DE4419462A1 - Berührungsloser Füllstandsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslosen Füllstandsmesser, mit einem Schwingungswellen aussendenden Schwingungswellengenerator, mit einem die an der Oberfläche eines in einem Behälter befindlichen Mediums reflektierten Schwingungswellen detektierenden Schwingungswellendetektor und mit einem in das Medium hineinragenden, mindestens eine Ausgleichsöffnung aufweisenden Schwallrohr, wobei die Schwingungswellen zumindest im wesentlichen von dem Oberflächenausschnitt des im Schwallrohr stehenden Mediums reflektierbar sind.

Neben den bekannten mechanischen Füllstandsmessern, die nach dem Schwimmer- oder Tastplatten-Prinzip arbeiten, sind seit geraumer Zeit berührungslose Füllstandsmesser bekannt (vgl. die DE-A 42 33 324 und die DE-A 43 27 333).

Sämtliche bekannten berührungslosen Füllstandsmesser arbeiten mit von ihnen ausgesandten Schwingungswellen, die von der Oberfläche des Mediums, dessen Füllstand zu messen ist, reflektiert werden. Bei den bekannten Verfahren zur Bestimmung des Füllstands unterscheidet man zwischen solchen, die die Phasen­ verschiebungen zwischen den ausgesandten und den detektierten Schwingungs­ wellen messen, und solchen, die unmittelbar die Laufzeit der Schwingungswellen messen. Bei der Laufzeitmessung unterscheidet man im wesentlichen wiederum solche Füllstandsmesser, die die Laufzeit anhand von Schwingungswellen mit impulsmodulierten Amplituden messen, und solchen, die die Laufzeit anhand von frequenzmodulierten Schwingungswellen messen; letztere bezeichnet man auch als Füllstandsmesser, die nach dem FMCW-Verfahren arbeiten. Im weiteren wird - ohne Beschränkung hierauf - das Funktionsprinzip eines berührungslosen Füllstandsmessers anhand eines Füllstandsmessers beschrieben, der nach dem Laufzeitprinzip arbeitet, also unmittelbar die Laufzeit der Schwingungswellen mißt.

Die berührungslosen Füllstandsmesser, die nach dem Laufzeitprinzip arbeiten, messen die Laufzeit der vom Schwingungswellengenerator ausgesandten Schwin­ gungswellen vom Schwingungswellengenerator über die Reflektion an der Ober­ fläche des in einem Behälter befindlichen Mediums bis zu dem die reflektier­ ten Schwingungswellen detektierenden Schwingungswellendetektor. Aus der ge­ messenen Laufzeit der Schwingungswellen läßt sich die Entfernung vom Schwin­ gungswellengenerator bzw. vom Schwingungswellendetektor zu der reflektieren­ den Oberfläche des Mediums bestimmen. Die Füllstandshöhe des Mediums im Be­ hälter errechnet sich anschließend aus der bekannten Innenhöhe des Behälters, also dem tatsächlichen Bodenabstand zwischen dem Schwingungswellengenerator bzw. dem Schwingungswellendetektor und dem Boden des Behälters, und dem ge­ messenen Abstand zwischen der Oberfläche des Mediums und dem Schwingungswel­ lengenerator bzw. dem Schwingungswellendetektor. Hierbei ist zu beachten, daß üblicherweise der Schwingungswellengenerator und der Schwingungswellen­ detektor in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind, u. U. sogar die sendende "Antenne" mit der empfangenden "Antenne" übereinstimmt.

Unter Schwingungswellen im Sinne der Erfindung sind Wellen oder Oszillationen zu verstehen, die sich in einem bestimmten Medium oder im Raum mit einer be­ kannten Ausbreitungsgeschwindigkeit fortpflanzen. Üblicherweise werden bei berührungslosen Füllstandsmessern elektromagnetische Wellen, insbesondere Mikrowellen, und Schallwellen eingesetzt. Möglich ist auch der Einsatz von Lichtwellen, die natürlich unter die elektromagnetischen Wellen fallen.

