EP1922528A1 - Vorrichtung zur ermittlung und überwachung des füllstandes eines mediums in einem behälter - Google Patents

Vorrichtung zur ermittlung und überwachung des füllstandes eines mediums in einem behälter

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Publication number
EP1922528A1
EP1922528A1 EP06793154A EP06793154A EP1922528A1 EP 1922528 A1 EP1922528 A1 EP 1922528A1 EP 06793154 A EP06793154 A EP 06793154A EP 06793154 A EP06793154 A EP 06793154A EP 1922528 A1 EP1922528 A1 EP 1922528A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
conductive
coupling
container
region
base body
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Withdrawn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
EP06793154A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Reimelt
Dirk Osswald
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
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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 EP1922528A1 publication Critical patent/EP1922528A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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 device for detecting and monitoring the level of a medium in a container having a coupling unit for coupling / decoupling measuring signals on at least one extending into the container conductive first element, with a provided in the region of the coupling unit first fastener for fastening the device to the container and with a control / evaluation unit for determining a fill level measurement signal.
  • Such devices can be found, for example, in measuring devices of process measurement technology. These gauges are commonly used in automation and process control technology to provide a process variable, such as a process variable. Determine boundary layer, level, dielectric constant or a different physical and / or chemical process variable in a process flow.
  • a process variable such as a process variable. Determine boundary layer, level, dielectric constant or a different physical and / or chemical process variable in a process flow.
  • the Applicant produces and distributes measuring instruments under the name Levelflex and Multicap, which are primarily intended to determine and / or monitor the level of a medium in a container.
  • a microwave pulse, time domain reflectometry or TDR measurement method (Time Domain Reflection) is used to emit a high-frequency pulse along a Sommerfeld or Goubausch waveguide or coaxial waveguide, which at a discontinuity of the DK value ( Dielectric constant) of the medium surrounding the waveguide is partially reflected back. From the time difference between the emission of the high-frequency pulse and the reception of the reflected echo signal of the medium, the level can be determined.
  • the FMCW method Frequency Modulated Continuous Waves
  • the frequency range of a continuous measurement signal is changed and the distance is measured by the frequency difference of the emitted to the reflected measurement signal, is also executable in the context of the above measurement principle.
  • Another measuring principle from a variety of measurement methods to determine the level in a container is the determination of the capacitance change of a capacitive measurement setup with a medium contacting probe and the corresponding container wall or reference probe when the degree of coverage of the probe with the medium or Fluid level in the container changes.
  • contacting level measurement method in which a probe with the medium to be measured directly comes into contact.
  • This probe is usually mounted in a vessel via a process port, port, or port so that the sensing electronics are out of process, ie not in contact with the media, and the probe is integrated into the process.
  • the following references discuss the structure of such probes or waveguides and the coupling of the measuring signals into these probes.
  • EP 1 069 649 A1 shows the waveguide for a level gauge with a simple structure which combines the advantages of the single-wire and known multiwire waveguide by showing no interaction with container installations and which can be easily detected by or deposits to clean. This has been achieved by the fact that the multi-wire waveguides are at least partially surrounded by a dielectric medium in the process and thus can not form an attachment between the individual waveguides.
  • the object of the invention is to provide a coupling that is inexpensive, efficient, with high transmission quality but also at the same time mechanically and chemically stable.
  • the coupling unit has a base body made of a dielectric material and that at least one conductive second element is embedded in the base body, so that the conductive first element and the conductive second element in the area of the main body to each other and the container are electrically isolated.
  • the conductive second element is formed, for example, as a tubular shield conductor, which is positioned coaxially and galvanically separated in the main body in the coupling region around the conductive first element and thus a multi-conductor system is formed.
  • the conductive second element is completely surrounded by the material of the base body on the process side and is thus not process-touching, whereby no sealing elements have to be introduced between the base body and the conductive second element and no highly resistant material, such as VA steel, can be used.
  • the conductive second element is for example as a simple sheet metal bent part or formed as a wire mesh. If the base body has a modular design, it is also conceivable to use a shaped part corresponding to the conductive second element via a coating process with a conductive coating, for example a coating. As metal to provide.
  • the container is made of a conductive material or that in the case that the container is made of a non-conductive material, the container at least in the wider region of the fastener a conductive coating having.
  • the container consists of an electrically conductive material.
  • the roof area around the process connection of the measuring device of the conductive container acts as a reflector, as a result of which more signal intensity of the measuring signal is coupled to the measuring probe during the transition from the multi-conductor system or less signal energy is lost.
  • the ratio between transmission and reflection of the coupled measurement signal in the transition from the multi-conductor system to the probe is greatly increased or improved. For this reason, the measuring accuracy and the measuring sensitivity of the measuring device are significantly increased.
  • the container is not made of a conductive material, it is possible by a coating method, for. As the application of a conductive paint on the outer surface or inner surface of the container to achieve the effect described above.
  • This embodiment with a conductive coated container made of a dielectric base material is also advantageous in a measuring probe with a conventional coupling unit according to the prior art, which consists of a metallic base body.
  • a first coupling region which is located in the region of the fastening element between the outer surface of the conductive second element and the container, is dimensioned such that an optimized electromagnetic coupling of the measuring signal with sufficient mechanical Stability of the basic body is given.
  • An electromagnetic coupling between the conductive second element and the conductive container can be optimized in that the coupling surface is as large as possible and the distance of the coupling elements is as small as possible, but the benefits of this condition must be weighed against the condition of mechanical stability of the body.
  • An expedient embodiment of the device according to the invention is that the first coupling region for electromagnetic coupling in structure, Shape, coupling surface and / or gap width is configured so that substantially forms a defined mode of the measurement signal in a coupling region between the conductive first element and the conductive second element and / or configured in a measuring range of the conductive first element.
  • the conductive element consists of at least two subcomponents, an inner conductor and a measuring probe. Due to the two-part design of the conductive first element, it is easily possible to replace the measuring probe on the device.
  • a second coupling region is formed for the electromagnetic coupling of the measurement signals.
  • the inner conductor of the first conductive first element and the outer conductor of the conductive second element is completely enclosed by the material of the base body and thus configured completely separated from the process.
  • a particularly advantageous embodiment of the device according to the invention is provided that the two sub-components are mechanically connected to each other by means of a fastening and positioning element and that the Befest Trentsund positioning element is embedded in the main body of the coupling unit.
  • an advantageous embodiment of the solution according to the invention is that the main body of the coupling unit is modular or multi-part design.
  • a very advantageous variant of the solution according to the invention is the fact that the main body of the coupling unit is designed in one piece.
  • the conductive first element and the conductive second element are made of a metal, made of an electrically conductive plastic and / or metallic or conductive coated parts of a dielectric material / is.
  • a further advantageous embodiment of the device of the invention can be seen in the fact that it is the dielectric material is a plastic that can be preferably processed by injection molding, and / or is a ceramic.
  • the conductive second element has openings, wherein the corresponding openings of the dielectric material of the base body at least partially filled. Due to the filling of the openings, mechanical forces, for example tensile forces, which can occur in the region between the conductive first element and the conductive second element due to, for example, tensile forces on the measuring probe, can be dissipated to the outside or to the process connection. Thus, it is avoided that at the points where the base body surrounds the embedded conductive second element process side, due to mechanical force strong crench and shear forces occur, which can lead to fatigue failure or rupture of the body at these locations.
