EP1252486A1 - Füllstandsmessgerät - Google Patents

Füllstandsmessgerät

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Publication number
EP1252486A1
EP1252486A1 EP00988757A EP00988757A EP1252486A1 EP 1252486 A1 EP1252486 A1 EP 1252486A1 EP 00988757 A EP00988757 A EP 00988757A EP 00988757 A EP00988757 A EP 00988757A EP 1252486 A1 EP1252486 A1 EP 1252486A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
container
waveguide
molded part
insert
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00988757A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Armin Wendler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP1252486A1 publication Critical patent/EP1252486A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves

Definitions

  • the invention relates to a fill level measuring device for measuring a fill level of a filling material in a container by means of electromagnetic signals.
  • the signals are transmitted to at least one waveguide projecting into the container. This leads the signals into the container and out signals reflected on a product surface. For example, a transit time of the electromagnetic signals is determined and the fill level is determined therefrom.
  • Both a single waveguide and two or more waveguides arranged parallel to one another can serve as waveguides, which extend downwards into the container from a point above the highest fill level to be measured.
  • Suitable waveguides are e.g. bare metal wires, also known as Sommerfeld waveguides, or metal wires provided with insulation. The latter are also known as Goubau waveguides.
  • An electronic circuit for generating electromagnetic signals and a receiving and evaluation circuit for determining a level is e.g. described in EP-A 780 665.
  • Level measuring devices working with electromagnetic signals are used in a variety of applications, both in warehousing and in processing
  • Industry e.g. can be used in chemistry, in the food industry and in the oil industry.
  • the level meter is often exposed to large temperature fluctuations and high tensile or compressive forces can act on the waveguide. There are many uses in spite of these adverse conditions Under no circumstances should the filling material escape through the measuring device.
  • EP-A 928 955 describes a filling level measuring device for measuring a filling level of a filling material in a container by means of electromagnetic signals, which comprises:
  • Inserts made of a dielectric, e.g. from a thermoplastic, a thermoset, an elastomer, a ceramic, polyetherimide (PEI), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyphenyl sulfide (PPS), or from polycarbonates, by which the waveguide is fastened in the container.
  • the housing, waveguide and inserts have conical lateral surfaces which are arranged with respect to one another in such a way that they prevent the inserts and the waveguide from moving into the container.
  • the housing On a side facing away from the container, the housing is closed by a metallic insert which prevents movement of the waveguide and inserts in the direction facing away from the container. Spring elements are provided through which the metallic insert is pressed in the direction facing the container and the inserts with the waveguide wedged therein in the direction facing away from the container.
  • O-rings are provided for sealing, which are arranged in grooves between the housing and one of the inserts and between this insert and the waveguide.
  • the insert, waveguide and housing can move slightly against each other due to the clamping by means of springs. This can adversely affect the sealing effect.
  • the waveguide, insert and housing form a coaxial conductor in which the electromagnetic signals are carried.
  • Grooves and O-rings represent inhomogeneities where the impedance of the coaxial conductor changes suddenly. Such jumps in impedance lead to the reflection of a portion of the electromagnetic signals. This portion is no longer available for level measurement but instead forms interference signals that lead to a significantly deteriorated signal-to-noise ratio.
  • a conical surface is provided in the side facing the container between the waveguide and an insert and between this insert and the housing, with which the waveguide fits tightly against the insert and this insert against the housing. This also achieves a sealing effect.
  • the invention consists in a full level measuring device for measuring a level of a filling material in a container by means of electromagnetic signals, which comprises:
  • the recess runs in the molded part.
  • the molded part has only conical or cylindrical jacket surfaces.
  • the waveguide is guided into the container through a first insert fastened in the housing, the waveguide has a first conical lateral surface, with which it rests on an inner surface of the insert which faces away from the container and has the same shape
  • the waveguide has a second conical surface on which the molded part rests with a container-facing inner surface of the same shape
  • a second insert which rests with a conical container-facing jacket surface on an identical container-facing jacket surface of the molded part
  • the molded part is clamped by the first and the second insert.
  • the recess is limited by the waveguide, the molded part and the second insert.
  • the molded part has an area in which a diameter of the molded part changes abruptly.
  • the molded part is a ring cylinder.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a level measuring device arranged on a container
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a fill level measuring device in which the recess adjoins the molded part outside the molded part
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a fill level measuring device 3 arranged on a container 1. It is used to measure a fill level of a filling material 5 in the container 1 and has an electronic circuit 7 for generating electromagnetic signals S.
  • the fill level measuring device comprises a waveguide 9 protruding into the container 1, which leads the signals S into the container 1 and out signals R reflected on a product surface.
  • the waveguide 9 is e.g. a mechanically rigid rod or a mechanically rigid wire.
  • a tensioned rope can also be used in the same way, one end of which is attached to a bottom of the container 1. Instead of one
  • Attaching the end to the bottom of the container can also be attached to the other end of a weight by which the rope is tensioned.
  • bare rods, wires or ropes made of metal e.g. made of stainless steel, as well as metal wires, rods or ropes with insulation.
