EP1325289A1 - Füllstandsmessgerät - Google Patents

Füllstandsmessgerät

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Publication number
EP1325289A1
EP1325289A1 EP01965161A EP01965161A EP1325289A1 EP 1325289 A1 EP1325289 A1 EP 1325289A1 EP 01965161 A EP01965161 A EP 01965161A EP 01965161 A EP01965161 A EP 01965161A EP 1325289 A1 EP1325289 A1 EP 1325289A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transmitting
receiving elements
antenna
microwaves
filling material
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Withdrawn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
EP01965161A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Müller
Wolfram LÜTKE
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 EP1325289A1 publication Critical patent/EP1325289A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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 level measuring device working with microwaves for measuring a level of a filling material in a container with a microwave generator and an antenna with a planar antenna structure, which serves to transmit the microwaves in the direction of the filling material and to receive microwaves reflected on a surface of the filling material.
  • a transit time of the microwaves from the device to the product surface and back is usually determined by means of a reception and evaluation circuit, and the instantaneous level is determined therefrom.
  • microwaves are sent to the surface of a medium by means of an antenna and echo waves reflected on the surface are received.
  • An echo function representing the echo amplitudes as a function of the distance is formed, from which the probable useful echo and its transit time are determined.
  • the distance between the product surface and the antenna is determined from the transit time.
  • planar antennas are also in the book 'Introduction to the theory and technology of planar microwave antennas in microstrip line technology' Gregor Gronau, Nellissen-Wolff bookstore or in the journal article 'Impedance of radiation slot in the ground plane of a microstrip line', IEEE Trans.Antennas Propagat ., Vol AP-30, pages 922-926, May 1982.
  • wave packets short microwave transmission pulses, referred to below as wave packets, are transmitted periodically, which are reflected by the product surface and be received again after a distance-dependent runtime.
  • the received signal amplitude as a function of time represents the echo function.
  • Each value of this echo function corresponds to the amplitude of an echo reflected at a certain distance from the antenna.
  • a continuous microwave is transmitted, which is periodically linearly frequency-modulated, for example according to a sawtooth function.
  • the frequency of the received echo signal therefore has a frequency difference compared to the instantaneous frequency that the transmission signal has at the time of reception, which depends on the transit time of the echo signal.
  • the frequency difference between the transmitted signal and the received signal which can be obtained by mixing both signals and evaluating the Fourier spectrum of the mixed signal, thus corresponds to the distance of the reflecting surface from the antenna.
  • the amplitudes of the spectral lines of the frequency spectrum obtained by Fourier transformation correspond to the echo amplitudes. This Fourier spectrum therefore represents the echo function in this case.
  • level measurement with only one antenna arises that a meaningful level measurement is only possible if the level does not fall below a minimum distance from the antenna.
  • This minimum distance which is often also referred to as the block distance, is due to the fact that a received signal caused by the transmission must first have decayed to an amplitude below the echo amplitude before the echo signal reflected from the product surface can be reliably recognized and evaluated.
  • This problem can be largely solved by using two separate antennas, one for transmitting and one for receiving microwaves.
  • This solution requires, however, that there are two openings on the container at a suitable distance through which the two antennas can be inserted. However, this is not the case for most applications.
  • EP-B 592 584 describes a level measuring device working with microwaves
  • an antenna which serves to send the microwaves in the direction of the filling material and to receive microwaves reflected on a filling material surface
  • Crosstalk from the transmitter to the receiver is reduced here by generating linearly polarized microwaves in a first polarization plane and passing them through a phase shifter.
  • the phase shifter is dimensioned so that the emerging microwaves e.g. are left circularly polarized.
  • the right-hand circularly polarized microwaves are then received by the reflection on the product surface and converted into linearly polarized microwaves by means of the phase shifter.
  • the polarization plane of these microwaves is perpendicular to the first polarization plane.
  • the receiver is designed such that it only receives microwaves with this polarization, but does not pick up microwaves polarized along the first polarization plane.
  • the invention consists in a level measuring device working with microwaves for measuring a level of a filling material in a container
  • planar antenna structure has at least two transmitting and / or receiving elements.
  • the transmitting and / or receiving elements are each located in a partial area of the antenna.
  • the transmitting and / or receiving elements are arranged nested in one another.
  • At least one of the transmitting and / or receiving elements is used exclusively as a receiver for measuring a fill level in a close range in front of the antenna.
  • all of the transmitting and / or receiving elements serve as transmitters and receivers for measuring a fill level in a remote area in front of the antenna.
  • At least one transmitting and / or receiving element serves exclusively as a transmitter and the other transmitting and / or receiving elements serve exclusively as a receiver, and a difference signal is determined which is the difference between the transmission signals applied to the transmitters and those received by the receivers Received signals corresponds.
  • the microwaves to be transmitted have frequencies that are greater than 20 GHz.
  • An advantage of the invention is that the antenna provides a very high degree of flexibility due to the planar antenna structure.
  • the antenna structure can be divided at will into several transmitting and / or receiving elements and each transmitting and / or receiving element can be used optimally.
  • a high transmission power is available, for example, for measurements in the long range, and for measurements in the close range, crosstalk from the transmitter to the receiver is significantly reduced by dividing the transmitting and / or receiving elements into pure transmitting elements and pure receiving elements.
  • the only additional effort that is required to use these advantages is a corresponding wiring of the individual transmitting and / or receiving elements. This is easy to do and does not result in any loss of performance.
