DE19944103A1

DE19944103A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter

Info

Publication number: DE19944103A1
Application number: DE19944103A
Authority: DE
Inventors: Stefan Burger; Klaus-Peter Oberle
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1999-09-15
Filing date: 1999-09-15
Publication date: 2001-03-22
Also published as: WO2001020273A1; EP1212589A1; US6614391B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts (2) in einem Behälter (4) mit einer Signalerzeugungseinheit (6), die hochfrequente Signale erzeugt, mit einer Sende-/Empfangseinheit (7, 8), die die Signale über eine Antenne (10) aussendet und die die an der Oberfläche (3) des Füllguts (2) reflektierten Signale empfängt, mit einer Koaxialleitung (11) mit Innenleiter (12) und Außenleiter (13) zum Führen der Signale, und mit einer Auswerteeinheit (14), die anhand der Laufzeit der Signale den Füllstand in dem Behälter (4) ermittelt, wobei die Antenne (10) einen durch eine Rückwand (15) begrenzten Hohlleiter (16) aufweist, wobei an der Rückwand (15) des Hohlleiters (16) ein Sendedraht (17) vorgesehen ist, der im wesentlichen innerhalb des Hohlleiters (16) verläuft, und wobei ein erster Endbereich (18) des Sendedrahtes (17) mit dem Innenleiter (12) der Koaxialleitung (11) verbunden ist. DOLLAR A Die Aufgabe, eine sehr einfach ausgestaltete Füllstandsmeßvorrichtung zu schaffen, wird dadurch gelöst, daß ein zweiter Endbereich (19) des Sendedrahtes (17) frei und im wesentlichen parallel zur Rückwand (15) des Hohlleiters (16) angeordnet ist und daß der Abstand zwischen dem zweiten Endbereich (19) des Sendedrahtes (17) und der Rückwand (15) des Hohlleiters (16) im wesentlichen lambda/8 beträgt, wobei lambda die Wellenlänge der im Hohlleiter (16) geführten hochfrequenten Signale ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter mit einer Signalerzeugungs einheit, die hochfrequente Signale erzeugt, mit einer Sende-/Empfangs einheit, die die Signale über eine Antenne aussendet und die die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Signale empfängt, mit einer Koaxial leitung mit Innenleiter und Außenleiter zum Führen der Signale und mit einer Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeit der Signale den Füllstand in dem Behälter ermittelt, wobei die Antenne einen durch eine Rückwand begrenzten Hohlleiter aufweist, wobei an der Rückwand ein Sendedraht vorgesehen ist, der im wesentlichen innerhalb des Hohlleiters verläuft, und wobei ein erster Endbereich des Sendedrahtes mit dem Innenleiter der Koaxialleitung verbunden ist.

Laufzeitverfahren nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindig keit ist. Im Falle der Füllstandsmessung entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen Antenne und Oberfläche des Füllguts. Das Nutzechosignal, also das an der Oberfläche des Füllguts reflektierte Signal, und dessen Laufzeit werden anhand der sog. Echofunktion bzw. der digitalisierten Hüllkurve bestimmt, wobei die Hüllkurve die Amplituden der Echosignale als Funkton des Abstandes 'Antenne - Oberfläche des Füllguts' wiedergibt. Der Füllstand selbst ergibt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der Antenne zum Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllguts zur Antenne.

Es können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Mikrowellen zu messen. Die bekanntesten Beispiele sind das Pulsradar und das Frequenz modulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar).

Beim Pulsradar werden periodisch kurze Mikrowellen-Pulse gesendet. Beim FMCW-Verfahren wird eine kontinuierliche Mikrowelle gesendet, die periodisch linear, beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion, frequenzmoduliert ist. Die Frequenz des empfangenen Echosignals weist daher gegenüber der Frequenz, die das Sendesignal zum Zeitpunkt des Empfangs hat, eine Frequenzdifferenz auf, die von der Laufzeit des Echosignals abhängt. Die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal, die durch Mischung beider Signale und Auswertung des Fourierspektrums des Mischsignals gewonnen werden kann, entspricht somit dem Abstand der reflektierenden Fläche von der Antenne. Ferner entsprechen die Amplituden der Spektrallinien des durch Fouriertransformation gewon nenen Frequenzspektrums den Echoamplituden. Dieses Fourierspektrum stellt daher in diesem Fall die Echofunktion dar.

