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Die
Erfindung betrifft ein Abstandselement zur Zentrierung eines inneren
Leiters in einem den inneren Leiter konzentrisch umgebenden Rohr
nach den Oberbegriffen von Anspruch 1 und 5 sowie einen TDR-Füllstandssensor
mit einer Koaxialsonde, welche ein derartiges Abstandselement enthält.
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Das
TDR-Messprinzip (time domain reflectometry) basiert auf der Bestimmung
von Laufzeiten eines elektromagnetischen Pulses zur Bestimmung des
Abstandes einer Diskontinuität des Leitungswellenwiderstandes
wie etwa eines Kabelbruchs oder einer Produktgrenzfläche.
Es ähnelt somit dem Radar, wobei der Unterschied darin
besteht, dass die elektromagnetischen Wellen nicht ins Freie abgestrahlt, sondern
entlang eines Leiters geführt werden. Eine der ältesten
Anwendungen des TDR-Prinzips ist die Lokalisierung von Brüchen
in Überseeleitungen.
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Ein
herkömmliches Einsatzgebiet für Sensoren, die
auf dem TDR-Prinzip beruhen, ist die Bestimmung von Füllständen.
Dabei wird ein elektromagnetischer Puls entlang eines Leiters ausgesandt,
wobei der Puls durch die Änderung der dielektrischen Konstante
zwischen verschiedenen Medien in einem Behälter teilweise
reflektiert wird und es dadurch möglich ist, über
eine Laufzeitmessung den Abstand zwischen Grenzfläche und
Sensor zu ermitteln und somit den Füllstand zu berechnen.
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Um
von der Geometrie eines Behälters, in den der Sensor eingesetzt
ist, unabhängig zu sein, werden TDR-Füllstandssensoren
mit geschlossenen Sonden verwendet, welche einen koaxialen Leiter
mit Innenleiter und Außenleiter aufweisen. Voraussetzung
ist dann, dass die zu messenden Flüssigkeiten oder sonstigen
Medien wie Schüttgut innerhalb des koaxialen Leiters denselben
Pegelstand aufweisen wie in dem Behälter.
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Ein
Problem mit koaxialen Sonden besteht darin, dass der Innenleiter
und der Außenleiter voneinander elektrisch getrennt bleiben
müssen. Die bekannten mechanischen Lösungen zur
Sicherstellung dieser Trennung verändern aber in störender
Weise das elektromagnetische Verhalten der Sonde, oder sie bieten
keine hinreichende Stabilität, besonders wenn der Sensor
häufig Vibrationen und Erschütterungen ausgesetzt
ist.
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Aus
der
DE 10 2004 032 965 ist
eine Vorrichtung zum Zentrieren eines stab- oder seilförmigen Oberflächenwellenleiters
eines Feldgeräts bekannt, welche ein Zentrierelement aus
einem Material einer vorgegebenen Dielektrizitätskonstanten
aufweist. Um für den Bereich der Hochtemperaturanwendungen
geeignet zu sein, werden Keramiken mit ε
r ≈ 5–10
eingesetzt. An die Matetrialverteilung der Zentrierelemente werden
zwei Bedingungen gestellt, um eine Beeinflussung des Wellenwiderstands
des Oberflächenwellenleiters zu minimieren: Das Material
soll insgesamt möglichst wenig Volumen einnehmen, und vor
allem soll es an den Berührflächen mit dem Oberflächenwellenleiter
möglichst wenig Volumen einnehmen.
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Vor
allem diese letztere Bedingung beeinträchtigt aber die
Stabilität, besonders wenn das Zentrierelement Erschütterungen,
Vibrationen oder Stößen ausgesetzt wird. In den
konkreten Ausführungsbeispielen der
DE 10 2004 032 965 werden daher keine
optimalen Lösungen für möglichst geringe
Beeinflussung des Wellenwiderstands bei gleichzeitiger mechanischer
Stabilität gefunden. So ist in nur einem einzigen Ausführungsbeispiel
vorgesehen, dass das Zentrierelement über seinen Umfang
hinweg zur Erreichung mechanischer Stabilität mit dem Außenleiter
in Kontakt steht. Dabei handelt es sich um eine Lochscheibe mit
einer zentralen kreisförmigen Öffnung für
den Innenleiter und mehrere satellitenartig umgebende kreisförmige Öffnungen.
