DE9312251U1

DE9312251U1 - Meßeinrichtung zur Füllstands- bzw. Abstandsmessung mittels elektromagnetischer Wellen im Mikrowellenbereich

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Publication number: DE9312251U1
Application number: DE9312251U
Authority: DE
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 1993-08-17
Filing date: 1993-08-17
Publication date: 1993-12-09
Anticipated expiration: 2003-08-18

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Füllstandsbzw. Abstandsmessung mittels elektromagnetischer Wellen im Mikrowellenbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für die Radar-Füllstands- bzw. Abstandsmessung von brennbaren, explosiblen, aggresiven oder toxischen Medien oder in explosionsfähiger Atmosphäre müssen besondere Sicherheitsvorschriften von der Meßeinrichtung eingehalten werden, wobei das Innere eines Behälters, in dem das zu messende Medium auftritt, als Zone 0 und das sich an diesen Behälter anschließende Gehäuse des Sende- und Empfangsteiles der Meßeinrichtung als Zone 1 bezeichnet wird. Aus Sicherheitsgründen muß vermieden werden, daß, insbesondere bei mechanischen Beschädigungen des Hohlleiterantennensystems, das Meßmedium von der Zone 0 in die Zone 1 gelangen kann. Für diesen Zweck ist es bekannt, zwischen dem Behälter für das Meßmedium und einem Meßumformer explosionssichere Armaturen anzubringen.

So ist in der DE 41 00 922 C2 ein Meßgerät zur Verwen-

Postbank: Karlsruhe 769 79-754 Bankkonto: Deutsche Bank AG Vi!l:ngen (BLZ 694 70039) 146332 V.A.T.No. DE142989261

dung für Behälter beschrieben, in dem explosible, toxische und/oder aggresive Medien enthalten sind. Die Meßeinrichtung sendet Signale im Mikrowellenbereich aus, welche an der Oberfläche des im Behälter befindlichen Mediums reflektiert und vom Empfänger aufgenommen werden. Aus den Signalen wird der Abstand zwischen dem Füllstandsmeßgerät und der Oberfläche des Mediums mit Hilfe einer elektronischen Schaltungsanordnung ermittelt. Durch das Behälterdach ragt hierfür ein Hohlleiter, in dem ein zylinderförmiges Hohlleiterfenster, zum Beispiel aus Quarzglas, angeordnet ist, das einen für die Durchlässigkeit der Mikrowellen günstigen niedrigen, dielektrischen Verlustfaktor besitzt. Das Hohlleiterfenster bildet damit eine Trennstufe zur Abtrennung des die elektronischen Bauteile aufweisenden Sende- und/oder Empfangsteiles vom Behälterinhalt. Um zu vermeiden, daß das Hohlleiterfenster sowohl bei hohen Druckeinwirkungen und -Schwankungen als auch bei hohen Temperaturen und -Schwankungen nicht zerstört wird, wird in der genannten Druckschrift vorgeschlagen, das Hohlleiterfenster konisch auszubilden und in einer entsprechend konisch ausgebildeten Buchse anzuordnen.

Das deutsche Gebrauchsmuster G 86 05 439.2 beschreibt eine weitere Möglichkeit, wie vermieden werden kann, daß das Meßmedium von der Zone 0 in die Zone 1 gelangt. Die dort vorgeschlagenen Einrichtungen sind jedoch für Meßeinrichtungen zur Druck- und Differenzdruckmessungen vorgesehen. Zum einen wird dort vorgesehen, zwischen dem Behälter und der Meßeinrichtung eine oder zwei explosionssichere Armaturen anzubringen, was jedoch den Nachteil hat, daß die gesamte Meßvorrichtung erheblich verteuert wird. Außerdem weisen solche Armaturen in der Regel beträchtliche Dämpfungs-/Anpassungsverluste auf.

