwellenlängen-Drossel genannt), die um den Wellenleiter angeordnet ist, um eine radiale elektrische Dichtung mit einer longitudinalen mechanischen Dichtung zu kombinieren, gezeigt. Eine andere Anordnung zum Erreichen einer elektrischen Dichtung ist in der Schnittansicht der 12 gezeigt und enthält eine Druckdichtungseinheit (Dichtung, gasket) 55 aus Mikrowellen abschirmendem Material, das unter (darüber wäre möglich) der Isolationsschicht 25 angeordnet ist. Die Anordnung in der 12 weist im Vergleich mit der der 5 den Vorteil auf, dass die Dichtung dünner ausgeführt werden kann (<< λ4). Die Dichtung 55 kann aus einem Material hergestellt sein, das es ermöglicht, die Funktionen einer Mikrowellendichtung und einer Druckdichtung zu kombinieren.
Zusätzliche Vorteile können durch Anordnen eines oder zweier Viertelwellenlängen-Schlitze um die dielektrische Barriere herum oder durch Hinzufügen eines Musters in der Schicht, um eine gute elektrische Abstimmung im Hinblick auf eine dicke dielektrische Schicht zu erreichen, die zum Erfüllen von vorgeschriebenen Isolationsanforderungen benötigt wird, erreicht werden. Außer falls eine Isolationsschicht sehr dünn ist (und dementsprechend wahrscheinlich nicht geeignet ist, formale Isolationsanforderungen zu erfüllen), wird sie eine sehr unerwünschte Verzerrung (distortion, Reflektion oder VSWR) bei der Mikrowellenausbreitung hervorrufen, wobei durch eine geeignete Konstruktion eine solche Verzerrung jedoch weitgehend reduziert werden kann. Zwei oder mehr zusammenwirkende Verzerrungen sind eine von anderen Wellenleiteranordnungen bekannte Möglichkeit.
Die 6 zeigt die Erfindung, die bei einem trennbaren Verbinder angewendet wird, der dort angeordnet ist, wo die Elektronikeinheit darüber an einem zweiten Wellenleiterelement 31 befestigt ist und wobei ein Antennenwellenleiterelement 32 weiterführt zu der Antenne und an der Antenne befestigt ist und wobei der trennbare Verbinder mit der Isolationsschicht 25 zwischen dem Antennenwellenleiterelement und dem zweiten Wellenleiterelement vorgesehen ist und wobei die dicke Dichtungs- und Isolations-Schicht 25 sowohl für eine radiale elektrische Dichtung als auch für eine longitudinale mechanische (Gas, Flüssigkeit etc.) Dichtung verwendet wird.
Die Dichtungs-(Isolations-)Schicht 25 ist zwischen den zwei Wellenleiterflanschen 33, 34 angeordnet, die für eine elektrische und (optional) mechanische Dichtung konstruiert sind. Eine aus isolierendem Material hergestellte Mutter 35 (strichliert) kann zur mechanischen Befestigung verwendet werden. Falls eine andere Isolationsscheibe verwendet wird, kann eine Metallmutter verwendet werden. Auf eine ähnliche Weise wie in den 4 und 5 kann zusätzlich ein Viertelwellenlängen-Schlitz für eine verbesserte elektrische Funktion vorgesehen werden und (nicht gezeigt) es können ebenso zusätzlich eine oder mehrere O-Ring-Dichtungen vorgesehen werden.
Die Dichtungs-(Isolations-)Schicht 25 kann mit einem Leiterbild versehen sein, das eine Reflektion in dem Wellenleiter hervorruft, die der durch die Schicht 25 hervorgerufenen Reflektion entgegenwirkt und dementsprechend die elektrische Gesamtanpassung verbessert. Solch ein Leiterbild kann im Hinblick auf eine verbesserte elektrische Anpassung den Viertelwellenlängen-Schlitz ersetzen und ermöglichen, dass eine dickere Schicht verwendet wird.
Zwei für Radarfüllstandsmessungen verwendete übliche Frequenzen sind auf zwei Bändern in der Nähe von 6 GHz und 25 GHz. Besonders für die hohe Frequenz bedeutet die Anforderung einer 0,5 mm Isolationsschicht, dass die Konstruktion um die Isolationsschicht gut konstruiert sein muss, um Störungen der Mikrowellenfunktionalität zu vermeiden, da die Mikrowellen-Wellenlänge in dem Isolationsmaterial beispielsweise 8 mm sein kann.
