DE4404745C2 - Füllstandmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Füllstandmeßvorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Füllstände werden anhand unterschiedlichster Meßtechniken bestimmt. Zum einen ist es möglich, den Füllstand mittels elektromagnetischer Wellen berührungslos zu messen, während bei einem anderen Meßprinzip ein Meßfühler in direkten Kontakt mit dem Füllgut gebracht wird abhängig vom Füllgut, Behälter, etc. ist zu entscheiden, welches Meßverfahren geeignet ist.

Ein Meßprinzip besteht darin, Radar-Impulse in Richtung Füllgutoberfläche abzustrahlen. Die Radar-Impulse werden an der Füllgutoberfläche ausreichend gut reflektiert, sofern das Füllgut eine Dielektrizitätskonstante von etwa größer als 2 aufweist. Die Laufzeit der Radar-Impulse vom Aussenden bis zum Empfang am Sensor wird gemessen und damit eine Bestimmung der Entfernung zwischen Radar-Sender und Füllgut­ oberfläche ermöglicht.

Der wesentliche Vorteil dieses Meßverfahrens liegt in der berührungslosen Messung und der weitgehend universellen Einsetzbarkeit im Hinblick auf die Füllgüter. Nachteilig an diesem Meßverfahren ist der verhältnismäßig hohe Preis aufgrund der hochfrequenten Bauteile und der aufwendigen Elektronik.

Beim kapazitiven Meßprinzip wird dagegen eine Meßelektrode in das Füllgut getaucht. Die Meßelektrode und die elektrisch leitende Behälterwand bilden einen Kondensator, dessen Kapazitätswert abhängig vom momentanen Füllstand ist. Der Vorteil dieses Meßverfahrens liegt in einem günstigen Preis und in einer wenig aufwendigen Auswerteelektronik. Nachtei­ lig ist, daß die Dielektrizitätskonstante des Füllgutes genau bekannt sein muß. Eine sich ändernde Dielektrizitäts­ konstante des Füllgutes führt nämlich zu fehlerhaften Meßer­ gebnissen.

Darüber hinaus ist mittlerweile eine weitere Füllstandmeß­ vorrichtung bekanntgeworden, die nach dem Impuls-Laufzeit-Verfahren arbeitet, wobei elektromagnetische Wellen nicht von einer Antenne aus in den Freiraum eines Behälters abge­ strahlt, sondern entlang eines Wellenleiters zur Füllgut­ oberfläche geleitet werden. Nach Reflexion an der Füllgut­ oberfläche infolge des dort auftretenden Impedanzsprunges läuft der reflektierte Teil der elektromagnetischen Wellen zurück zur Einkoppelstelle und damit zur Empfangseinrichtung der Füllstandmeßvorrichtung.

Eine solche Füllstandmeßvorrichtung ist am 11. Mai 1993 in Utrecht, Niederlande, anläßlich des Kongresses "Studiedag Industriele Niveaumetingen ten Behoeve van Processen en Voorraden" von Dr. G. K. A. Oswald während seines Vortrages "Multi-Phase Fluid Level Measurement by Time-Domain Re­ flectometry" bekannt geworden. Die dort beschriebene Füll­ standmeßvorrichtung weist eine Sende- und Empfangseinrich­ tung auf, an die ein Wellenleiter bestehend aus zwei paral­ lelen Elektroden angeschlossen ist. Diese zwei parallelen Elektroden werden in einen Behälter derart eingesetzt, daß sie in die zu messende Füllgutoberfläche oder Füllgutober­ flächen eintauchen. Mit Hilfe eines sog. TDR-(Time-Domain-Reflectometry; deutsch: Gleichstrom-Impuls-Reflektometrie)-Verfahrens werden sehr kurze elektrische Impulse im Bereich von einer Nano-Sekunde oder weniger entlang der aus zwei parallelen Leitern bestehenden Meßsonde in Richtung Füllgut gesandt. Die Impulse werden reflektiert, sobald sie auf eine Änderung in den Leitern oder in dem sie umgebenden Medium stoßen. Aus der Laufzeit zwischen Aussenden der elektroma­ gnetischen Wellen und Empfang der reflektierten elektroma­ gnetischen Wellen ermittelt die Sende- und Empfangseinrich­ tung den zu messenden Füllstand im Behälter.