Der Einsatz von Schwallrohren ist bislang vorzugsweise bei mechanischen Füllstandsmessern bekannt, um den Schwimmer oder die Tastplatte vor Zerstö­ rung, unzulässig starker Bewegung und Erschütterungen durch Wellen des Mediums zu schützen. Ein Schwallrohr ist ein geschlossenes Rohr, das in das Medium hineinragt und kurz über dem Boden des Behälters des Mediums endet. Ein solches Schwallrohr besitzt in bekannter Weise am oberen Ende Ausgleichs­ öffnungen, die den Ausgleich zwischen dem Innendruck des Behälters und dem Innendruck des Schwallrohrs sicherstellen und somit gewährleisten, daß der Füllstand im Schwallrohr im Mittel dem Füllstand im Behälter des Mediums entspricht. Durch ein solches Schwallrohr wird gewährleistet, daß die Ober­ fläche des Mediums im Schwallrohr gegenüber der Oberfläche des Mediums im umgebenden Behälter stark beruhigt ist, so daß eine wesentlich besser repro­ duzierbare Füllstandsmessung möglich ist. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Oberfläche des Mediums im übrigen Behälter häufig etwa durch Rühr­ werke stark aufgewühlt ist und beispielsweise mit Schaum bedeckt sein kann.

Der Einsatz von Schwallrohren bei berührungslosen Füllstandsmessern ist zwar bekannt, ihm stehen jedoch bislang gravierende Probleme entgegen. Ein wesent­ liches Problem besteht darin, daß die Antenne des Schwingungswellengenerators wegen des notwendigen Antennengewinnes und des geringen Öffnungswinkels der abgestrahlten Schwingungswellenkeule sehr groß sein muß gegenüber der Wel­ lenlänge der ausgesandten Schwingungswellen. Dies führt zum einen dazu, daß die Einbauöffnungen und Flansche an den Behältern, in denen der Füllstand eines Mediums bestimmt werden soll, entsprechend groß sein muß, zum anderen dazu, daß der Durchmesser eines Schwallrohres, der ja mindestens dem Durch­ messer der Antenne entsprechen muß, ebenfalls sehr groß sein muß. Beide Tatsachen erschweren zum einen den Einbau und führen zum anderen zu erheb­ lich höheren Kosten, insbesondere beim Einsatz des berührungslosen Füll­ standsmessers in Behältern mit korrosiven Medien, da in einem solchen Fall sowohl die relativ zur Wellenlänge der Schwingungswelle große Antenne als auch das Schwallrohr aus entsprechend korrosionsbeständigen und teuren Ma­ terialien hergestellt werden müssen. Weiter treten an den Obergängen von der Antenne des Schwingungswellengenerators zu der Eingangsöffnung des Schwallrohrs Modenänderungen sowie Störreflektionen der ausgesandten und reflektierten Schwingungswellen auf, die den Wirkungsgrad und damit die Funktionssicherheit des berührungslosen Füllstandsmessers, vor allem im Nah­ bereich, erheblich reduzieren. Die relativ großen Abmessungen sowohl der Antenne als auch des Schwallrohres führen schließlich dazu, daß es nicht möglich ist, eine Absperrvorrichtung zwischen dem berührungslosen Füllstands­ messer und dem Behälter einzubauen. Dies führt dazu, daß der Füllstands­ messer nur bei einem drucklosen und von gefährlichen Gasen, Dämpfen und Flüssigkeiten befreiten Behälter demontiert werden kann.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, einen berührungslosen Füllstandsmesser mit einem Schwallrohr anzugeben, das zumindest teilweise, vorzugsweise ganz frei ist von den zuvor aufgezeigten Problemen.