  • Suitable as an insulator e.g. Polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the reflected signals R are fed to a receiving and evaluation circuit 10 which, for example, consists of a running time of the signals S to the product surface and the reflected signals R from the product surface back determines the level in container 1.
  • the propagation speed of the electromagnetic signals S, R and the distances between the electronic circuit 7 and the container base and between the receiving and evaluation circuit 10 and the container base are either known in any case or can be done by simple means
  • connection lines 11 for further processing, display and / or evaluation.
  • the waveguide 9 is fastened in a housing 13 which can be mounted on the container 1.
  • the housing 13 is made of an electrically conductive material, e.g. made of a metal, preferably a stainless steel.
  • 2 shows a section through the housing 13 and the waveguide 9 fastened therein.
  • the housing 13 has essentially the shape of a
  • a thread 15 is formed on the outside of a holder-facing lower end of the housing 13, by means of which the housing 13 can be screwed into an opening 17 in the container 1.
  • a first insert 19 made of a dielectric is arranged in the housing 13, through which the waveguide 9 is guided into the container 1.
  • the insert 19 has a conical outer jacket surface facing the holder, with which it rests in a sealing manner on a conical inner jacket surface 21 of the housing 13 of the same shape.
  • An inner diameter of the housing 13 decreases along the jacket surface 21 in the direction facing the container, so that movement of the first insert 19 in the direction facing the container is prevented.
  • a cylindrical border in the container-facing direction Housing section 23 Inside this housing section 23, the first insert 19 tapers in the direction facing the container until it ends at the waveguide 9.
  • the waveguide 9 has a head 25 arranged in the interior of the housing 13 with a conical first lateral surface 27 facing the container, the outside diameter of which decreases in the direction facing the container, and a conical second lateral surface 29 facing away from the container, the outside diameter of which decreases in the direction facing away from the container , on. It rests with the conical surface 27 facing the holder in a sealing manner on an inner surface of the same shape as the first insert 19, so that movement of the waveguide 9 in the direction facing the holder is prevented.
  • an elastic molded part 31 which is clamped parallel to a longitudinal axis L of the waveguide 9, is provided and bears sealingly on the housing 13 and the waveguide 9.
  • the molded part 31 coaxially surrounds the waveguide 9 and has an inner surface of the same shape as the second conical outer surface 29 of the waveguide 9, with which it rests on the second conical outer surface 29.
  • the molded part 31 also has a conical outer lateral surface 33 facing the holder, with which it rests on an inner lateral surface of the same shape as the first insert 19.
  • the molded part 31 lies with a cylindrical outer lateral surface 35 on an inner wall of the housing 13 of the same shape.
  • the waveguide 9 has a recess 41 adjacent to the molded part 31 and surrounding the waveguide 9.
  • An inner surface 43 of the molded part 41 delimiting the recess 41 in the direction away from the container is cylindrical and an outer jacket surface 45 of the molded part 41 facing away from the container is conical, its outer diameter decreasing in the direction away from the container.
  • the molded part 31 thus has only conical or cylindrical outer surfaces. This offers the advantage that the coaxial conductor formed by the waveguide 9, the insert 19 and the housing 13 has no impedance jumps in the direction of propagation of the electromagnetic signals S, R, at which part of the power is reflected and is therefore lost for the level measurement. It is even possible to a certain extent through an appropriate shaping of the molded part 31.
  • a second insert 47 is provided in the housing 13 and closes the end of the housing 13 in the direction facing away from the container.
  • the second insert 47 is made of metal and is cylindrical on the outside. It has a central axial bore 49, into which an extension 51 of the waveguide 9 projects. Extension 51 and bore 49 are preferably shaped so that a standard plug, e.g. a BNC plug, for the connection of commercially available coaxial lines, to connect the waveguide 9 via its extension 51 and the coaxial line to the electronic circuit 7.
  • the metallic second insert 47 and the electrically conductive housing 13 form an extension of an outer conductor of the coaxial line.
  • the second insert 47 has a conical outer surface 53 facing the container, the inner diameter of which in container-facing direction increases until it is at the end equal to the inner diameter of the housing 13.
  • the second insert 47 lies with an outer, rotationally symmetrical section of this lateral surface 53 on the lateral surface 45 of the molded part 31 facing away from the container.
  • the molded part 31 is clamped by the first and the second insert 19, 47.
  • the second insert 47 in the exemplary embodiment shown in FIG. 2 has an external thread 55 with which it is screwed into an internal thread of the housing 13 in the direction facing the holder.
  • a stop 57 is provided, up to which the insert 47 is to be screwed in so that it exerts sufficient pressure on the molded part 31.
  • the molded part 31 is compressed in the axial direction, parallel to the longitudinal axis L of the waveguide 9, and thereby develops its sealing effect in the radial direction, perpendicular to the longitudinal axis L of the waveguide 9. Excess material of the molded part 31 is pressed into the adjacent recess 41.
  • the recess 41 is delimited by the waveguide 9, the molded part 31 and the second insert 47.