Diese Konstruktion verspricht Stabilität gegenüber
radialen Bewegungen, nicht aber gegenüber Bewegungen in Längs-
oder Umfangsrichtung. Zudem nimmt das Material einen großen
Anteil des Zwischenraums zwischen Innen- und Außenleiter
ein und wird deshalb den Wellenwiderstand in unnötig hohem
Maße beeinträchtigen. In allen anderen Ausführungsbeispielen
kommt das Zentrierelement nur teilweise mit dem Außenleiter
in Kontakt, und dadurch kann es unter Erschütterungen die
mechanische Stabilität nicht gewährleisten. Beispielsweise
ist eine Art Kleeblattform vorgesehen, wobei die Lücken
zwischen den Blättern zwar für geringeren Wellenwiderstand
sorgen, dabei aber geringere mechanische Stabilität insbesondere
durch Verrutschen in Längs- oder Umfangsrichtung aufweisen.
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Aus
der
DE 1 440 012 ist
ein koaxiales Kabel mit einem Isoliermaterial des Außenleiters
gegenüber dem Innenleiter vorgesehen, welches aus einer Vielzahl
von U-förmigen Bögen besteht. Diese Bögen greifen
an der Spitze des U sowie an dessen zentraler Rundung in Rillen
von Außen- bzw. Innenleiter ein, so dass der Querschnitt die
Form eines Wagenrads aufweist. Das Isoliermaterial erstreckt sich
longitudinal durch die gesamte Koaxialleitung, so dass verhältnismäßig
viel Material gebraucht wird. Auch sind, um in der genannten Analogie
eines Wagenrads zu bleiben, nur die Speichen Teil des Isoliermaterials.
Die übrigen Bestandteile des Rads bilden Außenleiter
und Innenleiter. Dadurch fehlt es an hinreichender Stabilität
für die Füllstandssensorik, welche auch keine
in der
DE 1 440 012 vorgesehene
Anwendung ist. Auch Rillen sind in dieser Anwendung nicht erwünscht,
weil sich Flüssigkeit in ihnen sammeln und die Messung
verfälschen könnte. Somit fehlt es letztlich sowohl
an der hinreichenden Stabilität wie an der möglichst
geringen Beeinflussung des Messergebnisses für einen Füllstandssensor.
Schließlich sind bei Füllstandssensoren Schlitze
vorhanden, um den Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Behälter und
dem Innenraum des Sensors zu gewährleisten. Diese Schlitze
müsste das Isoliermaterial überbrücken,
es ist aber mit seinen nach außen gerichteten Spitzen der
U-Elemente dafür ungeeignet.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Element zur verlässlichen
Beabstandung von einem innerem Leiter zu einem umgebenden äußerem
Rohr anzugeben, welches hohe mechanische Stabilität aufweist
und zugleich den Wellenwiderstand allenfalls in einem Maße
verändert, welches weiterhin hochgenaue Messungen der Laufzeit
von Pulsen entlang dem inneren Leiter zulässt.
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Diese
Aufgabe wird durch Abstandshalteelemente nach Anspruch 1 beziehungsweise
5 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Prinzip aus,
zwar so weit wie möglich auf Material zu verzichten, welches
zwangsläufig gegenüber Luft den Wellenwiderstand
verändern muss, dies aber in einer Weise zu tun, dass die
mechanische Stabilität gewahrt bleibt.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass Kurzschlüsse zuverlässig
vermieden werden und die Messgenauigkeit erhalten bleibt. Die Zentrierungsfunktion
wird auch unter mechanischer Beanspruchung durch Stöße,
Vibrationen oder sonstige Erschütterungen erfüllt
und somit sind zahlreiche Einsatzmöglichkeiten auch unter
ungünstigen äußeren Bedingungen gegeben.