  • mechanical forces for example tensile forces
  • FIG. 1 shows a schematic overall representation of a prior art time domain reflectometer with a Sommerfeld waveguide
  • FIG. 3 shows a longitudinal sectional view of the coupling unit according to a first embodiment
  • FIG. 5 shows a longitudinal sectional view of the coupling unit according to a third embodiment
  • Fig. 6 an exploded view of the coupling unit according to the third Ausrete tion form
  • FIG. 7 shows a three-dimensional exploded view with partial section of the coupling unit according to a third embodiment.
  • Fig. 1 shows an application of the device 1 according to the invention as a time domain reflectometer 32 measuring system or TDR Messsytem (Time Domain Reflectometry) for determining the continuous level 2 of a medium 3 in a container 4.
  • a time domain reflectometer 32 measuring system or TDR Messsytem (Time Domain Reflectometry) for determining the continuous level 2 of a medium 3 in a container 4.
  • TDR Messsytem Time Domain Reflectometry
  • This meter is on a process connection 8, such.
  • the TDR measurement method works according to the following measurement principle: About the probe 21 are electromagnetic waves 9, the skin effect in the environment and on the surface of the probe 21 are guided along, in the direction of the medium 3 and the process space 22 emitted. These electromagnetic waves 9 are partially reflected back at a DK value jump or a discontinuity of the dielectric factor e r of the surrounding medium 3 and a concomitant change in the characteristic impedance. This discontinuity is present, for example, when the dielectric constant e rl of the gas phase superimposed on the medium 3, in particular of the air (e rl «l), is smaller than the dielectric constant e r2 of the medium 3.
  • the measured transit time of the electromagnetic waves 9 is determined by a Conversion using the formula of the shaft speed determines the distance traveled. This difference distance corresponds to the height of the container 4 minus the level 2 of the medium 3 in the container 4. Since the height of the container 4 and the position of the coupling of the electromagnetic waves 9 is known, thus the level 2 in the container 4 can be determined.
  • the electromagnetic waves are generated for example as pulses with a bandwidth of 0 - 1.5 GHz in the transmitting / receiving unit 11 and coupled by means of a coupling unit 13 as a transmission signal S in a Sommerfeld waveguide 21.
  • a coupling unit 13 As a transmission signal S in a Sommerfeld waveguide 21.
  • the reflection signals R returning to the waveguide 21 due to the discontinuity of the dielectric constant e r of the surrounding medium 3 are in turn received in the transmitting / receiving unit 11 and preprocessed.
  • these preprocessed measuring signals 10 are evaluated metrologically and signal technically in the control / evaluation unit 12 and processed so that the measured value of the filling level 2 or an echo curve signal representing the conditioned envelope of the measuring signal 10 is transmitted to the fieldbus 30 via a bus interface 29 Control station is forwarded.
  • the measured value of the level 2 or the echo curve signal can also be displayed on an integrated display or an output / input unit of the device 1, which is not explicitly shown here.
  • the power supply 31 of the device 1 or the measuring device is realized for example by means of a Zeidraht line.
  • the line to the power supply 31 is omitted if it is the measuring device or device 1 is a so-called two-wire measuring device whose communication via the field bus 30 and power supply 31 exclusively and simultaneously via a two-wire line.
  • the data transmission or communication via the fieldbus 30, for example, according to the CAN, HART, PROFIBUS DP, PROFIBUS FMS PROFIBUS PA, or FOUNDATION FIELDBUS standard.
  • a time domain reflectometer 32 for determining the level 2 of a medium 3 in a container 4 is shown with a measuring probe 21 which is formed as a rod or rope-shaped surface waveguide 21 which conducts the electromagnetic waves.
  • This embodiment of the device 1 can also be used as a capacitive measuring system for determining the level 2 of a medium 3 in a container 4, wherein the capacitance determined between the measuring probe 21 and a reference electrode or the inner wall 6 of the container 4 by a measuring signal 10 of the level 2 and the dielectric constant e r of the medium 3 is dependent.
  • the base body 16 consists of a metallic or electrically conductive material 24, which forms a coaxial conductor 18a as outer conductor 20 together with the conductive first element 14 or the waveguide 21 as inner conductor 19 in the coupling region 34.
  • a fastening element 17 for example a threaded screw connection, the main body 16 is firmly connected to the container 4. If a conductive or metallic container 4a is used to store the medium 3, there is furthermore an electrically conductive contact between the base body 16 and the conductive or metallic container 4a via fastening element 17.
  • the measuring signal 10 is fed into the inner conductor 19 via a coaxial connector 33 or the conductive first element 14 and decoupled.
  • the inner conductor 19 is mechanically held and fixed in particular in the base body 16 by an inner conductor thickening 19b. Due to the coaxial configuration of the coupling-in region 34, a TEM mode of the coupled-in measuring signal 10 forms there, which represents a preferred embodiment for virtually lossless and interference-free forwarding of the coupled-in measuring signal 10.
  • a formation of a TM 01 mode in the vicinity of the waveguide 21 is achieved for optimal measurement of the level 2 of a medium 3 in a container 4, that the transition from the conductive base body 16 to the conductive or metallic container 4a represents an expansion by 180 ° of the outer conductor 20 or conductive second element 15.
  • the tank roof has the effect of a reflector adjoining the coupling region 34, whereby less energy is lost in the transition region from the coaxial conductor 18a in the coupling region 34 to a single waveguide 21 in the measuring region 35.
  • the tank roof acts as a strong reflector.
  • a sealing member 25 are introduced, which is not explicitly shown in Fig. 2, but in Fig. 3, 5 and 6 is shown.
  • FIG. 3 shows a longitudinal sectional view of a first coupling unit 13 according to the invention.
  • the base body 16 consists of a dielectric material 23. Via a fastening element 17, eg a thread screw connection, the base body 16 is mechanically fixed in the region of a process connection 8 and through the sealing elements 25 also for media 3 hermetically sealed to the container 4.
  • the measuring probe or the waveguide 21 as a multi-conductor system 19 with an outer conductor 20 and an inner conductor 19, in particular as a coaxial conductor 19 a executed.
  • the inner conductor 19 is mechanically held and fixed in particular in the base body 16 by an inner conductor thickening 19b.
  • the measuring signal 10 is coupled into and out of the inner conductor 19 or the conductive first element 14 via a coaxial connector 33.
  • the inner conductor 19 made of a metallic or conductive material 24 is embedded in the base body 16 of a dielectric material 23 and by a sealing element 25, eg O-ring, between the two materials 23, 24 hermetically sealed.
  • the design of the base body 16 of the coupling-in unit 13 made of a dielectric material 23 has the advantage that the rather expensive metallic basic body 16, as shown in FIGS. 1 and 2, can be produced by a simple and cost-effective production method, eg injection molding, hot stamping , Casting, pressing or rapid-proto-typing, can be made with low-cost materials, such as plastics or ceramics.
  • an external conductor 20 has to be inserted into or onto the dielectric base body 16. If a metallic or conductive material 4a is applied to the outer surface of the base body 16 by a method, eg vapor deposition, an outer conductor 20 has been created, but this layer application is not particularly mechanically or chemically stable. This embodiment has not been explicitly shown in the figures. Another possibility is to embed a conductive second element 15 galvanically separated from the conductive first element 14 in the base body 16, so that between a metallic or a conductive container 4a and the conductive second element 15 via a coupling surface 28 a first coupling region 26a forms.
  • the gap width 27 and the coupling surface 28 of this first coupling region 26a are selected so that given sufficient mechanical stability of the base body 16 due to tensile and shear forces due to the mechanical load of the conductive first element 14 optimal electromagnetic coupling 26 is given.