  • Fig. 1 shows schematically a measuring arrangement with a level measuring device arranged on a container and working with microwaves
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a planar antenna structure which has a first transmitting and / or receiving element and a second transmitting and / or receiving element arranged in another part of the antenna structure;
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a planar antenna structure which has two transmission and / or reception elements arranged opposite one another, which are separated from one another by two further transmission and / or reception elements arranged opposite one another;
  • Fig. 4 shows a schematic representation of a planar antenna structure which has a plurality of transmitting and / or receiving elements arranged in a first antenna half and a plurality of transmitting and / or receiving elements arranged in a second antenna half;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a planar antenna structure which has a plurality of transmission and / or reception elements arranged in a chessboard-like manner and nested in one another;
  • FIG. 6 shows a basic circuit diagram of a fill level measuring device according to the invention, in which some transmitting and / or receiving elements operate as transmitters and some transmitting and / or receiving elements operate as receivers;
  • FIG. 7 shows a basic circuit diagram of a fill level measuring device according to the invention, in which a part of the transmitting and / or receiving elements serve exclusively as a transmitter and the other transmitting and / or receiving elements serve exclusively as a receiver for measurements in the close range, and all transmitters are used for measurements in the far range - and / or receive elements serve as transmitters and receivers; and 8 shows a basic circuit diagram of a fill level measuring device according to the invention, in which some transmit and / or receive elements work as transmitters and some transmit and / or receive elements act as receivers and a difference is formed from a transmit signal and receive signal, which are used to determine the fill level becomes.
  • Fig. 1 shows schematically a measuring arrangement with a level measuring device 3 arranged on a container 1 and working with microwaves.
  • the level measuring device 3 is e.g. attached to the container 1 by means of a flange connection.
  • the container 1 is filled with a filling material 5, the filling level of which is to be measured.
  • the fill level measuring device 3 comprises an antenna 7, with a planar antenna structure described in more detail below in connection with the exemplary embodiments shown in FIGS. 2 to 5.
  • the antenna 7 projects into the container 1 and serves to send microwaves in the direction of the filling material 5 and to receive microwaves reflected on a filling material surface.
  • the planar antenna structure has at least two transmitting and / or receiving elements.
  • the fill level measuring device 3 has a microwave generator 9.
  • a suitable microwave generator 9 is e.g. a pulse radar device constructed in planar circuit technology, an FMCW device constructed in planar circuit technology or a continuously oscillating microwave oscillator constructed in planar circuit technology.
  • the microwave generator 9 feeds those transmitting and / or receiving elements which either serve exclusively as transmitters or as transmitters and receivers.
  • Microwaves with frequencies above 20 GHz, for example 24 GHz, are preferably generated and transmitted. Above 20 GHz, the wavelength of the microwaves is sufficiently short to be able to use relatively small planar antenna structures. At 24 GHz, for example, several transmitting and / or receiving elements can be accommodated comfortably on an antenna structure with a diameter of a few centimeters to one or two decimeters. These small dimensions offer the advantage that the Antenna 7 is correspondingly small and can therefore also be easily inserted through container openings of small nominal width.
  • the microwaves are transmitted from the transmitting and / or receiving elements serving as transmitters to the product surface and the microwaves reflected on the product surface are received by the transmitting and / or receiving elements serving as receivers.
  • the incoming microwaves are fed to a receiving and evaluation circuit 41, which determines the transit time of the microwaves to the product surface and back and determines the instantaneous fill level therefrom.
  • FIG. 2 schematically shows an exemplary embodiment of a planar antenna structure which has a first transmitting and / or receiving element 11, 13, shown by solid lines in FIG. 2, and a second, shown by dotted lines in FIG. 2.
  • the transmitting and / or receiving elements 11, 13 are metallic structures which are applied to a side of a dielectric substrate 15 facing away from the filling material 5.
  • a conductive layer 17, for example in the form of a coating of the dielectric substrate 15 is provided, which has recesses 19, the shape and arrangement of which is preferably selected such that only electromagnetic waves of a desired mode are emitted , In the example shown, they are !
  • the dielectric is therefore preferably a chemically resistant material, e.g. Polytetrafluoroethylene (PTFE) or a composite material made of polytetrafluoroethylene and ceramic and / or glass fiber.
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • a further dielectric disk 23 is provided on a side of the substrate 15 facing away from the conductive layer 17 and in operation from the filling material 5.
  • the disk 23 has a recess 25 through which a connection element (not shown in FIG. 2) can be inserted.
  • the connection element must be designed so that it connects to each transmission and / or receiving element 11, 13.
  • the electrical connection of the conductive layer 17 to ground or to a fixed reference potential is preferably also carried out via this connection element.
  • either through holes 27 can be provided in the substrate, through which appropriately shaped and arranged pins of the connecting element can be guided to the conductive layer 17, or contact pins connected to the conductive layer 17 can pass through the substrate 15 at the same location be led.
  • the first transmitting and / or receiving element 11 is arranged in a first part of the antenna structure and the second transmitting and / or receiving element 13 is arranged in a second part of the antenna structure.
  • Each of the transmitting and / or receiving elements 11, 13 is a structure which extends radially outward in the manner of a branch and which in each case fills a semi-circle of the substrate 15.
  • the branches of the first transmitting and / or receiving element 11 converge at a point 29 in the middle of the substrate, at which the first transmitting and / or receiving element 11 is connected to the connecting element.
  • the branches of the second transmitting and / or receiving element 13 converge in a circular segment 31 near the center of the substrate, on which the second transmitting and / or receiving element 13 is connected to the connecting element.
  • planar antenna structure shows a schematic representation of a further planar antenna structure.
  • the planar antenna structure has two transmission and / or reception elements 33 arranged opposite one another, which are separated from one another by two further transmission and / or reception elements 35 arranged opposite one another.
  • the circular surface of the substrate 15 is thereby divided into four quarter circles.
  • transmission and / or reception elements 37 e.g. according to their function.
  • all transmitting and / or receiving elements 37 arranged in the right part of the substrate and all transmitting and / or receiving elements 37 arranged in the left part can be interconnected to form a functional block.
  • the assignment is symbolically entered in FIG. 4 by marking one half of the transmitting and / or receiving elements 37 with a cross.
  • the embodiment of the antenna according to the invention with a planar antenna structure which has at least two transmission and / or reception elements offers a high degree of flexibility with regard to the use of the individual transmission and / or reception elements.
  • At least one of the transmitting and / or receiving elements preferably serves exclusively as a receiver. It is thereby achieved that an interference signal caused by the transmission has decayed at the receiver much more quickly and has a much lower amplitude than would be the case if this transmission and / or reception signal were also used for transmission. Accordingly, the block distance of the level measuring device designed in this way is smaller.