Der erfindungsgemäße berührungslose Füllstandsmesser, bei dem die zuvor her­ geleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Schwallrohr als Hohlleiter für die Schwingungswellen ausgebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird gewährleistet, daß der Einsatz einer bislang bei berührungslosen Füllstandsmessern üblichen Antenne hinfällig wird. Da weiter der Durchmesser eines Hohlleiters in etwa in der Größenordnung der Wellenlänge der Schwingungswellen liegt, können somit Schwallrohre mit wesentlich kleinerem Durchmesser als bislang bekannt auch bei berührungslosen Füllstandsmessern eingesetzt werden, was u. a. auch dazu führt, daß zwischen dem Innenraum des Behälters und dem Füllstandsmesser ohne weiteres eine Absperreinrichtung angeordnet werden kann. Schließlich treten bei geeigneter Anpassung des Schwallrohres an den Schwingungswellengenerator auch nicht die bislang bekannten problembehafteten Störreflektionen am Übergang zwischen der Antenne des Schwingungswellengenerators und dem Schwallrohr auf, insbe­ sondere kann auch keine Störstrahlung in die Umgebung des berührungslosen Füllstandsmessers austreten, wodurch der zulässige Frequenzbereich für elek­ tromagnetische Wellen wesentlich erweitert wird. Im Ergebnis sind also die Montage, die Demontage, der Materialaufwand und die Meßpräzision bei einem erfindungsgemäß ausgestalteten berührungslosen Füllstandsmesser, der nach einem beliebigen Verfahren mit Schwingungswellen arbeitet, wesentlich ver­ bessert.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsge­ mäßen berührungslosen Füllstandsmesser auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen berührungslosen Füllstandsmessers im Schnitt,

Fig. 2 in einer Ausschnittsvergrößerung eine erste Ausführungsform einer Absperrvorrichtung für den Füllstandsmesser nach Fig. 1 und

Fig. 3 in einer Ausschnittsvergrößerung eine zweite Ausführungsform einer Absperrvorrichtung für den Füllstandsmesser nach Fig. 1 im Schnitt.

In Fig. 1 ist ein berührungsloser Füllstandsmesser 1 dargestellt, der nach dem Laufzeitprinzip arbeitet. In den Füllstandsmesser 1 integriert und nicht dargestellt ist ein Schwingungswellen aussendender Schwingungswellengenera­ tor und ein die an der Oberfläche eines in einem Behälter 2 befindlichen Me­ diums 3 reflektierten Schwingungswellen detektierender Schwingungswellende­ tektor. Der Füllstandsmesser 1 weist außerdem ein in das Medium 3 hineinra­ gendes, mindestens eine Ausgleichsöffnung 4 aufweisendes Schwallrohr 5 auf. Bei dem dargestellten berührungslosen Füllstandsmesser 1 werden die Schwin­ gungswellen von dem Oberflächenausschnitt des im Schwallrohr 5 stehenden Mediums 3 reflektiert. Das Schwallrohr 5 ist erfindungsgemäß als Hohlleiter für die Schwingungswellen ausgebildet.

Ein rundes oder eckiges Rohr wirkt dann als Hohlleiter für Schwingungswellen mit einer bestimmten Wellenlänge, wenn der Innendurchmesser des Rohres, hier des Schwallrohres 5, in der Größenordnung der Wellenlänge der Schwingungs­ wellen liegt. Vorteilhafterweise wird also der Innendurchmesser des Schwall­ rohres 5 kleiner als zwei Wellenlängen der Schwingungswellen gewählt. Sendet also der Schwingungswellengenerator des Füllstandsmessers 1 Schwingungswellen mit Wellenlängen im Bereich von ca. 0,1 cm bis ca. 30 cm aus, so ergeben sich die gewünschten geringen Abmessungen für den Durchmesser des Schwall­ rohres 5. Der erfindungsgemäße Füllstandsmesser 1 erlaubt zudem den gleich­ zeitigen Einsatz elektromagnetischer und akustischer Wellen mit größenord­ nungsmäßig übereinstimmenden Wellenlängen, beispielsweise Mikrowellen und Ultraschallwellen. Hierdurch ergibt sich eine höhere Präzision und ein erwei­ terter Anwendungsbereich für unterschiedliche Medien 3.