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Bei
der Lösung gemäß Anspruch 1 ist das Aussehen
des Abstandshalteelements vergleichbar mit einem Rad, wobei der äußere
Radumfang, welcher einen Mantel aufnehmen würde, den äußeren Halterungsbereich,
der innere Umfang, welcher auf der Nabe aufsitzt, den inneren Halterungsbereich und
die Verbindungselemente die Spei chen bilden. Äußerer
und innerer Halterungsbereich sind nur „im Wesentlichen” über
den gesamten Umfang vorgesehen, weil zwar eine geschlossene Ausführung
mit topologischen Kreisen bevorzugt ist, die sich über
volle 360° erstrecken, aber auch Ausführungsformen denkbar
sind, welche in Umfangsrichtung eine oder mehrere kleine Aussparungen
erlauben, etwa um das Element bei der Montage aufzubiegen, um Öffnungen
in dem Rohr für besseren Flüssigkeitsaustausch
vorsehen zu können, oder weil Überbrückungsstellen
für ein mehrteiliges Abstandshalteelement vorhanden sind,
welches nach der Montage in seiner Gesamtheit bis auf an den Überbrückungsstellen über
den gesamten Umfang verläuft.
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Der
innere Halterungsbereich und der äußere Halterungsbereich
bilden bevorzugt jeweils einen Kreis oder ein Vieleck. Damit sind
sie an die Innenkontur des Rohrs optimal angepasst.
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Vorteilhafterweise
sind genau drei Verbindungselemente vorgesehen. Weniger Verbindungselemente
gewährleisten nicht in jedem Fall die mechanische Stabilität
gegen verformende Beeinflussung aus allen radialen Richtungen. Mehr
Verbindungselemente würden zusätzliches Material
in den Zwischenbereich einführen und den Wellenwiderstand unnötig
verändern. Deshalb sind drei Verbindungselemente ein Optimum
für Stabilität und Messgenauigkeit.
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Der äußere
Halterungsbereich weist an seinem Außenbereich mindestens
ein Fixierungselement auf, um ein Verrutschen in dem Rohr zu verhindern.
Das Abstandshalteelement bietet zwar in sich Widerstand gegenüber
radialen Bewegungen, könnte aber noch in Längs-
oder Umfangsrichtung verrutschen. Dies wird durch die Fixierungselemente
verhindert.
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Die
Lösung gemäß Anspruch 5 lässt
sich im Spezialfall mit vier Ausbuchtungen mit einem Schmetterling
vergleichen, wobei jeweils zwei Ausbuchtungen einen Flügel
und der allerdings im Gegensatz zum Schmetterling im Innenraum unterbrochene
Körper Fixierungszapfen bilden.
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Der
Fixierungszapfen ist dabei bevorzugt an einem inneren Kontaktierungsbereich
radial nach außen stehend angeordnet. Damit beeinträchtigt
er nicht den stabilisierenden Kontakt zwischen den Ausbuchtungen
und dem Rohr, verhindert aber dennoch ein Verrutschen des Abstandshalteelements.
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Bei
allen erfindungsgemäßen Abstandselementen ist
bevorzugt, dass sie einstückig ausgebildet sind. Dies vereinfacht
die Herstellung und verbessert die mechanische Stabilität.
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Vorteilhaft
ist außerdem ein Material, das eine niedrige relative Dielektrizitätskonstante εr aufweist oder aus einem solchen Material
besteht, wobei das Material isolierend, mechanisch stabil und beständig
gegenüber flüssigen Medien ist. Ein geringes εr kommt Luft und damit dem Wunsch besonders
nahe, für die elektromagnetischen Wellen möglichst
unsichtbar zu bleiben. Das Material muss elektrisch isolierend sein,
weil sonst ein Kurzschluss über das Abstandselement entstehen
würde. Das Material sollte weiter eine möglichst
hohe innere Stabilität besitzen und selbst unter hoher
Beanspruchung durch aggressive zu messende Flüssigkeiten
seine Eigenschaften behalten, um langlebige und vielseitig einsetzbare
Abstandshalteelemente zu liefern.