Aus dem genannten Gebrauchsmuster ist es andererseits auch bekannt, vor und hinter dem Drucksensor eine Flammensperre anzubringen, um evtl. im Fehlerfall ausströmendes brennbares Meßmedium über Sicherheitskanäle nicht zur Elektronik gelangen zu lassen, sondern in die Umgebungsatmosphäre zu leiten. Zusätzlich ist aus der Einleitung des genannten Gebrauchsmusters bekannt, den Meßumformer für Druck- und Differenzdruckmessungen mit einem einen elektrischen Drucksensor aufnehmenden Druckgehäuse und einem sich daran anschließenden Schaltungsgehäuse für einen Meßverstärker zu versehen. Zwischen Druckgehäuse und Schaltungsgehäuse befindet sich hierfür eine Stromdurchführung, die aus einem mit dem Gehäuse verschweißten Metallzylinder besteht, in dessen Innenraum wenigstens ein den Drucksensor mit dem Meßverstärker verbindender Stromleiter in einer Glaseinschmelzung eingebettet angeordnet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Meßeinrichtung zur Füllstandsmessung mittels elektromagnetischer Wellen im Mikrowellenbereich so weiterzubilden, daß eine gasdichte, druckdichte sowie flammendurchlaßsichere Signalleitung zwischen Erregerteil des Hohlleiterantennensystems und Sende- und Empfangsteil ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Meßeinrichtung durch die kennzeichenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung besteht also im wesentlichen darin, daß zwischen dem Erregerteil des Hohlleiterantennensystems und dem Gehäuse des Sende- und Empfangsteiles eine diffusions- und

druckdichte Glasdurchführung angeordnet ist, so daß das Meßmedium wirksam daran gehindert wird, von der Zone 0 in die Zone 1 zu gelangen. Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß aufwendige explosionsgeschützte Armaturen bzw. Flammensperren, wie sie im Stand der Technik vorgeschlagen sind, erfindungsgemäß nicht erforderlich sind. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung entspricht darüber hinaus den sicherheitstechnischen Anforderungen für die Zone 0 und ermöglicht somit eine direkte Signalleitung zwischen Sende- und Empfangsteil und Hohlleiterantennensystem. Gleichzeitig ist es möglich, durch Form und Abmessung der erfindungsgemäßen Glasdurchführung einen hohen Wirkungsgrad bei der HF-Signalleitung zu erzielen.

Da das im Hohlleiterantennensystem befindliche Erregerteil über einen in der Glasdruchführung angeordneten elektrischen Leiter direkt an die Zuleitung zum Sende- und Empfangsteil angeschlossen ist, liegt dieses auf gleichem Potential wie der Hohlleiter des gesamten Hohlleiterantennensystems. Damit kann keine Gleichstromleistung in den Behälter für das Medium und die Zone 0 eingebracht werden und zugleich gefahrlos ein HF-Signal in die Zone 0 gesendet und bzw. aus der Zone 0 empfangen werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Glasdurchführung einen in einer Glaseinschmelzung eingebetteten Signalleiter und eine die Glaseinschmelzung umgebenden Metallummantelung, vorzugsweise einen Metallzylinder, aufweist. Dabei ist die Wandung des Hohlleiterantennensystems mit der Metallummantelung abdichtend verbunden und der Signalleiter an einem Ende an das Erregerteil und an seinem anderen Ende an die Zuleitung zum Sende- und Empfangsteil angeschlossen.

Zur Erzielung einer sicheren Abdichtung zwischen der Wandung des Hohlleiterantennensystems und der Metallummantelung wird bevorzugterweise eine Schweißverbindung vorgesehen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, das Gehäuse für das Sende- und Empfangsteil mit einem flanschartigen Gehäuseboden zu versehen, in welchem das Hohlleiterantennensystem gehalten ist. Dabei ist darauf zu achten, daß das Hohlleiterantennensystem mit dem flanschartigen Gehäuseboden eine dichtende Verbindung bildet, um zu vermeiden, daß das Meßmedium mit dem Sende- und Empfangsteil der Meßeinrichtung in Kontakt treten kann. Anstelle eines flanschartigen Gehäusebodens ist es auch möglich, das Hohlleiterantennensystem in geeigneter Weise an einem flachen Gehäuseboden zu befestigen.

Zur verbesserten HF-Signalübertragung kann eine ringförmige Kontaktierung sowohl an der Glasdurchführung als auch am Hohlleiterantennensystem vorgesehen sein. Darüber hinaus kann die Glasdurchführung mittels einer geeigneten Einrichtung, wie zum Beispiel einem Gewinde und/ oder einer Passung, im Hohlleiterantennensystem zentrierbar angeordnet werden.