Elektromagnetische Wellen breiten sich in Koaxialleitungen im transversal elektro-magnetischen Mode (TEM-Mode) dispersionsfrei aus. Dieser Mode eignet sich daher besonders gut zum Transport von Wellenpaketen oder elektromagnetischen Wellen, die eine gewisse Frequenz-Bandbreite aufweisen. Eingespeiste Wellenpakete erfahren dann praktisch keine Verbreiterung; ebenso wird bei linear frequenzmodulierten Mikrowellen eine Linearitätsabweichung weitgehend vermieden.

Zum gerichteten Senden von elektromagnetischen Wellen mittels einer Antenne werden bevorzugt Moden eingesetzt, deren Abstrahlcharakteristik eine ausgeprägte Vorwärtskeule aufweist. Diese Eigenschaft weist der in Rundhohlleitern ausbreitungsfähige transversal elektrische 11-Mode (TE₁₁- Mode) auf. In Abhängigkeit von den Abmessungen der als Hohlleiter dienenden Antenne gibt es einen Frequenzbereich, in dem die TE₁₁-Mode der einzige ausbreitungsfähige Mode ist. Oberhalb dieses Frequenzbereichs sind auch höhere für das gerichtete Senden von Mikrowellen weniger gut geeignete Moden, z. B. der TM₀₁-Mode, ausbreitungsfähig.

Aus der DE G 93 12 251.9 ist es bekannt geworden, den Sendepilz seitlich in die als Rundhohlleiter ausgebildete Antenne einzubringen. Ein Nachteil einer solchen Anordnung ist es, daß der seitlich positionierte Sendepilz im allgemeinen ein zusätzliches Gehäuse zum Schutz der an den Sendepilz angeschlossenen Koaxialleitung erforderlich macht. Somit ist der Durchmesser gegenüber einer Anordnung, bei der die Einkopplung der Mikrowellen durch eine Rückwand der Antenne erfolgt, vergrößert. Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik ist darin zu sehen, daß aufgrund der Asymmetrie der Anordnung nicht nur der TE₁₁-Mode, sondern auch höhere Moden angeregt werden. Höhere Moden weisen jedoch eine andere Abstrahlcharakteristik auf und sind für eine gerichtete Ausstrahlung daher weniger gut geeignet.

Aus der EP 0 821 431 A2 ist eine Vorrichtung bekannt geworden, die in der Lage ist, einen Mode zu erzeugen, dessen Abstrahlcharakteristik eine ausgeprägte Vorwärtskeule aufweist. Darüber hinaus ist diese Vorrichtung in einem großen Frequenzbereich einsetzbar. Hierzu werden die Signale von der Rückseite des als Antenne wirkenden Rundhohlleiters her eingekoppelt. Die Einkopplung selbst erfolgt auf einen trapezförmig geformten Sendedraht, der an der Rückwand der Antenne angeordnet ist und der im wesentlichen im Innern der Antenne verläuft. Das eine Ende des Sendedrahtes ist mit dem Innenleiter der die Signale führenden Koaxialleitung verbunden; das andere Ende des Sendedrahtes ist mit der Rückwand der Antenne kontaktiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter vorzuschlagen, die sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein zweiter Endbereich des Sende drahtes frei und im wesentlichen parallel zu Rückwand des Hohlleiters angeordnet ist und daß der Abstand zwischen dem zweiten Endbereich des Sendedrahtes und der Rückwand des Hohlleiters im wesentlichen λ/8 beträgt. Hierbei ist mit λ die Wellenlänge der im Hohlleiter geführten hochfrequenten Signale bei einer zu sendenden Frequenz charakterisiert. Bei der Frequenz handelt es sich beispielsweise um die Mittenfrequenz des Frequenzspektrums eines zu sendenden hochfrequenten Impulses oder um die Mittenfrequenz eines linear fequenzmodulierten FMCW-Sendesignals.

Infolge der axialen Einkopplung zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine schmale Bauweise aus. Die Einkopplung überschreitet nicht - wie im Falle der seitlichen Einkopplung - die Maße des Rundhohlleiters. Sie ist daher auch bei Behältern mit schmalen Öffnungen problemlos montierbar. Infolge der geraden Einkopplung sind darüber hinaus weder Winkelstecker noch Leitungswinkel erforderlich, welche die Ausbreitung der hochfrequenten Signale negativ beeinflussen würden. Hinzu kommt, daß infolge des geringen Abstandes von λ/8 zwischen dem zweiten Endbereich des Sendedrahtes und Rückwand die Antenne kürzere Abmessungen aufweisen kann als bei den bislang bekannt gewordenen Antennen. Hier ist der entsprechende Abstand stets mit λ/4 angegeben worden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß die Koaxialleitung frontbündig mit der Rückwand des Hohlleiters abschließt. Hierdurch wird der im Falle der DE 195 45 493 A1 zu betreibende hohe mechanische Aufwand vermieden, die Koaxialleitung durch die Rückwand in den Hohlleiter der Antenne hineinzuführen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß der erste Endbereich und der zweite Endbereich des Sendedrahtes im wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt auf der Hand: Der Sendedraht ist sehr einfach durch entsprechendes Verbiegen zu fertigen. Weiterhin ist die Anordnung eines Sendepilzes am freien Ende, wie er etwa in der DE 195 45 493 A1 vorgesehen ist, im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung überflüssig.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Sendedraht auf einer in der Antenne befestigten Leiterplatte ange ordnet ist. Hierdurch wird die Fertigung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich erleichtert.