  • the recess 41 serves figuratively as an overflow. If, at high temperatures, the individual components expand due to their thermal expansion coefficients, the pressure on the molded part 31 increases and further material of the molded part 31 is received in the recess 41. On the other hand, if the temperature drops, the process takes place in the opposite direction.
  • Fig. 3 shows a further exemplary embodiment of a fill level measuring device according to the invention. Because of the great similarity to the previously described exemplary embodiment, only the differences are explained in more detail below.
  • the fill level measuring device has a molded part 59 arranged in the interior of the housing 13, in the interior of which an annular circumferential recess 61 with an oval cross section runs.
  • This recess 61 is also suitable for compensating for a thermal expansion of the surrounding components of the fill level measuring device and thus for guaranteeing an adequate tightness and an arrangement of these components free of play even with large temperature fluctuations.
  • a further recess 63 is provided in the embodiment shown in FIG. 3. This is essentially of the same shape as the recess 41 shown in FIG. 2 and also arranged at the same location as this, but it is significantly smaller.
  • the shape and size of the recesses is not limited to the two examples shown in FIGS. 2 and 3. Recesses can be completely different
  • the recesses it is only necessary to note that the totality of the recesses together is sufficiently large to compensate for thermal expansion of the components surrounding them and sufficient Ensure tightness and play-free arrangement of the components.
  • Fig. 4 shows a further embodiment.
  • a molded part 65 is provided which has an area in which a diameter of the molded part 65 changes abruptly. This results in a deliberate jump in impedance, on which a part of the electromagnetic signals is reflected during operation. This reflected part, or its duration, can e.g. serve as reference time or reference point for level measurement.
  • a housing 13 in which a first insert 67 made of a
  • Dielectric Dielectric, a waveguide 69 and a second insert 71 made of metal are arranged.
  • the first insert 67, the waveguide 69 and the second insert 71 differ from the corresponding components of the previous exemplary embodiments only in that they are adapted in shape to the ring-cylindrical shape of the molded part 65.
  • the waveguide 69 has an annular disk-shaped container-facing surface 73 that abuts the molded part 65
  • the first insert 67 has an annular disk-shaped container-facing surface 75 instead of a conical container-facing surface that abuts the molded part 65
  • the second insert 71 has, instead of a conical container-facing jacket surface, an annular disk-shaped container-facing surface 77 which bears on the molded part 65.
  • the second insert 71 also points in this
  • Embodiment has a central axial bore 49 into which a cylindrical extension 79 of the waveguide 69 extends through the molded part 65. The electrical connection is made via this bore 49 and the extension 79.
  • annular cylindrical recess 81 in an area adjacent to the molded part 65, which recess performs the same functions as the recesses described above.
  • the molded part 31, 59, 65 preferably consists of a material with the lowest possible, ideally even negative, thermal expansion coefficient. Dielectrics and metals, such as those used for housing 13, waveguides 9, 69, first insert 19, 67 and second insert 47, 71, have a positive coefficient of thermal expansion.
  • the recesses 41, 61, 63, 81 can be made smaller, since the molded part 31, 59, 65 increases with increasing temperatures, that is when the recesses 41, 61, 63, 81 serve as an overflow, itself has a small volume increase, ideally even a smaller volume.
  • elastomers are also suitable as materials for the molded parts 31, 59, 65, e.g. Silicone rubber, natural rubber or elastic foams, e.g. Polyurethane foams.
  • the use of a foam basically has the advantage that foam has pores which are also recesses.

Landscapes

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Abstract

Es ist ein Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes (5) in einem Behälter (1) mittels entlang eines Wellenleiters (9, 69) in den Behälter hinein und herausgeführten elektromagnetischen Signalen (S, R) versehen, bei dem insb. auch bei grossen Temperaturschwankungen am Messort und bei grossen auf den Wellenleiter (9, 69) einwirkenden Druck oder Zugkräften eine hohe Dichtigkeit gewährleistet ist, welches umfasst: mindestens einen in den Behälter (1) hinein ragenden Wellenleiter (9, 69), der die Signale (S) in den Behälter (1) hinein und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Signale (R) heraus führt und der in einem auf dem Behälter (1) montierbaren Gehäuse (13) befestigt ist, und ein parallel zu einer Längsachse (L) des Wellenleiters (9) eingespanntes elastisches Formteil (31, 59, 65) das an dem Gehäuse (13) und dem Wellenleiter (9, 69) abdichtend anliegt und an das eine den Wellenleiter (9, 69) umgebende Ausnehmung (41, 61, 63, 81) angrenzt.

Description

Füllstandsmeßgerät
Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mittels elektromagnetischen Signalen. Die Signale werden auf mindestens einen in den Behälter hinein ragenden Wellenleiter übertragen. Dieser führt die Signale in den Behälter hinein und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Signale heraus. Es kann z.B. eine Laufzeit der elektromagnetischen Signale bestimmt und daraus der Füllstand ermittelt werden.
