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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Füllstandsmeßvorrichtung zum Bestimmen
des Füllstands
eines in einem Behälter
gehaltenen Materials gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und eine Antennenbaugruppe zur Verwendung mit einer
solchen Füllstandsmeßvorrichtung
nach dem Oberbegriff von Anspruch 8.
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Eine
solche Füllstandsmeßvorrichtung
und Antenne sind aus
WO
03/052360 A1 bekannt.
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Laufzeit-Füllstandsmeßsysteme
werden verwendet zur Bestimmung der Entfernung von einer reflektiven
Oberfläche
(d.h. einem Reflektor) durch Messen der zwischen der Übertragung
eines Signals zu einem Ziel und der Rückkehr des Signals (d.h. des Echos)
zur Vorrichtung abgelaufenen Zeit. Laufzeit-Füllstandsmeßsysteme können Ultraschallimpulse, Impulsradarsignale
oder Mikrowellenenergiesignale benutzen.
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Impulsradar
und mikrowellenbasierende Füllstandsmeßsysteme
werden typischerweise bei Anwendungen bevorzugt, wo die Atmosphäre im Behälter oder
Gefäß großen Temperaturänderungen, hoher
Luftfeuchtigkeit, Staub und anderen Arten von Zuständen unterliegt,
die die Signalausbreitung beeinflussen können. Zur Bereitstellung einer
ausreichenden Empfangscharakteristik wird typischerweise eine Antenne
mit hohem Gewinn benutzt. Hoher Gewinn bedeutet gewöhnlich eine
große
Antennengröße.
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In
radarbasierenden und mikrowellenbasierenden Füllstandsmeßsystemen werden typischerweise
zwei Arten von Antennenkonstruktionen gefunden: Stabantennen und
Hornantennen. Stabantennen weisen einen schmalen und verlängerten
Aufbau auf und sind für Behälter mit
kleinen Öffnungs-/Flanschgrößen und
genügender
Höhe zur
Aufnahme der Antenne geeignet. Hornantennen sind anderseits breiter
und kürzer
als Stabantennen. Hornantennen werden typischerweise in Installationen
mit Raumbegrenzungen benutzt, beispielsweise Gefäßen oder Behältern, die
flach sind.
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Das
Füllstandsmeßinstrument
bzw. die Füllstandsmeßvorrichtung
umfaßt
ein Gehäuse
und einen Wellenleiter wie beispielsweise eine Antenne. Die Füllstandsmeßvorrichtung
ist an der Oberseite eines ein Material enthaltenden Behälters oder
Gefäßes angebracht,
wobei sich die Antenne in das Innere des Gefäßes erstreckt. Das Füllstandsmeßinstrument
ist typischerweise mit Bolzen an einem Flansch um eine Öffnung in
der Oberseite des Behälters
befestigt. Das Instrumentengehäuse
hält die
elektronischen Schaltungen zum übertragen
und Empfangen des Signals, Berechnen der zwischen übertragen und
Empfangen des Signals abgelaufenen Zeit und Bestimmen der Entfernung
von der Oberfläche
des Materials. Die Antenne ist an einen Wandler im Instrumentengehäuse angekoppelt.
Wenn der Wandler durch die Steuerungsschaltungen erregt wird, überträgt die Antenne
elektromagnetische Energieimpulse in das Gefäß und empfängt Impulse, die von der Oberfläche des
im Gefäß enthaltenen
Materials zurückreflektiert
werden.
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Das
im Gefäß enthaltene
Material bleibt häufig
an Hornantennen von Füllstandsmeßvorrichtungen
stecken. Ein Aufbau von Material an der Innenseite einer Hornantenne
verhindert eine wirkungsvolle Signalübertragung und verursacht auch "Rauschen" in empfangenen Signalen.
Dieser Aufbau von Material kann falsche Messungen oder Signalverlust verursachen.
Wenn die an der Innenfläche
der Hornantenne haftenden Materialien durch Reinigung entfernt werden,
treten wieder normale Signalübertragung
und normaler Signalempfang ein und ordnungsgemäße Messung kann wieder von
der Füllstandsmeßvorrichtung
erhalten werden.