  • FIG. 6 The simplest form in which this can be implemented is shown in FIG. 6 in the form of a basic circuit diagram. All existing transmission and / or reception elements are divided into those which serve exclusively as transmitters designated as S in FIG. 6 and those which serve exclusively as receivers designated E in FIG. 6.
  • the transmitters S are fed by the microwave generator 9 and the receivers E forward received signals received by you to the reception and evaluation circuit 41.
  • the reception and evaluation circuit 41 determines the running time of the microwaves from the level measuring device to the product surface and back and determines the instantaneous level from this. This requires a time reference, which is only symbolically represented in FIG. 6 by a reference time t 0 .
  • the reference time t 0 is, for example, a trigger pulse which at the same time triggers the transmission of a microwave pulse and starts an internal time measurement in the reception and evaluation circuit 41.
  • the first transmitting and / or receiving element 11 serve exclusively as a transmitter and the second transmitting and / or receiving element 13 exclusively as a receiver.
  • the two transmitting and / or receiving elements 33 can only serve as transmitters and the two transmitting and / or receiving elements 35 can only serve as receivers.
  • the transmitting and / or receiving elements 37 provided with a cross can only serve as transmitters and the transmitting and / or receiving elements 37 without a cross can only serve as receivers. The separation of transmitter and receiver results in a significant reduction in the block distance.
  • a test measurement can therefore be carried out during commissioning, which serves to determine the measuring range in which the fill level is. Then, in normal measuring operation, the level last measured, for example, can be used to determine this. As soon as the fill level comes close to the close range, at least one transmitting and / or receiving element is used exclusively as a receiver. In the far range, all transmitting and / or receiving elements are used as transmitters and receivers.
  • FIG. 7 shows a basic circuit diagram of a fill level measuring device according to the invention, in which a part of the transmitting and / or receiving elements serve exclusively as a transmitter and the other transmitting and / or receiving elements serve exclusively as a receiver for measurements in the close range, and all transmitters are used for measurements in the far range - And / or receive elements serve as transmitters and receivers.
  • the microwave generator 9 is connected via a directional coupler or circulator 43 to those transmitting and / or receiving elements denoted by S in FIG. 7, which serve exclusively as transmitters for measurements in the close range.
  • the reception and evaluation circuit 41 for measurements in the close range is connected to those transmit and / or receive elements designated E in FIG. 7, which serve exclusively as receivers for measurements in the close range.
  • the basic circuit diagram thus corresponds to the basic circuit diagram shown in FIG. 6.
  • all of the transmitting and / or receiving elements are interconnected via a line 45 connecting the two functional blocks.
  • the line 45 is provided with an electronic switch 47, which is open for a measurement in the close range and closed for a measurement in the far range.
  • a switch 49 is provided in the connection between the receiving and evaluating circuit 41 and the transmitting and / or receiving elements E that serve exclusively as a receiver for a measurement in the near range, which switch 49 is closed for measurements in the near range and is open for measurements in the far range.
  • the line 45 is brought together with the signals received by the transmitting and / or receiving elements S and led via the directional coupler or ziculator 43 via a connection 53 provided with a switch 51 to the receiving and evaluating circuit 41.
  • the switch 51 is open for a measurement in the near range and closed for a measurement in the far range.
  • the switches 47, 49, 51 are controlled by a control circuit 55, which is connected to the reception and evaluation circuit 41.
  • the instantaneous fill level is determined in the reception and evaluation circuit 41 and e.g. compared to a reference value. If the fill level is above this reference value, the subsequent measurement is carried out as a measurement in the near range in that the control circuit 55 sets the associated switch positions by means of control signals. If the fill level is below this reference value, the subsequent measurement is carried out as a measurement in the far range in that the control circuit 55 sets the associated switch positions by means of control signals.
  • a hysteresis function can be installed here, e.g. two different reference values are used, with a drop below the lower reference value only causing a change from the short-range mode to the long-range mode and only a transition from the long-range mode into the short-range mode causing the upper reference value to be exceeded.
  • FIG. 8 shows a further basic circuit diagram for a level measuring device according to the invention.
  • this fill level measuring device at least one transmitting and / or receiving element S is used exclusively as a transmitter. These transmitting and / or receiving elements S are connected to the microwave generator 9. The remaining transmission and / or reception elements E serve exclusively as receivers and are connected to an input of the reception and evaluation circuit 41.
  • a difference-forming unit 57 is provided, which determines a difference signal which corresponds to the difference between transmission signals applied to the transmitters and reception signals received by the receivers.
  • an input of the difference-forming unit 57 is connected to the microwave generator 9 and a further input is connected to the transmitting and / or receiving elements E.
  • the difference can be made either by Corresponding direct superimposition of the signals take place or by the incoming signals being recorded and recorded in digital form.
  • the difference between the recorded data is then carried out, for example, using a microcomputer.
  • a delay unit 59 and a damping unit 61 are provided, which allow the signal coming from the microwave generator 9 to be delayed and damped by an adjustable delay time T and a damping factor ⁇ .
  • T and a damping factor ⁇ can either be carried out in an analog manner by means of corresponding electronic components or can be carried out arithmetically on the stored data.
  • the difference signal serves to improve the measurement accuracy and is fed to the reception and evaluation unit 41 for this purpose. For example, a small crosstalk existing despite the separation of transmitters and receivers from the transmitters to the receivers can be almost completely corrected by correspondingly superimposing the received signals with the difference signals.
  • the required data of the level measuring device e.g. The delay time T and the damping factor ⁇ can be determined by means of a factory calibration and stored permanently in the device.

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Abstract

Es ist ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes (5) in einem Behälter (1) angegeben, das mit einer einzigen möglichst einfach aufgebauten Antenne (7) auskommt und bei dem ein zur Messung erforderlicher Mindestabstand des Füllgutes (5) zur Antenne (7) möglichst gering ist, mit einem Mikrowellengenerator (39), und einer Antenne (7) mit planarer Antennenstruktur, die dazu dient die Mikrowellen in Richtung des Füllgutes (5) zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen, bei der die planare Antennenstruktur mindestens zwei Sende- und/oder Empfangselemente (11, 13, 33, 35, 37, S, E) aufweist.