Die beiden Leiter der zur Verwendung vorgesehenen Meßelek­ trode können auf unterschiedlichste Weise zueinander ange­ ordnet sein. So beschreibt Oswald Meßsonden mit zueinander koaxial angeordneten Leitern, parallelen Platten- und Stan­ genelektroden, eine Doppeldrahtleitung, Mikrostripsonden mit übereinander und nebeneinander liegenden Elektroden und eine rohrförmige Mikrostripleitung. Wesentlich bei allen von Oswald vorgestellten Meßelektroden ist die Verwendung von zwei in vorgegebener Weise zueinander parallel angeordneten Leitern.

Darüber hinaus sieht Oswald vor, den TDR-Meßsensor in Form von zwei parallel zueinander angeordneten Elektroden durch geeignete Auswahl der Dicke der die beiden Leiter umgebenden bzw. trennenden dielektrischen Schichten an die Flüssig­ keitscharakteristika des Füllgutes anzupassen.

Der wesentliche Vorteil der von Oswald beschriebenen Meßvor­ richtung besteht darin, daß die Mikrowellen nicht in die Umgebung abgestrahlt werden, sondern auf dem Zweidrahtleiter in Richtung Füllgut geleitet werden. Hierdurch entstehen wesentlich weniger Fehlechos als bei einer Abstrahlung über eine Antenne. Darüber hinaus ist die Signaldämpfung durch Führung der elektromagnetischen Wellen auf dem Zweidrahtlei­ ter geringer als bei Abstrahlung über eine Antenne. Schließ­ lich ist es mit dieser bekannten Füllstandmeßvorrichtung auch möglich die unterschiedlichen Füllhöhen von komplexen Füllgütern, die mehrere unterschiedliche Füllgutschichten aufweisen, exakt zu messen. Darüber hinaus ist es möglich, auf dem Zweidrahtleiter elektromagnetische Wellen mit nahezu beliebiger Frequenz bis herunter zum Gleichstrom in Richtung Füllgutoberfläche zu senden.

Eine weitere Einrichtung zur Füllstandmessung ist in EP 0 162 821 A1 beschrieben. Dort werden elektromagnetische Wellen nach Art eines Hohlleiters innerhalb eines rohrförmigen Wellenlei­ ters geführt. Hierfür verfügt die Meßvorrichtung über eine Antenneneinrichtung, die die elektromagnetischen Wellen in den Innenraum des rohrförmigen Wellenleiters abstrahlt. Der rohr­ förmige Wellenleiter dient als Hohlleiter, der von einem Horn­ strahler mit elektromagnetischen Wellen gespeist wird.

In AT-PS 201 307 ist eine Füllstandmeßvorrichtung mit einer Meßleitung beschrieben. Die Meßleitung muß zwingenderweise eine Zweidrahtleitung sein und damit aus einem ersten und einem zweiten Leiter bestehen. Insoweit ähnelt diese bekannte Füllstandmeßvorrichtung der von Oswald beschriebenen Meßvor­ richtung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zuletzt genannte Füllstandmeßvorrichtung weiter zu vereinfa­ chen. Darüber hinaus soll in einer Weiterbildung der Erfin­ dung eine möglichst gute Anpassung zwischen der Sende- und Empfangseinrichtung und dem Wellenleiter erreicht werden.

Diese Aufgabe wird bei der bekannten Füllstandmeßeinrichtung durch einen mit der Sende- und Empfangseinrichtung verbunde­ nen Wellenleiter erreicht, der nur aus einem Einzelleiter besteht, wobei der Einzelleiter direkt oder über ein Übertragungs­ kabel an die Sende- und Empfangseinrichtung angeschlossen ist.