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Ein
Reinigungsverfahren besteht darin, die Hornantenne von Hand zu reinigen.
Das bedeutet Entnahme der Füllstandsmeßvorrichtung
aus dem Dienst und Reinigen derselben mit Bürsten, Kratzern oder dergleichen
und dann Wiedereinbau der gereinigten Vorrichtung. Dies ist zeitaufwendig,
kostspielig und manchmal unsicher. Eine weitere zum periodischen
Reinigen benutzte Option ist Spülen
mit Luft oder Flüssigkeit.
Dazu gehört
das Anschließen
einer Luft- oder Flüssigkeitsversorgung
an die Oberseite der Hornantenne (beispielsweise durch einen Einlaß am Befestigungsflansch)
und Aktivieren des Spülzyklus
von Hand oder automatisch, beispielsweise unter Verwendung eines
Magnetventils. Die Luft oder Flüssigkeit
läuft durch
zur Innenseite der Hornantenne und spült sie aus. Während dieses
Verfahren wirkungsvoll ist, erfordert es die Versorgung von Luft oder
Wasser zur Füllstandsmeßvorrichtung,
was in manchen Anwendungen problematisch sein kann. Luft und/oder
Wasserversorgung steht gewöhnlich nicht
an der Oberseite des Behälters
zur Verfügung. So
muß eine
Luft- oder Wasserleitung installiert werden, was kostspielig zu
implementieren ist. Typischerweise wird zum Ausspülen Druckluft
benutzt, da die meisten festen Anwendungen kein Wasser im Gefäß tolerieren
können.
Die Erzeugung von Druckluft für
kontinuierliche Prozeßerfordernisse
ist jedoch relativ kostspielig.
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Aus
der oben erwähnten
WO 03/052360 A1 ist
eine Füllstandsmeßvorrichtung
bekannt mit einer Antenne in der Form einer Sonde, die in ein Füllmaterial
eingetaucht wird. Um die Bildung von Ablagerungen zu verhindern
oder zu verringern, wird die Sonde mittels eines Oszillators mechanisch
in Vibrationen erregt.
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Es
bleibt demnach ein Bedarf für
einen Reinigungsmechanismus für
Füllstandsmeßsysteme insbesondere
radarbasierend und mikrowellenbasierend, der die Entfernung von
an der Antenne haftenden Ablagerungen erlaubt.
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Zur
Lösung
dieses Problems wird durch die vorliegende Erfindung eine Füllstandsmeßvorrichtung
nach Anspruch 1 und eine Antennenbaugruppe nach Anspruch 8 bereitgestellt.
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Zu
bevorzugende Ausführungsformen
der Erfindung sind in den übrigen
Ansprüchen
angegeben.
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Der
Vibrationsreinigungsmechanismus stellt einen an die Prüfstandsmeßvorrichtung
so angekoppelten Wandler bereit, daß er bei Erregung die Radarantenne
mit ihrer Resonanzfrequenz zu schwingen veranlaßt. Diese Schwingung erzeugt
eine Reinigungsaktion, indem sie bewirkt, daß an der Innenfläche der
Antenne haftende Feststoffe oder Flüssigkeiten verdrängt werden
oder abfallen und damit das Meßsignal
verbessern.