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Bevorzugt
eingesetzte Materialien mit diesen Eigenschaften sind Teflon, Kunststoff
oder Keramik, wobei jeweils der für die Anwendung geeignete
Kompromiss aus Stabilität, Beanspruchbarkeit und geringer
Dielektrizitätskonstante zu wählen ist. Gerade das
als Teflon bekannte Polytetrafuorethylen oder auch Polybutylenterephthalat
(PBT) ist in sehr vielen Fällen geeignet.
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Die
Innenräume zwischen Verbindungselementen oder in den Ausbuchtungen
sind bevorzugt groß, um Aufsteigen von Flüssigkeiten
in das Abstandshalteelement aufgrund von Kapillareffekten zu reduzieren
oder zu vermeiden. Ein geringer Volumenanteil an Material wäre
auch durch eine große Vielzahl kleinerer Öffnungen
erreichbar, ohne den Wellenwiderstand stark zu beeinflussen. Dann
aber könnte Flüssigkeit in den entstehenden kapillaren Öffnungen
aufsteigen und den Messwert des Flüssigkeitsstands verfälschen.
Noch gravierender ist es, wenn der Füllstand in dem Behälter
von einem Pegel, in dem das Abstandshalteelement vollständig
in die Flüssigkeit eingetaucht war, auf einen tieferen
Pegel absinkt. Dann könnte die Flüssigkeit in
den Öffnungen verbleiben und somit dem Messsystem vorgaukeln,
dass nach wie vor der Füllstand bis über das Abstandshalteelement
reicht.
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Bevorzugt
sind die erfindungsgemäßen Abstandshalteelemente
in einem Füllstandssensor nach dem TDR-Prinzip mit einer
koaxialen Sonde zur Führung eines elektromagnetischen Pulses,
insbesondere eines Mikrowellenpulses, eingesetzt, welche den inneren
Leiter als Innenleiter und das Rohr als Außenleiter umfasst,
mit einem Sender und einem Empfänger zum Aussenden und
Empfangen des Pulses an einem Ende der Sonde sowie mit einer Auswertungseinheit,
welche dafür ausgebildet ist, die Entfernung einer Grenzfläche
anhand der Laufzeit des in der Sonde geführten und an der
Grenzfläche reflektieren Pulses zu bestimmen, wobei mindestens ein
Abstandshalteelement vorgesehen ist, um den Innenleiter gegenüber
dem Außenleiter zu zentrieren. Hier kommen die vorteilhaften
Eigenschaften geringer Beeinflussung des Wellenwiderstands bei gleichzeitig
hoher mechanischer Stabilität besonders gut zum Tragen.
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Der
Außenleiter weist dann bevorzugt mindestens einen Fixierungspunkt,
insbesondere eine Öffnung auf, in die das Abstandselement
mit einem Fixierungselement oder Fixierungszapfen eingreift, um
das Abstandselement in einer vorgegebenen oder einer von mehreren
vorgegebenen Positionen in der Sonde zu positionieren. Es können
dann optimale, etwa möglichst wenige Positionen vorgegeben werden,
an denen Abstandshalteelemente die notwendige Zentrierung garantieren.
Die Öffnungen bilden das Gegenstück zu den Fixierungselementen der
Abstandshalteelemente, so dass sie ihre Funktion in vorgegebener
Weise erfüllen können.
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Die
Auswertungseinheit ist dabei noch bevorzugter dafür ausgebildet,
von Abstandselementen verursachte Störungen der Laufzeitmessung
durch zusätzliche Reflexionspulse oder erwartete Laufzeitänderungen
an den bekannten Positionen der Abstandselemente zu kompensieren.
Sind die Positionen bekannt, an denen Abstandshalteelemente sitzen,
so gibt es gleich zwei Kompensationsmöglichkeiten.
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Einmal
ist wegen der Fixierungspunkte bekannt, an welchen Positionen ein
wenn auch schwacher Reflexionspuls zu erwarten ist, der als Artefakt der
unvermeidlichen verbleibenden Beeinflussung des Ausbreitungsverhaltens
der elektromagnetischen Wellen durch die Abstandshalteelemente entsteht.
