DE19510484C2 - Füllstandsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Füllstandsmesser, der nach dem Radarprinzip arbeitet, mit einem ein Mikrowellensignal erzeugenden Mikrowellengenerator, mit einer das Mi­ krowellensignal führenden Sendeantenne, mit einer ein mindestens an einem Medium reflektiertes Meßsignal führenden Empfangsantenne und mit einem das Meßsignal über die Empfangsantenne detektierenden Mikrowellendetektor, wobei aus der für das Meßsignal ermittelten Laufzeit die Füllstandshöhe des Mediums berechenbar ist und wobei die Sendeantenne und/oder die Empfangsantenne als vorzugsweise zy­ lindrische Oberflächenwellenantenne ausgebildet ist bzw. sind.

Neben den bekannten mechanischen Füllstandsmessern, die nach dem Schwimmer- oder Tastplatten-Prinzip arbeiten, sind seit geraumer Zeit Füllstandmesser bekannt, die darauf beruhen, daß ein Schwingungswellengenerator Schwingungswellen aussen­ det, daß ein Schwingungswellendetektor die an der Oberfläche eines in einem Behäl­ ter befindlichen Mediums reflektierten Schwingungswellen detektiert und daß aus der für die Schwingungswellen ermittelten Laufzeit die Füllstandshöhe des Mediums in dem Behälter berechnet wird (vgl. die DE 42 33 324 A1, die DE 43 27 333 A1 und die nachveröffentlichte DE 44 19 462 A1).

Füllstandsmesser der zuvor beschriebenen Art werden im allgemeinen als berührungs­ lose Füllstandmesser bezeichnet, da weder die Schwingungswellengeneratoren und die Schwingungswellendetektoren noch die Sendeantenne und die Empfangsan­ tenne mit dem Medium in Berührung kommen. Dies ist zumindest in der Regel der Fall, wenn der Behälter, nicht überbefüllt wird.

Sämtliche bekannten, in der Regel berührungslos arbeitenden Füllstandsmesser arbei­ ten mit von ihnen ausgesandten Schwingungswellen, die von der Oberfläche des Mediums, dessen Füllstand zu messen ist, reflektiert werden. Bei den bekannten Ver­ fahren zur Bestimmung des Füllstands unterscheidet man zwischen solchen, die die Phasenverschiebung zwischen den ausgesandten und den detektierten Schwin­ gungswellen messen, und solchen, die unmittelbar die Laufzeit der Schwingungswel­ len messen. Bei der Laufzeitmessung unterscheidet man im wesentlichen wiederum solche Füllstandsmesser, die die Laufzeit anhand von Schwingungswellen mit im­ pulsmodulierten Amplituden messen, und solchen, die die Laufzeit anhand von fre­ quenzmodulierten Schwingungswellen messen; letztere bezeichnet man auch als Füllstandsmesser, die nach dem FMCW-Verfahren arbeiten. Im weiteren wird - ohne Beschränkung hierauf - das Funktionsprinzip eines in der Regel berührungslosen Füllstandsmessers anhand eines Füllstandsmessers beschrieben, der nach dem Lauf­ zeitprinzip arbeitet, also unmittelbar die Laufzeit der Schwingungswellen mißt.

Die hier interessierenden, in der Regel berührungslos arbeitenden Füllstandsmesser, die nach dem Radarprinzip arbeiten, verwenden üblicherweise als Sendeantennen bzw. Empfangsantennen Hornstrahler, Linsen, Parabolspiegel und ähnliches. Diesen gängigen Antennenformen sind verschiedene Probleme gemeinsam zu eigen. Ihnen allen ist beispielsweise gemeinsam, daß sie relativ große Abmessungen aufweisen. Dies führt zum einen dazu, daß sie innerhalb des Behälters für das Medium ein großes Volumen für sich beanspruchen, welches zumindest ohne zusätzliche Maßnahmen nicht mehr für das Medium nutzbar ist. Zum anderen führen die großen Abmessungen dazu, daß an dem Behälter ein großer Montageflansch erforderlich ist, um die An­ tenne in dem Behälter montieren zu können. Ein weiteres Problem taucht in dem Au­ genblick auf, in dem der Behälter überbefüllt wird, so daß das Medium die Antenne berührt, was selbstverständlich durch die großen Abmessungen der Antenne eher einmal der Fall sein kann. Dies ist vor allem deshalb problematisch, da bei einer sol­ chen Berührung zwischen der Antenne und dem Medium undefinierte Reflexions­ verhältnisse auftreten. Außerdem ist bei den üblichen Antennenformen die Reinigung des Behälters aufgrund der Hohlräume innerhalb der Antenne erschwert.