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Nach
einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Füllstandsmeßvorrichtung
zum Bestimmen des Füllstandes
eines in einem Behälter
empfangenen Materials bereit. Die Vorrichtung umfaßt ein Gehäuse mit
einem Wandler mit einem Sendermodul zur Abgabe von Energieimpulsen
und einem Empfängermodul
zum Empfang reflektierter Energieimpulse; eine funktionsmäßig an den
Wandler angekoppelten Steuerung, wobei das Sendermodul auf Steuersignale
der Steuerung zur Abgabe von Energieimpulsen reagiert, wobei das
Empfängermodul auf
reflektierte Energieimpulse reagiert, wobei das Empfängermodul
die reflektierten Energieimpulse in ein entsprechendes elektrisches
Signal umwandelt; eine an das Gehäuse angekoppelte Antenne zum Übertragen
der vom Wandler abgegebenen Energieimpulse und Empfangen von durch
das Material im Behälter
reflektierten Energieimpulsen; ein an die Füllstandsmeßvorrichtung angekoppeltes
Vibrationsreinigungsmodul zur Vibration der Antenne; und eine funktionsmäßig mit
dem Vibrationsreinigungsmodul verbundene Vibrationssteuerungseinheit,
wobei das Vibrationsreinigungsmodul auf Steuersignale der Vibrationssteuerungseinheit
zum Aktivieren des Vibrationsreinigungsmoduls reagiert, bei Aktivierung
durch die Vibrationssteuerungseinheit die Antenne mit genügender Amplitude
vibriert, um an der Antenne haftendes Material zu entfernen.
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Nach
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Antennenbaugruppe
zur Verwendung mit einer Füllstandsmeßvorrichtung
zum Messen des Füllstands
eines in einem Behälter
gespeicherten Materials bereit. Die Antennenbaugruppe umfaßt einen
Oberteil zum Ankoppeln an die Füllstandsmeßvorrichtung;
eine Antenne zum Übertragen
von durch die Füllstandsmeßvorrichtung
abgegebenen Energieimpulsen und Empfangen von durch das Material
im Behälter
reflektierten Energieimpulsen; ein zwischen dem Oberteil und der
Antenne angeordnetes Wandlermodul; und eine funktionsmäßig mit
dem Wandlermodul verbundene Steuerung, wobei das Wandlermodul auf
Steuersignale der Steuerung zum Aktivieren des Wandlermoduls zum
Vibrieren der Antenne zum Verdrängen
oder Entfernen von ein der Antenne haftenden Material reagiert.
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Weitere
Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem gewöhnlichen
Fachmann bei Übersicht
der nachfolgenden Beschreibung von bestimmten Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offenbar
werden.
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Als
nächstes
wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die beispielhafterweise Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zeigen und in denen:
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1 in
diagrammatischer Form eine Füllstandsmeßvorrichtung
mit einem am Instrument befestigten Vibrationsreinigungsmechanismus
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 in
diagrammatischer Form eine Füllstandsmeßvorrichtung
mit radial befestigtem Vibrationsreinigungsmechanismus gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3 eine
Querschnittsansicht des Unterteils der Füllstandsmeßvorrichtung der 2 mit
den Bestandteilen des Vibrationsreinigungsmechanismus zeigt;
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4 eine
vergrößerte Ansicht
der piezoelektrischen Ringe des Vibrationsreinigungsmechanismus
der 3 zeigt;
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5 in
schematischer Form eine Steuerungsschaltung für den Vibrationsreinigungsmechanismus
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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6 ein
Schaltschema einer ersten Ausführungsform
eines Leistungsverstärkers
für die Steuerungsschaltung
der 5 ist;
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7 ein
Schaltschema einer zweiten Ausführungsform
eines Leistungsverstärkers
für die Steuerungsschaltung
der 5 ist;
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8 ein
Schaltschema einer dritten Ausführungsform
eines Leistungsverstärkers
für die Steuerungsschaltung
der 5 ist;
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9 ein
Schaltschema einer ersten Ausführungsform
eines Oszillators für
die Steuerungsschaltung der 5 ist;
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10 ein
Schaltschema einer zweiten Ausführungsform
eines Oszillators für
die Steuerungsschaltung der 5 ist; und
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11 ein
Füllstandsmeßsystem
zeigt.
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Zuerst
wird auf 2 Bezug genommen, die in diagrammatischer
Form eine Füllstandsmeßvorrichtung 200 mit
einem radial befestigten Vibrationsreinigungsmechanismus gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt. Die Füllstandsmeßvorrichtung 200 umfaßt eine
Füllstandsmeßvorrichtung
mit einem Gehäuse 204,
das elektronische Steuerungsschaltungen wie die in 11 gezeigten
und ausführlicher
unten beschriebenen enthält,
und eine Antennenbaugruppe 208.