Als Wellenleiter können dabei sowohl ein einziger als auch zwei oder mehr parallel zueinander angeordnete Wellenleiter dienen, die sich von einem Punkt oberhalb des höchsten zu messenden Füllstandes nach unten in den Behälter hinein erstrecken. Als Wellenleiter eignen sich z.B. blanke auch als Sommerfeld-Wellenleiter bezeichnete Metalldrähte, oder mit einer Isolation versehene Metalldrähte. Letztere sind auch unter der Bezeichnung Goubau-Wellenleiter bekannt.
Eine elektronische Schaltung zur Erzeugung von elektromagnetischen Signale sowie eine Empfangs- und Auswerteschaltung zur Bestimmung eines Füllstandes ist z.B. in der EP-A 780 665 beschrieben.
Mit elektromagnetischen Signalen arbeitende Füllstandsmeßgeräte sind in einer Vielzahl von Anwendungen, sowohl in der Lagerhaltung als auch in der verarbeitenden
Industrie, z.B. in der Chemie, in der Lebensmittelindustrie und in der Ölindustrie, einsetzbar.
Das Füllstandsmeßgerät ist dabei häufig großen Temperaturschwankungen ausgesetzt und auf den Wellenleiter können hohe Zug- oder Druckkräfte einwirken. Es gibt viele Anwendungen bei denen trotz dieser widrigen Bedingungen auf keinen Fall Füllgut durch das Meßgerät hindurch austreten darf .
In der EP-A 928 955 ist ein Füllstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mittels elektromagnetischen Signalen, beschrieben, welches umfaßt:
- mindestens einen in den Behälter hinein ragenden Wellenleiter,
-- der die Signale in den Behälter hinein und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Signale heraus führt und
— der in einem auf dem Behälter montierbaren Gehäuse befestigt ist.
In dem Gehäuse sind Einsätze aus einem Dielektrikum, z.B. aus einem Thermoplast, einem Duroplast, einem Elastomer, einer Keramik, Polyehterimid (PEI) , Polytetrafluorethylen (PTFE) , Polyphenylsulfid (PPS) , oder aus Polycarbonaten vorgesehen, durch die der Wellenleiter in dem Behälter befestigt ist. Gehäuse, Wellenleiter und Einsätze weisen konische Mantelflächen auf, die zueinander so angeordnet sind, daß sie eine Bewegung der Einsätze und des Wellenleiters in den Behälter hinein verhindern. Auf einer behälter-abgewandten Seite ist das Gehäuse durch einen metallischen Einsatz, durch den eine Bewegung von Wellenleiter und Einsätzen in behälter-abgewandter Richtung verhindert ist, verschlossen. Es sind Federelemente vorgesehen, durch die der metallische Einsatz in behälterzugewandter Richtung und die Einsätze mit dem darin eingekeilten Wellenleiter in behälter-abgewandter Richtung gepreßt werden.
Zur Abdichtung sind in einem Ausführungsbeispiel O-Ringe vorgesehen, die zwischen dem Gehäuse und einem der Einsätze und zwischen diesem Einsatz und dem Wellenleiter in Nuten angeordnet sind. Aufgrund der Einspannung mittels Federn können sich Einsatz, Wellenleiter und Gehäuse geringfügig gegeneinander bewegen. Dadurch kann die Dichtwirkung nachteilig beeinflußt werden.
Wellenleiter, Einsatz und Gehäuse bilden einen Koaxialleiter in dem die elekromagnetische Signale geführt werden. Nuten und O-Ringe stellen Inhomogenitäten dar an denen sich die Impedanz des Koaxialleiters sprunghaft ändert. Solche Impedanzsprünge führen zur Reflexion eines Anteils der elektromagnetischen Signale. Dieser Anteil steht nachfolgend nicht mehr zur Füllstandsmessung zur Verfügung sondern bildet Störsignale, die zu einem deutlich verschlechterten Signal-zu-Rausch Verhältnis führen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist in behälterzugewandter Seite zwischen Wellenleiter und einem Einsatz und zwischen diesem Einsatz und dem Gehäuse jeweils eine konische Fläche vorgesehen mit der der Wellenleiter an dem Einsatz und dieser Einsatz an dem Gehäuse eng anliegt. Hierdurch wird ebenfalls eine Dichtwirkung erzielt.
Problematisch ist generell, daß alle tragenden Teile aus starren Materialien bestehen müssen, um ihre Stützfunkion zu erfüllen. Wird das Füllstandsmeßgerät großen
Temperaturwechseln ausgesetzt, so werden diese Teile entsprechend ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten schrumpfen bzw. sich ausdehnen. Während eine Ausdehnung bei Erwärmung durch die Federkonstruktion gut ausgeglichen werden kann, können bei tiefen Temperaturen
Dichtheitsprobleme auftreten. Durch die temperatur-bedingte geringere Größe der Bauteile ist die Federvorspannung geringer und es können durch Zug- und Druckkräfte Spalte zwischen im Normalzustand eng aneinander anliegenden Dichtflächen auftreten. Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Fullstandsmeßgerat zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behalter mittels entlang eines Wellenleiters in den Behalter hinein und herausgeführten elektromagnetischen Signalen anzugeben, bei dem insb. auch bei großen
Temperaturschwankungen am Meßort und bei großen auf den Wellenleiter einwirkenden Druck oder Zugkräften eine hohe Dichtheit gewahrleistet ist.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Fullstandsmeßgerat zur Messung eines Füllstandes eines F llgutes in einem Behalter mittels elektromagnetischen Signalen, welches umfaßt:
- mindestens einen in den Behalter hinein ragenden Wellenleiter,
— der die Signale in den Behalter hinein und an einer Fullgutoberflache reflektierte Signale heraus fuhrt und
-- der in einem am Behalter montierbaren Gehäuse befestigt ist, und - ein parallel zu einer Langsachse des Wellenleiters eingespanntes elastisches Formteil, -- das an dem Gehäuse und dem Wellenleiter abdichtend anliegt und -- an das eine den Wellenleiter umgebende Ausnehmung angrenzt.