Description

Füllstandsmeßgerät
Die Erfindung betrifft ein mit Mikrowellen arbeitendes Füilstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mit einem Mikrowellengenerator und einer Antenne mit planarer Antennenstruktur, die dazu dient die Mikrowellen in Richtung des Füllgutes zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen. Bei diesen Füllstandsmeßgeräten wird üblicher Weise mittels einer Empfangs- und Auswerteschaltung eine Laufzeit der Mikrowellen vom Gerät zur Füllgutoberfläche und zurück ermittelt und daraus der momentane Füllstand bestimmt.
Bei der Füllstandsmessung werden Mikrowellen mittels einer Antenne zur Oberfläche eines Füllguts gesendet und an der Oberfläche reflektierte Echowellen empfangen. Es wird eine die Echoamplituden als Funktion der Entfernung darstellende Echofunktion gebildet, aus der das wahrscheinliche Nutzecho und dessen Laufzeit bestimmt werden. Aus der Laufzeit wird der Abstand zwischen der Füllgutoberfläche und der Antenne bestimmt.
In der am 7.9.99 angemeldeten Europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 99 11 7604.1 ist eine Antenne mit planarer Antennenstruktur beschrieben, die sich zur Füllstandsmessung eignet.
Solche Planarantennen sind auch in dem Buch 'Einführung in die Theorie und Technik planarer Mikrowellenantennen in Mikrostreifenleitungstechnik' Gregor Gronau, Verlagsbuchhandlung Nellissen-Wolff oder in dem Zeitschriftenartikel 'Impedance of radiation slot in the ground plane of a microstrip line', IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol AP-30, Seiten 922-926, Mai 1982 beschrieben.
Zur Bestimmung des Füllstandes können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Mikrowellen zu messen. Die bekanntesten Beispiele sind das Pulsradar und das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar).
Beim Pulsradar werden periodisch kurze Mikrowellen-Sendeimpulse, im folgenden als Wellenpakete bezeichnet, gesendet, die von der Füllgutoberfläche reflektiert und nach einer abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen werden. Die empfangene Signalamplitude als Funktion der Zeit stellt die Echofunktion dar. Jeder Wert dieser Echofunktion entspricht der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand von der Antenne reflektierten Echos.
Beim FMCW- Verfahren wird eine kontinuierliche Mikrowelle gesendet, die periodisch linear frequenzmoduliert ist, beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion. Die Frequenz des empfangenen Echosignals weist daher gegenüber der Augenblicksfrequenz, die das Sendesignal zum Zeitpunkt des Empfangs hat, eine Frequenzdifferenz auf, die von der Laufzeit des Echosignals abhängt. Die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal, die durch Mischung beider Signale und Auswertung des Fourierspektrums des Mischsignals gewonnen werden kann, entspricht somit dem Abstand der reflektierenden Fläche von der Antenne. Ferner entsprechen die Amplituden der Spektrallinien des durch Fouriertransformation gewonnenen Frequenzspektrums den Echoamplituden. Dieses Fourierspektrum stellt daher in diesem Fall die Echofunktion dar.
Bei der Füllstandsmessung mit nur einer Antenne tritt das Problem auf, daß eine sinnvolle Füllstandsmessung nur dann möglich ist, wenn der Füllstand eine Mindestentfernung zur Antenne nicht unterschreitet. Diese Mindestentfernung, die häufig auch als Blockdistanz bezeichnet wird, ist dadurch bedingt, daß ein durch das Senden bedingtes Empfangssignal erst auf eine unterhalb der Echoamplitude liegende Amplitude abgeklungen sein muß, bevor das von der Füllgutoberfläche reflektierte Echosignal zuverlässig erkannt und ausgewertet werden kann.
Dieses Problem läßt sich weitestgehend lösen, indem zwei getrennte Antennen eingesetzt werden, von denen eine zum Senden und eine zum Empfangen von Mikrowellen dient. Diese Lösung setzt aber voraus, daß am Behälter zwei Öffnungen in passendem Abstand vorhanden sind, durch die die beiden Antenne eingeführt werden können. Dies ist jedoch bei den meisten Anwendungen nicht der Fall.
In der EP-B 592 584 ist ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät beschrieben mit
- einem Mikrowellengenerator und
- einer Antenne , -- die dazu dient die Mikrowellen in Richtung des Füllgutes zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen,
- in der ein Sendeelement und ein Empfangselement angeordnet sind.
Ein Übersprechen vom Sender auf den Empfänger wird hier reduziert, indem in einer ersten Polarisationsebene linear polarisierte Mikrowellen erzeugt und durch einen Phasenschieber geleitet werden. Der Phasenschieber ist so dimensioniert, daß die austretenden Mikrowellen z.B. links-zirkular polarisiert sind. Durch die Reflektion an der Füllgutoberfläche werden dann entsprechend rechts-zirkular polarisierte Mikrowellen empfangen und mittels des Phasenschiebers in linear polarisierte Mikrowellen umgewandelt. Die Polarisationsebene dieser Mikrowellen liegt senkrecht zur ersten Polarisationsebene. Der Empfänger ist so ausgebildet, daß er nur Mikrowellen mit dieser Polarisation empfängt, entlang der ersten Polarisationsebene polarisierte Mikrowellen jedoch nicht aufnimmt.
Eine solche Antenne ist jedoch sehr aufwendig in der Herstellung, da sie entsprechende Filter und Phasenschieber benötigt. Außerdem ist sie hierdurch verhältnismäßig groß und es geht durch jeden Durchgang der Mikrowellen durch einen Filter oder Phasenschieber Leistung verloren.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät anzugeben, das mit einer einzigen möglichst einfach aufgebauten Antenne auskommt und bei dem ein zur Messung erforderlicher Mindestabstand des Füllgutes zur Antenne möglichst gering ist.