Dieser Artefaktpuls kann sogar in Intensität und Form sowie
in der Auswirkung bei der Überlagerung mit dem eigentlichen
Messpuls eingelernt oder in dem Messmodell berücksichtigt
sein, und damit ist es möglich, beeinträchtigende
Auswirkungen auf das Messergebnis zu reduzieren oder zu verhindern.
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Zum
zweiten wird jedes Abstandselement durch seinen gegenüber
Luft veränderten Wellenwiderstand die Ausbreitungsgeschwindigkeit
etwas verändern. Diese Auswirkung auf die Laufzeiten kann
vorab eingelernt und wegkalibriert werden, beispielsweise durch
Aufnahme einer Wertetabelle oder durch Berücksichtigung
in dem Auswer tungsmodell, denn die Auswertungseinheit weiß aufgrund
der festen Positionen an den Fixierungspunkten, bei welchem Messwert
der Messpuls welche und insbesondere wie viele Abstandshalteelemente
passiert haben muss.
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Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und
Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die
Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1 eine
schematische Blockdarstellung zur Erläuterung des Prinzips
eines TDR-Füllstandssensors und eine beispielhafte Anordnung
der erfindungsgemäßen Abstandshalteelemente in
dessen Koaxialleiter;
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2a eine
erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Abstandshalteelements im Querschnitt, in der Seitenansicht und als
dreidimensionale Darstellung;
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2b eine
dreidimensionale Ansicht des in einem Koaxialleiter eingesetzten
Abstandselements gemäß 2a;
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3a eine
zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Abstandshalteelements im Querschnitt, in der Seitenansicht und als
dreidimensionale Darstellung; und
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3b zwei
dreidimensionale Ansichten des in einem Koaxialleiter eingesetzten
Abstandselements gemäß 3a.
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1 zeigt
schematisch einen Füllstandssensor 10 nach dem
TDR-Prinzip, der in einem Behälter 12 mit einer
Flüssigkeit 14 eingesetzt ist. Die Flüssigkeit 14 bildet
gegenüber der Luft 16 eine Grenzfläche 18.
Der Sensor 10 ist dafür ausgebildet, die Entfernung
der Grenzfläche 18 zu ermitteln und daraus aus
seiner bekannten Anbringungslage und der Geometrie des Behälters 12 den
Füllstand der Flüssigkeit 14 abzuleiten.
Obwohl die Ausbildung des TDR-Sensors 10 als Füllstandssensor
ein sehr wichtiges Einsatzfeld ist, kann der Sensor 10 prinzipiell auch
in anderen Gebieten eingesetzt werden, bei denen eine Grenzfläche
zu lokalisieren ist. Dabei ist insbesondere an andere Grenzflächen 18 zu
denken, beispielsweise zwischen verschiedenen Flüssigkeiten
oder Granulaten.
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Der
Sensor 10 weist einen Sensorkopf 20 mit einer
Steuerung 22 auf, die vorzugsweise auf einer gemeinsamen
Platine untergebracht ist. An dieser Platine mit der Steuerung 22 ist
eine koaxiale Sonde 24 angebracht, welche einen Außenleiter 26 und
einen Innenleiter 28 aufweist. Im Betrieb sendet die Steuerung 22 einen
bevorzugt sehr kurzen elektromagnetischen Puls, vorzugsweise einen
Mikrowellenpuls, durch die koaxi ale Sonde 24. An der Grenzfläche 18 zwischen
Luft 16 und Flüssigkeit 14 springt die
relative Dielektrizitätskonstante und damit der Wellenleitwiderstand
und erzeugt so einen Reflexpuls. Der Anteil der reflektierten Energie
hängt bei gegebener Geometrie der Sonde 24 nur
von den Dielektrizitätskonstanten der angrenzenden Medien
ab, in der Darstellung der 1 also von
derjenigen der Luft 16 und der Flüssigkeit 14.
Aus dem Reflexpuls kann die Steuerung 20 aufgrund der Fortpflanzungsgeschwindigkeit,
welche auf der Messstrecke in Luft 16 der Lichtgeschwindigkeit
entspricht, die Laufzeit des Pulses und somit auch die Entfernung
der Grenzfläche 18 messen. Damit die Grenzfläche 18 innerhalb
der Koaxialsonde 24 denselben Pegelstand hat wie im übrigen
Behälter, sind in 1 nicht
dargestellte Öffnungen in dem Außenleiter 26 vorgesehen.