Zweckmäßigerweise ist zwischen dem Erregerteil des Hohlleiterantennensystems und dem zu messenden Medium ein Anpaßteil angeordnet, durch das ein vom Erregerteil abgestrahltes bzw. empfangenes HF-Signal an die dem zu messenden Medium umgebende Atmosphäre angepaßt und weitergeleitet wird. Das Anpaßteil sitzt vorzugsweise mit einem geringen Spalt im Hohlleiter und kann durch ein Dichtungssystem das zu messende Medium vom Antenneninnenraum des Hohlleiterantennensystems trennen. Durch Wahl einer entsprechenden Geometrie kann die Glasdurchführung auf verschieden große Wellenwider-

antennensystem somit für verschiedene Frequenzen von etwa 1 bis 100 GHz angepaßt sein.

Für den Fall, daß die Meßeinrichtung zur Messung in Zone 0 angewendet werden soll, ist das Gehäuse für das Sende- und Empfangsteil nach den Bestimmungen EN 50015 bis EN 50020 auszuführen. Die Glasdurchführung ist dann zweckmäßigerweise in radialer Richtung durch die Wandung des Hohlleiterantennensystems geführt und die Glaseinschmelzung weist mindestens eine axiale Länge von 10 mm auf, wobei das Anpaßteil mit dem Hohlleiterantennensystem einen mindestens 40 mm langen Spalt bildet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Zusammenhang mit zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Radar-Meßeinrichtung zur Füllstandsmessung mittels elektromagnetischer Wellen im Mikrowellenbereich mit angedeutetem Behälter für ein zu messendes Medium, und

Fig. 2: einen Ausschnitt der Schnittdarstellung von Fig. 1 mit in einer Wandung des Hohlleiterantennensystems angeordneter Glasdurchführung.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Meßgerät zur Füllstandsmessung mittels elektromagnetischer Wellen im Mikrowellenbereich, das auch als Radar-Füllstandsmeßgerät bezeichnet wird, im Schnitt dargestellt. Die Meßeinrichtung besteht aus einem Gehäuse 1 für ein Sende- und Empfangsteil samt dazugehörender Elektronik sowie einem Hohlleiterantennensystem 2, durch das Mikrowellen in einen Behälter 3, in dem sich das zu messende Medium befindet, einkoppelbar sind. Die übli-

cherweise in der Radar-Füllstandsmeßtechnik verwendeten Mikrowellen liegen im Bereich von etwa 1 bis 25 GHz. Die vom Sende- und Empfangsteil erzeugten Radarimpulse werden hierfür vom Hohlleiterantennensystem, das vorzugsweise eine Hornantenne 2a aufweist, auf das im Behälter 3 befindliche Medium abgestrahlt. Ein kleiner Teil der ausgesendeten Mikrowellen wird von der Füllgutoberfläche reflektiert und gelangt zum Sende- und Empfangsteil zurück. Aus der hierbei ermittelten Laufzeit für den Hin- und Rückweg der Mikrowellen läßt sich dann in bekannter Weise der Abstand Füllgutoberfläche-Sensor und folglich ein Füllstand ermitteln.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist das Hohlleiterantennensystem 2 abdichtend mit dem Gehäuse 1 in Verbindung. Hierfür besteht das Gehäuse 1 aus einem Gehäusemantel 4, einem Gehäusedeckel 5 sowie einem flanschartigen, hohlzylinderförmigen Gehäuseboden 6, in den das Hohlleiterantennensystem 2 in geeigneter Weise eingeschraubt und/ oder verschweißt ist. Damit wird erreicht, daß der Antenneninnenraum des Hohlleiterantennensystems 2 vom Gehäuseinneren des Gehäuses 1 getrennt ist. Die einzige Verbindung zwischen Antenneninnenraum und Gehäuseinneren bildet eine noch im einzelnen zu erläuternde Glasdurchführung 10. Im Gehäuse 1 ist zusätzlich mindestens eine Schaltungsplatine 7 befestigt, welche zur Aufnahme elektrischer Bauelemente für das Sende- und Empfangsteil dient. Das Sende- und Empfangsteil ist über eine Zuleitung 8 mit dem Hohlleiterantennensystem 2 in Verbindung.

