DE3044353A1

DE3044353A1 - Vorrichtung zur feststellung des erreichens eines vorbestimmten fuellstandes in einem behaelter

Info

Publication number: DE3044353A1
Application number: DE19803044353
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. 7860 Schopfheim Kompa
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1980-11-25
Filing date: 1980-11-25
Publication date: 1982-06-03
Also published as: DE3044353C2

Description

Vorrichtung zur Feststellung des Erreichens eines
vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art bildet die Kapazität der in den Behälter ragenden Sonde das frequenzbestimmende Glied im Schwingkreis eines Hochfrequenzgenerators.
Änderungen des Füllstandes und insbesondere ein direkter Kontakt zwischen dem Füllgut im Behälter und der Sonde rufen eine so große Verstimmung des Schwingkreises hervor, daß die Schwingungen des Hochfrequenzgenerators abreißen.
Der mit dem Abreißen der Schwingungen verbundene Abfall der Schwingungsamplitude läßt sich feststellen und kann als Meldung dafür angesehen werden, daß die vorbestimmte Füllhöhe im Behälter erreicht ist. Eine solche Vorrichtung kann Fehlmeldungen erzeugen, wenn an der Sonde Füllgut haften bleibt, nachdem der vorbestimmte Füllstand erreicht und im Anschluß daran der Behälter entleert worden ist. Der Füllgutansatz an der Sonde führt zu einer Kapazitätsänderung und damit zu einer Verstimmung des Schwingkreises, so daß eine Fehlmeldung erzeugt wird, ohne daß der vorbestimmte Füllstand bereits erreicht ist. Bei Materialien, die zur Ansatzbildung an der Sonde neigen, ist die bekannte Vorrichtung daher nicht verwendbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, die bei kostengünstigem Aufbau bei den verschiedensten Arten von Füllgütern einsetzbar ist und keine Ansatzempfindlichkeit zeigt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Der an der Sonde der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehene Oberflächenwellenresonator arbeitet im Resonanzbetrieb, solange die vorbestimmte Füllhöhe nicht erreicht ist. Bei Annäherung des Füllguts tritt eine Verstimmung des Resonators ein, die sich in Form einer Amplitudenabsenkung feststellen läßt. Aus dieser Amplitudenabsenkung kann dann ein Signal gebildet werden, das das Erreichen eines vorbestimmten Füllstandes meldet. Da bei einem Oberflächenwellenresonator der Energietransport im wesentlichen außerhalb des Leitermaterials in der den Resonator umgebenden Luft stattfindet, hat ein sich auf der Resonatoroberfläche bildender Füllgutansatz praktisch keine Auswirkung auf die Resonanzfrequenz, was bedeutet, daß der Resonator bei Vorhandensein von Füllgutansatz und ohne Füllgutansatz im wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz hat. Dies ergibt die angestrebte Ansatzunempfindlichkeit.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Sonde und Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Sonde.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Feststellung des Erreichens eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter enthält einen HF-Generator 1, eine Sonde 2 ud eine Auswertungsschaltung 3. Die vom HF-Generator 1 erzeugte Energie wird dem Eingang 4 der Sonde 2 über eine HF-Leitung 5, beispielsweise eine Leitung mit dem Wellenwiderstand 50 Ohm, zugeführt. Die Auswertungsschaltung 3 ist über eine ebensolche HF-Leitung 6 mit dem Ausgang 7 der Sonde 2 verbunden.
Die Sonde 2 enthält einen Oberflächenwellenresonator 8, der so ausgebildet ist, daß seine Resonanzfrequenz gleich der Betriebsfrequenz des HF-Generators 1 ist. Zur eingangsseitigen Impedanzanpassung ist zwischen den Eingang 4 der Sonde und den Oberflächenwellenresonator 8 eine Impedanz-Anpassungsschaltung 9 eingefügt, und zur ausgangsseitigen Impedansanpassung ist zwischen den Oberflächenwellenresonator 8 und den Ausgang 7 eine Impedanz-Anpassungsschaltung 10 eingefügt.
Der Aufbau der Sonde 2 geht aus Fig. 2 hervor. Die Sonde 2 ist als Einschraubstück 11 ausgebildet, das einen Sechskantkopf 12 und einen mit einem Außengewinde 13 versehenen Schaft14 aufweist. Mit Hilfe des Außengewindes 13 kann die Sonde 2 in eine Öffnung in der Wand 15 eines Behälters geschraubt werden, in dem das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes festgestellt werden soll.
An der in Fig. 2 rechts liegenden Stirnfläche 16 des Schafts 14 des Einschraubstücks 11 ist der Oberflächenwellenresonator 8 zentrisch angebracht. Dieser Oberflächenwellenresonator 8 besteht aus einem mit einer dielektrischen Schicht 17 überzogenen Metallstab, der elektrisch leitend und mit der als Kurzschlußebene wirkenden Stirnfläche 16 des Schafts 14 verbunden ist.