Gemäß der Erfindung ist es demnach möglich, auch nur mit einem Einzelleiter eine für die Füllstandmessung ausreichen­ de Reflexion von elektromagnetischen Wellen an einer Füll­ gutoberfläche zu erreichen, wobei die Reflexion zur Füll­ standbestimmung herangezogen wird. Im Gegensatz zum Stand der Technik, der zwingend einen zweiten Leiter vorsieht, reicht also bereits eine einzige Elektrode aus, um nach dem TDR-Verfahren den Füllstand von Füllbehältern in zufrieden­ stellender Weise bestimmen zu können.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Der erfindungsgemäß an die Sende- und Empfangseinrichtung angekoppelte Einzelleiter kann als flexibler Einzeldrahtlei­ ter bzw. als feststehendes Rohr bzw. feststehender Stab ausgebildet sein. Während die Ausbildung als flexibler Einzeldrahtleiter das Messen großer Füllstandhöhen erlaubt, ist ein feststehendes Rohr bzw. feststehender Stab dort vorteilhaft, wo es auf eine mechanische Stabilität der Meßsonde ankommt. Soll während des Befüllvorganges eines Behälters der Füllstand ermittelt werden, so ist es günstig, eine möglichst feststehende Meßsonde in Form eines Stabes oder Rohres oder eventuell dicken Seiles vorzusehen, da eine derartige Meßsonde vom Füllgut nicht so einfach verformt bzw. weggerissen werden kann als ein flexibles Seil. Darüber hinaus haben Versuche gezeigt, daß sich unerwünschte Krüm­ mungen bzw. Verformungen an der Meßelektrode in Form von zusätzlichen Dämpfungen der elektromagnetischen Wellen auswirken.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, den Einzelleiter aus Edelstahl zu bilden. Dies hat den Vorteil, daß eine chemische Reaktion bzw. Zersetzung des Einzellei­ ters durch aggressives Füllgut nahezu ausgeschlossen ist. Im Hinblick auf Lebensmittel, die als Füllgut eingesetzt wer­ den, ist es darüber hinaus wichtig, daß die Meßsonde in Form des erfindungsgemäßen Einzelleiters aus Edelstahl besteht.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß ein unisolierter Einzelleiter als Meßsonde eingesetzt wird. Die Verwendung von unisolierten Einzelleitern als Meßsonde ergibt im Vergleich zu isolierten Einzelleitern, die jedoch grundsätzlich auch erfindungsgemäß einsetzbar sind, bessere Meßergebnisse, da unisolierte Einzelleiter eine geringere Dämpfung und somit bessere Reflexionen der elektromagneti­ schen Wellen ermöglichen.

Problematisch bei der erfindungsgemäßen Füllstandmeßvorrich­ tung ist die in der Regel vorhandene Fehlanpassung zwischen dem Ausgang der Sende- und Empfangseinrichtung und dem angekoppelten Einzelleiter. Solche Fehlanpassungen verur­ sachen Impedanzsprünge und führen zu unerwünschten Reflexi­ onen der elektromagnetischen Wellen. In einer Weiterbildung der Erfindung wird deshalb ein Anpassungstrichter vorgese­ hen, der eingangsseitig an einem Ende des erfindungsgemäßen Einzelleiters anzuordnen ist.

Des weiteren ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, zwischen den erfindungsgemäßen Einzelleiter und dem Ausgang der Sende- und Empfangseinrichtung ein Übertra­ gungskabel, insbesondere ein Koaxialkabel, anzuordnen. Ein solches Kabel dient lediglich der elektrischen und mecha­ nischen Verbindung des Ausgangs der Sende- und Empfangsein­ richtung mit der Meßsonde in Form des Einzelleiters. Durch das Vorsehen eines derartigen Übertragungskabels zwischen Sende- und Empfangseinrichtung und Meßsonde ist ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich des Aufbaus der erfindungs­ gemäßen Füllstandmeßvorrichtung geben. Die Sende- und Emp­ fangseinrichtung kann durch ein derartiges Übertragungskabel von einem Speisepunkt des erfindungsgemäßen Einzelleiters örtlich entfernt angeordnet sein.

Bei Verwendung eines Koaxialkabels zum Zuführen der elektro­ magnetischen Wellen an ein Ende des erfindungsgemäßen Ein­ zelleiters ist es vorteilhaft, den bereits erwähnten Anpas­ sungstrichter einzusetzen, um den Wellenwiderstand des Koaxialkabels an den Wellenwiderstand des erfindungsgemäßen Einzelleiters anzupassen. Hierbei ist der eine Eingang des Einzelleiters mit dem Innenleiter des Koaxialkabels zu verbinden und der Außenleiter des Koaxialkabels an den aus elektrisch leitendem Material bestehenden Anpassungstrichter anzuschließen. Der Anpassungstrichter weist hierbei eine trichterartige Kontur auf, die sich in Richtung Füllgutober­ fläche aufweitet. Einzelheiten werden hierzu im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung noch erläutert.

Die erfindungsgemäße Füllstandmeßvorrichtung ist nicht nur zur Füllstandmessung nach dem Impuls-Laufzeitverfahren, sondern für jegliche Füllstandmeßverfahren geeignet, bei denen es auf die Reflexion von elektromagnetischen Wellen an der Füllgutoberfläche ankommt. Beispiele für solche Füll­ standmeßprinzipien sind neben dem Impulslaufzeitverfahren auch das sog. Chirp- und CW/FMCW-Radarverfahren.