Das Hohlleiterantennensystem 2 weist im Ausführungsbeispiel von Fig. 1 einen zur Mittenachse des Gehäuses 1 radial angeordneten Hohlleiter auf, der becherartige Wandungen 9 und eine in Richtung des Behälters 3 weisende Hornantenne 2a enthält. Im Inneren des Hohlleiters des Hohlleiterantennen-

systems 2 ist ein Erregerelement 18 angeordnet, welches über die Glasdurchführung 10 durch die Wandung 9 des Hohlleiters an die Zuleitung 8 des Sende- und Empfangsteiles angeschlossen ist. Die Glasdurchführung 10 wird im Zusammenhang mit Fig. 2 noch detailliert erläutert.

Im Inneren des Hohlleiters des Hohlleiterantennensystems 2 ist zusätzlich ein Anpaßteil 19 angeordnet, um das vom Erregerelement 18 ausgesendete HF-Signal an die umgebende Atmosphäre anzupassen und weiterzuleiten. Das Anpaßteil 19 sitzt hierfür vorzugsweise mit einem geringen Spalt 20 im Hohlleiter. Das Anpaßteil 19 ist durch ein Dichtungssystem 21, zum Beispiel zwei Dichtungsringe, vom Inneren des Hohlleiters abdichtend angeordnet.

Durch die erfindungsgemäße abdichtende Trennung der Schaltungsplatine 7 vom Inneren des Behälters 3, der das zu messende Medium enthält, ist eine Füllstandsmessung auch von aggressiven, toxischen und explosionsgefährdeten Medien möglich.

In Fig. 2 ist ein die oben bereits erwähnte erfindungsgemäße Glasdurchführung 10 zeigende Ausschnitt der Vorrichtung von Fig. 1 vergrößert dargestellt. Die Glasdurchführung 10 ist in einer radialen Öffnung der Wandung 9 des Hohlleiterantennensystems 2 angeordnet und weist einen in eine Glaseinschmelzung 11 eingebetteten Signalleiter 12 auf. Die Glaseinschmelzung 11 ist von einer Metallummantelung 13, vorzugsweise von einem Metallzylinder, umgeben. Diese Metallummantelung 13 ist mit der Wandung 9 des Hohlleiterantennensystems 2 abdichtend verbunden. Hierfür ist beispielsweise eine Schweißnaht 14 zwischen der Metallummantelung 13 und der Wandung 9 des Hohlleiterantennensystems 2 am Außenrand der Wandung 9 des Hohlleiterantennensystems 2 vorgesehen. Um

das Erregerelement 18 mit der Zuleitung 8 des Sende- und Empfangsteiles elektrisch zu verbinden, ist ein erstes Ende 12a des Signalleiters 12 an das Erregerelement 18 und ein zweites Ende 12b des Signalleiters 12 an die Zuleitung 8 angeschlossen.

Die Zuleitung 8 kann beispielsweise mit einer geeigneten Schraubvorrichtung 22 mit der Außenseite der Wandung 9 des Hohlleiterantennensystems 2 bei gleichzeitiger elektrischer Kontaktierung des zweiten Endes 12b des Signalleiters mechanisch verbunden sein.

Aus Gründen einer besseren HF-Signalübertragung ist sowohl an der in Richtung Erregerelement 18 zeigenden Seite der Glasdurchführung 10 als auch an der dazu gegenüberliegenden Innenwandung des Hohlleiters eine ringförmige Kontaktierung 15 angeordnet. Zur Zentrierung der Glasdurchführung 10 kann ein Gewinde 16 und/oder eine Passung 17 in der Wandung 9 des Hohlleiterantennensystems 2 vorgesehen sein.

Die Geometrie der Glasdurchführung 10 ist entsprechend des geforderten Wellenwiderstandes von beispielsweise 20 bis 100 Ohm ausgebildet, wodurch das Hohlleiterantennensystem 2 auf Frequenzen von etwa 1 bis 100 GHz anpaßbar ist. Für den Fall, daß die erfindungsgemäße Meßeinrichtung zur Messung in Zone 0, also in explosionsgefährdeter Atmosphäre eingesetzt wird, sollte das Gehäuse der Meßeinrichtung entsprechend den Sicherheitsbestimmungen nach EN 50015 bis EN 50020 ausgeführt sein. Die Glaseinschmelzung 11 der Glasdurchführung 10 weist hierfür mindestens eine axiale Länge von 10 mm auf und das Anpaßteil 19 muß mit dem Hohlleiter einen mindestens 40 mm langen Spalt bilden.