Stimmen die Innendurchmesser der Austrittsöffnung des Schwingungswellenge­ nerators und des Schwallrohres 5 nicht überein, so wird der erfindungsgemäße Füllstandsmesser 1 besonders vorteilhaft dadurch weitergebildet, daß zwi­ schen dem Schwingungswellengenerator und dem Schwallrohr 5 ein nicht darge­ stelltes Adapterstück zur Anpassung der Austrittsöffnung des Schwingungswel­ lengenerators an das Schwallrohr 5 angeordnet ist. Dieses nicht dargestellte Adapterstück erlaubt eine stufenlose Anpassung des Durchmessers der Aus­ trittsöffnung des Schwingungswellengenerators an das Schwallrohr 5 und ver­ hindert somit, daß an dieser Stelle unerwünschte Reflektionen der Schwin­ gungswellen auftreten.

Weiter wird der erfindungsgemäße Füllstandsmesser 1 besonders vorteilhaft dadurch weitergebildet, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwingungs­ wellen im Schwallrohr 5 über die Impedanz des Schwallrohres 5 gegenüber der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwingungswellen unabhängig vom Schwall­ rohr 5 reduziert ist. Hierzu werden die elektrische Leitfähigkeit χ und die Dielektrizitätszahl ε_γ des Materials des Schwallrohres 5 entsprechend variiert. Bei reduzierter Ausbreitungsgeschwindigkeit ergeben sich konsequen­ terweise größere Laufzeiten der Schwingungswellen vom Schwingungswellengene­ rator hin zur Oberfläche des Mediums 3 und zurück zum Schwingungswellendetek­ tor und somit bei gleichbleibender Zeitauflösung eine erhöhte Auflösung für die Füllstandshöhe des Mediums 3 im Behälter 2.

Der erfindungsgemäße berührungslose Füllstandsmesser 1 wird weiter besonders vorteilhaft dadurch ausgebildet, daß im Schwallrohr 5 mindestens ein Referenz­ reflektor 6 für die Schwingungswellen angeordnet ist. Mit Hilfe solcher Refe­ renzreflektoren 6 wird gewährleistet, daß der integrierten Elektronik des Füllstandsmessers 1 ein Referenzsignal zur Verfügung steht, welches zur Eichung der Messung der Füllstandshöhe verwendbar ist. Außerdem kann anhand dieses Referenzsignals eine Funktionskontrolle des Füllstandsmessers 1 vorgenommen werden.

Wie in Fig. 1 dargestellt, können die Referenzreflektoren 6 als beliebig geformte Inhomogenitäten, wie beispielsweise Kanten an der Innenseite des Schwallrohres 5, ausgebildet sein. Die Referenzreflektoren 6 müssen zudem selbstverständlich aus einem die Schwingungswellen reflektierenden Material bestehen.

Alternativ können jedoch die ohnehin vorhandenen Ausgleichsöffnungen 4 des Schwallrohres 5 als Referenzreflektoren ausgebildet sein. Dies ist insbe­ sondere dann gegeben, wenn die Ausgleichsöffnungen 4 des Schwallrohres 5 einen Durchmesser aufweisen, der größer als ein Viertel der Wellenlänge der Schwingungswellen ist. Werden als Schwingungswellen polarisierte elektro­ magnetische Wellen eingesetzt, so müssen die als Referenzreflektoren dienen­ den Ausgleichsöffnungen 4 an Stellen des Schwallrohres 5 angeordnet sein, an denen die in der Wand des Schwallrohres 5 induzierten Ströme Maxima aufwei­ sen, so daß an diesen Ausgleichsöffnungen 4 Reflektionen erzeugt werden.