Im Sechskantkopf 12 des Einschraubstücks 11 ist eine Ausnehmung 18 angebracht, in der die Anpassungsschaltungen 9 und 10 untergebracht sind. Diese Anpassungsschaltungen 9 und 10 sind in Dünnschichttechnik auf einem Substrat 19 gebildet. Sie haben die Aufgabe, eine möglichst reflexionsfreie Energieübertragung vom HF-Generator 1 zum Oberflächenwellenresonator 8 und von diesem zur Auswertungsschaltung 3 zu gewährleisten.
Zur Ankopplung der dem Eingang 4 zugeführten HF-Energie an den Oberflächenwellenresonator 8 wird ein Leiter 20 verwendet, der sich ausgehend von der Anpassungsschaltung 9 durch eine Bohrung 21 im Schaft 14 erstreckt und vor der Stirnfläche 16 zur Bildung einer induktiven Koppelschleife 22 mit dem Oberflächenwellenresonator 8 verbunden ist. Zum Auskoppeln von Energie vom Oberflächenwellenresonator 8 wird ebenfalls ein eine induktive Koppelschleife 23 bildender Leiter 24 verwendet, der sich durch eine Bohrung 25 im Schaft 14 erstreckt und mit der Anpassungsschaltung 10 verbunden ist. Zur elektrischen Isolation sind die Leiter 20 und 24 in Glasdurchführungen 26 bzw. 27 aus einem Silikatglas in den Bohrungen 21 bzw. 25 eingeschmolzen. Die Koppelschleifen 22 und 23 können in einen dielektrischen Schutzüberzug 28 eingebettet sein.
Der Oberflächenwellenresonator 8 hat eine Länge, die gleich einem Viertel der Wellenlänge X der sich auf ihm bildenden 5 Oberflächenwellen ist. Er bildet daher einen sogenannten A/4-Resonator. Es ist auch eine andere Länge möglich, wobei jedoch die Bedingung erfüllt sein muß, daß die Länge gleich (2n-1)As/4 ist (n = 1, 2, ...).
Im Betriebszustand wird die Sonde 2 aus dem HF-Generator 1 mit einer Frequenz gespeist, die gleich der Resonanzfrequenz des Oberflächenwellenresonators 8 ist. In diesem Resonanzfall nimmt der Resonator die maximale Energie auf, und mittels der Induktionsschleife 23 kann ein maximaler Energiewert ausgekoppelt und über die Anpassungsschaltung 10 an den Ausgang 7 übertragen werden. Wenn nun das Füllgut im Behälter in die Nähe des Oberflächenwellenresonators 8 kommt, wirkt sich dies wie eine kapazitive Belastung des Oberflächenwellenresonators 8 aus, die zu einer Verstimmung des Resonators führt. Wegen dieser Verstimmung liegt keine reflexionsfreie Ankopplung zwischen Generator und Resonator mehr vor, so daß nicht mehr die gleiche Energie wie im Resonanz fall zum Resonator übertragen werden kann. Demzufolge kann auch die Koppelschleife 23 nicht mehr so viel Energie auskoppeln und dem Ausgang 7 zuführen. Mit fortschreitender Annäherung des Füllguts an den Oberflächenwellenresonator 8 läßt sich ein sehr scharfer Abfall der von der Koppelschleife 23 ausgekoppelten Energie feststellen.
Die am Ausgang 7 angeschlossene Auswertungsschaltung kann das Abfallen der ausgekoppelten Energie unter einen vorbestimmten Schwellenwert feststellen und als Reaktion darauf ein Signal erzeugen, das beispielsweise das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes anzeigt oder auch einen Schaltvorgang auslöst.
Die Sonde 2 ist gegen Füllgutansatz weitgehend unempfindlich, da die Oberflächenwellen, mit denen am Oberflächenwellenresonator 8 gearbeitet wird, von einem solchen, auf der Staboberfläche befindlichen Ansatz nicht beeinflußt werden; bei Oberflächenwellen erfolgt der Leistungstransport ja im wesentlichen außerhalb des Leiters in dem den Resonator umgebenden Luftraum.
Die beschriebene Sonde kann auch in explosionsgefährdeter Umgebung eingesetzt werden, da die Glasdurchführungen (26, 27), in die die Leiter 20 und 24 eingeschmolzen sind, sehr dicht sind. Diese Glasdurchführungen (26, 27) sind auch sehr druck- und temperaturfest, was die Einsatzmöglichkeiten der Sonde auf schwierigste Anwendungsgebiete erweitert.
Der Oberflächenwellenresonator 8 kann durch einen Metallstab mit gerippter Oberfläche oder auch durch jede andere bekannte Art eines Oberflächenwellenleiters gebildet sein, beispielsweise einen unbeschichteten Metallstab mit glatter Oberfläche.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Sonde unterscheidet sich von der Sonde von Fig. 2 nur durch die Art der Kopplung zwischen den Anpassungsschaltungen 9 und 10 und dem Oberflächenwellenresonator 8. Anstelle der induktiven Kopplung des Ausführungsbeispiels von Fig. 2 erfolgt die Kopplung im Fall von Fig. 3 kapazitiv. Zu diesem Zweck sind in Fig. 3 die Impedanz-Anpassungsschaltungen 9 und 10 über Leiter 29 und 30 an den Oberflächenwellenresonator 8 angekoppelt, die in Glasdurchführungen 31 bzw. 32 eingeschmolzen und durch Bohrungen 33 bzw. 34 im Schaft 14 des Einschraubstücks 11 geführt sind. Die Leiter 29 und 30 stehen an der Stirnfläche 16 des Einschraubstücks 11 zur Bildung von Koppelstiften 35, 36 im radialen Abstand vom Oberflächenwellenresonator 8 in axialer Richtung vor. Abgesehen von der kapazitiven Kopplung arbeitet die in Fig. 3 dargestellte Sonde ebenso wie die Sonde von Fig. 2, so daß eine genaue Erläuterung der Arbeitsweise hier nicht wiederholt wird.