Die DD-PS 1 50 939 offenbart über die beschriebenen Füllstandmesser hinaus einen Füllstandsmesser, der nach dem Radarprinzip arbeitet, mit einem ein Mikrowellensi­ gnal erzeugenden Mikrowellengenerator, mit einem die Sendeantenne und Emp­ fangsantenne bildenden Drahtwellenleiter und mit einem das Meßsignal über diesen Drahtwellenleiter detektierenden Mikrowellendetektor. Bei diesem bekannten Füll­ standsmesser wird die Füllstandshöhe des Mediums aus der für das Meßsignal ermit­ telten Laufzeit errechnet. Der zur Führung der Mikrowellensignale dienende Draht­ wellenleiter erstreckt sich über die gesamte Höhe eines das Medium aufnehmenden Behälters. Weiter ist aus der EP 0 534 654 A2 ein Füllstandsmesser zum Einsatz in einem unter Druck stehenden Wasserbehälter bekannt. Bei diesem Füllstandsmesser wird ein sich über die gesamte Höhe des Druckbehälters erstreckender koaxialer Wellenleiter eingesetzt, in den das Wasser zwischen dem Innen- und Außenleiter bis zur Füllstandshöhe eindringt.

Den zuletzt beschriebenen Füllstandsmessern ist gemeinsam, daß die gleichzeitig Sende- und Empfangsantenne bildenden Oberflächenwellen- bzw. Koaxialantennen sich über die gesamte interessierende Höhe des das Medium speichernden Behälters erstrecken müssen, da bei diesen bekannten Füllstandsmessern ein Kontakt zwischen dem Medium und der Sende- bzw. Empfangsantenne zur Bestimmung der Füll­ standshöhe notwendig ist. Dies ist im Hinblick auf eine leichte Montage und eine ko­ stengünstige Herstellung eines Füllstandsmessers problematisch.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, für Füllstandsmesser, die nach dem Radarprinzip arbeiten, eine verbesserte Antennenform zu schaffen.

Erfindungsgemäß ist die zuvor aufgezeigte und dargelegte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Füllstand oberhalb einer bestimmten Füllstandshöhe des Mediums die als Oberflächenwellenantenne ausgebildete Sendeantenne und/oder Empfangsan­ tenne in das Medium eintaucht und daß bei einem Füllstand unterhalb der bestimmten Füllstandshöhe des Mediums die als Oberflächenwellenantenne ausgebildete Sende­ antenne ein Mikrowellensignal in Richtung des Mediums abstrahlt und/oder die als Oberflächenwellenantenne ausgebildete Empfangsantenne ein Mikrowellensignal aus Richtung des Mediums empfängt. Durch die erfindungsgemäß kurze Ausgestal­ tung der Antennenform ist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten An­ tennenformen gewährleistet, daß die Antenne, aufgrund des nur bei hohen Füllstän­ den vorkommenden Kontaktes mit dem Medium, weniger beansprucht ist und daß der Fertigungs- und Montageaufwand deutlich reduziert ist. Gegenüber den eben­ falls aus dem Stand der Technik bekannten Ausbildungen der Antenne als Hornstrah­ ler, Linsen, Parabolspiegel und dergleichen, ist die erfindungsgemäße Antennenform vor allem deshalb vorteilhaft, da sie auch bei Kontakt mit dem Medium noch ein aus­ wertbares Empfangssignal liefert. Außerdem erfordert die erfindungsgemäße Anten­ nenform aufgrund ihrer geringen radialen Abmessungen nur einen vergleichsweise kleinen Aufnahmeflansch an dem das Medium speichernden Behälter.

Oberflächenwellenantennen basieren auf dem Prinzip, daß sich Felder längs der Grenzfläche zweier Medien unterschiedlicher Stoffkonstanten, zum Beispiel unter­ schiedlicher Dielektrizitätszahl, in der Form von Oberflächenwellen ausbreiten. Er­ streckt sich die eine Oberflächenwelle führende Grenzfläche in der Ausbreitung ins Unendliche, so strahlt die Oberflächenwelle keine Energie ab. Eine Strahlung entsteht dann, wenn beispielsweise ein Oberflächenwellen führender Stab in seinen Quer­ schnitt verändert ist. Insbesondere werden Oberflächenwellenantennen zylindrisch mit endlicher Länge ausgeführt, so daß sie also von ihrem Ende gerichtete Mikrowel­ lenstrahlen abstrahlen. Durch ihre zylindrische Form weisen die Oberflächenwellen­ antennen nur geringe radiale Abmessungen auf.