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Die
Füllstandsmeßvorrichtung 200 ist
an der Oberseite eines (nicht gezeigten) Behälters oder Gefäßes befestigt,
wobei sich die Antennenbaugruppe 208 in das Innere des
Behälters
erstreckt. Die Füllstandsmeßvorrichtung 200 ist
an einem (nicht gezeigten) Flansch um eine Öffnung in der Oberseite des
Behälters
unter Verwendung von (nicht gezeigten) Bolzen oder dergleichen befestigt.
Der Behälter enthält ein Material
wie beispielsweise eine Flüssigkeit,
einen Feststoff oder einen flüssigen
Brei, wobei ein Füllstand
durch die Oberfläche
des Materials bestimmt wird. Die Oberfläche des Materials stellt eine reflektive
Oberfläche
bzw. einen Reflektor zum Reflektieren von durch die Meßvorrichtung 200,
d.h. die Antennenbaugruppe 208 abgegebenen Energieimpulsen.
Die Füllstandsmeßvorrichtung 200 funktioniert
zur Bestimmung des Füllstandes
des im Behälter
gehaltenen Materials, wie ausführlicher
unten beschrieben wird. In anderen Ausführungsformen kann die Füllstandsmeßvorrichtung 200 zur
Befestigung an einer Seitenöffnung
im Behälter
angepaßt
sein.
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Bezug
nehmend auf 2 umfaßt die Antennenbaugruppe 208 einen
Oberteil 209 zum Ankoppeln an das Gehäuse 204 und mit einem
Befestigungsflansch 206, einer Hornantenne 210,
einem Vibrationsreinigungsmodul bzw. Wandlermodul 212 und
oberen und unteren Gewindeschultern 214 bzw. 215.
Eine Röhre 216 stellt
elektrische Verbindungen für
das Wandlermodul 212 bereit. Auch kann die Antennenbaugruppe 208 eine
Wellenleiterverlängerung 218 enthalten.
Ein Antennenflansch 220 verbindet die Wellenleiterverlängerung 218 mit
der unteren Gewindeschulter 215. In der dargestellten Ausführungsform
wird eine herkömmliche
Hornantenne 210 benutzt. Die Hornantenne 210 kann
in ihrer Geometrie als Kegelstumpf, exponentielles Horn, Rechteckhorn oder
in einer sonstigen gewünschten
Konfiguration aufgebaut sein. Die mechanischen Eigenschaften der
vorliegenden Erfindung sind besonders vorteilhaft zur Verwendung
mit Hornantennen, obwohl die vorliegende Erfindung auch mit anderen
Arten von Antennen beispielsweise Stabantennen oder Wellenleiterverlängerungen
benutzt werden kann. In derartigen Anwendungen wäre der Vibrationsreinigungsmechanismus
der vorliegenden Erfindung auf die bestimmte Antenne abzustimmen.
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Nunmehr
auf 3 und 4 Bezug nehmend wird das Wandlermodul 212 ausführlicher
beschrieben. Das Wandlermodul 212 umfaßt obere und untere aus piezoelektrischen
Kristallen gebildete piezoelektrische Ringe 222 und 222 mit
einer keramischen Polarität
beispielsweise wie dargestellt. Zwischen die piezoelektrischen Ringe 222 und 222' ist eine leitfähige Beilegescheibe 224 positioniert
und unter dem unteren piezoelektrischen Ring 222' ist eine weitere
leitfähige
Beilegescheibe 224' positioniert.
Die Beilegescheiben 224, 224' stellen elektrischen Strom beidseitig
der piezoelektrischen Ringe 222 und 222' bereit. Ein
hohler Verbinder 226 mit einem oberen Gewindeteil 228 und
unteren Gewindeteil 230 verbindet das Wandlermodul 212 mit
den internen Gewinden der oberen und unteren Schultern 214 bzw. 215.