  • an optimal transition of the coupled measurement signal 10 into the conductive first element 14 from the coaxial conductor 18a with a trained TEM mode of the measurement signal 10 in the coupling region 34 on a Sommerfeld or Goubau - waveguide 21 with a trained TMOl mode of the measurement signal 10 in Measuring range 35 reaches, as already described in Fig. 2.
  • the conductive second element 15 is completely embedded in the dielectric material 23 of the base body 16, so that no additional sealing element 25 must be introduced between these parts 23, 25 in order to maintain the hermetic process seal.
  • the coupling unit 13 should couple as much intensity of the measurement signal 10 or intensity of the electromagnetic wave 9 in the probe 21 by the measuring signal 10 at the transition from the coaxial conductor 18a or multi-conductor 18 to a single conductor or a Measuring probe 21 is hardly reflected back.
  • a first coupling region 26a can be produced by applying a conductive coating to the outer wall 5, inner wall 6 or into the intermediate region of the wall 7 in the region of the process connection 8 or the roof of the container 4b become.
  • Fig. 4 shows a longitudinal sectional view of a second embodiment according to the invention of a coupling unit 13.
  • the coupling unit 13 is almost the same as in Fig. 3 configured. The difference is that also the inner conductor 19 or the conductive first element 14 is designed in two parts with a second coupling region 26b. Due to the design of a two-part galvanically separated inner conductor 19, the sealing freedom of the coupling unit 13 is achieved, ie, no additional sealing element 25 must be used to maintain the hermetic process seal.
  • the waveguide 21 or the measuring probe 21 is informed about a fixing and positioning element 17c, for example, a threaded connection or a bayonet closure, which are not explicitly shown, locked in the base body 16 in a coaxial arrangement to the embedded in the dielectric material 23 inner conductor 19 and positioned.
  • the fastening and positioning element 17c on the measuring probe 21 and the counterpart in the base body 16 are designed such that the measuring probe 21 is on the one hand releasably configured by the coupling unit 13 and thus the measuring probe 21 can be replaced, and on the other hand the mechanical stability of the fastening - And positioning element 17 c is given, so that forces acting on the probe 21, be absorbed or compensated.
  • the second coupling region 26b from the inner conductor 19 onto the waveguide or the measuring probe 21 with the fastening and positioning element 17c is designed to achieve an optimized electromagnetic coupling 26 for the transmission frequency of the measuring signal 10 used and good mechanical stability of the fastening device is effected.
  • the base body 16 and / or the inner conductor 19 are modular, constructed of individual sections executed.
  • the base body 16 made of a dielectric material 23 consists for example of a support body 16a, a filling body 16b and a spacer sleeve body 16d.
  • the support body 16a defines the outer shape of the coupling-in unit 13 and serves for fastening the coupling-in unit 13 via a fastening element 17, e.g. a threaded connection 17a in a process connection 8 of the container 4.
  • the support body 16a is advantageously modular, consisting of a process adapter and a measuring electronics housing adapter, which can be combined with one another mechanically via a connecting element.
  • This is not explicitly shown in the figures, but this embodiment has the advantage that, depending on the process connection 8 and measurement electronics housing 36 of the support body 16a of the base body 16 due to the modular design, a plurality of combinations of corresponding process adapters and Meßelektronikgenosu- seadaptern is possible.
  • the measuring probe or the waveguide 21 are embedded centrally and sealed via a sealing element 25 in this support body 16a.
  • the inner conductor 19 is electrically and mechanically connected to the waveguide or the measuring probe 21.
  • the spacer sleeve body 16d is pushed over the upper part of the inner conductor 19 and keeps the filler body 16b centered with the recesses 16c.
  • the recesses 16 c in the filling body 16 b are such designed so that this and the enclosing him conductive second element 15 with corresponding openings 15a can be positively inserted into the support body 16a formed with webs 16e.
  • About a locking ring 17b of the modular structure of the base body 16 and the measuring signal 10 leading conductor of inner conductor 19, waveguide 21, spacer sleeve body 16d, packing 16b and outer conductor 20 is firmly fixed in the support body 16a.
  • the webs 16e give the support body 16a and thus the entire coupling unit 13 a greater mechanical stability and rigidity, by tensile and shear forces acting on the inner conductor 19 and the waveguide 21 and transmitted from these to the base body 16 by the webs 16e are intercepted.
  • the necessary openings 15 a such.
  • slots for example tubular conductive second element 15 have only a small effect on the electromagnetic coupling 26 by means of the first coupling region 26 a between the outer conductor 20 and the conductive or metallic container 4 b.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mittels einer Laufzeitmessmethode mit einer Einkoppeleinheit zur Ein- /Auskopplung von Messsignalen auf zumindest ein sich in den Behälter hineinerstreckendes leitfähiges erstes Element, mit einem im Bereich der Einkoppeleinheit vorgesehenen erstes Befestigungselement zur Befestigung der Vorrichtung am Behälter, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit zur Ermittlung eines Füllstands-Messsignals. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einkopplung zu schaffen, die kostengünstig, effizient, mit hoher Übertragungsgüte aber auch gleichzeitig mechanisch und chemisch stabil ist. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Einkoppeleinheit einen Grundkörper aus einem dielektrischen Material aufweist und dass in den Grundkörper das erste und das zweite Element eingebettet sind, so dass das leitfähige erste Element und das leitfähige zweite Element im Bereich des Grundkörpers zueinander und zum Behälter galvanisch getrennt sind und somit ein Mehrleitersystem gebildet wird.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mit einer Einkoppeleinheit zur Ein- /Auskopplung von Messsignalen auf zumindest ein sich in den Behälter hineinerstreckendes leitfähiges erstes Element, mit einem im Bereich der Einkoppeleinheit vorgesehenen ersten Befestigungselement zur Befestigung der Vorrichtung am Behälter und mit einer Regel-/ Auswerteeinheit zur Ermittlung eines Füllstands-Messsignals.
[0002] Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise in Messgeräten der Prozess- messtechnik zu finden. Diese Messgeräte werden häufig in der Automations- und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt, um eine Prozessvariable wie z.B. Grenzschicht, Füllstand, Dielektrizitätskonstante oder eine andersartige physikalische und/oder chemische Prozessgröße in einem Prozessablauf zu ermitteln. Von der Anmelderin werden beispielsweise Messgeräte unter dem Namen Levelflex und Multicap produziert und vertrieben, die vorwiegend dazu bestimmt sind, den Füllstand eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen. In einer der Vielzahl von Laufzeit-Messmethode wird beispielsweise nach der Methode der geführten Mikrowelle, Zeitbereichreflektometrie bzw. der TDR-Messmethode (Time Domain Reflection) ein Hochfrequenzimpuls entlang eines Sommerfeldschen oder Goubauschen Wellenleiters oder Koaxialwellenleiters ausgesendet, welcher bei einer Diskontinuität des DK- Wertes (Dielektrizitätskonstanten) des den Wellenleiter umgebenden Mediums teilweise zurückreflektiert wird. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Hochfrequenzimpulses und dem Empfang des reflektierten Echosignals des Mediums lässt sich der Füllstand ermittelten. Das FMCW- Verfahren (Frequency Modulated Continuous Waves), bei dem der Frequenzbereich eines kontinuierlichen Messsignal verändert und die Distanz durch die Frequenzdifferenz des ausgesendeten zum reflektierten Messsignal gemessen wird, ist in dem Zusammenhang mit dem obigen Messprinzip ebenfalls ausführbar.