Sollen jedoch gerade, beispielsweise aufgrund der Anordnung separater Refe­ renzreflektoren 6, die Reflektionen an den Ausgleichsöffnungen 4 möglichst gering sein, so werden die Ausgleichsöffnungen 4 beim Einsatz polarisierter elektromagnetischer Wellen als Schwingungswellen an den Stellen des Schwall­ rohres 5 angeordnet, an denen die in der Wand des Schwallrohres 5 induzier­ ten Ströme annähernd Null sind.

Ein bekanntes Problem beim Einsatz berührungsloser Füllstandsmesser besteht darin, daß bei Flüssigkeiten mit relativ niedrigen Dielektrizitätszahlen (beispielsweise ε_γ unter 2, wie z. B. bei Paraffin) der überwiegende Teil eines elektromagnetischen Mikrowellensignals nicht an der Oberfläche des Mediums 3, sondern am normalerweise leitfähigen Boden des Behälters 2 re­ flektiert wird. Dieses Phänomen stellt auch bei der Verwendung von Schall­ wellen oder Ultraschallwellen ein erhebliches Problem bei der Auswertung der reflektierten Signale dar. Angesichts dieses Problems wird der erfin­ dungsgemäße Füllstandsmesser 1 besonders vorteilhaft dadurch weitergebildet, daß in dem Schwallrohr 5 ein von der Oberfläche des Mediums 3 getragener Schwimmer 7 mit einer für die Schwingungswellen stark reflektierenden Ober­ fläche vorgesehen ist. Durch diesen Schwimmer 7 wird gewährleistet, daß ein starkes Reflektionssignal in definiertem Abstand, nämlich dem Abstand von der Oberfläche des Schwimmers 7 zur Oberfläche des Mediums 3, zur Verfügung steht. Der Einsatz eines solchen Schwimmers 7 in einem Schwallrohr 5 ist besonders vorteilhaft, da er nicht durch Turbulenzen im Medium gestört wird.

Um eine leichte Montage bzw. Demontage der Einheit 8 aus dem Schwingungswel­ lengenerator, dem Schwingungswellendetektor und einer evtl. integrierten Elektronik des Füllstandsmessers 1 zu gewährleisten, ist nach einer in Fig. 2 dargestellten ersten Alternative zwischen der Austrittsöffnung des Schwin­ gungswellengenerators und dem Schwallrohr 5 eine an die Wellenlänge der Schwingungswellen angepaßte Trennscheibe 9 angeordnet, die durchlässig für die vom Schwingungswellengenerator ausgesandten und von der Oberfläche des Mediums 3 reflektierten Schwingungswellen ist. Durch eine solche Trennscheibe 9 ist eine dauerhafte Trennung zwischen der Austrittsöffnung des Schwingungs­ wellengenerators und dem Innenraum des Behälters 2 gewährleistet. Somit kann die Einheit 8 aus dem Schwingungswellengenerator, dem Schwingungswellen­ detektor und einer evtl. integrierten Elektronik stets montiert oder demon­ tiert werden, ohne daß der Behälter 2 drucklos oder frei von brennbaren oder giftigen Gasen sein muß. Eine solche Trennung zwischen der Einheit 8 aus dem Schwingungswellengenerator, Schwingungswellendetektor und einer evtl. integrierten Elektronik des Füllstandsmessers 1 kann gemäß einer in Fig. 3 dargestellten zweiten Alternative dadurch gewährleistet sein, daß das Schwallrohr 5 eine Absperrvorrichtung 10 zwischen dem Innenraum des Behäl­ ters 2 und der Austrittsöffnung des Schwingungswellengenerators aufweist. Diese Absperrvorrichtung 10 wird dann im Fall der Demontage des Schwingungs­ wellengenerators, des Schwingungswellendetektors und einer evtl. integrierten Elektronik geschlossen.