Gemäß einer Ausgestaltung verlauft die Ausnehmung in dem Formteil .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Formteil ausschließlich konische oder zylindrische Mantelflachen auf.
Gemäß einer Ausgestaltung - ist der Wellenleiter durch einen in dem Gehäuse befestigten ersten Einsatz hindurch in den Behalter hineingeführt ist, - der Wellenleiter weist eine erste konische Mantelfläche auf, mit der er auf einer behälter-abgewandten formgleichen Innenfläche des Einsatzes aufliegt,
- der Wellenleiter weist eine zweite konische Mantelfläche auf, auf der das Formteil mit einer behälterzugewandten formgleichen Innenfläche aufliegt, und
- es ist ein zweiter Einsatz vorgesehen, der mit einer konischen behälter-zugewandten Mantelfläche auf einer formgleichen behälter-abgewandten Mantelfläche des Formteils aufliegt,
- wobei das Formteil durch den ersten und den zweiten Einsatz eingespannt ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Ausnehmung durch den Wellenleiter, das Formteil und den zweiten Einsatz begrenzt .
Gemäß einer anderen Ausgestaltung weist das Formteil einen Bereich auf, in dem sich ein Durchmesser des Formteils sprungartig ändert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Formteil ein Ringzylinder.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der
Figuren der Zeichnung, in denen drei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines auf einem Behälter angeordneten Füllstandsmeßgeräts;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Füllstandsmeßgeräts, bei dem die Ausnehmung außerhalb des Formteils an das Formteil angrenzt; Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines
Füllstandsmeßgeräts, bei dem die Ausnehmung innerhalb des Formteils verläuft; und
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines
Füllstandsmeßgeräts, bei dem das Formteil einen sich sprungartig ändernden Durchmesser aufweist .
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines auf einem Behälter 1 angeordneten Füllstandsmeßgeräts 3. Es dient zur Messung eines Füllstandes eines Füllguts 5 in dem Behälter 1 und weist eine elektronische Schaltung 7 zur Erzeugung von elektromagnetischen Signalen S auf.
Das Füllstandsmeßgerät umfaßt einen in den Behälter 1 hinein ragenden Wellenleiter 9 der die Signale S in den Behälter 1 hinein und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Signale R heraus führt.
Der Wellenleiter 9 ist z.B. ein mechanisch starrer Stab oder ein mechanisch starrer Draht. Genauso ist aber auch ein gespanntes Seil einsetzbar, dessen eines Ende an einem Boden des Behälters 1 befestigt ist. Anstelle einer
Befestigung des Endes am Behälterboden kann an dem anderen Ende auch ein Gewicht befestigt sein, durch das das Seil gespannt wird. Es können sowohl blanke Stäbe, Drähte oder Seile aus Metall, z.B. aus einem Edelstahl, als auch mit einer Isolation versehene Metalldrähte, -Stäbe oder -seile verwendet werden. Als Isolator eignet sich z.B. Polytetraflourethylen (PTFE) .
Die reflektierten Signale R werden im Betrieb einer Empfangs- und Auswerteschaltung 10 zugeführt, die z.B. aus einer Laufzeit der Signale S bis zur Füllgutoberfläche und der reflektierten Signale R von der Füllgutoberfläche zurück den Füllstand im Behälter 1 bestimmt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Signale S, R und die Abstände zwischen der elektronischen Schaltung 7 und dem Behalterboden und zwischen der Empfangs- und Auswerteschaltung 10 und dem Behälterboden sind entweder ohnehin bekannt oder können durch einfache
Referenzmessungen erhalten werden. Mit diesen Daten ergibt sich aus der gemessenen Laufzeit die Hohe des Füllstands. Ein Meßergebnis ist über Anschlußleitungen 11 einer weiteren Verarbeitung, Anzeige und/oder Auswertung zuganglich.
Der Wellenleiter 9 ist in einem am Behalter 1 montierbaren Gehäuse 13 befestigt. Das Gehäuse 13 besteht einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. aus einem Metall, vorzugsweise aus einem Edelstahl. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Gehäuse 13 und den darin befestigten Wellenleiter 9.
Das Gehäuse 13 weist im wesentlichen die Form eines
Hohlzylinders auf. An einem behalter-zugewandten unteren Ende des Gehäuses 13 ist außen ein Gewinde 15 angeformt, mittels dessen das Gehäuse 13 in eine Öffnung 17 in dem Behalter 1 einschraubbar ist.