Einige alternative Ausführungsformen der in dem Antennenwellenleiterelement ausgeführten Öffnung sind in der 7 gezeigt. Die 7a zeigt eine Öffnung, bei der die Ebene der Öffnung den Wellenleiter in einem Winkel schneidet, der sich von 90° unterscheidet, wobei dies eine vorteilhafte Ausführungsform bei Fällen sein kann, bei denen ein Risiko be steht, dass sich kondensierende Flüssigkeit unter der dielektrischen Barriere sammelt. In der 7b weist das Antennenwellenleiterelement am Ende eine Wand mit einem Schlitz 26 in der Wand zum Einspeisen der Mikrowellen durch den Schlitz auf. Der Schlitz 26 bildet einen Teil des Wellenleiters und weist eine kleinere Querschnittsfläche im Vergleich mit der vollständigen Fläche des verbleibenden Teils des Antennenwellenleiterelements 21 auf. Die Isolationsschicht 25 ist über dem Schlitz auf der anderen Seite der Endwand angeordnet. Ein Schnitt entlang der Linie A-A ist in der Draufsicht in der Figur gezeigt. Die Wand kann natürlich auch in diesem Fall in Bezug auf die Wellenleiterachse geneigt sein. Die dielektrische Barriere ist über der Außenseite der Wand angeordnet.
Die 8 offenbart einen Verbinder mit einer Hutähnlich ausgebildeten dielektrischen Barriere 40, deren Seiten innerhalb longitudinaler Flansche 41 und 42 des Wellenleiters eingebettet sind, wobei der Flansch 41 ein Teil des Antennenwellenleiterelements ist und der Flansch 42 ein Teil des zweiten Wellenleiterelements. Der flache Teil des Huts erstreckt sich in diesem Fall entlang des Schnittes des Wellenleiters, wie oben angegeben.
Eine weitere Ausführungsform ist in der 9 gezeigt, wobei ein Gehäuse 43 um den Messschaltkreis gezeigt ist. Zumindest ein Teil der Gehäusewand 44 bildet die dielektrische Barriere, wobei diese Gehäusewand 44 aus einem dielektrischen Material gebildet ist. Eine Leiterplatte 45, die Komponenten des Messschaltkreises enthält, ist innerhalb der Gehäusewand 44 montiert. Ein Halteflansch 46 ist an dem Antennenwellenleiterelement 47 angeordnet. Der Antennenwellenleiterteil um den Flansch 46 ist mit Viertelwellenlängen-Drosseln ausgerüstet.
Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform ist in der 10 gezeigt, wobei die dielektrische Platte 48 als die dielektrische Barriere ausgebildet ist, die an das Antennenwellenleiterelement 49 angrenzt. Die dielektrische Platte übt in diesem Fall die Funktion einer Isolationsschicht und die Funktion einer Dichtung gegenüber dem Wellenleiterelement 49 aus. Der gesamte Messschaltkreis einschließlich der Isolationsbarriere kann bei dieser Ausführungsform vollständig auf einer Leiterplatte ausgeführt sein. Die Leiterplatte kann als eine mehrschichtige Platte ausgeführt sein. Die Leiterplatte weist selbstverständlich keine Leiter auf, welche die Leiterplatte der dielektrischen Barriere (in Richtung des Antennenwellenleiterelements) durchstoßen. In der 10 ist weiterhin eine Option gezeigt, die eine zusätzliche innerhalb des Antennenwellenleiterelements angeordnete Dichtung gegenüber dem Tank 50 offenbart.
Eine weitere Ausführungsform ist in den 9 und 10 offenbart, wobei gezeigt ist, dass ein Wellenleiterendstück als ein gemeinsames Teil mit der Gehäusewand ausgeführt ist.
Die 11 zeigt eine Ausführungsform eines Wellenleiterverbinders mit Flanschen auf beiden Seiten der Isolationsschicht 51 zum Tragen dieser Schicht. Das Bezugszeichen 52 bezeichnet den Flansch des Antennenwellenleiterelements und das Bezugszeichen 53 bezieht sich auf den Flansch des zweiten Wellenleiterelements. In dieser Figur wird auch eine Dichtung zwischen der dielektrischen Barriere 51 und dem Antennenwellenleiterelement gezeigt. Die Dichtung ist in diesem Beispiel ein O-Ring, wobei dies eine Dichtung ist, die in jedweder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann und vorgesehen sein kann.
Eine Alternative zu der Viertelwellenlängen-Drossel in der 5 ist in der 12 gezeigt, wobei eine Dichtung (55) aus einem Mikrowellen absorbierenden Material (vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, eine Viertelwellenlänge breit), das in einer entsprechenden Ausnehmung (56) angeordnet ist, anstelle der Drossel verwendet wird.