Hierzu besteht die Erfindung in einem mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mit
- einem Mikrowellengenerator,
- einer Antenne mit planarer Antennenstruktur,
- die dazu dient die Mikrowellen in Richtung des Füllgutes zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen,
-- bei der die planare Antennenstruktur mindestens zwei Sende- und/oder Empfangselemente aufweist. Gemäß einer Ausgestaltung befinden sich die Sende- und/oder Empfangselemente jeweils in einem Teilbereich der Antenne.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die Sende- und/oder Empfangselemente ineinander verschachtelt angeordnet.
Gemäß einer Ausgestaltung dient zur Messung eines Füllstandes in einem Nahbereich vor der Antenne mindestens eines der Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Empfänger.
Gemäß einer Weiterbildung dienen zur Messung eines Füllstandes in einem Fernbereich vor der Antenne alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger.
Gemäß einer Weiterbildung dient mindestens ein Sende- und/oder Empfangselement ausschließlich als Sender und die übrigen Sende- und/oder Empfangselemente dienen ausschließlich als Empfänger, und es wird ein Differenzsignal ermittelt, das der Differenz aus an den Sendern anliegenden Sendesignalen und von den Empfängern empfangenen Empfangssignalen entspricht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die zu sendenden Mikrowellen Frequenzen auf, die größer als 20 GHz sind.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Antenne durch die planare Antennenstruktur ein sehr hohes Maß an Flexibilität liefert. Die Antennenstruktur kann nach belieben in mehrere Sende- und/oder Empfangselemente aufgeteilt werden und jedes Sende- und/oder Empfangselement kann optimal genutzt werden. Hierdurch steht z.B. bei Messungen im Fernbereich eine hohe Sendeleistung zur Verfügung und bei Messungen im Nahbereich ist durch die Aufteilung der Sende- und/oder Empfangselemente in reine Sendeelemente und reine Empfangselemente ein Übersprechen vom Sender zum Empfänger deutlich reduziert. Der einzige zusätzliche Aufwand, der zur Nutzung dieser Vorteile erforderlich ist, ist eine entsprechende Beschaltung der einzelnen Sende- und/oder Empfangselemente. Diese ist einfach zu bewerkstelligen und hat keinerlei Leistungseinbußen zur Folge. Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen vier Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Meßanordnung mit einem auf einem Behälter angeordneten mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgerät;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer planaren Antennenstruktur, die ein erstes Sende- und/oder Empfangselement und ein in einem anderen Teil der Antennenstruktur angeordnetes zweites Sende- und/oder Empfangselement aufweist;
Fjg. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer planaren Antennenstruktur, die zwei einander gegenüberliegend angeordnete Sende- und/oder Empfangselemente aufweist, die durch zwei weitere einander gegenüberliegend angeordnete Sende- und/oder Empfangselemente voneinander getrennt sind;
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer planaren Antennenstruktur, die eine Vielzahl von in einer ersten Antennen hälfte angeordneten Sende- und/oder Empfangselementen und eine Vielzahl von in einer zweite Antennenhälfte angeordneten Sende- und/oder Empfangselementen aufweist;
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer planaren Antennenstruktur, die eine Vielzahl von schachbrettartig ineinander verschachtelt angeordneten Sende- und/oder Empfangselementen aufweist;
Fig. 6 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem einige Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und einige Sende- und/oder Empfangselemente als Empfänger arbeiten;
Fig. 7 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem bei Messungen in Nahbereich ein Teil der Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Sender und die übrigen Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Empfänger dienen und bei der bei Messungen im Fernbereich alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger dienen; und Fig. 8 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem einige Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und einige Sende- und/oder Empfangselemente als Empfänger arbeiten und eine Differenz aus einem Sendesignal und Empfangssignal gebildet wird, die zur Bestimmung des Füllstandes mit herangezogen wird.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Meßanordnung mit einem auf einem Behälter 1 angeordneten mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgerät 3. Das Füllstandsmeßgerät 3 ist z.B. mittels einer Flanschverbindung auf dem Behälter 1 befestigt. Der Behälter 1 ist mit einem Füllgut 5, dessen Füllstand zu messen ist, gefüllt.
Das Füllstandsmeßgerät 3 umfaßt eine Antenne 7, mit einer nachfolgend in Verbindung mit den in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschriebenen planaren Antennenstruktur. Die Antenne 7 ragt in den Behälter 1 hinein und dient dazu Mikrowellen in Richtung des Füllgutes 5 zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen. Hierzu weist die planare Antennenstruktur mindestens zwei Sende- und/oder Empfangselemente auf. Das Füllstandsmeßgerät 3 weist einen Mikrowellengenerator 9 auf. Als Mikrowellengenerator 9 eignet sich z.B. ein in planarer Schaltungstechnik aufgebautes Pulsradar-Gerät, ein in planarer Schaltungstechnik aufgebautes FMCW-Gerät oder ein in planarer Schaltungstechnik aufgebauter kontinuierlich schwingender Mikrowellen-Oszillator.
Der Mikrowellengenerator 9 speist jeweils diejenigen Sende- und/oder Empfangselemente, die entweder ausschließlich als Sender oder als Sender und als Empfänger dienen.
Vorzugsweise werden Mikrowellen mit Frequenzen oberhalb von 20 GHz, z.B. 24 GHz, erzeugt und gesendet. Oberhalb von 20 GHz ist die Wellenlänge der Mikrowellen ausreichend gering, um verhältnismäßig kleine planare Antennenstrukturen verwenden zu können. Bei 24 GHz können z.B. auf einer Antennenstruktur mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern bis zu ein bis zwei Dezimetern bequem mehrere Sende- und/oder Empfangselemente untergebracht sein. Diese geringen Abmessungen bieten den Vorteil, daß die Antenne 7 entsprechend klein ist und somit leicht auch durch Behälteröffnungen von geringer Nennweite eingeführt werden kann.