Auch enthält
der hohle Verbinder 226 einen zwischen dem oberen und unteren
Gewindeteil 228 und 230 angeordneten gewindelosen
Teil 232. Die piezoelektrischen Ringe 222, 222' sind umfangsmäßig um eine
Außenfläche des
gewindelosen Teils 232 angebracht.
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Die
Gewindeverbindung bietet ein Mittel zum Anklemmen der piezoelektrischen
Ringe 222, 222' und
stellt guten mechanischen Kontakt bereit, so daß die abgegebenen Schallwellen
sich durch die Hornantenne 210 ausbreiten und bewirken,
daß mindestens
einige der Prozeßmaterialien
von der Innenfläche
der Hornantenne 210 abgetrennt oder entfernt werden. Die
Frequenz der Schwingung kann auf die natürliche Resonanzfrequenz der
Antenne 210 oder die Größe und Form
der Hornantenne 210 abgestimmt sein, wie ausführlicher
unten beschrieben wird. Bei einigen Anwendungen kann die Frequenz und/oder
Amplitude der Schwingung eingestellt oder abgestimmt werden, um
eine optimale Leistung für das
von der Antenne 210 zu entfernende Material zu erlauben.
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Der
hohle Verbinder 226 weist eine Innenfläche auf, die mit der Innenfläche der
Antennenbaugruppe 208 fluchtet und zur Übertragung der Energieimpulse
der Füllstandsmeßvorrichtung
oder -einrichtung geeignet ist. Die Innenfläche der Antennenbaugruppe 208 stellt
einen Resonator oder Wellenleiter 207 für die Energieimpulse der Füllstandsmeßvorrichtung
bereit.
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Das
Wandlermodul 212 kann als getrenntes, zwischen den Befestigungsflansch 206 und
den Antennenflansch 220 anschließbares Modul hergestellt sein
oder kann als integraler Bestandteil der Hornantenne 210 hergestellt
sein.
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Bei
einigen Anwendungen bewirkt die Schwingung der Hornantenne 210,
daß Festteilchen, feuchtigkeitsbeladene
Feststoffe und sogar einige klebrige Flüssigkeiten von der Hornantenne 210 abgetrieben
oder abgetrennt werden, wodurch das Meßsignal verbessert und kostspielige
Wartung minimiert oder in einigen Fällen verhindert wird. Die Installationskosten
und langfristigen Betriebskosten dieses Vibrationsreinigungsmechanismus
werden typischerweise geringer als Anwendung eines Spülsystems
oder Reinigen der Antenne von Hand sein.
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Die
piezoelektrischen Ringe 222, 222 sind an einer
Steuerung wie beispielsweise eine elektronische Steuerungsschaltung
angekoppelt. Die elektronische Steuerungsschaltung ist im Gehäuse 204 enthalten,
wobei elektrische Verbindungen zum Wandlermodul 212 die
Röhre 216 durchlaufen.
Durch die Röhre 216 werden
die elektrische Verdrahtung und Verbindungen vom Prozeß isoliert
und ermöglichen die
Installation in einer gefährdeten
Umgebung.
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Ein
Beispiel zur Steuerung des Wandlermoduls 212 geeigneten
elektronischen Steuerschaltung 231 ist allgemein in der 5 dargestellt.
Die elektronische Steuerschaltung 231 umfaßt einen
gattergesteuerten Oszillator 234, einen Leistungsverstärker 236 und
einem Aufwärtswandler 238.
Die elektronische Steuerschaltung 231 bietet ein Mittel
zum Erhalten eines Hochspannungsimpulses zum Ansteuern der piezoelektrischen
Ringe 222, 222'.