Weiterhin sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem Hohlleiter der Antenne ein Dielektrikum vor, das zumindest den Hohlleiter in der Umgebung des Sendedrahts ausfüllt. Bei dem Dielektrikum handelt es sich beispielsweise um PTFE (Polytetrafluorethylen).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Antenne über eine Befestigungsvorrichtung, beispielsweise über einen Flansch oder ein Außengewinde, an einem Behälter befestigbar.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2: eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3: eine teilweise im Längsschnitt gezeigte Darstellung einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 4: einen Schnitt durch die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform, wobei der Schnitt gegenüber dem in Fig. 3 gezeigten Schnitt um 90° gedreht ist.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein festes oder flüssiges Füllgut 2 ist in einem Behälter 4 gelagert. Zur Bestimmung des Füllstandes dient das erfindungsgemäße Füllstandsmeßgerät 1, das in einer Öffnung 5 im Deckel des Behälters 4 montiert ist. Über die Antenne 10 werden in der Signalerzeugungs- /Sendeeinheit 6; 7 erzeugte Sendesignale, insbesondere Mikrowellen, in Richtung der Oberfläche 3 des Füllguts 2 abgestrahlt. An der Oberfläche 3 werden die gesendeten Signale als Echosignale teilweise reflektiert. Diese Echosignale werden in der Empfangs-/Auswerteeinheit 8; 14 empfangen und ausgewertet. Mittels der Sende-/Empfangsweiche 9 werden im gezeigten Beispiel die Sendeeinheit 6 und die Empfangseinheit 7 voneinander entkoppelt. Bei Verwendung einer Sendeeinheit 6 und einer separaten Empfangseinheit 7 kann die Sende-/Empfangsweiche 9 selbstverständlich entfallen.

In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu sehen. Im gezeigten Fall ist die Koaxial leitung 11 zwischen der Sende-/Empfangsweiche 9 und der Antenne 10 im Detail dargestellt. Die Antenne besteht aus einem Hohlleiter 16, der an einer seiner Stirnseiten mit einer Rückwand abgeschlossen ist.

Die zu sendenden und die reflektierten Signale werden über eine Koaxial leitung 11 geführt. Diese besteht aus einem Innenleiter 12 und einem Außenleiter 13. Der Innenleiter 12 ist mit dem ersten Endbereich 18 des Sendedrahtes 17 verbunden. Hierzu ist in der Rückwand 15 eine Durch führung 23, z. B. eine Glasdurchführung, vorgesehen. Die Durchführung 23 weist eine Isolationsschicht auf, damit gewährleistet ist, daß im Bereich der Durchführung 23 keine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Innenleiter 12 und der Rückwand 15 besteht.

Die Antenne 10 ist aus einem elektrisch leitenden Material, z. B. aus Aluminium oder Edelstahl, oder aus einem mit einem leitfähigen Material beschichteten Kunststoff gefertigt. Der Hohlleiter 16 der Antenne 10 hat einen kreisförmigen Querschnitt und ist - wie bereits zuvor erwähnt - an einer Stirnseite durch die Rückwand 15 abgeschlossen. Die Antenne 10 weist folglich die Geometrie eines kurzgeschlossenen Rundhohlleiters auf.

Der Sendedraht 17 ist als rechtwinklig gebogener Haken ausgeführt, wobei der zweite Endbereich 19 des Sendedrahtes 17 im wesentlichen parallel zur Rückwand 15 der Antenne 10 verläuft. Der Abstand zwischen dem zweiten Endbereich 19 und der Rückwand 15 beträgt ca. λ/8, wobei λ die Wellenlänge der im Hohlleiter 16 geführten hochfrequenten Signale einer vorgegebenen Mittelfrequenz ist. Der Sendedraht 17 ist in ein Dielektrikum 22 eingebettet. Das Dielektrikum 22 füllt im gezeigten Fall den Hohlraum 16 der Antenne 10 vollständig aus und ist darüber hinaus in Richtung der Abstrahlung der Signale kegelförmig verjüngt. Bei der in Fig. 2 gezeigten Darstellung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung also in Verbindung mit einem Hornstrahler eingesetzt. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in Verbindung mit einer Stabantenne verwendet werden. Beide Ausgestaltun gen verbessern die Abstrahlcharakteristik der Antenne 10 zusätzlich, sind ansonsten jedoch für die Funktionstüchtigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 nicht unbedingt erforderlich.