Der erfindungsgemäße berührungslose Füllstandsmesser wird besonders vorteil­ haft dadurch weitergebildet, daß das Schwallrohr 5 über eine Dichtung, vor­ zugsweise eine Stopfbuchse 11, in den Innenraum des Behälters 2 einführbar ist. Somit wird gewährleistet, daß das Schwallrohr 5, beispielsweise zu Zwecken der Reinigung, aus dem Behälter 2 entfernt werden kann.

Schließlich wird der erfindungsgemäße berührungslose Füllstandsmesser 1 be­ sonders vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß eine Absperrvorrichtung, vor­ zugsweise ein Kugelhahn 12, zwischen dem Innenraum des Behälters 2 und der Dichtung, hier der Stopfbuchse 11, angeordnet ist. Bei einer solchen Ausge­ staltung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessers 1 ist gewährleistet, daß auch das Schwallrohr 5 demontiert werden kann, wenn der Behälter 2 nicht druck­ los ist bzw. brennbare oder giftige Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten enthält.

Claims (11)

1. Berührungsloser Füllstandsmesser, mit einem Schwingungswellen aussendenden Schwingungswellengenerator, mit einem die an der Oberfläche eines in einem Behälter (2) befindlichen Mediums (3) reflektierten Schwingungswellen detek­ tierenden Schwingungswellendetektor und mit einem in das Medium (3) hinein­ ragenden, mindestens eine Ausgleichsöffnung (4) aufweisenden Schwallrohr (5), wobei die Schwingungswellen zumindest im wesentlichen von dem Oberflächenaus­ schnitt des im Schwallrohr (5) stehenden Mediums (3) reflektierbar sind, da­ durch gekennzeichnet, daß das Schwallrohr (5) als Hohlleiter für die Schwin­ gungswellen ausgebildet ist.

2. Berührungsloser Füllstandsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Schwallrohrs (5) kleiner als zwei Wellenlängen der Schwingungswellen ist.

3. Berührungsloser Füllstandsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen Schwingungswellengenerator und Schwallrohr (5) ein Adapterstück zur Anpassung der Austrittsöffnung des Schwingungswellengenera­ tors an das Schwallrohr (5) angeordnet ist.

4. Berührungsloser Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwingungswellen im Schwallrohr (5) über die Impedanz des Schwallrohrs (5) gegenüber der Aus­ breitungsgeschwindigkeit der Schwingungswellen unabhängig vom Schwallrohr (5) reduziert ist.

5. Berührungsloser Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Schwallrohr (5) mindestens ein Referenzreflektor (6) für die Schwingungswellen angeordnet ist.

6. Berührungsloser Füllstandsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Ausgleichsöffnungen (4) des Schwallrohres (5) als Referenzreflektor ausgebildet ist.

7. Berührungsloser Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Schwallrohr (5) ein von der Oberfläche des Me­ diums (3) getragener Schwimmer (7) mit einer für die Schwingungswellen stark reflektierenden Oberfläche vorgesehen ist.

8. Berührungsloser Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Austrittsöffnung des Schwingungswellengene­ rators und dem Schwallrohr (5) eine an die Wellenlänge der Schwingungswellen angepaßte Trennscheibe (9) angeordnet ist.

9. Berührungsloser Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwallrohr (5) eine Absperrvorrichtung (10) zwischen dem Innenraum des Behälters (2) und der Austrittsöffnung des Schwingungswel­ lengenerators aufweist.

10. Berührungsloser Füllstandsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwallrohr (5) über eine Dichtung, vorzugsweise eine Stopfbuchse (11), in den Innenraum des Behälters (2) einführbar ist.

11. Berührungsloser Füllstandsmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Absperrvorrichtung, vorzugsweise ein Kugelhahn (12), zwischen dem Innenraum des Behälters (2) und der Dichtung angeordnet ist.