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Die
elektronische Steuerschaltung 231 kann zur Bereitstellung
der Spannung konfiguriert sein, die zum Erhalten der gewünschten
Vibrationsamplitude und/oder der Impulsfrequenz erforderlich ist,
die zum Erhalten der gewünschten
Vibrationsfrequenz erforderlich ist. In den meisten Anwendungen
ist die Vibrationsfrequenz an das Material, die Länge und
die Form der Hornantenne (d.h. die natürliche Resonanzfrequenz der
Antenne 210) angepaßt,
um eine ausreichende Vibrationsfrequenz und/oder -amplitude zur
Entfernung von Feststoffen, feuchtigkeitsbeladenen Feststoffen und
einigen Anwendungen sogar an der Innenfläche der Hornantenne 210 haftenden klebrigen
Flüssigkeiten
zu erzeugen. Der elektrische Impuls kann unter Verwendung von Steuerungssoftware
in der Füllstandsmeßvorrichtung 200 aktiviert werden,
wodurch der Wandler fortlaufend, auf Befehl oder intermittierend,
beispielsweise in getakteten Zeitabständen aktiviert werden kann.
Durch Programmierung der Füllstandsmeßvorrichtung 200 kann
der Wandler in periodischen Zeitabständen wie beispielsweise einmal
pro Stunde 5 Sekunden lang ausgelöst werden.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
von Leistungsverstärkern
und Oszillatoren für
die elektronische Steuerschaltung 231 sind in den Schaltbildern der 6 bis 9 bzw. 10 bis 11 dargestellt.
Die dargestellten Ausführungsformen
und geeignete Variationen derselben werden vom Fachmann verstanden.
Auch wird der Fachmann erkennen, daß es viele Weisen zum Erzeugen
eines getakteten Impulses der gewünschten Spannung gibt und die dargestellten
Ausführungsformen
sollen nur beispielhaft sein, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf
irgendeine bestimmte Konfiguration einer elektronischen Steuerschaltung
begrenzt ist.
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Der
Oszillator 234 kann ein beliebiger Oszillator sein, der
zum Treiben eines FET (field effect transistor) oder logischer Treiber
fähig ist,
beispielsweise ein Oszillator "555" oder "555-Timer". 555-Timer-Konfigurationen
sind wohl bekannt und sind für den
Fachmann verständlich.
Die Oszillatorfrequenz kann so eingestellt sein, daß sie dem
Material, der Länge
und der Form (d.h. der natürlichen
Resonanzfrequenz der Antenne 210) des Hornhalses oder einer
sonstigen Frequenz entspricht, die zur Reinigung der Hornantenne 210 wirksam
ist. Bei einigen Ausführungsformen
ist die Resonanzinduktivität
des Transformators 238 so ausgewählt, daß sie mit den piezoelektrischen
Ringen 222, 222' schwingt,
um die Ausgangsleistung zu erhöhen.
In anderen Ausführungsformen
könnte
ein SCR (silicon controlled rectifier) zur Übertragung eines einzelnen
Spannungsimpulses zum Erregen der piezoelektrischen Ringe 222, 222' benutzt werden.
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Bezugnehmend
auf 6 bis 8 sind drei Ausführungsformen
eines Leistungsverstärkers
für die
Steuerschaltung der 5 dargestellt. 6 zeigt
eine Schaltung, die ein symmetrisches Antriebssignal mit einem einfachen
Transformator bereitstellt und die zusätzliche Treiberelemente erfordert. 7 zeigt
eine Schaltung, die ein symmetrisches Antriebssignal mit nur 2 Antriebselementen bereitstellt
und die einen Transformator mit Mittelanzapfung erfordert. 8 zeigt
eine Schaltung, die eine einfache nichtsymmetrische Schaltung bereitstellt.
Diese Schaltung weist einen geringeren Wirkungsgrad als die Schaltungen
der 6 oder 7 auf (da sie einen Antrieb
auf nur einer Phase des Antriebssignals aufweist), ist aber kostengünstiger.
Die Schalter können
unter Verwendung von MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect
transistors), Leistungstransistoren oder sonstiger geeigneter Schalterimplementierungen
implementiert sein.
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Bezugnehmend
auf 9 und 10 sind zwei Ausführungsformen
eines Oszillators "555" für die Steuerschaltung
der 5 dargestellt. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators
der 9 ist vom Widerstand der Widerstände R1 und R2 und der
Kapazität
des Kondensators C abhängig
und wird nach der folgenden Gleichung bestimmt: Freq.
