EA004579B1

EA004579B1 - Устройство для определения уровня загружаемого материала в резервуаре

Info

Publication number: EA004579B1
Application number: EA200300281A
Authority: EA
Inventors: Штефан Бургер; Александер Хардель
Original assignee: Эндресс + Хаузер Гмбх + Ко. Кг
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2001-07-28
Publication date: 2004-06-24
Also published as: EA200300281A1; DE10040943A1; CN1219191C; WO2002016889A1; EP1311807B1; AU2001278513A1; US20030167839A1; EP1311807A1; CN1447909A; US6779397B2

Abstract

Изобретение относится к устройству для определения уровня загружаемого материала в резервуаре, содержащему блок для создания сигналов, который создает электромагнитные измерительные сигналы, приемопередающий блок (2), который передает измерительные сигналы через антенну (1) в направлении поверхности загружаемого материала и принимает эхосигналы, отраженные от поверхности загружаемого материала, при этом антенна (1) состоит из волновода (3), который в направлении излучения расширяется в полое пространство (4) заданной формы, и блок обработки данных, который на основе времени прохождения измерительных сигналов определяет уровень заполнения в резервуаре. В основу изобретения положена задача создания устойчивого устройства для измерения уровня наполнения, в котором почти полностью исключается образование отложений. Эта задача решена тем, что предусмотрен по меньшей мере один диэлектрический наполнительный материал (5), который по меньшей мере частично заполняет волновод (3) и почти полностью заполняет расширенное полое пространство (4) антенны (1).

Description

Изобретение относится к устройству для определения уровня загружаемого материала в резервуаре, содержащему блок для создания сигналов, который создает электромагнитные измерительные сигналы, приемопередающий блок, который передает измерительные сигналы через антенну в направлении поверхности загружаемого материала и принимает эхосигналы, отраженные от поверхности загружаемого материала, при этом антенна состоит из волновода, который в направлении излучения расширяется в полое пространство заданной формы, и блок обработки данных, который на основе времени прохождения измерительных сигналов определяет уровень заполнения в резервуаре. Устройства указанного типа предпочтительно работают в микроволновом диапазоне и обычно известны под названием «микроволновые приборы для измерения уровня заполнения». Однако, в принципе, существует возможность работы устройства согласно изобретению с ультразвуковыми измерительными сигналами.

Во всех измерительных устройствах, которые определяют уровень загружаемого материала в резервуаре с помощью времени прохождения измерительных сигналов, критическим является образование отложений, так называемое образование осадка, в области антенны. Если во внутреннем пространстве антенны образуется осадок, т.е. конденсат и/или влага, а также загрязнения любого вида, то это оказывает непосредственное влияние на распространение и отражение измерительных сигналов: возникают помеховые сигналы, которые накладываются на собственно измерительные сигналы и могут становиться настолько сильными, что в конечном итоге становится невозможным надежное измерение уровня заполнения.

Из уровня техники известна возможность эффективной защиты антенны от образования отложений с помощью так называемого обтекателя. Обтекатель представляет собой тонкий, пленкообразный слой, который наносится в зоне наружной кромки антенны и предотвращает проникновение конденсата и/или влаги во внутреннее пространство антенны. Недостатком обтекателя является то, что он вследствие своей хрупкой конструкции недостаточно прочен по отношению к высоким давлениям. Поэтому его применение в области техники измерения процессов ограничено относительно узкими рамками.

В основу изобретения положена задача создания устойчивого устройства для измерения уровня загружаемого материала, в котором исключается образование отложений в особенно критических зонах антенны, как, например, во внутреннем пространстве антенны.