Eine besondere Eigenschaft von Oberflächenwellenantennen und insbesondere von dielektrischen Stabstrahlern ist es, daß, wenn der dielektrische Stabstrahler in das Medium eintaucht, eine Reflexion der Oberflächenwellen an der Staboberfläche dort auftritt, wo sich die Dielektrizitätszahl des umgebenden Mediums ändert, zum Bei­ spiel an der Grenzschicht zwischen Medium und Atmosphäre, aber auch an den Grenzschichten zwischen zwei Medien unterschiedlicher Dielektrizitätszahlen. Da­ durch, daß die Sende- und Empfangsantenne zumindest teilweise in das Medium ein­ tauchen, ist es möglich, daß nahezu die gesamte Höhe des Behälters für das Medium überwachbar ist. Dies ist bei den üblichen Antennenformen nicht oder nur sehr auf­ wendig möglich, da, wie eingangs geschildert, bei Berührung der üblichen Antennen mit dem Medium undefinierte Reflexionsverhältnisse auftreten.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung erfahren die Sendeantenne und/oder die Empfangsantenne dadurch, daß sie als dielektrische Stabstrahler ausgebildet ist bzw. sind. Dielektrische Stabstrahler sind neben dielektrischen Mantelstrahlern und metal­ lischen Rillenantennen ein besonderer Typ von Oberflächenwellenantennen. Für den Einsatz in einem Füllstandsmesser sind dielektrische Stabstrahler insbesondere des­ halb geeignet, da sie einerseits keine Hohlräume haben und andererseits eine stark gerichtete Abstrahlcharakteristik aufweisen (vgl. Erich Pehl, Mikrowellentechnik, Band 2: Antennen und aktive Bauteile, Hüthig Verlag, Heidelberg, 1984).

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung erfährt der erfindungsgemäße Füllstandsmes­ ser dadurch, daß eine einzige Oberflächenwellenantenne gleichzeitig als Sendean­ tenne und als Empfangsantenne dient. Da beispielsweise ein dielektrischer Stabstrah­ ler gleichzeitig als Sendeantenne und als Empfangsantenne dienen kann, ist durch diese Maßnahme gewährleistet, daß der Füllstandmesser innerhalb des Behälters einen besonders geringeren Platzbedarf aufweist.

Der erfindungsgemäße Füllstandsmesser ist besonders vorteilhaft dadurch ausgestal­ tet, daß der dielektrische Stabstrahler mit einer leitfähigen Beschichtung versehen ist. Dadurch, daß das Dielektrikum des dielektrischen Stabstrahlers oder die leitfähige Be­ schichtung des dielektrischen Stabstrahlers im wesentlichen einen Imaginärteil kleiner als 1/3 des Realteils der komplexen Dielektrizitätszahl und im wesentlichen einen Oberflächenwiderstand von maximal 10⁸ Ω aufweist, ist gewährleistet, daß einerseits die Mikrowellenausbreitung nicht wesentlich beeinflußt oder gedämpft ist und daß andererseits elektrische Oberflächenladungen, die zum Beispiel zu Funken und damit zu Einschränkungen für den Einsatz des Füllstandsmessers in explosionsgefährdeten Bereichen führen können, verhindert werden.

Dadurch, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform in der Sendeantenne und/oder in der Empfangsantenne ein gut leitfähiger Innenleiter angeordnet ist, ist gewährlei­ stet, daß die Mikrowellen besonders vorteilhaft in die Oberflächenwellenantenne ein­ koppelbar und in ihr führbar sind. Dieser gut leitfähige, vorzugsweise metallische In­ nenleiter ist weiter besonders vorteilhaft dadurch nutzbar, daß er als zweite Elektrode eines kapazitiven Füllstandssensors dient. Durch diesen kapazitiven Füllstandssensor neben dem Füllstandsmesser, der nach dem Radarprinzip arbeitet, erhält man ein re­ dundantes Meßsystem, das zum Beispiel als Überbefüllsicherung von Behältern ver­ wendbar ist. Um eine Entkoppelung der Signale für die Messung nach dem Radar­ prinzip und die kapazitive Füllstandsmessung zu gewährleisten, wählt man unter­ schiedliche Frequenzbereiche für beide Messungen.