Das Chirp-Radar-Prinzip unterscheidet sich vom Puls-Radar durch die Technik der Pulserzeugung und -kennung. Die ausge­ sendeten Signalpulse haben eine längere Laufzeit, sind aber im Pulsspektrum frequenzmoduliert. Die empfangenen Signale werden in der Sende- und Empfangseinrichtung gefiltert, wobei die niedrigeren Frequenzen zu den höheren Frequenzen zeitverzögert sind.

Das CW/FMCW-(Continuous-Wave bzw. Frequency-Modulated-Con­ tinuous-Wave)-Radar unterscheidet sich vom Puls-Radar bzw. Chirp-Radar im wesentlichen in der Erzeugung, Erkennung und Auswertung der Mikrowellensignale. Zum Messen von absoluten Entfernungen, wie bei der Füllstandmessung, bietet sich das frequenzmodulierte Dauerstrichverfahren mit konstanter Amplitude an (= FMCW). Hierbei wird ein lineares Sägezahn- oder ein dreieckiges frequenzmoduliertes Mikrowellen-Signal mit konstanter Amplitude über eine Antenne vom Sender abge­ strahlt und an einem Objekt reflektiert. Die Anstieg- und Abfallzeit der Modulationsfrequenz muß dabei so groß sein, daß das reflektierte Signal vor Ablauf der Modulation den Empfänger erreicht. Die Frequenzmodulation findet im Giga­ hertzbereich statt. Das reflektierte und nach einer Verzöge­ rungszeit wieder empfangene Mikrowellensignal wird mit einem Teil des Sendesignals, dessen Frequenz sich zwischenzeitlich geändert hat, gemischt und die Zwischenfrequenz ausgefil­ tert. Die Frequenz des Mischausgangssignals ist bei konstan­ ter Füllgutoberfläche direkt proportional der Verzögerungs­ zeit und somit ein exaktes Maß für die Distanz zum reflek­ tierenden Medium und damit der zu bestimmenden Füllgutober­ fläche.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Füllstandmeß­ vorrichtung besteht auch darin, daß als Einzelleiter, auf dem die elektromagnetische Welle geführt wird, diejenigen Meßelektroden verwendet werden können, die ohnehin beim kapazitiven Meßverfahren eingesetzt werden bzw. aus dem Lotbau für das elektromechanische Meßprinzip bekannt sind. Das elektromechanische Lotverfahren wird vor allem bei der Niveaumessung von Schüttgütern eingesetzt, läßt sich aber auch prinzipiell für Flüssigkeiten anwenden. Meßprinzip ist ein Senklot, das an einem Seil so lange heruntergelassen wird, bis sich die Seilkraft beim Auftreffen auf die Ober­ fläche des Füllgutes ändert.

Die erfindungsgemäße Füllstandmeßvorrichtung und deren Vorteile werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispie­ les näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Füllstandmeßvor­ richtung mit Einzelleiter gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausschnittes einer erfindungsgemäßen Füllstandmeßvorrichtung mit Einzelleiter und Anpassungstrichter,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung des Wellenwider­ standes eines Koaxialkabels in Abhängigkeit der Durchmesser von Innen- und Außenleiter und

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines Anpassungstrich­ ters mit Einzelleiter gemäß der Erfindung zur Erläuterung der Dimensionierung des Anpassungs­ trichters.

In den nachfolgenden Fig. 1 bis 4 bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

Die in Fig. 1 dargestellte Füllstandmeßvorrichtung weist eine Sende- und Empfangseinrichtung 1 mit einem Ausgang 2 auf, der beispielsweise über ein Koaxialkabel 3 mit einem elektrisch leitenden Einzelleiter 10 in Form eines Eindraht­ leiters verbunden ist. Hierfür ist der Innenleiter 5 des Koaxialkabels 3 mit dem einen Ende 10a des Einzelleiters 10 elektrisch verbunden, während der Außenleiter 4 des Koaxial­ kabels 3 mit einem nur andeutungsweise dargestellten metal­ lischen Montageflansch 6 für einen Füllgutbehälter verbunden ist.

Der Einzelleiter 10 ragt durch eine im Montageflansch 6 ausgebildete Öffnung 12, die in das Behälterinnere führt. Im Behälter ist ein Füllgut 15 enthalten, dessen Füllhöhe zu bestimmen ist.