= 1,44/[(R1 + R2)C]
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Dieser
Oszillator weist ein Tastverhältnis
von 50% auf. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators der 10 ist
von dem Widerstand des Widerstands R1 und
der Kapazität
des Kondensators C abhängig
und wird nach der folgenden Gleichung bestimmt: Freq.
= 0,7/(R1 C)Dieser Oszillator weist
ein Tastverhältnis
auf, das unter 50% liegt. Bei einigen Ausführungsformen liegt die Vibrationsfrequenz
der Vibrationsreinigungseinheit oder des Wandlermoduls zwischen
20 kHz und 50 kHz (d.h. oberhalb von 20 kHz und dem Hörbereich).
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Nunmehr
auf 11 Bezug nehmend werden die elektronischen Steuerschaltungen
der Füllstandmeßvorrichtung
ausführlicher
beschrieben. Das Gehäuse 204 enthält einen
Wandler 302 mit einem Sendermodul 306 und einem
Empfängermodul 308, einer
Steuerung 304, einem Analog-Digital-(A/D-)Wandler 310 und
einer Stromversorgung 312. Der Wandler 302 kann
unter Verwendung radarbasierender Technik, ultraschallbasierender
Technik, TDR-basierender
Technik (Time Domain Reflective – Zeitbereichreflexion) oder
einer sonstigen Entfernungsmeßtechnik
implementiert sein. Der Wandler 302 ist über das
Sendermodul 306 und das Empfängermodul 308 an die
Steuerung 304 angekoppelt.
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Unter
Steuerung eines im Speicher (d.h. Firmware) gespeicherten Programms
erzeugt die Steuerung 304 ein Sendeimpulssteuersignal für das Sendermodul 306 zum
Aktivieren (Erregen) des Wandlers 302. Vom Wandler 302 wird
ein Sende-Energieburst (z.B. Radarimpulse oder Mikrowellen abgegeben,
die auf die Oberfläche
des im Behälter
enthaltenen Materials gerichtet sind. Die reflektierten bzw. Echoimpulse,
d.h. die durch die Oberfläche
des Materials im Behälter
reflektierten Impulse werden vom Empfängermodul 308 beispielsweise über die Hornantenne 210 empfangen
und in elektrische Signale umgewandelt.
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Die
elektrischen Signale werden durch die Steuerung
304 eingegeben
und dann vom A/D-Wandler
310 abgetastet und digitalisiert
und es wird eine Empfangsechowellenform oder -Profil erzeugt. Die
Steuerung
304 enthält
auch ein (nicht gezeigtes) Auswertungsbauelement oder -modul wie beispielsweise
ein Programm, das den Echoimpuls identifiziert und überprüft und die
Reichweite, d.h. die Entfernung zur reflektiven Oberfläche aufgrund
der Schallgeschwindigkeit unter den Prozeßbedingungen im Behälter und
der zwischen der Übertragung und
Rückkehr
der Energieimpulse abgelaufenen Zeit berechnet. Aus dieser Berechnung
wird die Entfernung von der Oberfläche des Materials und damit
der Füllstand
des Materials im Gefäß bestimmt.
Die Steuerung
304 kann einen Mikroprozessor oder eine Mikrosteuerung
mit chipinternen Ressourcen wie beispielsweise dem A/D-Wandler,
ROM (EPROM), RAM umfassen. Der Mikroprozessor bzw. die Mikrosteuerung
ist zur Durchführung
dieser Operationen passend programmiert, wie der Fachmann verstehen wird.
Einige dieser Verfahren sind in vorherigen Patenten beschrieben,
von denen
US-Patent Nr. 4,831,565 und
US-Patent Nr. 5,267,219 beispielhaft sind.