[0003] Ein weiteres Messprinzip aus einer Vielzahl von Messmethoden den Füllstand in einem Behälter zu ermitteln, ist die Ermittlung der Kapazitätsänderung eines kapazitiven Messaufbaus mit einer das Medium berührenden Messsonde und der korrespondierenden Behälterwand oder Bezugssonde, wenn sich der Bedeckungsgrad der Sonde mit dem Medium bzw. Füllstand des Mediums im Behälter ändert.
[0004] Bei beiden oben beschriebenen Verfahren handelt es sich um berührende Füllstandsmessverfahren, bei denen eine Messsonde mit dem zu messenden Medium direkt in Berührung kommt. Diese Messsonde wird üblicherweise, über einen Prozess- anschluss, Öffnung oder Stutzen, in einem Behälter befestigt, so dass die Messelektronik sich außerhalb des Prozesses, d.h. nicht mit dem Medium in Kontakt stehend, befindet und die Messsonde in dem Prozess integriert ist. In den folgenden Referenzen werden der Aufbau solcher Messsonden bzw. Wellenleiter und die Einkopplung der Messsignale in diese Messsonden diskutiert.
[0005] In der EP 1 069 649 Al wird der Wellenleiter für ein Füllstandsmessgerät mit einem einfachen Aufbau gezeigt, der die Vorteile des Eindraht- und bekannter Mehrdraht- Wellenleiter vereint, indem er keine Wechselwirkung mit Behältereinbauten zeigt und der auf einfache Weise von An- bzw. Ablagerungen zu reinigen ist. Dies wurde erreicht, indem die Mehrdraht- Wellenleiter im Prozess zumindest teilweise von einem dielektrischen Medium umgeben sind und somit sich kein Ansatz zwischen den einzelnen Wellenleitern bilden kann.
[0006] In der DE 100 27 228 Al ist eine Ausführungsform der Einkopplung von Hochfrequenzsignalen in einen Oberflächenwellenleiter aufgezeigt. In dieser Schrift ist die Einkopplung derart ausgestaltet, dass Störspannungen wirkungsvoll abgeleitet werden, da der Oberflächenwellenleiter über eine Kopplung auf Massepotential gelegt ist.
[0007] In der DE 100 19 129 Al sind mehre Arten von Einkoppeleinheiten aufgezeigt, die so verlängert sind, dass die Konstruktionsteile außerhalb des Bereichs liegen, in dem elektromagnetische Energie abgestrahlt wird. Dadurch kann der Einfluss, den ein Konstruktionsteil oder Ansatzbildung am Sensor auf die Messgenauigkeit und die Messempfindlichkeit hat, weitgehend eliminiert werden.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einkopplung zu schaffen, die kostengünstig, effizient, mit hoher Übertragungsgüte aber auch gleichzeitig mechanisch und chemisch stabil ist.
[0009] Diese Aufgabe wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch gelöst, dass die Einkoppeleinheit einen Grundkörper aus einem dielektrischen Material aufweist und dass in den Grundkörper zumindest ein leitfähiges zweites Element eingebettet ist, so dass das leitfähige erstes Element und das leitfähige zweite Element im Bereich des Grundkörpers zueinander und zum Behälter galvanisch getrennt sind. Das leitfähige zweite Element ist beispielsweise als ein rohrförmiger Schirmleiter ausgebildet, der im Einkoppelbereich im Grundkörper koaxial und galvanisch getrennt um das leitfähige erste Element positioniert ist und somit ein Mehrleitersystem gebildet wird. Das leitfähige zweite Element ist prozessseitig vollständig von dem Material des Grundkörpers umschlossen und ist somit nicht Prozess berührend, wodurch keine Dichtungselemente zwischen dem Grundkörper und dem leitfähigen zweiten Element eingebracht werden müssen und kein hoch resistentes Material, als z.B. VA - Stahl, verwendet werden kann. Das leitfähige zweite Element ist beispielsweise als ein einfaches Blechbiegeteil oder als ein Drahtgeflecht ausgebildet. Ist der Grundkörper modular aufgebaut, ist es auch denkbar, ein dem leitfähigen zweiten Element entsprechenden Formteil über einen Beschichtungsprozess mit einer leitfähigen Be- schichtung, z. B. Metall, zu versehen.
[0010] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Behälter aus einem leitfähigen Material gefertigt ist oder dass im Falle, dass der Behälter aus einem nicht-leitfähigen Material gefertigt ist, der Behälter zumindest im weiteren Bereich des Befestigungselements eine leitfähige Beschichtung aufweist. Damit eine optimierte Einkopplung des Messsignals von einem Mehrleitersystem mit einer beispielsweise TEM-Moden- Ausbildung auf die Messsonde mit einer beispielsweise TMOl -Moden- Ausbildung erreicht werden kann ist es vorteilhaft, dass der Behälter aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Der Dachbereich um den Prozessanschluss der Messvorrichtung des leitfähigen Behälters herum wirkt als ein Reflektor, demzufolge wird mehr Signalintensität des Messsignals beim Übergang von dem Mehrleitersystem auf die Messsonde eingekoppelt bzw. es geht weniger Signalenergie verloren. Durch diese Maßnahme wird das Verhältnis zwischen Transmission und Reflexion des eingekoppelten Messsignals beim Übergang von dem Mehrleitersystem auf die Messsonde stark erhöht bzw. verbessert. Aus diesem Grund werden die Messgenauigkeit und die Messempfindlichkeit der Messvorrichtung bedeutend erhöht. Ist der Behälter nicht aus einem leitfähigen Material, so ist es möglich, durch ein Beschichtungsverfahren, z. B. das Aufbringen eines leitfähigen Lackes auf die Außenfläche oder Innenfläche des Behälters, den oben beschriebenen Effekt zu erreichen. Diese Ausgestaltung mit einem leitfähig beschichteten Behälter aus einem dielektrischen Grundmaterial ist auch vorteilhaft bei einer Messsonde mit einer gewöhnlichen Einkoppeleinheit nach dem Stand der Technik, die aus einem metallischen Grundkörper besteht.
[0011] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass ein erster Koppelbereich, der sich im Bereich des Befestigungselements zwischen der Außenfläche des leitfähigen zweiten Elements und dem Behälter befindet, so dimensioniert ist, dass eine optimierte elektromagnetische Kopplung des Messsignals bei hinreichender mechanischer Stabilität des Grundkörpers gegeben ist. Eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem leitfähigen zweiten Element und dem leitfähigen Behälter kann dadurch optimiert werden, dass die Kopplungsfläche möglichst groß ist und der Abstand der Koppelelemente möglichst klein ist, jedoch muss der Nutzen dieser Bedingung gegen die Bedingung der mechanischen Stabilität des Grundkörpers abgewogen werden.
[0012] Eine zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass der erste Koppelbereich zur elektromagnetischen Kopplung in Struktur, Form, Kopplungsfläche und/oder Spaltbreite so ausgestaltet ist, dass sich im wesentlichen eine definierte Mode des Messsignals in einem Einkoppelbereich zwischen dem leitfähigen ersten Elements und dem leitfähigen zweiten Element ausbildet und/ oder in einem Messbereichs des leitfähigen ersten Elements ausgestaltet.
[0013] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass das leitfähige Element zumindest aus zwei Teilkomponenten, einem Innenleiter und einer Messsonde, besteht. Aufgrund der zweiteiligen Ausgestaltung des leitfähigen ersten Elements ist es leicht möglich, die Messsonde an der Vorrichtung auszuwechseln.