In dem Gehäuse 13 ist ein erster Einsatz 19 aus einem Dielektrikum angeordnet, durch den der Wellenleiter 9 hindurch in den Behalter 1 hinein gefuhrt ist. Der Einsatz 19 weist eine behalter-zugewandte konische äußere Mantelflache auf, mit der er auf einer formgleichen konischen inneren Mantelflache 21 des Gehäuses 13 abdichtend aufliegt. Ein Innendurchmesser des Gehäuses 13 nimmt entlang der Mantelflache 21 in behalter-zugewandter Richtung ab, so daß eine Bewegung des ersten Einsatzes 19 in behalter-zugewandter Richtung unterbunden ist. An den die Mantelflache 21 aufweisenden Abschnitt des Gehäuses 13 grenzt in behalter-zugewandter Richtung ein zylindrischer Gehäuseabschnitt 23 an. Im Inneren dieses Gehäuseabschnitts 23 verjüngt sich der erste Einsatz 19 in behälterzugewandter Richtung bis er an dem Wellenleiter 9 endet.
Der Wellenleiter 9 weist einen im Inneren des Gehäuses 13 angeordneten Kopf 25 mit einer behalter-zugewandten konischen ersten Mantelfläche 27, deren Außendurchmesser in behalter-zugewandter Richtung abnimmt, und einer behälter- abgewandten konischen zweiten Mantelfläche 29, deren Außendurchmesser in behälter-abgewandter Richtung abnimmt, auf. Er liegt mit der behalter-zugewandten konischen Mantelfläche 27 auf einer formgleichen Innenfläche des ersten Einsatzes 19 abdichtend auf, so daß eine Bewegung des Wellenleiters 9 in behalter-zugewandter Richtung unterbunden ist.
Erfindungsgemäß ist ein parallel zu einer Längsachse L des Wellenleiters 9 eingespanntes elastisches Formteil 31 vorgesehen, das an dem Gehäuse 13 und dem Wellenleiter 9 abdichtend anliegt.
In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umgibt das Formteil 31 den Wellenleiter 9 koaxial und weist eine zu der zweiten konischen Mantelfläche 29 des Wellenleiters 9 formgleiche Innenfläche auf, mit des es auf der zweiten konischen Mantelfläche 29 aufliegt.
Das Formteil 31 weist weiter eine behalter-zugewandte konische äußere Mantelfläche 33 auf, mit der es auf einer formgleichen inneren Mantelfläche des ersten Einsatzes 19 aufliegt. Das Formteil 31 liegt mit einer zylindrischen äußeren Mantelfläche 35 an einer formgleichen Innenwand des Gehäuses 13 an.
Zwischen einem sich in behälter-abgewandter Richtung verjüngenden behälter-abgewandten Abschnitt 39 des Wellenleiters 9 besteht eine an das Formteil 31 angrenzende, den Wellenleiter 9 umgebende Ausnehmung 41.
Eine in behälter-abgewandter Richtung die Ausnehmung 41 begrenzende Innenfläche 43 des Formteils 41 ist zylindrisch und eine äußere behälter-abgewandte Mantelfläche 45 des Formteils 41 ist konisch, wobei deren Außendurchmesser in behälter-abgewandter Richtung abnimmt.
Das Formteil 31 weist somit ausschließlich konische oder zylindrische Mantelflächen auf. Dies bietet den Vorteil, daß der durch den Wellenleiter 9, den Einsatz 19 und das Gehäuse 13 gebildete Koaxialleiter keine Impedanzsprünge in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Signale S, R aufweist, an denen eine Teil des Leistung reflektiert wird und somit für die Füllstandsmessung verloren ist. Es ist sogar in gewissem Umfang durch eine entsprechende Formgebung des Formteils 31 eine Impedanzanpassung möglich.
In dem Gehäuse 13 ist ein zweiter Einsatz 47 vorgesehen, der das Gehäuse 13 in behälter-abgewandter Richtung endseitig abschließt. Der zweite Einsatz 47 ist aus Metall und ist außen zylindrisch. Er weist eine zentrale axiale Bohrung 49 auf, in die ein Fortsatz 51 des Wellenleiters 9 hineinragt. Fortsatz 51 und Bohrung 49 sind vorzugsweise so geformt, daß in die Bohrung 49 von behälter-abgewandter Seite her ein Standardstecker, z.B. ein BNC-Stecker, für den Anschluß von handelsüblichen Koaxialleitungen einsteckbar ist, um den Wellenleiter 9 über dessen Fortsatz 51 und die Koaxialleitung an die elektronische Schaltung 7 anzuschließen. Der metallische zweite Einsatz 47 und das elektrisch leitfähige Gehäuse 13 bilden eine Verlängerung eines Außenleiters der Koaxialleitung.
Der zweite Einsatz 47 weist eine konische behälterzugewandte Mantelfläche 53 auf, deren Innendurchmesser in behalter-zugewandter Richtung zunimmt, bis er endseitig gleich dem Innendurchmesser des Gehäuses 13 ist.