Zur Füllstandmessung erzeugt die Sende- und Empfangseinrich­ tung 1 elektromagnetische Wellen, z. B. im Mikrowellenbe­ reich. Diese elektromagnetischen Wellen können 5,8 GHz-Ra­ darpulse sein, die am Ausgang 2 der Sende- und Empfangsein­ richtung 1 zur Verfügung stehen. Der Radarpuls verfügt z. B. über eine Pulslänge von 1 ns, der mit einer Frequenz von 3,579 MHz erzeugt wird. Der 5,8 GHz-Radarpuls gelangt über das Koaxialkabel 3 an das eine Ende 10a des Einzelleiters 10. Hierbei wird zunächst der Einfachheit halber angenommen, daß zwischen dem Koaxialkabel 3 und dem Einzelleiter 10 optimale Anpassung herrscht. Der Radarpuls gelangt daher voraussetzungsgemäß ungestört in den Einzelleiter 10 und wird von diesem in Richtung Füllgutoberfläche 15 geführt. Die elektromagnetischen Wellen bauen um den Einzelleiter 10 herum ein elektromagnetisches Feld auf. Beim Auftreffen dieses Feldes auf die Füllgutoberfläche wird ein Teil der elektromagnetischen Wellen reflektiert, gelangt auf dem Einzelleiter 10 und dem Koaxialkabel 3 wieder zurück zum Ausgang 2 der Sende- und Empfangseinrichtung 1 und wird von der Sende- und Empfangseinrichtung 1 empfangen. Etwaige Störechos wie bei einer Ausstrahlung der elektromagnetischen Wellen über eine Antenneneinrichtung, beispielsweise eine Hornantenne, bei der die elektromagnetischen Wellen mehrmals an den Behälterwänden reflektiert werden können, treten bei der erfindungsgemäß am Einzelleiter 10 geführten elektroma­ gnetischen Welle nicht oder weitgehend nicht auf. Dies ist besonders bei der Auswertung in der Sende- und Empfangsein­ richtung 1 von großem Vorteil, da keine oder nahezu keine Störechos berücksichtigt und eliminiert werden müssen.

Die Reflexion der über den Einzelleiter 10 in Richtung Füllgut 15 geführten elektromagnetischen Welle hat seine Ursache darin, daß die Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes durch den stromdurchflossenen Einzelleiter 10 beim Auftreffen auf die Füllgutoberfläche gestört wird. Je nach Grad der Störung wird ein Teil oder aber die gesamte Welle reflektiert. Darüber hinaus bildet das Eintauchen des Ein­ zelleiters 10 in das Füllgut 15 einen Impedanzsprung. Dieser Impedanzsprung führt zur Reflexion, die erfindungsgemäß zur Laufzeit- und damit Füllstandmessung herangezogen wird.

In realiter treten bei dem Aussenden eines elektromagneti­ schen Impulses durch die Sende- und Empfangseinrichtung 1 mehrere Echos auf, die einmal am Ausgang 2 der Sende- und Empfangseinrichtung 1, am Übergang vom Koaxialkabel 3 zum Einzelleiter 10 und am Ende 10b des Einzelleiters 10 entste­ hen. Ist der Einzelleiter 10 in das Füllgut 15 eingetaucht, so entsteht ein weiteres Echo, das durch die Füllguthöhe bestimmt ist. Aus den Maxima der Echos am Übergang vom Koaxialkabel 3 zum Einzelleiter 10 und des durch das Füllgut 15 bestimmten Echos bei gefülltem Behälter läßt sich die Entfernung zwischen Übergang des Koaxialkabels 3 zum Einzel­ leiter 10 und der Füllgutoberfläche bestimmen. Hierfür dient zweckmäßigerweise ein in der Sende- und Empfangseinrichtung 1 vorgesehener Mikroprozessor, der zur Signalauswertung bestens geeignet ist.

Als Einzelleiter 10 kann ein flexibler elektrisch leitender Eindrahtleiter oder ein stabiles, elektrisch leitendes Rohr bzw. stabiler, elektrisch leitender Stab eingesetzt werden. Ein flexibler Eindrahtleiter ist besonders für die Füll­ standmessung von großen Füllhöhen geeignet. Ist der Füll­ stand von Behältern mit mehreren Metern Füllhöhe zu bestim­ men, kann beispielsweise der auf eine Kabeltrommel aufge­ wickelte Eindrahtleiter abgewickelt und mit dem Koaxialkabel 3 elektrisch verbunden werden. Zur Erzielung eines möglichst vertikal in die Füllgutoberfläche eintauchenden Eindrahtlei­ ters ist es möglich, diesen an seinem vorderen Ende 10b mit einem geeigneten Gewicht zu versehen, wie dies beispielswei­ se beim elektromechanischen Lotverfahren angewandt wird.