Эта задача решена тем, что предусмотрен по меньшей мере один диэлектрический наполнительный материал, который по меньшей мере частично заполняет волновод и почти полностью заполняет расширенное полое пространст во антенны. За счет применения вставки из диэлектрического материала обеспечивается возможность, если это желательно, одновременно устранять несколько проблем, которые могут возникать в антеннах, согласно уровню техники:

антенна имеет очень устойчивую конструкцию;

антенна эффективно защищена от образования отложений;

за счет применения диэлектрического материала обеспечивается очень высокое сопротивление антенны давлению;

выбранное конструктивное выполнение диэлектрического материала, помещаемого во внутреннее пространство антенны, способствует фокусированию электромагнитных сигналов.

Между прочим, расширенное полое пространство предпочтительно имеет форму воронки. Соответственно выполненные антенны обычно называются рупорными антеннами. В рупорной антенне внутренняя поверхность может быть гладкой или иметь определенную структуру. Рупорные антенны со структурированной внутренней поверхностью известны под названием «гофрированная рупорная антенна». Целью и назначением структурированной внутренней поверхности антенны является придание измерительным сигналам фазового сдвига, который выбирается так, что на выходе антенны излучается, по существу, плоский фронт волны.

Однако расширенное полое пространство антенны не ограничивается формой воронки, которая обычна для рупорных антенн. Расширенное полое пространство может иметь, например, форму параболического зеркала или же цилиндрическую форму.

Наполнительный материал может быть, в принципе, любым диэлектрическим материалом. В качестве наполнительного материала можно применять, например, тефлон, сапфир, керамику или кварцевое стекло.

В предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению наружная поверхность наполнительного материала выполнена в форме линзы. Таким образом, наружная поверхность наполнительного материала может быть выполнена выпуклой. Наружная поверхность наполнительного материала может иметь также форму линзы Френеля.

Для предупреждения повреждения наполнительного материала во время транспортировки, при монтаже и демонтаже и при хранении антенны в предпочтительной модификации устройства согласно изобретению наибольшее возвышение наружной поверхности наполнительного материала находится ниже наружной кромки расширенного полого пространства антенны.

В предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению предусмотрен дополнительный защитный слой, который в направлении излучения расположен перед наполнительным материалом. Этот дополнительный защитный слой предпочтительно применяют тогда, когда наружная поверхность наполнительного материала является структурированной, при этом необходимо учитывать, что структурированная наружная поверхность способствует образованию отложений. Этот защитный слой может быть выполнен плоским или же иметь, например, форму повернутого наружу или внутрь конуса.

Частота высокочастотных электромагнитных измерительных сигналов предпочтительно выше 30 ГГц. При частоте такого порядка антенны можно выполнять относительно небольшими. Как раз для небольших антенн образование отложений приводит к большим проблемам, поскольку внутренние размеры волновода обычно являются небольшими по сравнению с величиной капель конденсата или частиц загрязнений, которые образуют отложения. Это означает, что часто уже одна капля или одна частица загрязнений достаточна, чтобы закупорить волновод и вызвать очень сильные помеховые отражения. Если полое пространство антенны заполнено согласно изобретению диэлектрическим материалом, то волновод, а также все зоны антенны с малыми размерами эффективно защищены от конденсата и других загрязнений. На относительно большой наружной поверхности диэлектрика образование отложений менее критично, поскольку отдельные капли или частицы не покрывают весь диаметр и могут легко снова скатываться.

Кроме того, как указывалось выше, за счет формы наружной поверхности и структуры наружной поверхности наполнительного материала можно обеспечить фокусирующее действие: зона, в которой измерительные сигналы падают на поверхность загружаемого материала, является точно заданной, за счет чего уменьшается вероятность появления помеховых сигналов, то есть измерительных сигналов, которые отражаются не от поверхности загружаемого материала, а от любых элементов в резервуаре или от стенок резервуара.

В предпочтительной модификации устройства согласно изобретению приемопередающий блок подводит электромагнитные измерительные сигналы через заднюю стенку или через боковую стенку волновода в антенну, соответственно, отводит из антенны.