Die Mikrowellen werden von den als Sender dienenden Sende- und/oder Empfangselementen zur Füllgutoberfläche gesendet und die an der Füllgutoberfläche reflektierten Mikrowellen werden von den als Empfänger dienenden Sende- und/oder Empfangselementen empfangen. Die eingehenden Mikrowellen werden einer Empfangs- und Auswerteschaltung 41 zugeführt, die eine Laufzeit der Mikrowellen zur Füllgutoberfläche und zurück ermittelt und daraus den momentanen Füllstand bestimmt.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer planaren Antennenstruktur, die ein erstes, in Fig. 2 durch durchgezogenen Linien dargestelltes, und ein zweites, in Fig. 2 durch gepunktete Linien dargestelltes, Sende- und/oder Empfangselement 11 , 13 aufweist. Die Sende- und/oder Empfangselemente 11 , 13 sind metallische Strukturen, die auf einer vom Füllgut 5 abgewandten Seite eines dielektrischen Substrats 15 aufgebracht sind. Auf einer dem Füllgut zugewandten Seite des dielektrischen Substrats ist eine leitfähige Schicht 17, z.B. in Form einer Beschichtung des dielektrischen Substrats 15, vorgesehen, die Ausnehmungen 19 aufweist, deren Form und Anordnung vorzugsweise so gewählt ist, daß nur elektromagnetische Wellen eines gewünschten Modes abgestrahlt werden. In dem dargestellten Ausführungbeispiel sind die !
Ausnehmungen 19 sich radial nach außen erstreckende Schlitze, die zum Senden des TE-01 Modes besonders geeignet sind.
Auf einer von dem dielektrischen Substrat 15 abgewandten Seite der leitfähigen Schicht 17 ist eine Schutzschicht 21 vorgesehen, die aus einem Dielektrikum besteht. Diese Schutzschicht 21 bildet den Abschluß der Antenne in füllgutzugewandter Richtung. Als Dielektrikum ist daher vorzugsweise ein chemisch beständiger Werkstoff, z.B. Polytetrafluorethylen (PTFE) oder ein Verbundwerkstoff aus Polytetrafluorethylen und Keramik und/oder Glasfaser, einzusetzten.
Auf einer von der leitfähigen Schicht 17 und im Betrieb vom Füllgut 5 abgewandten Seite des Substrats 15 ist eine weitere dielektrische Scheibe 23 vorgesehen. Die Scheibe 23 weist eine Ausnehmung 25 auf, durch die ein in Fig. 2 nicht dargestelltes Anschlußelement eingeführt werden kann. Das Anschlußelement ist so auszubilden, daß es eine Verbindung zu jedem Sende- und/oder Empfangselement 11 , 13 herstellt. Vorzugsweise erfolgt der elektrische Anschluß der leitfähigen Schicht 17 an Masse oder an ein festes Bezugspotential ebenfalls über dieses Anschlußelement.
Hierzu können entweder in dem Substrat durchgehende Bohrungen 27 vorgesehen sein, durch die entsprechend geformte und angeordnete Stifte des Anschlußelements hindurch zu der leitfähigen Schicht 17 geführt werden können, oder es können an der gleichen Stelle mit der leitfähigen Schicht 17 verbundene Kontaktstifte durch das Substrat 15 hindurch geführt sein.
In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Sende- und/oder Empfangselement 11 in einem ersten Teil der Antennenstruktur und das zweite Sende- und/oder Empfangselement 13 in einem zweiten Teil der Antennenstruktur angeordnet. Jedes der Sende- und/oder Empfangselemente 11 , 13 ist eine sich astartig radial nach außen erstreckende Struktur, die jeweils einen Halbkreis des Substrats 15 füllt. Die Äste des ersten Sende- und/oder Empfangselements 11 laufen in einem Punkt 29 in der Mitte des Substrats zusammen, an dem der Anschluß des ersten Sende- und/oder Empfangselements 11 mit dem Anschlußelement erfolgt. Die Äste des zweiten Sende- und/oder Empfangselments 13 laufen in einem Kreissegment 31 nahe der Mitte des Substrats zusammen, an dem der Anschluß des zweiten Sende- und/oder Empfangselements 13 mit dem Anschlußelement erfolgt.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren planaren Antennenstruktur. Es ist hier der Einfachheit halber nur das Substrat 15 mit der darauf aufgebrachten Struktur dargestellt. Die anderen Komponenenten können identisch aus dem vorherigen Ausführungsbeispiel übernommen werden. Die planare Antennestruktur weist zwei einander gegenüberliegend angeordnete Sende- und/oder Empfangselemente 33 auf, die durch zwei weitere einander gegenüberliegend angeordnete Sende- und/oder Empfangselemente 35 voneinander getrennt sind. Die kreisförmige Oberfläche des Substrats 15 wird hierdurch in vier Viertelkreise aufgeteilt. Durch entsprechende Ausbildung des Anschlußelements können die vier Sende- und/oder Empfangselemente 33, 35 entweder jeweils einzeln oder paarweise angeschlossen werden.
In den Figuren 4 und 5 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele von planaren Antennenstrukturen dargestellt, die jeweils eine Vielzahl von Sende- und/oder Empfangselementen 37 aufweisen. Es ist auch bei diesen Ausführungsbeispielen der Einfachheit halber nur das Substrat 15 mit der darauf aufgebrachten Struktur dargestellt. Die anderen Komponenenten können identisch aus dem vorherigen Ausführungsbeispiel übernommen werden.
Jedes Sende- und/oder Empfangselement 37 nimmt eine im Vergleich zur Substratoberfläche kleine Fläche ein und ist symbolisch durch ein Kästchen dargestellt. Natürlich kann auch hier jedes Sende- und/oder Empfangselement 37 einzeln angeschlossen werden, indem z.B. in der dielektrischen Schicht 23 entsprechend viele Bohrungen vorgesehen werden, durch die der Anschluß erfolgt.