Problematisch bei diesen flexiblen Eindrahtleitern, deren Dicke im Bereich von bis zu etwa 5 mm, vorzugsweise etwa 2,6 mm liegt, ist das Messen von Füllgütern mit unruhigen Füll­ gutoberflächen, wie dies beispielsweise während eines Be­ füllvorganges des Behälters zu beobachten ist. Während eines solchen Befüllvorganges kann ein flexibler Eindrahtleiter leicht weggerissen werden bzw. in seiner vertikalen Lage beeinträchtigt werden. Die dabei entstehenden Knicke auf dem Eindrahtleiter führen zu ungewollten Dämpfungen bei den reflektierten elektromagnetischen Wellen.

Um dieses Problem zu lösen, ist es insbesondere bei Behäl­ tern mit geringeren Füllstandhöhen zweckmäßig, stabile elektrisch leitende Rohre oder elektrisch leitende Stäbe als Einzelleiter 10 einzusetzen. Als elektrisch leitender Stab bzw. elektrisch leitendes Rohr können beispielsweise Stäbe oder Rohre eingesetzt werden, wie diese aus der kapazitiven Füllstandmessung bereits bekannt sind.

Der in Fig. 1 dargestellte Einzelleiter 10 wird zweck­ mäßigerweise aus Edelstahl, z. B. V4A-Stahl, hergestellt. Dies hat zum Vorteil, daß eine chemische Reaktion bzw. Zersetzung am Einzelleiter 10 durch aggressives Füllgut zumindest weitgehend ausgeschlossen ist. Darüber hinaus hat sich die Ausbildung des Einzelleiters 10 aus Edelstahl auch dann als vorteilhaft erwiesen, wenn Lebensmittel als Füllgut verwendet werden.

Untersuchungen zeigten, daß erfindungsgemäß Einzelleiter 10 sowohl mit einer Isolierung als auch ohne Isolierung zufrie­ denstellend eingesetzt werden können. Ein unisolierter Einzelleiter 10 zeichnet sich jedoch durch günstigere Meßer­ gebnisse aus, da dieser aufgrund der geringeren Dämpfung eine bessere Detektion der Reflexionen ermöglicht. Der Vergleich bezieht sich hierbei auf Einzelleiter mit gleichem Durchmesser.

Obwohl in Fig. 1 zwischen den Ausgang 2 der Sende- und Empfangseinrichtung 1 und den Einzelleiter 10 ein Koaxialka­ bel 3 geschaltet ist, ist es auch möglich, den Einzelleiter 10 mit seinem einen Ende 10a direkt an den Ausgang 2 anzu­ schließen. In beiden Fällen wird in realiter aufgrund der unterschiedlichen Wellenwiderstände des Ausganges 2 bzw. des Koaxialkabels 3 und des Einzelleiters 10 ein Impedanzsprung am Übergang von Ausgang 2 zum Einzelleiter 10 bzw. Koaxial­ kabel 3 zum Einzelleiter 10 auftreten. Ein solcher Impedanz­ sprung stellt für elektromagnetische Wellen eine Stoßstelle dar, wodurch abhängig von der Größe des Impedanzsprunges ein mehr oder weniger großer Anteil der elektromagnetischen Wellen ungewollt reflektiert wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird deshalb ein Anpassungstrichter vorgesehen, durch den der ungewollte Impedanzsprung weitgehend beseitigt werden kann. Ein derar­ tiger Anpassungstrichter und dessen Dimensionierung wird im Zusammenhang mit den nachfolgenden Fig. 2, 3 und 4 erläu­ tert.