В особенно предпочтительном, поскольку низком по стоимости варианте выполнения предусмотрено, что диэлектрический наполнительный материал заполняет только частичную зону волновода, при этом указанная частичная зона примыкает к расширенному полому пространству антенны. В качестве примера можно назвать в данном случае антенну, в которой с целью температурной развязки между датчиком уровня заполнения и обрабатываемой средой длина волновода является относительно большой. Если загружаемый материал заполняет полое пространство антенны лишь частично, то особенно предпочтительно, если концевая зона диэлектрического материала, который входит в волновод, имеет такую форму, что прохождение электромагнитных измерительных сигналов через переход воздух-наполнительный материал является оптимальным.

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - первый вариант выполнения устройства согласно изобретению;

фиг. 2 - второй вариант выполнения устройства согласно изобретению;

фиг. 3 - третий вариант выполнения устройства согласно изобретению;

фиг. 4 - четвертый вариант выполнения устройства согласно изобретению.

На фиг. 1 показан первый вариант выполнения устройства согласно изобретению. Антенна 1 состоит из волновода 3, к которому в направлении излучения электромагнитных сигналов примыкает расширенное полое пространство 4. В показанном случае антенна 1 является рупорной антенной с круглым поперечным сечением.

Электромагнитные сигналы через приемопередающий блок 2 вводятся сбоку в антенну 1, соответственно, выводятся сбоку из антенны 1. Блок создания сигналов и блок регулирования и обработки на фигурах не изображены.

Внутреннее пространство волновода 3 и расширенное полое пространство 4 заполнены диэлектрическим наполнительным материалом 5. Этот диэлектрический наполнительный материал 5 защищает антенну 1 от образования отложений и повреждений. Однако, в зависимости от выполнения, диэлектрический наполнительный материал 5 может выполнять также другие функции: он придает антенне 1 высокую устойчивость; он обеспечивает устойчивое к давлению защитное покрытие для антенны 1; и/или он служит для оптимальной фокусировки измерительных сигналов.

Для фокусировки измерительных сигналов наружная поверхность 6 диэлектрического наполнительного материала 5 выполнена в показанном случае выпуклой. Естественно, возможны также другие формы наружной поверхности. В качестве примера можно назвать в данном случае выполнение наружной поверхности в виде линзы Френеля.

На фиг. 2 схематично показан второй вариант выполнения устройства согласно изобретению. Антенна 1 снова состоит из волновода 3 и расширенного полого пространства 4, которое непосредственно примыкает к волноводу 3. Ввод и вывод измерительных сигналов происходят через приемопередающий блок 2, который проходит через заднюю стенку 9 антенны 1.

Волновод 3 и расширенное полое пространство 4 почти полностью заполнены диэлектрическим наполнительным материалом. Наружная поверхность 6 диэлектрического наполнительного материала 5 имеет в показанном случае выпуклую форму, при этом наибольшее возвышение диэлектрического наполнительного материала 5 лежит ниже наружной кромки 7 расширенного полого пространства 4. За счет такого выполнения наружная поверхность 6 диэлектрического материала 5 очень надежно защищается от повреждений при транспортировке, монтаже и демонтаже и при хранении антенны 1.

Если наружная поверхность 6 диэлектрического наполнительного материала 5 структурирована, например, в форме линзы Френеля, то является предпочтительным, если в направлении излучения электромагнитных измерительных сигналов перед наружной поверхностью 6 предусмотрен еще дополнительный защитный слой 8а; 8Ь. Защитный слой 8а представляет плоскую шайбу, которая в виде отдельной части закреплена в зоне наружной кромки 7 антенны

1. В противоположность этому, защитный слой 8Ь имеет конусообразный выступ, который, в свою очередь, отлично предотвращает образование отложений. Возможен, естественно, защитный слой, который имеет, например, конусообразное углубление. Кроме того, антенна 1 может, естественно, иметь как круглое, так и угольное поперечное сечение.