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Die
quantitativen Verhältnisse lassen sich beispielhaft wie
folgt angegeben. In unbefülltem Zustand befindet sich Luft
16 mit ε
r = 1 in Sonde
24 zwischen Innenleiter
28 und
Außenleiter
26. Das Verhältnis der Durchmesser
D des Außenleiters
26 zu dem Durchmesser d des
Innenleiters
24 legt den Wellenwiderstand Z
w der
Sonde
24 fest, wobei Z
w typischerweise
zwischen 25 Ω und 90 Ω, besonders bevorzugt gleich
50 Ω oder gleich 75 Ω gewählt wird. Für
den Wellenwiderstand gilt die dem Fachmann geläufige Näherungsbeziehung
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Entsprechend
der Formel beeinflusst auch die Dielektrizitätskonstante
jedes Mediums 14, 16, 30 den Wellenwiderstand
erheblich und mit steigendem εr sinkt
der Wellenwiderstand. Der Übergang von Luft 16 auf
ein Medium 14 mit höherem εr > 1 bildet eine Störstelle,
an der bei TDR-Messungen ein Teil der eingespeisten Energie zurückreflektiert
wird und den Reflexpuls bildet. Die Amplitude des Reflexpulses hängt
vom Unterschied der Dielektrizitätskonstanten der beiden
Medien 14, 16 an der Grenzfläche 18 ab.
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Besonders
bei längeren Sonden 24 könnten durch
Verbiegen oder Schwingungen, vor allem des Innenleiters 28,
die Wellenleitungseigenschaften verändert werden. Im Extremfall
käme es sogar zu einem Kurzschluss. Die Messergebnisse
werden dadurch verfälscht, oder es ist keine Messung mehr möglich.
Um dies zu verhindern, sind Abstandselemente 30 vorgesehen,
welche den Innenleiter 28 gegenüber dem Außenleiter 26 zentrieren.
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Diese
Abstandselemente 30 verändern aber selbst auch
die Wellenleitungseigenschaften der Sonde 24. Das führt
zu Messfehlern und ist unerwünscht. Die Abstandselemente 30 könnten
weiterhin die Ausbreitung des Messmediums behindern, hier der Flüssigkeit 14,
also für unterschiedliche Pegelstände innerhalb
der Sonde 24 gegenüber dem Behälter 12 sorgen.
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Damit
all dies nicht geschieht, erfüllen die Abstandshalteelemente 30 erfindungsgemäß Anforderungen.
Dazu zählt ein möglichst geringes wirksames εr, was über einen hohen Luftanteil
oder wenig verwendetes Material einerseits und über ein
Material mit an sich geringem εr erreicht
werden kann, wie etwa Kunststoffe und beispielhaft darunter Teflon
mit εr = 2,1. Weiter soll das Abstandshalteelement 30 ein elektrischer
Isolator, damit keinesfalls Kurzschlüsse entstehen können
und medienbeständig sein, somit durch zu messende Flüssigkeiten 14 nicht
in störendem Maße verändert werden. Auch
diese Eigenschaften erfüllen Kunststoffe wie Teflon. Keramiken können
isolierend und medienbeständig sein, haben aber höheres εr im Bereich 5–10. Die Abstandshalteelemente 30 sollten
eine möglichst geringe räumliche Ausdehnung haben,
wie dies etwa durch Ausbildung als dünne Scheiben erreicht
werden kann, damit unerwünschte Störsignale möglichst
schwach bleiben. Damit verwandt ist die aus denselben Gründen
nützliche Eigenschaft eines möglichst geringen
Materialvolumens, also eine Maximierung des Luftanteils innerhalb
des von den Abstandshalteelementen 30 eingenommenen Volumens.