Fig. 2 zeigt wieder einen Montageflansch 6, der beispiels­ weise kreisförmig ausgestaltet sein kann und randseitig mit Bohrungen für Befestigungsschrauben versehen ist. Der Monta­ geflansch 6 weist mittig eine Öffnung auf, in der ein Befe­ stigungsklotz 14 sitzt. Der Befestigungsklotz 14 haltert axial mittig einen Einzelleiter 10, der mit einem Ende 10a mit dem Innenleiter 5 eines nicht näher dargestellten Ko­ axialkabels elektrisch verbunden ist und mit seinem anderen Ende 10b in ein Füllgut 15 eintaucht. Der Übergang vom Innenleiter 5 des Koaxialkabels zum Einzelleiter 10 ist mit einer geeigneten Isolierung versehen. Zu diesem Zweck ist in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine hül­ senförmige Isolation 9 vorgesehen, die an die mittige Öff­ nung des Montageflanschs 6 anschließt. Der Befestigungsklotz 14 sitzt mit seinem oberen Teil in dieser Isolation 9.

Der Befestigungsklotz 14 ist rohrförmig ausgebildet, wobei dessen in die Isolation 9 ragender Teil einen konstanten Durchmesser aufweist, sich jedoch in Richtung Füllgut 15 kegelförmig verbreitert. Die im Montageflansch 6 mittig angeordnete Öffnung ist entsprechend geformt. Der Befesti­ gungsklotz 14 ragt etwas von der Unterseite des Montage­ flansches 6 heraus und ist mit einem ringförmigen Flansch 13 versehen, an dessen umlaufendem Rand Befestigungslöcher vorgesehen sind. Durch diese Befestigungslöcher sind Schrau­ ben 8 geführt, die in entsprechende Bohrungen des Flansches 6 eingeschraubt sind und somit den Befestigungsklotz 14 sicher in der mittigen Öffnung des Montageflansches 6 hal­ tern.

An das untere Ende des Befestigungsklotzes 14 und den Flansch 13 ist der bereits erwähnte Anpassungstrichter lösbar oder feststehend angeschlossen. Der Anpassungstrich­ ter ist mit dem Bezugszeichen 11 versehen und weist in seinem oberen, dem Füllgut 15 abgewandten Bereich eine rohrförmige Wandung 16 mit konstantem Durchmesser auf. An diese Wandung 16 mit konstantem Durchmesser schließt sich ein längerer Abschnitt an, der ebenfalls rohrförmige Wandun­ gen 17 aufweist, wobei sich der Durchmesser dieser Wandungen 7 in Richtung Füllgut 15 aufweitet. Der Einzelleiter 10 ist koaxial zu den Wandungen 16 und 17 des Anpassungstrichters 11 angeordnet.

Durch diesen Anpassungstrichter 11, der aus elektrisch leitendem Material bestehende Wandungen besitzt, wird eine Anpassung der Impedanz des Koaxialkabels an die Impedanz des Einzelleiters 10 erreicht.

Wird beispielsweise angenommen, daß der Einzelleiter einen Wellenwiderstand von 320 Ohm aufweist und an einen Wellen­ widerstand von 50 Ohm des in Fig. 1 dargestellten Ausgangs 2 bzw. an einem Wellenwiderstand von 50 Ohm des Koaxialka­ bels 3 anzuschließen ist, so wird durch einen geeignet dimensionierten Anpassungstrichter 11 der am Übergang von 50 Ohm auf 320 Ohm auftretende Impedanzsprung entschärft, indem die 50 Ohm langsam auf 320 Ohm transformiert werden.

Wie das Diagramm von Fig. 3 zeigt, hängt der Wellenwider­ stand eines Koaxialkabels vom Verhältnis des Durchmessers D des Außenleiters zum Durchmesser d des Innenleiters ab. Wird bei einem Innenleiter mit gleichbleibendem Durchmesser d der Durchmesser D des Außenleiters ständig größer, steigt zu­ gleich der Wellenwiderstand kontinuierlich an. Dies wird bei der Dimensionierung des erfindungsgemäßen Anpassungstrich­ ters 11 ausgenutzt. Dabei ist darauf zu achten, daß der Durchmesser D des Außenleiters möglichst langsam ansteigt, um nur eine allmähliche Impedanzänderung hervorzurufen und somit eine Reflexion der elektromagnetischen Wellen mög­ lichst zu vermeiden. Durch das Vorsehen eines Anpassungstrichters 11 und der damit verbundenen langsamen Impedanzänderung wird die elektromagnetische Welle nicht mehr so stark reflektiert und die Leistung des Wellen­ anteils, der auf den Einzelleiter 10 gelangte sowie ein entstehendes Echo größer.