Dadurch, daß bei einer bevorzugten Ausführungsform eine die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Mikrowellen auf der Oberflächenwellenantenne, im Nahfeld der Oberflächenwellenantenne und im Fernfeld der Oberflächenwellenan­ tenne korrigierende Auswerteschaltung vorgesehen ist, liefert der erfindungsgemäße Füllstandsmesser präzise Werte für die Füllstandshöhe innerhalb des das Medium speichernden Behälters.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Füllstandsmesser, der nach dem Radarprinzip arbeitet, auszugestalten und weiterzu­ bilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbei­ spiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Füllstandsmes­ sers mit einem fast leeren, das Medium speichernden Behälter,

Fig. 2 das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Füllstandsmes­ sers mit einem fast vollen, das Medium speichernden Behälter,

Fig. 3 eine Darstellung des Sende- und Reflexionsverhaltens eines dielektri­ schen Stabstrahlers im nicht eingetauchten Zustand und des Zeitverhal­ tens des reflektierten Meßsignals,

Fig. 4 eine Darstellung des Sende- und Reflexionsverhaltens eines dielektri­ schen Stabstrahlers im eingetauchten Zustand und des Zeitverhaltens des reflektierten Meßsignals,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Füllstandsmes­ sers mit einem zusätzlichen kapazitiven Füllstandssensor und

Fig. 6 eine Darstellung des Laufzeitverhaltens des Meßsignals abhängig von dem Abstand zum Ansatz der Oberflächenwellenantenne.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessers, der nach dem Radarprinzip arbeitet, dargestellt. Der erfindungsge­ mäße Füllstandsmesser weist auf einen in einem Radarsystem 1 angeordneten, ein Mi­ krowellensignal erzeugenden Mikrowellengenerator, eine das Mikrowellensignal führende und abstrahlende und das an einem Medium 2 reflektierte Meßsignal emp­ fangende und führende Sende- und Empfangsantenne 3 und einen in dem Radarsy­ stem 1 angeordneten, das Meßsignal über die Sende- und Empfangsantenne 3 detek­ tierenden Mikrowellendetektor. Die Füllstandshöhe des in Fig. 1 dargestellten einzi­ gen Mediums 2 innerhalb eines Behälters 4 ist aus der für das Meßsignal ermittelten Laufzeit berechenbar. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfin­ dungsgemäßen Füllstandsmessers ist die Sende- und Empfangsantenne 3 erfindungs­ gemäß als zylindrische Oberflächenwellenantenne und insbesondere als dielektrischer Stabstrahler ausgebildet.

Im in Fig. 1 dargestellten Fall eines fast leeren Behälters 4 breiten sich die Oberflä­ chenwellen entlang der zylindrischen Oberfläche der als dielektrischer Stabstrahler ausgebildeten Sende- und Empfangsantenne 3 ohne Reflexionsstellen aus und wer­ den am Ende der Sende- und Empfangsantenne 3 in Folge der Querschnittsverände­ rung als Mikrowellen bzw. Radarstrahlen gerichtet in Richtung der Oberfläche des Mediums 2 im Behälter 4 abgestrahlt.

Bei dem in Fig. 2 der Zeichnung dargestellten fast vollen, das Medium 2 speichern­ den Behälter 4 taucht die Sende- und Empfangsantenne 3 teilweise in das Medium 2 ein. In diesem Fall werden die sich entlang der Oberfläche der Sende- und Empfangs­ antenne 3 ausbreitenden Oberflächenwellen von der Grenzschicht zwischen dem luft- bzw. gasgefüllten Volumen des Behälters 4 und dem mit dem Medium 2 gefüll­ ten Volumen des Behälters 4 reflektiert. Es treten hier insbesondere nicht, wie bei den bekannten üblichen Antennenformen, undefinierte Reflexionsverhältnisse bei der Berührung zwischen der Sende- und Empfangsantenne 3 und dem Medium 2 auf.