[0014] Gemäß einer günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird angeregt, dass im Bereich zwischen der ersten Teilkomponente und der zweiten Teilkomponente ein zweiter Koppelbereich zur elektromagnetischen Kopplung der Messsignale ausgebildet ist. Der Innenleiter des ersten leitfähigen ersten Elements und der Außenleiter des leitfähigen zweiten Elements ist vollständig von dem Material des Grundkörpers umschlossen und somit vollständig vom Prozess getrennt ausgestaltet. Hierdurch muss kein Dichtungselement zwischen dem leitfähigen ersten Element, dem leitfähigen zweiten Element und dem Gehäusegrundköper zur Abdichtung der Einkoppeleinheit gegen Prozessmedien eingebracht werden; somit wir eine Dichtungsfreiheit der Einkoppeleinheit erreicht.
[0015] Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die zwei Teilkomponenten mittels eines Befestigungs- und Positionierungselement miteinander mechanisch verbindbar sind und dass das Befestigungsund Positionierungselement in den Grundkörper der Einkoppeleinheit eingebettet ist.
[0016] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass der Grundkörper der Einkoppeleinheit modular oder mehrteilig ausgebildet ist.
[0017] Eine sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass der Grundkörper der Einkoppeleinheit einteilig ausgestaltet ist.
[0018] Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass das leitfähige erste Element und das leitfähige zweite Element aus einem Metall, aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff und/oder aus metallisch oder leitfähig beschichteten Teilen eines dielektrischen Materials ausgestaltet sind/ist.
[0019] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung der Erfindung ist darin zu sehen, dass es sich bei dem dielektrischen Material um einen Kunststoff, der sich bevorzugt im Spritzgussverfahren verarbeiten lässt, und/oder um eine Keramik handelt.
[0020] Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass das leitfähige zweite Element Öffnungen aufweist, wobei die entsprechenden Öffnungen von dem dielektrischen Material des Grundkörpers zumindest teilweise ausgefüllt sind. Durch die Ausfüllungen der Öffnungen können mechanisch Kräfte, z.B. Zugkräfte, die im Bereich zwischen dem leitfähigen ersten Element und dem leitfähigen zweiten Element aufgrund von beispielsweise Zugkräften an der Messsonde auftreten können nach außen bzw. zum Prozessanschluss hin abgeleitet werden. Somit wird vermieden, dass an den Stellen an denen der Grundkörper das eingebettete leitfähige zweite Element prozessseitig umschließt, aufgrund mechanischer Krafteinwirkung starke Kerb- und Scherkräfte auftreten, die zu einem Ermüdungsbruch oder Bersten des Grundkörpers an diesen Stellen führen können.
[0021] In den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung Bauteile oder Bauteilgruppen, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:
[0022] Fig. 1 : eine schematische Gesamtdarstellung eines Zeitbereichsreflektometer nach dem Stand der Technik mit einem Sommerfeldschen Wellenleiter,
[0023] Fig. 2 : einen Längsschnittansicht der Einkoppeleinheit nach dem Stand der Technik,
[0024] Fig. 3 : einen Längsschnittansicht der Einkoppeleinheit nach einer ersten Ausführungsform,
[0025] Fig. 4 : eine Längsschnittansicht der Einkoppeleinheit nach einer zweiten Ausführungsform,
[0026] Fig. 5 : eine Längsschnittansicht der Einkoppeleinheit nach einer dritten Ausführungsform,
[0027] Fig. 6 : eine Explosionsansicht der Einkoppeleinheit nach der dritten Ausfüh rungsform, und
[0028] Fig. 7 : eine dreidimensionale Explosionsansicht mit Teilanschnitt der Einkoppeleinheit nach einer dritten Ausführungsform.
[0029] Fig. 1 zeigt ein Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 als ein Zeitbereichreflektometer 32 -Messsystem bzw. TDR-Messsytem (Time Domain Reflectometry) zur Ermittlung des kontinuierlichen Füllstandes 2 eines Mediums 3 in einem Behälter 4. Eine solche Vorrichtung 1 bzw. ein solches Messgerät zur Bestimmung des Füllstandes 2 wird in der Automatisierungs- und Prozesstechnik auch als ein Feldgerät bezeichnet. Dieses Messgerät ist auf einem Prozessanschluss 8, wie z. B. einen Stutzen, auf dem Behälter 4 angebracht, und die Messsonde mit dem stab- und seilförmigen Messsonde 21 wird über eine als koaxialer Leiter 18a ausgebildete Einkoppeleinheit 13 durch den Bereich des Prozessanschlusses 8 in den Messraum des Behälters 5 eingeführt.
[0030] Die TDR-Messmethode arbeitet nach folgenden Messprinzip: Über die Messsonde 21 werden elektromagnetische Wellen 9, die durch den Skin-Effekt im Umfeld und an der Oberfläche der Messsonde 21 entlang geführt werden, in Richtung des Mediums 3 bzw. den Prozessraum 22 ausgesendet. Diese elektromagnetische Wellen 9 werden bei einem DK- Wert-Sprung bzw. einer Diskontinuität des dielektrischen Faktors er des umgebenden Mediums 3 und einer damit zusammenhängenden Änderung des Wellenwiderstands teilweise zurückreflektiert. Diese Diskontinuität liegt beispielsweise vor, wenn die Dielektrizitätskonstante erl der dem Medium 3 überlagerten Gasphase, insbesondere der Luft (erl«l), kleiner ist als die Dielektrizitätskonstante er2 des Mediums 3. Über die gemessene Laufzeit der elektromagnetischen Wellen 9 wird durch eine Umrechnung über die Formel der Wellengeschwindigkeit die zurückgelegte Strecke ermittelt. Diese Differenzstrecke entspricht der Höhe des Behälters 4 minus den Füllstand 2 des Mediums 3 im Behälter 4. Da die Höhe des Behälters 4 bzw. die Position der Einkopplung der elektromagnetischen Wellen 9 bekannt ist, lässt sich somit den Füllstand 2 im Behälter 4 bestimmen.
[0031] Die elektromagnetischen Wellen werden beispielsweise als Impulse mit einer Bandbreite von 0 - 1,5 GHz in der Sende-/Empfangseinheit 11 erzeugt und mittels einer Einkoppeleinheit 13 als ein Sendesignal S in einen Sommerfeldschen Wellenleiter 21 eingekoppelt. Es sind auch Goubau - Wellenleiter 21; koaxial Leitern 18a, Mikrostreifenleitern oder koaxiale und parallele Anordnungen von mehreren Wellenleitern bzw. Messsonden 21 einsetzbar, die jedoch in der Zeichnung nicht explizit gezeigt sind. Die aufgrund der Diskontinuität der Dielektrizitätskonstanten er des umgebenden Mediums 3 zurücklaufenden Reflexionssignale R auf dem Wellenleiter 21 werden wiederum in der Sende-/Empfangseinheit 11 empfangen und vorverarbeitet. Diese vorverarbeiteten Messsignale 10 werden andererseits in der Regel- /Auswerteeinheit 12 messtechnisch und signaltechnisch ausgewertet und so aufbereitet, dass der Messwert des Füllstands 2 oder ein Echokurvensignal, das die aufbereitete Einhüllende des Messsignals 10 darstellt, über eine Busschnittstelle 29 auf den Feldbus 30 an eine Kontrollstation weitergeleitet wird.