Die Antenne 10 weist weiterhin eine Befestigungsvorrichtung auf, mittels der die erfindungsgemäße Vorrichtung an einem Behälter 4 befestigt werden kann. Im dargestellten Fall dient ein Außengewinde der Befestigung. Es versteht sich von selbst, daß die Montage auch mittels eines Flansches erfolgen kann.

Anstelle eines frei im Hohlleiter 16 der Antenne 10 verlaufenden, lediglich an dem ersten Ende 18 befestigten Sendedrahtes 17 ist auch eine Leiterplatte 20 einsetzbar, auf der der Sendedraht 17 angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ist schematisch in den Figuren Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt. Zur Befestigung der Leiterplatte 20 ist in der Rückwand 15 z. B. eine Nut vorgesehen; weitere Nuten sind an den entsprechenden, einander diametral gegenüberliegende Stellen auf der Innenfläche des Hohlleiters vorgesehen, in diese Nuten kann die Leiterplatte 20 eingesteckt werden. Die elektrische Kontaktierung des ersten Endbereichs 18 des Sendedrahts 17 mit dem Innenleiter 12 erfolgt analog zu der Kontaktierung des Sendedrahts 17 ohne Leiterplatte 20.

Bezugszeichenliste

1

erfindungsgemäße Vorrichtung

2

Füllgut

3

Oberfläche des Füllguts

4

Behälterdeckel

5

Öffnung

6

Signalerzeugungseinheit

7

Sendeeinheit

8

Empfangseinheit

9

Sende-/Empfangsweiche

10

Antenne

11

Koaxialleitung

12

Innenleiter

13

Außenleiter

14

Auswerteeinheit

15

Rückwand

16

Hohlleiter

17

Sendedraht

18

Erster Endbereich

19

Zweiter Endbereich

20

Leiterplatte

21

Befestigungsvorrichtung

22

Dielektrikum

23

Durchführung

24

Hohlraum

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts (2) in einem Behälter (4) mit einer Signalerzeugungseinheit (6), die hochfrequente Signale erzeugt, mit einer Sende-/Empfangseinheit (7, 8), die die Signale über eine Antenne (10) aussendet und die die an der Oberfläche (3) des Füllguts (2) reflektierten Signale empfängt, mit einer Koaxialleitung (11) mit Innenleiter (12) und Außenleiter (13) zum Führen der Signale, und mit einer Auswerteeinheit (14), die anhand der Laufzeit der Signale den Füllstand in dem Behälter (4) ermittelt, wobei die Antenne (10) einen durch eine Rückwand (15) begrenzten Hohlleiter (16) aufweist, wobei an der Rückwand (15) des Hohlleiters (16) ein Sendedraht (17) vorgesehen ist, der im wesentlichen innerhalb des Hohlleiters (16) verläuft, und wobei ein erster Endbereich (18) des Sendedrahtes (17) mit dem Innenleiter (12) der Koaxialleitung (11) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zweiter Endbereich (19) des Sendedrahtes (17) frei und im wesentlichen parallel zu Rückwand (15) des Hohlleiters (16) angeordnet ist und
daß der Abstand zwischen dem zweiten Endbereich (19) des Sendedrahtes (17) und der Rückwand (15) des Hohlleiters (16) im wesentlichen λ/8 beträgt, wobei λ die Wellenlänge der im Hohlleiter (16) geführten hochfrequenten Signale ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, wobei die Koaxialleitung (11) frontbündig mit der Rückwand (15) des Hohlleiters (16) abschließt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Endbereich (18) und der zweite Endbereich (19) des Sendedrahtes (17) im wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendedraht (17) auf einer in der Antenne (10) befestigten Leiterplatte (20) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlleiter (16) der Antenne (10) ein Dielektrikum (22) vorgesehen ist, das zumindest den Hohlleiter (16) in der Umgebung des Sendedrahts (17) ausfüllt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Befestigungsvorrichtung (21) vorgesehen ist, über die die Antenne 10 an dem Behälter (4) befestigt wird.