Dabei sollte aber auch jeder Durchbruch an sich groß genug
sein, um störende Kapillareffekte zu verhindern, bei denen
der Pegelstand in den Öffnungen von demjenigen in dem Behälter 14 abweichen
würde. Schließlich sollte trotz der Minimierung
des Einflusses der Abstandshalteelemente 30 auf die Wellenausbreitung
die mechanische Stabilität auch unter ungünstigen äußeren
Bedingungen wie Vibrationen und Stößen gewahrt
bleiben. Dies ist durch eines der oben genannten Materialien, vor
allem aber durch die Gestaltung der Form der Abstandselemente 30 erreichbar.
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Im
Folgenden werden zwei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
anhand der Darstellungen in den 2a, 2b bzw.
den 3a, 3b näher erläutert,
welche alle diese Anforderungen erfüllen. Die Zeichnungen
sind für bevorzugte Ausführungsformen maßstabsgetreu
dargestellt, wobei der reale Gesamtdurchmesser der Abstandselemente 17,5
mm beträgt. Selbstverständlich sind andere Gesamtgrößen
und nicht maßstabsgetreue Abweichungen von der Erfindung
ebenfalls umfasst.
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2a zeigt
eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Abstandshalteelements 30 im Querschnitt, in der Seitenansicht
und in einer dreidimensionalen Ansicht. Das Abstandshalteelement 30 nimmt
insgesamt das Volumen einer Scheibe, also eines flachen Zylinders
ein. Ein innerer Halterungsbereich 32 ist kreisförmig
ausgebildet und hat eine zentrale Ausnehmung 34 zur Aufnahme
des Innenleiters. Ein äußerer Halterungsbereich 36 ist
als regelmäßiges Zehneck ausgebildet, um mit diesem Außenumfang
mit der Innenkontur des Außenleiters 26 in Kontakt
zu kommen. Die Form von innerem Halterungsbereich 32 und äußerem
Halterungsbereich 36 ist jeweils an Innenleiter 28 und
Außenleiter 26 angepasst zu wählen, bevorzugte
Formen sind Kreise, Ellipsen und Vielecke, insbesondere regelmäßige Vielecke.
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Der
innere Halterungsbereich 32 ist mit dem äußeren
Halterungsbereich 36 über drei zueinander in 120° versetzte
radiale Verbindungselemente 38 verbunden. Der Umfangsabstand
der Verbindungselemente 38 zueinander ist bevorzugt in
dieser Weise symmetrisch und regelmäßig; dies
kann aber bei anderen Formen der Sonde 24 und speziellen
Anwendungen auch variieren. Ebenso ist denkbar, die Zahl der Verbindungselemente 38 zu
verändern, wobei allerdings drei Verbindungselemente 38 die
Anforderungen möglichst wenig Material einerseits und mechanische
Stabilität andererseits optimal erfüllen.
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Wie
in der 2a leicht zu erkennen, nehmen
die Öffnungen 42 zwischen den Verbindungselementen 36 einen
besonders großen Volumenanteil des Abstandselements 30 ein.
Dadurch wird der Wellenwiderstand so wenig wie möglich
verändert und die großen Öffnungen 42 verhindern
störende Kapillareffekte. Dabei sind zwei Störeffekte
zu benennen: Einmal kann Flüssigkeit 14 durch
Kapillareffekte nach oben steigen und somit einen höheren
Pegelstand innerhalb der Sonde 24 erreichen als in dem Behälter 12.
Dies lässt sich in den Zwischenräumen zwischen
Abstandshalteelement 30 und Innenleiter 28 bzw.
Außenleiter 26 in der Praxis ohnehin nicht vollständig
verhindern, kann aber zumindest innerhalb der Öffnungen 42 vermieden
werden. Gravierender ist, wenn der Pegelstand der Flüssigkeit 14 in dem
Behälter 12 zunächst ein Abstandshalteelement 30 vollständig
bedeckt und der Pegel dann auf einen Stand unterhalb des Abstandselements 30 absinkt. Sind
die Öffnungen 42 zu klein, so verbleibt Flüssigkeit 44 in
dem Abstandselement 30 und der Messpuls wird an dieser
Restflüssigkeit, die gerade aufgrund der materialarmen
Gestaltung des Abstandshalteelements 30 effektiv hauptsächlich
aus Flüssigkeit 14 besteht, ähnlich stark
wie an der Grenzfläche 18 reflektiert. Selbst
wenn also in einem solchen Fall der Pegelstand in dem Behälter
erheblich abgesunken ist, würde der Sensor 10 weiterhin
einen Pegelstand auf Höhe der Oberkante des Abstandselements 30 messen.