Zusammenfassung
Es wird ein Radarfüllstandsmessgerät (13) bereitgestellt, das Mikrowellen zum Messen eines Füllstandes einer Oberfläche (16) eines Produktes (12) in einem Tank (11) verwendet und das umfasst: eine Antenne (15) zum Senden von Mikrowellen zu der Oberfläche und zum Empfangen von durch die Oberfläche reflektierten Mikrowellen, einen Messschaltkreis, der die Antenne durch einen hohlen Wellenleiter speist, wobei der Wellenleiter zumindest ein Antennenwellenleiterelement (21) enthält, das an einem Ende mit der Antenne (15) verbindbar ist und das an seinem anderen Ende eine Öffnung in einem Schnitt quer zu dem Wellenleiter aufweist, wobei das Radarfüllstandsmessgerät weiterhin umfasst: eine dielektrische Barriere (25), die sich entlang des Schnittes über die Öffnung des Antennenwellenleiterelements (21) zum nichtleitenden Trennen des Antennenwellenleiterelements von dem Messschaltkreis erstreckt, wobei die dielektrische Barriere (25) eine erste Seite aufweist, die in einer Richtung zu dem Antennenwellenleiterelement (21) zu dem Wellenleiter zeigt und wobei die dielektrische Barriere (25) eine zweite Seite aufweist, die in einer Richtung im Wesentlichen weg von dem Antennenwellenleiterelement zeigt.

Claims

Radarfüllstandsmessgerät, das Mikrowellen zum Messen eines Füllstandes einer Oberfläche eines Produktes in einem Tank verwendet und das umfasst: – eine Antenne zum Senden von Mikrowellen zu der Oberfläche und zum Empfangen von durch die Oberfläche reflektierten Mikrowellen, – einen Messschaltkreis, der die Antenne durch einen hohlen Wellenleiter speist, dadurch gekennzeichnet, dass das Radarfüllstandsmessgerät weiterhin umfasst: – ein Antennenwellenleiterelement, das an einem Ende mit der Antenne verbindbar ist und das an seinem anderen Ende eine Öffnung in einem Schnitt quer zu dem Wellenleiter aufweist, – eine dielektrische Barriere, die sich entlang des Schnittes über die Öffnung des Antennenwellenleiterelements zum nichtleitenden Trennen des Antennenwellenleiterelements von dem Messschaltkreis erstreckt, – wobei die dielektrische Barriere eine erste Seite aufweist, die in einer Richtung zu dem Antennenwellenleiterelement zu dem Wellenleiter zeigt, und – wobei die dielektrische Barriere eine zweite Seite aufweist, die in einer Richtung im Wesentlichen weg von dem Antennenwellenleiterelement zeigt.
Radarfüllstandsmessgerät nach Anspruch 1, wobei der Messschaltkreis einen Mikrowelleneinspeiser zum Speisen der Antenne umfasst, wobei der Einspeiser auf der zweiten Seite angeordnet ist.
Radarfüllstandsmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Wellenleiterendstück an der zweiten Seite der dielektrischen Barriere angrenzend an der dielektrischen Barriere angeordnet ist.
Radarfüllstandsmessgerät nach Anspruch 2, wobei die dielektrische Barriere eine Schicht aus einem festen dielektrischen Material umfasst.
Radarfüllstandsmessgerät nach Anspruch 4, wobei die Schicht mit einer oder mehreren Durchgangsöffnungen ausgestattet ist.
Radarfüllstandsmessgerät nach Anspruch 4, wobei die Isolationsschicht sowohl eine elektrische Isolation als auch einen Schutz gegenüber einer longitudinalen Leckage von Material durch den Wellenleiter gewährleistet, wobei die Isolationsschicht die gesamte Fläche der Öffnung abdeckt.
Radarfüllstandsmessgerät nach Anspruch 4, wobei das Antennenwellenleiterelement einen Flansch zum Tragen der Isolationsschicht aufweist.
Radarfüllstandsmessgerät nach Anspruch 4, wobei ein den Messschaltkreis aufnehmendes Gehäuse eine die Isolationsschicht bildende Außenwand aufweist.