Die Darstellung von Fig. 4 dient zur Erläuterung, wie idealerweise der Anpassungstrichter 11 zu dimensionieren ist, wenn der Einzelleiter einen Wellenwiderstand von 250 Ohm aufweist und an einen Wellenwiderstand von 50 Ohm anzu­ passen ist. Das Verhältnis D1/d des Durchmessers D1 der elektrisch leitenden Wandung des Anpassungstrichters 11 im Bereich des Einspeisepunktes der elektromagnetischen Wellen ist in einfacher Weise aus dem Diagramm von Fig. 3 entnehm­ bar, indem das für den Wellenwiderstand von 50 Ohm zugehö­ rende Verhältnis D/d abgelesen wird. Das gleiche gilt für das Verhältnis D2/d im Bereich des unteren Endes des Anpas­ sungstrichters 11. Hier muß das Verhältnis D/d für den Wellenwiderstand von 250 Ohm abgelesen werden.

Mit der erfindungsgemäßen Füllstandmeßvorrichtung können Füllstandhöhen sowohl von elektrisch leitenden als auch nichtleitenden Füllgütern bestimmt werden. Darüber hinaus können im Gegensatz zur Füllstandmessung mit über Antennen abgestrahlten elektromagnetischen Wellen auch Füllhöhen von Flüssigkeiten und granulierten Festkörpern gemessen werden. Es hat sich darüber hinaus herausgestellt, daß die Konstruk­ tion der Flanschdurchführung in das Behälterinnere bei einem Durchmesser von weniger als etwa 5 mm des Einzelleiters 10 unkritisch ist. Lediglich bei dickeren Einzelleitern 10 sollte der vorgestellte Antennentrichter 11 anmontiert werden.

Die Einsatzbereiche des erfindungsgemäßen Füllstandmeßgerä­ tes sind dort prädestiniert, wo Ultraschall- und Radar-Mes­ sung aufgrund zuviel er Fehlechos oder wegen zu kleiner Körnung des Füllgutes oder ähnliches ausscheiden.

Bezugszeichenliste

 1 Sende- und Empfangseinrichtung
 2 Ausgang
 3 Koaxialkabel
 4 Außenleiter
 5 Innenleiter
 6 Montageflansch
 7 Bohrung
 8 Schraube
 9 Isolation
10 Einzelleiter
11 Anpassungstrichter
12 Öffnung
13 Flansch
14 Befestigungsklotz
15 Füllgut
16 Wandung
17 Wandung
d Durchmesser des Innenleiters
D Durchmesser des Außenleiters
D1 Anfangsdurchmesser des Anpassungstrichters
D2 Enddurchmesser des Anpassungstrichters
10a ein Ende
10b anderes Ende

Claims (9)

1. Füllstandmeßvorrichtung mit einer Sende- und Empfangs­ einrichtung (1) und einen mit einem Ende (10a) an die Sende- und Empfangseinrichtung (1) gekoppelten Wellen­ leiter, welcher mit seinem anderen Ende (10b) zum Ein­ tauchen in ein Füllgut (15) vorgesehen ist und welchem von der Sende- und Empfangseinrichtung (1) elektromagne­ tische Wellen zuführbar sind, wobei im Wellenleiter reflektierte elektromagnetische Wellen in der Sende- und Empfangseinrichtung (1) zur Füllstandmessung auswertbar sind, dadurch gekennzeichnet sind, daß der Wellenleiter ein Einzelleiter (10) ist, auf welchem die elektromagne­ tischen Wellen geführt werden, wobei der Einzelleiter (10) direkt oder über ein Übertragungskabel (3) an die Sende- und Empfangseinrichtung (1) angeschlossen ist.

2. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Einzelleiter (10) ein Eindrahtleiter ist.

3. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Einzelleiter (10) als elektrisch leitendes Rohr oder elektrisch leitender Stab ausgebil­ det ist.

4. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelleiter (10) aus Edelstahl gebildet ist.

5. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelleiter (10) unisoliert ist.

6. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungskabel (3) ein Koaxialkabel ist, dessen Innenleiter (5) mit dem Einzelleiter (10) elektrisch verbunden ist.

7. Füllstandmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einzelleiter (10) an seinem eingangsseitigen einem Ende (10a) von einem elektrisch leitenden Anpassungstrichter (11) umgeben ist.

8. Füllstandmeßvorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Außenleiter (4) des Koaxialka­ bels (3) mit dem Anpassungstrichter (11) elektrisch leitend verbunden ist.

9. Füllstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstandsmessung nach dem Impulslaufzeit-, Chirp- oder CW/FMCW-Radarverfahren erfolgt.