Der zweite Einsatz 47 liegt mit einem äußeren rotationssymmetrischen Abschnitt dieser Mantelfläche 53 auf der hierzu formgleichen behälter-abgewandten Mantelfläche 45 des Formteils 31 auf.
Das Formteil 31 ist durch den ersten und den zweiten Einsatz 19, 47 eingespannt. Hierzu weist der zweite Einsatz 47 in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Außengewinde 55 auf mit der es in ein Innengewinde des Gehäuses 13 in behalter-zugewandter Richtung eingeschraubt ist. An einem oberen, behälter-abgewandten Ende des zweiten Einsatzes 47 ist ein Anschlag 57 vorgesehen, bis zu dem der Einsatz 47 einzuschrauben ist, damit er genügend Druck auf das Formteil 31 ausübt.
Das Formteil 31 ist in axialer Richtung, parallel zur Längsachse L des Wellenleiters 9, komprimiert und entfaltet hierdurch in radialer Richtung, senkrecht zur Längsachse L des Wellenleiters 9, seine Dichtwirkung. Überschüssiges Material des Formteils 31 wird hierbei in die angrenzende Ausnehmung 41 hinein gedrückt. Die Ausnehmung 41 ist durch den Wellenleiter 9, das Formteil 31 und den zweiten Einsatz 47 begrenzt. Die Ausnehmung 41 dient bildlich gesprochen als ein Überlauf. Wenn nun bei hohen Temperaturen sich die einzelnen Bauteile aufgrund deren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausdehnen so steigt der Druck auf das Formteil 31 und weiteres Material des Formteils 31 wird in der Ausnehmung 41 aufgenommen. Sinkt dagegen die Temperatur erfolgt der Vorgang in umgekehrter Richtung. Material gelangt aus der Ausnehmung 41 zurück und gewährleistet, daß immer zur genügend Material unter ausreichendem Druck vorhanden ist, damit das Formteil 31 seine Dichtwirkung entfaltet. Zusätzlich ist hierdurch gewährleistet, daß die Bauteile im Inneren des Gehäuses 13, hier der Wellenleiter 9 und der erste und der zweite Einsatz 19, 47 j ederzeit spielfrei im Gehäuse 13 gelagert sind.
Fig . 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts . Aufgrund der großen Übereinstimmung zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel werden nachfolgend lediglich die Unterschiede näher erläutert .
So weist bei dem in Fig. 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel das Füllstandsmeßgerät ein im Inneren des Gehäuses 13 angeordnetes Formteil 59 auf, in dessen Innerem eine ringförmig umlaufende Ausnehmung 61 mit ovalem Querschnitt verläuft. Diese Ausnehmung 61 eignet sich ebenfalls eine thermische Ausdehnung der umliegenden Bauteile des Füllstandsmeßgerät auszugleichen und somit eine ausreichende Dichtheit und eine auch bei großen Temperaturschwankungen spielfreie Anordnung dieser Bauteile zu garantieren.
Zusätzlich ist in dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eine weitere Ausnehmung 63 vorgesehen. Diese ist im wesentlichen formgleich zu der in Fig. 2 dargestellten Ausnehmung 41 und auch am gleichen Ort angeordnete wie diese, sie ist jedoch deutlich kleiner.
Form und Größe der Ausnehmungen ist dabei nicht auf die beiden in den Figuren 2 und 3 dargestellten Beispiele beschränkt. Es können Ausnehmungen völlig verschiedener
Form und Größe und auch in verschiedener Anzahl vorgesehen sein. So könne z.B. auch mehrere Schlitze vorgesehen sein. Bei der Auslegung der Ausnehmungen ist dabei lediglich zu beachten, daß die Gesamtheit der Ausnehmungen zusammen ausreichend groß ist, um eine thermische Ausdehnung der sie umgebenden Bauteile auszugleichen und eine ausreichende Dichtheit und spielfreie Anordnung der Bauteile zu gewährleisten.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Bei diesem Füllstandsmeßgerät ist ein Formteil 65 vorgesehen, das einen Bereich aufweist, in dem sich ein Durchmesser des Formteils 65 sprungartig ändert. Hierdurch wird ein gewollter Impedanzsprung bewirkt, an dem im Betrieb ein Teil der elektromagnetischen Signale reflektiert wird. Dieser reflektierte Anteil, bzw. dessen Laufzeit kann z.B. als Referenzzeit oder Bezugspunkt für die Füllstandsmessung dienen.