Vorzugsweise erfolgt jedoch der Zusammenschluß mehrer Sende- und/oder Empfangselemente 37, z.B. nach deren Funktion. So können z.B. wie in Fig. 4 dargestellt, alle im rechten Teil des Substrats angeordneten Sende- und/oder Empfangselemente 37 und alle im linken Teil angeordneten Sende- und/oder Empfangselemente 37 zu einem Funktionsblock zusammengeschaltet sein. Die Zuordnung ist in Fig. 4 symbolisch eingetragen, indem die eine Hälfte der Sende- und/oder Empfangselemente 37 mit einem Kreuz markiert wurde.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ebenfalls eine solche Zuordnung zu Funktionsblöcken durch Kreuze markiert. Hier sind zwei Funktionsblöcke vorgesehen und die zugehörigen Sende- und/oder Empfangselemente 37 sind schachbrettartig ineinander verschachtelt angeordnet.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Antenne mit einer planaren Antennenstruktur, die mindestens zwei Sende- und/oder Empfangselemente aufweist bietet ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich der Nutzung der einzelnen Sende- und/oder Empfangselemente.
Vorzugsweise dient bei einer Messung eines Füllstandes in einem Nahbereich vor der Antenne 7 mindestens eines der Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Empfänger. Hierdurch wird erreicht, das ein durch das Senden verursachtes Störsignal am Empfänger sehr viel schneller Abgeklungen ist und eine sehr viel geringere Amplitude aufweist, als dies der Fall wäre, wenn dieses Sende- und/oder Empfangssignal auch zum Senden dienen würde. Entsprechend ist die Blockdistanz des so ausgebildeten Füllstandsmeßgeräts geringer. Die einfachste Form, in der dies realisiert werden kann ist in Fig. 6 in Form eines Prinzipschaltbildes dargestellt. Es sind alle vorhandenen Sende- und/oder Empfangselemente eingeteilt in solche, die ausschließlich als iin Fig. 6 mit S bezeichnete Sender dienen und solche die ausschließlich als in Fig. 6 mit E bezeichnete Empfänger dienen. Die Sender S werden von dem Mikrowellengenerator 9 gespeist und die Empfänger E leiten von Ihnen empfangene Empfangssignale an die Empfangs- und Auswerteschaltung 41 weiter. Die Empfangs- und Auswerteschaltung 41 ermittelt die Laufzeit der Mikrowellen vom Füllstandsmeßgerät zur Füllgutoberfläche und zurück und bestimmt daraus den momentanen Füllstand. Hierzu ist ein Zeitbezug erforderlich, der in Fig. 6 lediglich symbolisch durch eine Referenzzeit t0 dargestellt ist. Die Refere zzeit t0 ist beispielsweise ein Triggerimpuls, der gleichzeitig das Senden eines Mikrowellenpulses auslöst und eine interne Zeitmessung in der Empfangs- und Auswerteschaltung 41 startet.
Es kann z.B. bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel das erste Sende- und/oder Empfangselement 11 ausschließlich als Sender und das zweite Sende- und/oder Empfangselement 13 ausschließlich als Empfänger dienen. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel können die beiden Sende- und/oder Empfangselement 33 ausschließlich als Sender und die beiden Sende- und/oder Empfangselement 35 ausschließlich als Empfänger dienen. Bei dem in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen können die mit einem Kreuz versehenen Sende- und/oder Empfangselemente 37 ausschließlich als Sender und die Sende- und/oder Empfangselemente 37 ohne Kreuz ausschließlich als Empfänger dienen. Die Trennung in Sender und Empfänger bewirkt eine deutliche Reduzierung der Blockdistanz.
Bei einer Messung im Fernbereich vor der Antenne 7 steht allerdings in diesem Fall weniger Sendeleistung zur Verfügung. Während die Trennung in Sender und Empfänger im Nahbereich sehr wichtig ist, ist sie bei einer Messung im Fernbereich unerheblich, da die Laufzeit der Mikrowellen bei diesen Messungen groß ist im Vergleich zu der Zeit, in der ein durch das Senden verursachtes Störsignal abgeklungen ist. Vorzugsweise werden daher bei einer Messung eines Füllstandes in einem Fernbereich vor der Antenne 7 alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger dienen. Ein Maß dafür, ob ein Messergebnis im Nahbereich oder im Fernbereich liegt ist z.B. die Blockdistanz, die das Füllstandmeßgerät aufweist, wenn alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger dienen. Es kann daher bei der Inbetriebnahme eine Testmesssung vorgenommen werden, die dazu dient festzustellen, in welchem Meßbereich sich der Füllstand befindet. Anschließend kann im normalen Meßbetrieb z.B. der zuletzt gemessene Füllstand herangezogen werden, um dies festzustellen. Sobald der Füllstand in die Nähe des Nahbereichs gelangt, wird mindestens ein Sende- und/oder Empfangselement ausschließlich als Empfänger eingesetzt. Im Fernbereich werden alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger eingesetzt.
Fig. 7 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem bei Messungen in Nahbereich ein Teil der Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Sender und die übrigen Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Empfänger dienen und bei der bei Messungen im Fernbereich alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger dienen.
Der Mikrowellengenerator 9 ist hier über einen Richtkoppler oder Zirkulator 43 mit denjenigen in Fig. 7 mit S bezeichneten Sende- und/oder Empfangselemten vebunden, die bei Messungen im Nahbereich ausschließlich als Sender dienen. Entsprechend ist die Empfangs- und Auswerteschaltung 41 bei Messungen im Nahbereich mit denjenigen in Fig. 7 mit E bezeichneten Sende- und/oder Empfangselemten verbunden, die bei Messungen im Nahbereich ausschließlich als Empfänger dienen.
Bei einer Messung im Nahbereich entspricht das Prinzipschaltbild also dem in Fig. 6 dargestellten Prinzipschaltbild. Bei einer Messung im Fernbereich werden dagegen alle Sende- und/oder Empfangselemente über eine die beiden Funktionsblöcke verbindende Leitung 45 zusammengeschaltet. Die Leitung 45 ist mit einem elektronischen Schalter 47 versehen, der bei einer Messung im Nahbereich geöffnet und bei einer Messung im Fernbereich geschlossen ist. Entsprechend ist in der Verbindung zwischen der Empfangs- und Auswerteschaltung 41 und den bei einer Messung im Nahbereich aussschließlich als Empfänger dienenden Sende- und/oder Empfangselementen E ein Schalter 49 vorgesehen, der bei Messungen im Nahbereich geschlossen ist und bei Messungen im Fernbereich geöffnet ist. Bei Messungen im Fernbereich werden die von den Sende- und/oder Empfangselementen E empfangenen Signale über die Leitung 45 mit den von den Sende- und/oder Empfangselementen S empfangenen Signalen zusammengeführt und über den Richtkoppler oder Zikulator 43 über eine mit einem Schalter 51 versehene Verbindung 53 zur Empfangs- und Auswerteschaltung 41 geführt. Der Schalter 51 ist bei einer Messung im Nahbereich geöffnet und bei einer Messung im Fernbereich geschlossen.