Figurenlegende

vegOSO

1 : Gehäuse

2 : Hohlleiterantennensystem 2a : Hornantenne

3 : Behälter

4 : Gehäusemantel

5 : Gehäusedeckel

6 : flanschartiger Gehäuseboden

7 : Sende- und Empfangsteil

8 : Zuleitung

9 : Wandungen des Hohlleiterantennensystems

10 : Glasdurchführung

11 : Glaseinschmelzung

12 : Signalleiter

12a : erstes Ende des Signalleiters

12b : zweites Ende des Signalleiters

13 : Metallummantelung, Metallzylinder

14 : Schweißnaht

15 : Kontaktierung

16 : Gewinde

17 : Passung

18 : Erregerelement

19 : Anpaßteil

20 : Spalt

21 : Dichtungssystem

22 : Schraubverbindung

Claims

ANSPRÜCHE

1. Meßeinrichtung zur Füllstands- bzw. Abstandsmessung mittels elektromagnetischer Wellen im Mikrowellenbereich mit einem ein Sende- und Empfangsteil (7) aufweisenden Gehäuse (4, 5, 6) und einem mit dem Sende- und Empfangsteil (7) über eine Zuleitung (8) für ein HF-Sende- bzw. HF-Empfangssignal verbundenen Erregerteil (18) eines Hohlleiterantennensystems (2), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Erregerteil (18) des Hohlleiterantennensystems (2) und dem Gehäuse (4, 5, 6) des Sende- und Empfangsteiles (7) eine diffusions- und druckdichte Glasdurchführung (10) für die Zuleitung (8) angeordnet ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasdurchführung (10) einen in eine Glaseinschmelzung (11) eingebetteten Signalleiter (12) und eine die Glaseinschmelzung (H) umgebende Metallummantelung (13) aufweist, welche mit einer Wandung (9) des Hohlleiterantennensystems (2) abgedichtet verbunden ist und der Signalleiter (12) an einem Ende (12a) mit dem Erregerteil (18) und an seinem anderen Ende (12b) mit der Zuleitung (8) verbunden ist.

Postbank: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche Dan¹« AG VilHrgen (BLZ 694 70039) 146332 V.A.T. No. DE142989261

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallummantelung (13) mit der Wandung (9) des Hohlleiterantennensystems (2) durch eine Schweißverbindung verbunden ist.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4, 5, 6) des Sende- und Empfangsteiles (7) einen flanschartigen Gehäuseboden (6) aufweist, in welchem das Hohlleiterantennensystem (2) gehalten ist.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Glasdurchführung (10) und dem Hohlleiterantennensystem (2) eine ringförmige Kontaktierung (15) zur Verbesserung einer HF-Signalübertragung angeordnet ist.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasdurchführung (10) mittels Gewinde (16) und/oder Passung (17) oder dergleichen in der Wandung (9) des Hohlleiterantennensystems (2) zentrierbar angeordnet ist.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Erregerteil (18) des Hohlleiterantennensystems (2) und einem zu messenden Medium ein Anpaßteil (19) angeordnet ist.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpaßteil (19) innerhalb des Hohlleiterantennensystems (2) angeordnet und eine Dichtungseinrichtung (21) zum Abdichten des Hohlleiterantennensystems (2) vom zu messenden Medium vorgesehen ist.

9. Meßeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hohlleiterantennensystem (2) und dem Anpaßteil (19) ein Spalt (20) vorgesehen ist.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasdurchführung (10) für einen Wellenwiderstand von etwa 20 bis 100 Ohm und das Hohlleiterantennensystem (2) für Freguenzen von etwa 1 bis 10 GHz angepaßt ausgebildet ist.

11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasdurchführung (10) in axialer Richtung durch die Wandung (9) des Hohlleiterantennensystems (2) geführt ist und die Glaseinschmelzung (11) mindestens eine axiale Länge von 10 mm aufweist, und daß das Anpaßteil (19) mit dem Hohlleiterantennensystem (2) einen mindestens 40 mm langen Spalt bildet.