In Fig. 4 ist ein Extrembeispiel eines solchen sich sprungartig ändernden Durchmessers, nämlich ein Ringzylinder, dargestellt.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist genau wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ein Gehäuse 13 vorgesehen in dem ein erster Einsatz 67 aus einem
Dielektrikum, ein Wellenleiter 69 und ein zweiter Einsatz 71 aus Metall angeordnet sind. Der erste Einsatz 67, der Wellenleiter 69 und der zweite Einsatz 71 unterscheiden sich von den entsprechenden Bauteilen der voherigen Ausführungsbeispiele lediglich darin, daß sie der Form nach an die ringzylindrische Form des Formteils 65 angepaßt sind. So weist der Wellenleiter 69 anstelle einer konischen behälter-abgewandten Mantelfläche eine ringscheibenförmige behälter-abgewandte Fläche 73 auf, die an dem Formteil 65 anliegt, der erste Einsatz 67 weist anstelle einer konischen behälter-abgewandten Mantelfläche eine ringscheibenförmige behälter-abgewandte Fläche 75 auf, die an dem Formteil 65 anliegt, und der zweite Einsatz 71 weist anstelle einer konischen behalter-zugewandten Mantelfläche eine ringscheibenförmige behalter-zugewandte Fläche 77 auf, die an dem Formteil 65 anliegt. Der zweite Einsatz 71 weist auch in diesem
Ausführungsbeispiel eine zentrale axiale Bohrung 49 auf, in die ein zylindrischer durch das Formteil 65 hindurch geführter Fortsatz 79 des Wellenleiters 69 hinein ragt. Über diese Bohrung 49 und den Fortsatz 79 erfolgt der elektrische Anschluß.
Zwischen dem Fortsatz 79 und dem zweiten Einsatz 71 besteht in einem an das Formteil 65 angrenzenden Bereich eine ringzylindrische Ausnehmung 81, die die gleichen Funktionen erfüllt, wie die zuvor beschriebenen Ausnehmungen.
Vorzugsweise besteht das Formteil 31, 59, 65 bei allen Ausführungsbeispielen aus einem Material mit einem möglichst geringen, idealerweise sogar negativen thermischen Ausdehnungkoeffizienten. Dielektrika und Metalle, wie sie für Gehäuse 13, Wellenleiter 9, 69, ersten Einsatz 19, 67 und zweiten Einsatz 47, 71 verwendet werden, weisen einen positiven thermischen Ausdehnungs- koeffiezienten auf. Entsprechend können durch Verwendung eines Formteils 31, 59, 65 aus einem Material mit einem möglichst geringen, idealerweise sogar negativen thermischen Ausdehnungkoeffizienten die Ausnehmungen 41, 61, 63, 81 kleiner ausgebildet werden, da das Formteil 31, 59, 65 bei steigenden Temperaturen, also dann, wenn die Ausnehmungen 41, 61, 63, 81 als Überlauf dienen, selbst einen geringen Volumenzuwachs, idealerweise sogar ein geringeres Volumen, aufweist.
Als Materialien für die Formteile 31, 59, 65 eignen sich grundsätzlich aber auch Elastomere, z.B. Silikongummi, Naturkautschuck oder elastische Schäume, z.B. Polyurethanschäume. Die Verwendung eines Schaums bietet grundsätzlich den Vorteil, daß Schaum Poren aufweist, die ebenfalls Ausnehmungen darstellen.

Claims

Patentansprüche
1. Füllstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes (5) in einem Behälter (1) mittels elektromagnetischen Signalen (S, R) , welches umfaßt:
- mindestens einen in den Behälter (1) hinein ragenden Wellenleiter (9, 69),
-- der die Signale (S) in den Behälter (1) hinein und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Signale (R) heraus führt und
- der in einem auf dem Behälter (1) montierbaren Gehäuse (13) befestigt ist, und
- ein parallel zu einer Längsachse (L) des Wellenleiters (9) eingespanntes elastisches
Formteil (31, 59, 65) , -- das an dem Gehäuse (13) und dem Wellenleiter (9,
69) abdichtend anliegt und -- an das eine den Wellenleiter (9, 69) umgebende Ausnehmung (41, 61, 63, 81) angrenzt.
2. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die Ausnehmung (61) in dem Formteil (59) verläuft.
3. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem das Formteil (31, 61) ausschließlich konische oder zylindrische Mantelflächen aufweist.
4. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem - der Wellenleiter (9) durch einen in dem Gehäuse (13) befestigten ersten Einsatz (19) hindurch in den Behälter (1) hineingeführt ist,
- der Wellenleiter (9) eine erste konische Mantelfläche (27) aufweist, mit der er auf einer behälter-abgewandten formgleichen Innenfläche des
Einsatzes (19) aufliegt,
- der Wellenleiter (9) eine zweite konische Mantelfläche (29) aufweist, auf der das Formteil (19) mit einer behalter-zugewandten formgleichen Innenfläche aufliegt, und
- ein zweiter Einsatz (47) vorgesehen ist, der mit einer konischen behalter-zugewandten Mantelfläche (53) auf einer formgleichen behälter-abgewandten
Mantelfläche (45) des Formteils (19) aufliegt,
- wobei das Formteil (19) durch den ersten und den zweiten Einsatz (19, 47) eingespannt ist.
Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 4, bei dem die Ausnehmung (41, 63, 81) durch den Wellenleiter (9, 69), das Formteil (31, 59, 81) und den zweiten Einsatz (47, 71) begrenzt ist.
Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem das Formteil (65) einen Bereich aufweist, in dem sich ein Durchmesser des Formteils (65) sprungartig ändert.
7. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 6, bei dem das Formteil (65) ein Ringzylinder ist.
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