[0032] Der Messwert des Füllstands 2 oder das Echokurvensignal können auch an einem integrierten Display oder einer Ausgabe-/Eingabeeinheit der Vorrichtung 1, welche hier nicht explizit gezeigt ist, dargestellt werden. Die Energieversorgung 31 der Vorrichtung 1 bzw. des Messgeräts wird beispielsweise mittels einer Zeidraht-Leitung realisiert. Die Leitung zur Energieversorgung 31 entfällt, wenn es sich bei dem Messgerät bzw. Vorrichtung 1 um ein so genanntes Zweileiter-Messgerät handelt, dessen Kommunikation über den Feldbus 30 und Energieversorgung 31 ausschließlich und gleichzeitig über eine Zweidrahtleitung erfolgt. Die Datenübertragung bzw. Kommunikation über den Feldbus 30 geschieht beispielsweise nach dem CAN-, HART-, PROFIBUS DP-, PROFIBUS FMS-PROFIBUS PA-, oder FOUNDATION FIELDBUS- Standard. [0033] In der Fig. 1 ist ein Zeitbereichsreflektometer 32 zur Bestimmung des Füllstandes 2 eines Mediums 3 in einem Behälter 4 aufgezeigt mit einer Messsonde 21, die als ein stab- oder seilförmiger Oberflächen Wellenleiter 21 ausgebildet ist, die die elektromagnetischen Wellen leitet.
[0034] Diese Ausführungsform der Vorrichtung 1 kann auch als kapazitives Messsystem zur Bestimmung des Füllstandes 2 eines Mediums 3 in einem Behälter 4 eingesetzt werden, wobei die zwischen der Messsonde 21 und einer Bezugselektrode oder der Innenwand 6 des Behälters 4 durch ein Messsignal 10 ermittelte Kapazität vom Füllstand 2 und der Dielektrizitätszahl er des Mediums 3 abhängig ist.
[0035] Die Fig. 2 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Einkoppeleinheit 13 nach dem Stand der Technik. Der Grundkörper 16 besteht aus einem metallischen oder elektrisch leitfähigen Material 24, der als Außenleiter 20 zusammen mit dem leitfähigen ersten Element 14 bzw. dem Wellenleiter 21 als Innenleiter 19 im Einkoppelbereich 34 einen koaxialen Leiter 18a bildet. Über ein Befestigungselement 17, z.B. eine Gewindever- schraubung, ist der Grundkörper 16 fest mit dem Behälter 4 verbunden. Wird ein leitfähiger oder metallischer Behälter 4a zur Aufbewahrung des Medium 3 eingesetzt, besteht des Weiteren zwischen dem Grundkörper 16 und dem leitfähigen oder metallischen Behälter 4a ein elektrisch leitender Kontakt über Befestigungselement 17. Über einen Koaxialstecker-Anschluss 33 wird das Messsignal 10 in den Innenleiter 19 bzw. das leitfähige erste Element 14 aus- und eingekoppelt. Der Innenleiter 19 wird insbesondere durch einen Innenleiterverdickung 19b in dem Grundkörper 16 mechanisch gehalten und fixiert. Durch die koaxiale Ausgestaltung des Einkoppelbereichs 34 bildet sich dort eine TEM-Mode des eingekoppelten Messsignals 10, welche eine bevorzugte Ausgestaltung zum nahezu verlustlosen und störungsfreien Weiterleiten des eingekoppelten Messsignals 10 darstellt. Im Messbereich 35 des Wellenleiters 21 wird zur optimalen Messung des Füllstands 2 eines Mediums 3 in einem Behälter 4 eine Ausbildung einer als TM01-Mode im Nahbereich des Wellenleiters 21 dadurch erzielt, dass der Übergang von dem leitfähigen Grundkörper 16 auf den leitfähigen oder metallischen Behälter 4a eine Aufweitung um 180° des Außenleiters 20 bzw. leitfähigen zweiten Elements 15 darstellt. Das Tankdach hat durch den elektrischen Kontakt zum Grundkörper 16 die Wirkung einer sich an den Einkoppelbereich 34 anschließenden Reflektors, wodurch im Übergang vom koaxialen Leiter 18a im Einkoppelbereich 34 auf einen einzelnen Wellenleiter 21 im Messbereich 35 weniger Energie verloren geht. Speziell bei niedrigen Frequenzen wirkt sich das Tankdach als starker Reflektor aus. Es kann somit zumindest zweimal mehr Messenergie auf den Wellenleiter 21 ein- und ausgekoppelt werden, wodurch die Messgenauigkeit und die Messempfindlichkeit der Vorrichtung 1 erhöht wird.
[0036] Aus Gründen der Prozessdichtigkeit muss zwischen jedem mit dem Prozessraum 22 berührenden direkten Materialübergang, d.h. z.B. vom Innenleiter 19 und/oder Außenleiter 20 auf das dielektrische Material 23 ein Dichtungselement 25 eingebracht werden, welches in Fig. 2 nicht explizit gezeigt ist, aber in Fig. 3, 5 und 6 aufgezeigt ist.
[0037] Fig. 3 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer ersten erfindungsgemäßen Einkoppeleinheit 13. Der Grundkörper 16 besteht aus einem dielektrischen Material 23. Über ein Befestigungselement 17, z.B. eine Gewindeverschraubung, ist der Grundkörper 16 im Bereich eines Prozessanschluss 8 mechanisch fest und durch die Dichtelemente 25 auch für Medien 3 hermetisch dicht mit dem Behälter 4 verbunden. Im Einkoppelbereich 34 der Einkoppeleinheit 13 ist die Messsonde bzw. der Wellenleiter 21 als Mehrleitersystem 19 mit einem Außenleiter 20 und einem Innenleiter 19, insbesondere als koaxialer Leiter 19a, ausgeführt. Der Innenleiter 19 wird insbesondere durch einen Innenleiterverdickung 19b in dem Grundkörper 16 mechanisch gehalten und fixiert. Über einen Koaxialstecker-Anschluss 33 wird das Messsignal 10 in den Innenleiter 19 bzw. das leitfähige erste Element 14 aus- und eingekoppelt Der Innenleiter 19 aus einem metallischen oder leitfähigen Material 24 ist in dem Grundkörper 16 aus einem dielektrischen Material 23 eingebettet und durch ein Dichtungselement 25, z.B. O- Ring, zwischen den beiden Materialien 23, 24 hermetisch abgedichtet. Die Ausgestaltung des Grundkörpers 16 der Einkoppeleinheit 13 aus einem dielektrischen Material 23 hat den Vorteil, dass der recht aufwändig herzustellende und kostenintensive metallische Grundkörper 16, wie aus Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich, durch ein einfaches und kostengünstiges Herstellverfahren, z.B. Spritzgus, Heißprägen, Gießen, Pressen oder Rapid- Proto-Typing, mit kostengünstigen Materialien, z.B. aus Kunststoffen oder Keramiken, hergestellt werden kann. Durch diesen oben beschrieben Aufbau der Einkoppeleinheit 13 würde viel Energie des Messsignals 10, das in das leitfähige erste Element 14 eingekoppelt wird, im Bereich des Befestigungselementes 17 verloren gehen, da dort bei Verwendung eines leitfähigen oder metallischen Behälters 4a das Messsignal 10 eine starke Rückreflexion erfährt. Des Weiteren ließe sich aufgrund dessen im Messbereich 35 des leitfähigen ersten Elements 14 keine gewünschte Mode, z.B. ein TM01-Mode, ausbilden.