Auch in Fällen, in denen sich dieser Fehler nicht voll
in der beschriebenen Weise auswirkt, entstehen zumindest störende
Reflexpulsanteile. Große Öffnungen 44 sowie
ein Material wie Teflon des Abstandshalteelements 30, an
dem Flüssigkeit 14 abperlt, helfen derartige Messfehler
zu vermeiden.
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Am
Außenumfang der äußeren Halterungsbereiche 36 sind
zwei als Vorsprünge ausgebildete Fixierungselemente 42 vorgesehen,
um die Position in dem Außenleiter 26 zu stabilisieren.
Dazu trägt auch die mehrkantige Umfangskontur und eine
mögliche zusätzliche äußere
Riffelung oder Aufrauung bei.
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In 2b ist
das Abstandselement gemäß 2a in
die Sonde 24 eingesetzt dargestellt. Der Innenleiter 28 befindet
sich in der zentralen Ausnehmung 34 und die Außenkontur
des äußeren Halterungsbereichs 36 berührt über
nahezu den gesamten Umfang die Innenwand der Außenleiters 26.
Der Außenleiter weist Fixierungspunkte oder Fixierungsöffnungen 44 auf,
in welche die Fixierungselemente 42 eingreifen, um das
Abstandshalteelement 30 in seiner Position zu stabilisieren.
Eine weitere Öffnung 46 ist vorgesehen, um Austausch
der Flüssigkeit 14 zwischen Behälter 12 und
Innraum der Sonde 24 zu ermöglichen.
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Die
Fixierungspunkte 44 geben mögliche Positionen
für das Abstandshalteelement 30 vor. Damit kennt
die Steuerung 20 die Lage der Abstandshalteelemente 30 und
kann verbleibende Störeffekte durch zusätzliche
Reflexpulse oder Laufzeitveränderungen aufgrund der Abstandshalteelemente 30 kompensieren.
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3a zeigt
eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Abstandshalteelements 30 im Querschnitt, in der Seitenansicht
und in einer dreidimensionalen Ansicht. Im Gegensatz zu der ersten
Ausführungsform gehen hier innerer und äußerer Halterungsbereich
sowie Verbindungsbereiche ineinander über. Das Abstandselement 30 besteht
togologisch aus einem einzigen Ring, welcher an vier Stellen zu
inneren Kontaktierungsbereichen 52 für den Innenleiter 28 verformt
ist und in vier Ausbuchtungen 54 äußere
Kontaktierungsbereiche 56 für den Außenleiter 26 ausbildet.
Die gesamte Konstruktion ist wegen fehlender durchgehender Kreisbereiche
wie in 2 elastisch und bietet eine
gewisse Federkraft an, um Toleranzen beim Einsetzen und im Betrieb aufzunehmen.
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Ein
Fixierungszapfen 58 steht von der einem inneren Kontaktierungsbereich 52 gegenüberliegenden
Seite radial nach außen ab. 3b zeigt
zwei dreidimensionale Ansichten, in denen das Abstandshalteelement 30 gemäß der
zweiten Ausführungsform in die Sonde 24 eingesetzt
ist. Der Fixierungszapfen 58 greift in den Fixierungspunkt 44 ein,
um die Position und Lage des Abstandshalteelements 30 in dem
Außenleiter 26 zu stabilisieren.
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Auch
die Ausbuchtungen 54 sind groß genug, störende
Kapillareffekte zu verhindern, wie dies zu der ersten Ausführungsform
gemäß 2 und den Öffnungen 42 beschrieben
wurde. Selbstverständlich kann die Anzahl der Ausbuchtungen 54 geändert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004032965 [0006, 0007]
- - DE 1440012 [0008, 0008]