Radarfüllstandsmessgerät nach Anspruch 4, wobei die Isolationsschicht auf der zweiten Seite durch einen Flansch getragen wird, der einen Teil eines Gehäuses für den Messschaltkreis bildet.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin ein zwischen der dielektrischen Barriere und dem Antennenwellenleiterelement angeordnetes Dichtungsmittel umfasst, um einen Leckage zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des Tanks zu verhindern.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die dielektrische Barriere eine dielektrische Schicht einer einen Teil des Messschaltkreises bildenden Leiterplatte umfasst.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die dielektrische Barriere eine kleinste Dicke gleich oder größer einem vorbestimmten Wert aufweist, der benötigt wird, um eine Isolation bei einer gegebenen Nennspannung zu gewährleisten.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der vorbestimmte Wert 0,5 mm ist.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Antennenwellenleiterelement durch seine Form und Größe angrenzend an die dielektrischen Barriere eine Viertelwellenlängen-Dichtung bildet.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Antennenwellenleiterelement angrenzend an die dielektrischen Barriere mit zumindest einer Viertelwellenlängen-Drossel für die Reduktion der Mikrowellenleckage ausgerüstet ist.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Antennenwellenleiterelement angrenzend an die dielektrische Barriere mit einer Dichtung (55) aus Mikrowel len absorbierendem Material ausgerüstet ist, das in einer um das Wellenleiterelement angeordneten Ausnehmung (56) angeordnet ist.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die dielektrische Barriere auf ihrer zweiten Seite ein Leiterbild über einen Teil der Wellenleiteröffnung aufweist, um eine elektrische Anpassung zwischen der Barriere und dem Wellenleiter zu verbessern.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei – der Wellenleiter ein zweites Wellenleiterelement umfasst, das mit einem ersten Ende mit dem Messschaltkreis verbunden ist, – das zweite Wellenleiterelement ein zweites Ende aufweist, das mit der Öffnung des Antennenwellenleiterelements verbindbar ist, um einen trennbaren Verbinder zu bilden, und wobei – die dielektrische Barriere zwischen dem Antennenwellenleiterelement und dem zweiten Wellenleiterelement angeordnet ist, um die nichtleitende Trennung zu gewährleisten.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Antennenwellenleiterelement eine Wand aufweist, die sich entlang des Schnittes erstreckt, und wobei die Öffnung als ein Schlitz in der Wand gebildet ist.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Schnitt in einer Schnittebene enthalten ist.
Radarfüllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Antennenwellenleiterelement angrenzend an die dielektrische Barriere mit zumindest einer Mikrowellendichtungseinheit aus Mikrowellen dämpfendem Material zum Absorbieren von Mikrowellenenergie ausgerüstet ist.
Radarfüllstandsmessgerät nach Anspruch 21 oder einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die zumindest eine Mikrowellendichtungseinheit auch eine Druckdichtung umfasst.
Verfahren zum nichtleitenden Trennen eines mit einer Antenne verbundenen Wellenleiters gegenüber einem Messschaltkreis eines Radarfüllstandsmessgeräts zum Messen des Füllstandes einer Oberfläche eines Produktes in einem Tank, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Senden von Mikrowellen zu der Oberfläche und Empfangen von durch die Oberfläche reflektierten Mikrowellen mittels einer Antenne, – Einspeisen der Mikrowellen von dem Messschaltkreis zu der Antenne durch einen hohlen Wellenleiter, – Versehen des Wellenleiters mit einem Antennenwellenleiterelement, das an einem Ende mit der Antenne verbindbar ist, – Versehen des anderen Endes des Antennenwellenleiterelements mit einer Öffnung über einen Schnitt des Antennenwellenleiterelements, – Anordnen einer dielektrischen Barriere entlang des Schnittes über die Öffnung des Antennenwellenleiterelementes, – Anordnen der dielektrischen Barriere, so dass eine erste Seite in einer Richtung zu dem Antennenwellenleiterelement zu dem Wellenleiter zeigt, und – Anordnen der dielektrischen Barriere, so dass eine zweite Seite in einer Richtung im Wesentlichen weg von dem Antennenwellenleiterelement zeigt.
Verfahren nach Anspruch 23, das weiterhin den Schritt umfasst: – Anordnen eines Mikrowelleneinspeisers auf der zweiten Seite.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, das weiterhin den Schritt umfasst: – Anordnen eines Wellenleiterendstücks auf einer Seite der dielektrischen Barriere, wobei das Endstück auf der zweiten Seite der dielektrischen Barriere angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, das weiterhin den Schritt umfasst: – Anordnen eines Dichtungsmittels zwischen der dielektrischen Barriere und dem Antennenwellenleiterelement, um eine Leckage zwischen einem Inneren und einem Äußeren des Tanks zu verhindern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, das weiterhin die folgenden Schritte umfasst: – Versehen des Wellenleiters mit einem zweiten Wellenleiterelement, das mit einem ersten Ende mit dem Messschaltkreis verbunden ist, – Verbinden eines zweiten Endes des zweiten Wellenleiterelements mit der Öffnung des Antennenwellenleiterelements, um einen trennbaren Verbinder zu bilden, – Anordnen der dielektrischen Barriere zwischen dem Antennenwellenleiterelement und dem zweiten Wellenleiterelement, um die nichtleitende Trennung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 27, das den Schritt umfasst: – Abdecken der gesamten Öffnung des Antennenwellenleiterelements mit der dielektrischen Barriere.