[0038] Um im Einkoppelbereich 34 eine gewünschte TEM-Mode des eingekoppelten Messsignals 10 ausbilden zu können, muss ein Außenleiter 20 in oder auf den dielektrischen Grundkörper 16 ein- oder aufgebracht sein. Bringt man durch ein Verfahren, z.B. Bedampfung, ein metallisches oder leitfähiges Material 4a auf die äußere Oberfläche des Grundkörpers 16 auf, so ist zwar ein Außenleiter 20 geschaffen worden, jedoch ist diese Schichtaufbringung mechanisch oder chemisch nicht besonders stabil. Diese Ausführungsform ist nicht explizit in den Figuren gezeigt worden. [0039] Eine andere Möglichkeit ist, ein leitfähiges zweites Element 15 galvanisch getrennt zu dem leitfähigen ersten Element 14 angeordnet in den Grundkörper 16 einzubetten, so dass sich zwischen einem metallischen oder einem leitfähigen Behälter 4a und dem leitfähigen zweiten Element 15 über eine Kopplungsfläche 28 ein erster Koppelbereich 26a ausbildet. Die Spaltbreite 27 und die Kopplungsfläche 28 dieses ersten Koppelbereiches 26a sind so ausgewählt, dass bei hinreichender mechanischer Stabilität des Grundkörpers 16 aufgrund von Zug- und Scherkräften durch die mechanische Belastung des leitfähigen ersten Elements 14 eine optimale elektromagnetische Kopplung 26 gegeben ist. Somit wird ein optimaler Übergang des eingekoppelten Messsignals 10 in das leitfähige erste Element 14 von dem koaxialen Leiter 18a mit einem ausgebildeten TEM-Mode des Messsignals 10 im Einkoppelbereich 34 auf einen Sommerfeldschen oder Goubau - Wellenleiter 21 mit einem ausgebildeten TMOl-Mode des Messsignals 10 im Messbereich 35 erreicht, wie schon in Fig. 2 beschrieben. Das leitfähige zweite Element 15 ist vollständig im dielektrischen Material 23 des Grundkörpers 16 eingebettet, so dass kein zusätzliches Dichtungselement 25 zwischen diesen Teilen 23,25 zur Einhaltung der hermetischen Prozessabdichtung eingebracht werden muss.
[0040] Die Einkoppeleinheit 13 sollte möglichst viel Intensität des Messsignals 10 bzw. Intensität der elektromagnetischen Welle 9 in die Messsonde 21 einkoppeln, indem durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Einkoppeleinheit das Messsignal 10 beim Übergang vom koaxialen Leiter 18a oder Mehrleiter 18 auf einen Einzelleiter oder eine Messsonde 21 kaum zurückreflektiert wird. Das Verhältnis von Transmission zu Reflektion des Messsignals 10
[0041] Ist der Behälter 4b aus einen nicht leitfähigen Material, so kann durch Aufbringung einer leitfähigen Beschichtung auf die Außenwand 5, Innenwand 6 oder in den Zwischenbereich der Wand 7 im Bereich des Prozessanschlusses 8 oder des Daches des Behälters 4b ein erster Koppelbereich 26a erzeugt werden. Hierdurch wird, wie schon zuvor beschrieben, ein verbesserter Übergang des Messsignals 10 von dem Mehrleitersystem 18 auf die Messsonde 21 aufgrund der Reflektionseigenschaften des leitfähigen oder leitfähig beschichteten Daches des Behälters 4 erreicht.
[0042] Fig. 4 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Einkoppeleinheit 13. Die Einkoppeleinheit 13 ist nahezu gleich wie in Fig. 3 ausgestaltet. Der Unterschied liegt darin, dass auch der Innenleiter 19 bzw. das leitfähige erste Element 14 zweiteilig mit einem zweiten Koppelbereich 26b ausgeführt ist. Durch die Ausgestaltung eines zweiteiligen galvanisch getrennten Innenleiters 19 wird die Dichtungsfreiheit der Einkoppeleinheit 13 erreicht, d.h. es muss kein zusätzliches Dichtungselement 25 zur Einhaltung der hermetischen Prozessabdichtung verwendet werden. Der Wellenleiter 21 oder die Messsonde 21 wird über ein Be- festigungs- und Positionierungselement 17c, z.B. eine Gewindeverschraubung oder ein Bajonett- Verschluss, welche nicht explizit gezeigt sind, in dem Grundkörper 16 in koaxialer Anordnung zum in das dielektrische Material 23 eingebetteten Innenleiter 19 arretiert und positioniert. Das Befestigungs- und Positionierungselement 17c an der Messsonde 21 und das Gegenstück in dem Grundkörper 16 sind so ausgestaltet, dass die Messsonde 21 einerseits lösbar von der Einkoppeleinheit 13 ausgestaltet ist und somit die Messsonde 21 ausgetauscht werden kann, und dass andererseits die mechanische Stabilität des Befestigungs- und Positionierungselement 17c gegeben ist, so dass Kräfte, die auf die Messsonde 21 einwirken, aufgenommen bzw. kompensiert werden.
[0043] Der zweite Koppelbereich 26b vom Innenleiter 19 auf den Wellenleiter bzw. die Messsonde 21 mit dem Befestigungs- und Positionierungselement 17c ist so ausgestaltet, das für die verwendete Sendefrequenz des Messsignals 10 eine optimierte elektromagnetische Kopplung 26 erreicht und eine gute mechanische Stabilität der Befestigungsvorrichtung bewirkt wird.
[0044] Fig. 5, 6 und 7 zeigen eine dritte erfindungsgemäße Ausführung der Einkoppeleinheit 13 als eine Längsschnittdarstellung, einen Längsschnitt in Explosionsdarstellung und ein leicht angeschnittene Explosionszeichnung. In dieser Ausführungsform sind der Grundkörper 16 und/oder der Innenleiter 19 modular, aus einzelnen Teilstücken aufgebaut, ausgeführt. Der Grundkörper 16 aus einem dielektrischen Material 23 besteht beispielsweise aus einem Stützkörper 16a, einem Füllkörper 16b und einem Abstandshülsenkörper 16d. Der Stützkörper 16a gibt die äußere Form der Einkoppeleinheit 13 vor und dient zur Befestigung der Einkoppeleinheit 13 über ein Befestigungselement 17, z.B. eine Gewindeverschraubung 17a in einem Prozess- anschluss 8 des Behälters 4. Der Stützkörper 16a ist vorteilhafterweise modular, bestehend aus einem Prozessadapter und aus einem Messelektronikgehäuseadapter ausgeführt, die über ein Verbindungselement miteinander mechanisch vereinigbar sind. Dies ist in den Figuren nicht explizit gezeigt, jedoch hat diese Ausgestaltung den Vorteil, dass je nach Prozessanschluss 8 und Messelektronikgehäuse 36 der Stützkörper 16a des Grundkörpers 16 aufgrund des modularen Aufbaus ein Vielzahl von Kombinationen an entsprechenden Prozessadaptern und Messelektronikgehäu- seadaptern möglich ist.
[0045] Die Messsonde bzw. der Wellenleiter 21 sind mittig und abgedichtet über ein Dichtungselement 25 in diesen Stützkörper 16a eingebettet. Über eine Innenleiterver- schraubung 19a wird der Innenleiter 19 mit dem Wellenleiter bzw. die Messsonde 21 elektrisch und mechanisch verbunden. Der Abstandshülsenkörper 16d wird über den oberen Teil des Innenleiters 19 geschoben und hält den Füllkörper 16b mit den Ausnehmungen 16c zentriert. Die Ausnehmungen 16c im Füllkörper 16b sind derartig aus- gestaltet, so dass dieser und das Ihn umschließende leitfähige zweite Element 15 mit entsprechenden Öffnungen 15a sich formschlüssig in den mit Stegen 16e ausgebildeten Stützkörpers 16a einfügen lässt. Über einen Sicherungsring 17b wird der modulare Aufbau des Grundkörpers 16 und des das Messsignal 10 führenden Leiters aus Innenleiter 19, Wellenleiter 21, Abstandshülsenkörper 16d, Füllkörper 16b und Außenleiter 20 fest in dem Stützkörper 16a fixiert.