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Als
nächstes
wird auf 1 Bezug genommen, die in diagrammatischer
Form eine radarbasierende oder mikrowellenbasierende Füllstandsmeßvorrichtung 100 mit
einem am Instrument befestigten Vibrationsreinigungsmechanismus
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt. Die Füllstandsmeßvorrichtung 100 umfaßt eine
Füllstandsmeßvorrichtung
mit einem Gehäuse 104,
das elektronische Steuerschaltungen (11) wie
oben beschrieben, einen Befestigungsflansch 106 und eine
Antenne 108 wie beispielsweise eine Hornantenne enthält. In der
dargestellten Ausführungsform
wird eine herkömmliche Hornantenne 108 benutzt.
Die Hornantenne 108 kann in ihrer Geometrie als Kegelstumpf,
als Exponentialhorn, als Rechteckhorn oder in einer sonstigen gewünschten
Konfiguration aufgebaut sein. Das Gehäuse 104 besitzt einen
Kopfteil 110 und einen Halsteil 112. Die Füllstandsmeßvorrichtung 100 ist
oben auf einem Behälter
oder Gefäß befestigt,
der ein Material wie oben beschrieben enthält.
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An
das Gehäuse 104 ist
ein Vibrationsreinigungsmodul 120 angekoppelt. Das Vibrationsreinigungsmodul 120 kann
am Kopfteil 110 oder Halsteil 112 des Gehäuses 104 befestigt
sein. Bei einigen Ausführungsformen
kann ein Vibrationsreinigungsmodul 120 sowohl am Kopfteil 110 als
auch dem Halsteil 112 des Gehäuses 104 befestigt
sein. Das Vibrationsreinigungsmodul 120 ist unter Verwendung von
Schrauben, Klebstoff oder sonstigen geeigneten Mitteln befestigt.
Das Vibrationsreinigungsmodul 120 enthält einen (nicht gezeigten)
Wandler wie beispielsweise piezoelektrisches Kristall und eine sonstige
Vibrationsvorrichtung (z.B. rotierender Eccentre).
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Das
Vibrationsreinigungsmodul 120 ist funktionsmäßig mit
einer (nicht gezeigten) Vibrationssteuerungseinheit wie beispielsweise
einer im Gehäuse 104 enthaltenen
elektronischen Steuerschaltung verbunden. Die Vibrationssteuerungseinheit
erzeugt Steuerungssignale (einen Hochspannungsimpuls) zum Aktivieren
(Erregen) des Vibrationsreinigungsmoduls 120. Der Hoch spannungsimpuls
wird unter Verwendung (nicht gezeigter) externer oder interner elektrischer
Drahtverbindungen zum Wandler in dem Vibrationsreinigungsmodul 120 übertragen.
So liegen die elektrischen Verbindungen zum Vibrationsreinigungsmodul 120 außerhalb
des Prozesses und verringern damit das Risiko einer gefährlichen
Zündung.
Die elektrischen Verbindungen zum Vibrationsreinigungsmodul 120 können auch
durch die Wand des Gehäuses 104 hindurch
zu einer Verbindung innerhalb des Gehäuses 104 bereitgestellt
werden.
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Von
der Vibrationssteuerungseinheit werden die Steuerungssignale (ein
Hochspannungsimpuls) gemäß in der
Füllstandsmeßeinrichtung 100 gespeicherter
Steuerungssoftware (d.h. Firmware) erzeugt. Der Wandler wandelt
den Hochspannungsimpuls in eine mechanische Schwingung um, die bewirkt,
daß die
Füllstandsmeßvorrichtung 100 schwingt.
Diese Schwingung pflanzt sich zur Hornantenne 108 fort und
bewirkt, daß sie
mit ausreichender Amplitude zur Entfernung von an der Innenfläche der
Antenne 108 haftenden Prozeßmaterialien schwingt. Die
Frequenz und/oder Amplitude der Schwingung ist auf die natürliche Resonanzfrequenz
der Antenne 108 oder Größe und Form
der Füllstandsmeßvorrichtung 100 an
der Hornantenne 108 abgestimmt. Bei einigen Anwendungen
kann die Frequenz und Amplitude der Schwingung so abgestimmt sein,
daß sie
eine optimale Leistung für
das von der Antenne 118 entfernende Material zuläßt.