На фиг. 3 и 4 схематично показаны третий и четвертый варианты выполнения устройства согласно изобретению. В то время как в показанном на фиг. 3 варианте выполнения приемопередающий блок 2 осуществляет ввод в волновод 3 через боковую стенку 10, соответственно, выводит из волновода 3, то ввод, соответственно, вывод измерительных сигналов в показанном на фиг. 4 варианте выполнения происходят через заднюю стенку 9.

Общим для обоих вариантов выполнения (фиг. 3, 4) является то, что волновод 3 имеет относительно большую длину. Такое выполнение имеет определенные преимущества, когда используются высокочастотные измерительные сигналы. При этом понятие «высокочастотные» означает, что частота больше 30 ГГц.

В частности, при выполненной таким образом антенне 1 нет необходимости в том, чтобы диэлектрический наполнительный материал 5 полностью заполнял волновод 3 и расширенное полое пространство 4. Достаточно, если диэлектрический наполнительный материал 5 заполняет расширенное полое пространство 4 и примыкающую к расширенному полому пространству 4 зону волновода 3. Оптимальное согласование для перехода измерительных сигналов из не содержащей наполнительный материал зоны волновода 3 в зону волновода 3, в которой расположен наполнительный материал 5, обеспечивается за счет того, что соответствующая концевая зона 11 диэлектрического наполнительного материала 5 имеет особую форму. В этом отношении отлично зарекомендовала себя конусообразная или пирамидообразная переходная зона.

Перечень позиций

1. Антенна

2. Приемопередающий блок

3. Полый волновод

4. Расширенное полое пространство

5. Диэлектрический наполнительный материал

6. Наружная поверхность

7. Наружная кромка

8а. Дополнительный защитный слой 8Ь. Дополнительный защитный слой

9. Задняя стенка

10. Боковая стенка

11. Концевая зона диэлектрического наполнительного материала

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для определения уровня загружаемого материала в резервуаре, содержащее блок для создания сигналов, который создает электромагнитные измерительные сигналы, приемопередающий блок, который передает измерительные сигналы через антенну в направлении поверхности загружаемого материала и принимает эхосигналы, отраженные от поверхности загружаемого материала, при этом антенна состоит из волновода, который в направлении излучения расширяется в полое пространство заданной формы, и блок обработки данных, который на основе времени прохождения измерительных сигналов определяет уровень заполнения в резервуаре, отличающееся тем, что волновод (3) и расширенное полое пространство (4) антенны (1), по меньшей мере, частично заполнены диэлектриком (5).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешняя поверхность (6) диэлектрического наполнительного материала (5) выполнена в форме поверхности линзы.

3. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что внешняя поверхность (6) диэлектрика (5) выполнена выпуклой.

4. Устройство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что внешняя поверхность (6) диэлектрика (5) структурирована в форме линзы Френеля.

5. Устройство по любому из пп.3 или 4, отличающееся тем, что наиболее высокое возвышение наружной поверхности (6) расположено ниже наружной кромки (7) расширенного полого пространства (4).

6. Устройство по любому из пп.3, 4 или 5, отличающееся тем, что предусмотрен дополнительный защитный слой (8а; 8Ь), который в наΊ правлении излучения расположен перед диэлектриком (5).

7. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что частота высокочастотных электромагнитных измерительных сигналов больше 30 ГГц.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемопередающий блок (2) вводит электромагнитные измерительные сигналы в антенну (1), соответственно, выводит из антенны (1) через заднюю стенку (9) или боковую стенку (10) волновода (3).

Фиг. 1

9. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что диэлектрик (5) заполняет лишь частичную зону волновода (3), при этом частичная зона примыкает к расширенному полому пространству (4) антенны (1).

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что внутренняя поверхность (11) диэлектрика (5), который входит в волновод (3), структурирована так, что ввод электромагнитных измерительных сигналов в диэлектрик (5) является оптимальным.