Die Steuerung der Schalter 47, 49, 51 erfolgt durch eine Steuerschaltung 55, die an die Empfangs- und Auswerteschaltung 41 angegliedert ist. Es wird in der Empfangs- und Auswerteschaltung 41 der momentane Füllstand bestimmt und z.B. mit einem Referenzwert verglichen. Liegt der Füllstand oberhalb dieses Referenzwerts, so wird die nachfolgende Messung als eine Messung im Nahbereich durchgeführt indem die Steuerschaltung 55 die zugehörigen Schalterstellungen durch Steuersignale einstellt. Liegt der Füllstand unterhalb dieses Referenzwerts, so wird die nachfolgende Messung als eine Messung im Fernbereich durch geführt indem die Steuerschaltung 55 die zugehörigen Schalterstellungen durch Steuersignale einstellt. Um im Grenzbereich am Übergang vom Nahbereich zum Fernbereich einen ständigen Meßmoduswechsel zu verhindern kann hier eine Hysteresefunktion eingebaut sein, indem z.B. zwei unterschiedliche Referenzwerte eingesetzt werden, wobei erst ein Unterschreiten des unteren Referenzwertes einen Wechsel vom Nahbereichsmodus in den Fernbereichsmodus bewirkt und erst ein Überschreiten des oberen Referenzwertes einen Wechsel vom Fernbereichsmodus in den Nahbereichsmodus bewirkt.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Prinzipschaltbild für ein erfindungsgemäßes Füllstandsmeßgerät. Es dient bei diesem Füllstandsmeßgerät mindestens ein Sende- und/oder Empfangselement S ausschließlich als Sender. Diese Sende- und/oder Empfangselemente S sind mit dem Mikrowellengenerator 9 verbunden. Die übrigen Sende- und/oder Empfangselemente E dienen ausschließlich als Empfänger und sind mit einem Eingang der Empfangs- und Auswerteschaltung 41 verbunden. Zusätzlich ist eine Differenzbildungseinheit 57 vorgesehen, die ein Differenzsignal ermittelt, das der Differenz aus an den Sendern anliegenden Sendesignalen und von den Empfängern empfangenen Empfangssignalen entspricht. Hierzu ist ein Eingang der Differenzbildungeinheit 57 mit dem Mikrowellengenerator 9 und ein weiterer Eingang mit den Sende- und/oder Empfangselementen E verbunden. Die Differenzbildung kann entweder durch entsprechende direkte Überlagerung der Signale erfolgen oder indem die eingehenden Signale erfaßt und in digitaler Form aufgezeichnet werden. Die Differenzbildung der aufgezeichneten Daten erfolgt dann z.B. mittels eines Mikrocomputers. Vorzugsweise sind eine Verzögerungseinheit 59 und eine Dämpfungseinheit 61 , die eine Verzögerung und eine Dämpfung des vom Mikrowellengenerator 9 eingehenden Signals um eine einstellbare Verzögerungszeit T und einen Dämpfungsfaktor ά erlauben, vorgesehen. Diese Umskalierungen können entweder auf analogem Wege mittels entsprechender elektronischer Komponenten erfolgen oder an den abgespeicherten Daten rechnerisch vorgenommen werden.
Das Differenzsignal dient der Verbesserung der Messgenauigkeit und ist hierzu der Empfangs- und Auswerteinheit 41 zugeführt. Es kann z.B. ein trotz der Trennung von Sendern und Empfängern bestehendes geringes Übersprechen von den Sendern auf die Empfänger durch entsprechende Überlagerung der Empfangssignale mit den Differenzsignalen nahzu vollständig korrigiert werden. Die hierzu erforderlichen Kenndaten des Füllstandsmeßgeräts, z.B. die Verzögerungszeit T und der Dämpfungsfaktor ά können mittels einer Werkskalibration ermittelt und fest im Gerät abgespeichert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes (5) in einem Behälter (1) mit
- einem Mikrowellengenerator (39), und
- einer Antenne (7) mit planarer Antennenstruktur,
- die dazu dient die Mikrowellen in Richtung des Füllgutes (5) zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen,
-- bei der die planare Antennenstruktur mindestens zwei Sende- und/oder Empfangselemente (11 , 13, 33, 35, 37, S, E) aufweist.
2. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 , bei dem sich die Sende- und/oder Empfangselemente (11 , 13, 33, 35, 37) jeweils in einem Teilbereich der Antenne (7) befinden.
3. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 , bei dem die Sende- und/oder Empfangselemente (37) ineinander verschachtelt angeordnet sind.
4. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 , bei dem zur Messung eines Füllstandes in einem Nahbereich vor der Antenne mindestens eines der Sende- und/oder Empfangselemente (E) ausschließlich als Empfänger dient.
5. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 4, bei dem zur Messung eines Füllstandes in einem Fernbereich vor der Antenne alle Sende- und/oder Empfangselemente (S, E) als Sender und als Empfänger dienen.
6. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 , bei dem mindestens ein Sende- und/oder Empfangselement (S) ausschließlich als Sender dient und die übrigen Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Empfänger (E) dienen und bei dem ein Differenzsignal ermittelt wird, das der Differenz aus an den Sendern anliegenden Sendesignalen und von den Empfängern empfangenen Empfangssignalen entspricht.
7. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 , bei dem die zu sendenden Mikrowellen Frequenzen aufweisen, die größer als 20
GHz sind.
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EP1434974B1 (de) * 2001-10-10 2016-12-28 Endress + Hauser GmbH + Co. KG Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des füllstandes eines füllguts in einem behälter

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