Claims

Pfftentansp r ü c h e {t Vorrichtung zur Feststellung des Erreichens eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter mit einer in den Behälter ragenden Sonde, einem HF-Generator zum Zuführen von HF-Energie zu der Sonde und einer Auswertungsschaltung, die auf die Amplitude des HF-Signals an der Sonde anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (2) mit einem zum Inneren des Behälters ragenden Oberflächenwellenresonator (8) versehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenwellenresonator (8) aus einem Metallstab besteht, dessen Länge ein Viertel der Wellenlänge der auf ihm angeregten Oberflächenwelle oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstab des Oberflächenwellenresonators (8) mit einer dielektrischen Schicht (17) überzogen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstab des Oberflächenwellenresonators (8) eine gerippte Oberfläche hat.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (2) ein in die Wand (15) des Behälters einschraubbares Einschraubstück (11) aufweist, an dessen zum Inneren des Behälters gerichteter Stirnfläche (16) der Oberflächenwellenresonator (8) zentrisch angebracht ist und das mit einer Ausnehmung (18) versehen ist, in der Impedanz-Anpassungsschaltungen (9, 10) angebracht sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz-Anpassungsschaltungen (9, 10) über Leiter (20, 24) an den Oberflächenwellenresonator (8) angekoppelt sind, die durch Bohrungen (21, 25) in dem Einschraubstück (11) geführt sind und an der Stirnfläche (16) des Einschraubstücks (11) unter Bildung von induktiven Xoppelschleifen (22, 23) mit dem Oberflächenwellenresonator (8) verbunden sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz-Anpassungsschaltungen (9, 10) über Leiter (29, 30) an den Oberflächenwellenresonator (8) angekoppelt sind, die durch Bohrungen (33, 34) in dem Einschraubstück (11) geführt sind und an der Stirnfläche (16) des Einschraubstücks (11) unter Bildung kapazitiver Koppelstifte (35, 36) in radialem Abstand vom Oberflächenwellenresonator (8) parallel zu diesem vorstehen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (20, 24; 29, 30) durch in den Bohrungen (21, 25; 33, 34) angebrachte Glasdurchführungen (26, 27; 31, 32) verlaufen.