In den Fig. 3 und 4 ist die in den Fig. 1 und 2 bereits dargestellte Situation mit einem dem entsprechenden Verhalten des Meßsignals dargestellt. Hier wird noch einmal deutlich, daß die jeweilige Funktion der Sende- und Empfangsantenne 3 davon ab­ hängig ist, wo sich das reflektierende Medium 2 befindet, ob es unterhalb des Endes des hier dargestellten dielektrischen Stabstrahlers endet oder ob der dielektrische Stabstrahler in das Medium 2 eintaucht. Die Bestimmung der Laufzeit des Meßsignals ist unabhängig davon, ob die Sende- und Empfangsantenne 3 in das Medium 2 ein­ taucht oder nicht.

Die Zeichnung zeigt weiter in Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem in der Sende- und Empfangsantenne 3 ein gut leitfähiger Innenleiter 5 angeordnet ist, der vorzugsweise aus Metall besteht und zur Einkopplung bzw. Führung der von dem im Radarsystem 1 angeordneten Mikrowellengenerator erzeugten Mikrowellen dient.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä­ ßen Füllstandsmessers bildet der Innenleiter 5 gleichzeitig die zweite Elektrode eines kapazitiven Füllstandssensors 6. Hierdurch wird ein redundantes Meßsystem ge­ schaffen, das beispielsweise als Überbefüllsicherung des Behälters 4 dient.

In Fig. 6 ist das Laufzeitverhalten des Meßsignals abhängig von dem Abstand vom Ansatz der Sende- und Empfangsantenne 3 dargestellt. Bei den in den Fig. 1, 2 und 5 dargestellten ersten und zweiten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Füllstandsmessers ist es notwendig, daß die durch die unterschiedlichen Ausbrei­ tungsgeschwindigkeiten der Mikrowellen auf der Oberflächenwellenantenne, hier den Sende- und Empfangsantennen 3, im Nahfeld der Sende- und Empfangsantennen 3 und im Fernfeld der Sende- und Empfangsantennen 3, verursachten Meßungenau­ igkeiten mit Hilfe einer zusätzlichen Auswerteschaltung korrigiert werden.

Claims (8)

1. Füllstandsmesser, der nach dem Radarprinzip arbeitet, mit einem ein Mikrowellensi­ gnal erzeugenden Mikrowellengenerator, mit einer das Mikrowellensignal führenden Sendeantenne, mit einer ein mindestens an einem Medium (2) reflektiertes Meßsignal führenden Empfangsantenne und mit einem das Meßsignal über die Empfangsan­ tenne detektierenden Mikrowellendetektor, wobei aus der für das Meßsignal ermittel­ ten Laufzeit die Füllstandshöhe des Mediums (2) berechenbar ist und wobei die Sen­ deantenne und/oder die Empfangsantenne als vorzugsweise zylindrische Oberflä­ chenwellenantenne ausgebildet ist bzw. sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei ei­ nem Füllstand oberhalb einer bestimmten Füllstandshöhe des Mediums die als Ober­ flächenwellenantenne ausgebildete Sendeantenne und/oder Empfangsantenne in das Medium (2) eintaucht und daß bei einem Füllstand unterhalb der bestimmten Füll­ standshöhe des Mediums die als Oberflächenwellenantenne ausgebildete Sendean­ tenne ein Mikrowellensignal in Richtung des Mediums (2) abstrahlt und/oder die als Oberflächenwellenantenne ausgebildete Empfangsantenne ein Mikrowellensignal aus Richtung des Mediums (2) empfängt.

2. Füllstandsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendean­ tenne und/oder die Empfangsantenne als dielektrische Stabstrahler ausgebildet ist bzw. sind.

3. Füllstandsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine ein­ zige Oberflächenwellenantenne gleichzeitig als Sendeantenne und als Empfangsan­ tenne dient.

4. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Stabstrahler mit einer leitfähigen Beschichtung versehen ist.

5. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum des dielektrischen Stabstrahlers oder die leitfähige Beschichtung des dielektrischen Stabstrahlers im wesentlichen einen Imaginärteil kleiner als 1/3 des Realteils der komplexen Dielektrizitätszahl und im wesentlichen einen Oberflächen­ widerstand von maximal 10⁸ Ω aufweist.

6. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sendeantenne und/oder in der Empfangsantenne ein gut leitfähiger Innenleiter (5) angeordnet ist.

7. Füllstandsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gut leitfä­ hige Innenleiter (5) als zweite Elektrode eines kapazitiven Füllstandssensors (6) dient.

8. Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Mikrowellen auf der Oberflächenwellenantenne, im Nahfeld der Oberflächenwellenantenne und im Fern­ feld der Oberflächenwellenantenne korrigierende Auswerteschaltung vorgesehen ist.