[0046] Die Stege 16e geben dem Stützkörper 16a und somit der gesamten Einkoppeleinheit 13 eine größere mechanische Stabilität und Steifigkeit, indem Zug- und Scherkräfte, die auf den Innenleiter 19 und den Wellenleiter 21 einwirken und von diesen auf den Grundkörper 16 übertragen werden, durch die Stege 16e abgefangen werden. Die dadurch notwendigen Öffnungen 15a, wie z. B. Schlitze, im beispielsweise rohrförmigen, leitfähigen zweiten Element 15 haben nur eine geringe Auswirkung auf die elektromagnetischen Kopplung 26 mittels des ersten Koppelbereichs 26a zwischen dem Außenleiter 20 und dem leitfähigen oder metallischen Behälter 4b. Aufgrund dieser Öffnungen 15a im rohrförmigen, leitfähigen zweiten Element 15 oder bei Verwendung eines Außenleiters 20 in Form von zwei parallel zum Innenleiter 19 angeordneten Schirmleitern ist es möglich, dass der Außenleiter 20 in den Messbereich 35 weitergeführt ist und somit eine koaxiale oder eine parallele Anordnung von mehreren Messsonden bzw. Wellenleitern 21 bildet, so dass die mechanische Stabilität der Vorrichtung 1 weiterhin gegeben ist.
[0047] Bezugszeichenliste
1. Vorrichtung
2. Füllstand
3. Medium
4. Behälter
[0048] 4a. leitfähiger oder metallischer Behälter [0049] 4b. nicht leitfähiger Behälter
1. Außenwand
2. Innenwand
3. Zwischenbereich der Wand
4. Prozessanschluss
5. elektromagnetische Wellen
6. Messsignal
7. Sende -/Empfangseinheit
8. Regel-/Auswerteeinheit
9. Einkoppeleinheit
10. leitfähiges erstes Element
11. leitfähiges zweites Element [0050] 15a. Offnungen
1. Grundkörper
[0051] 16a. Stützkörper
[0052] 16b. Füllkörper
[0053] 16c. Ausnehmungen
[0054] 16d. Abstandshülsenkörper
[0055] 16e. Stege
1. Befestigungselement
[0056] 17a. Gewindeverschraubung
[0057] 17b. Sicherungsring
[0058] 17c. Befestigungs- und Positionierungselement
1. Mehrleiter, Mehrleitersystem
[0059] 18a. koaxialer Leiter
1. Innenleiter
[0060] 19a. Innenleiterverschraubung
[0061] 19b. Innenleiterverdickung
1. Außenleiter
2. Messsonde, Wellenleiter
3. Prozessraum
4. dielektrisches Material, isolierendes Material
5. metallisches oder leitfähiges Material
6. Dichtungselemente
7. elektromagnetische Kopplung
[0062] 26a i erster Koppelbereich
[0063] 26b zweiter Koppelbereich
1. Spaltbreite
2. Kopplungsfläche
3. Busschnittstelle
4. Feldbus
5. Energieversorgung
6. Zeitbereichsreflektometer
7. Koaxialstecker- Anschluss
8. Durchführbereich ; Einkoppelbereich
9. Messbereich
10 Messelektronikgehäuse
[0064] S Sendesignal
[0065] R Reflexionssignal
[00661 er dielektrischen Faktors, Dielektrizitätskonstante

Claims

Ansprüche
[0001] 1. Vorrichtung (1) zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes (2) eines
Mediums (3) in einem Behälter (4) mit einer Einkoppeleinheit (13) zur Ein- /Auskopplung von Messsignalen (10) auf zumindest ein sich in den Behälter (4) hineinerstreckendes leitfähiges erstes Element (14), mit einem im Bereich der Einkoppeleinheit (13) vorgesehenen ersten Befestigungselement (17) zur Befestigung der Vorrichtung (1) am Behälter (4), und mit einer Regel- /Auswerteeinheit (12) zur Ermittlung des Füllstands (2) aus den Messsignalen (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppeleinheit (13) einen Grundkörper (16) aus einem dielektrischen Material (23) aufweist und dass in den Grundkörper (16) zumindest ein leitfähiges zweites Element (15) eingebettet ist, so dass das leitfähige erstes Element (14) und das leitfähige zweite Element (15) im Bereich des Grundkörpers (16) zueinander und zum Behälter (4) galvanisch getrennt sind.
[0002] 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter
(4a) aus einem leitfähigen Material gefertigt ist oder dass im Falle, dass der Behälter (4b) aus einem nicht-leitfähigen Material gefertigt ist, und zumindest im weiteren Umgebungsbereich des Befestigungselements (17) eine leitfähige Be- schichtung aufweist.
[0003] 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Koppelbereich (26a), der sich im Bereich des Befestigungselements (17) zwischen der Außenfläche des leitfähigen zweiten Elements (15) und dem Behälter (4) befindet, so dimensioniert ist, dass eine optimierte elektromagnetische Kopplung (26) des Messsignals (10) bei hinreichender mechanischer Stabilität des Grundkörpers (16) gegeben ist.
[0004] 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Koppelbereich (26a) zur elektromagnetischen Kopplung in Struktur, Form, Koppl ungsfläche (28) und/oder Spaltbreite (27) so ausgestaltet ist, dass sich im wesentlichen eine definierte Mode des Messsignals (10) in einem Einkoppelbereich (34) zwischen dem leitfähigen ersten Elements (14) und dem leitfähigen zweiten Element (15) ausbildet und/oder in einem Messbereichs (35) des leitfähigen ersten Elements (14) ausgestaltet.
[0005] 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige erste Element (14) zumindest aus zwei Teilkomponenten, einem Innenleiter (19) und/oder einer Messsonde (21), besteht.
[0006] 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen der ersten Teilkomponente (19) und der zweiten Teilkomponente (21) ein zweiter Koppelbereich (26b) zur elektromagnetischen Kopplung der Messsi gnale (10) ausgebildet ist.
[0007] 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei
Teilkomponenten (19, 20) mittels eines Befestigungs- und Positionierungselement (17c) miteinander mechanisch verbindbar sind und dass das Befestigungs- und Positionierungselement (17c) in den Grundkörper (16) der Einkoppeleinheit (13) eingebettet ist.
[0008] 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Grundkörper (16) der Einkoppeleinheit (13) modular oder mehrteilig ausgebildet ist.
[0009] 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Grundkörper (16) der Einkoppeleinheit (13) einteilig ausgestaltet ist.
[0010] 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige erste Element (14) und das leitfähige zweite Element (15) aus einem Metall, aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff und/oder aus metallisch oder leitfähig beschichteten Teilen eines dielektrischen Materials (23) ausgestaltet sind/ist.
[0011] 11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem dielektrischen Material (23) um einen Kunststoff, der sich bevorzugt im Spritzgussverfahren verarbeiten lässt, und/oder um eine Keramik handelt.
[0012] 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, 3, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige zweite Element (15) Öffnungen (15a) aufweist, wobei die entsprechenden Öffnungen (15a) von dem dielektrischen Material (23) des Grundkörpers (16) zumindest teilweise ausgefüllt sind.
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