EP1977201A2 - 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
EP1977201A2
EP1977201A2 EP07703681A EP07703681A EP1977201A2 EP 1977201 A2 EP1977201 A2 EP 1977201A2 EP 07703681 A EP07703681 A EP 07703681A EP 07703681 A EP07703681 A EP 07703681A EP 1977201 A2 EP1977201 A2 EP 1977201A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filling body
dielectric filling
dielectric
antenna
region
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07703681A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Osswald
Ralf Reimelt
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 EP1977201A2 publication Critical patent/EP1977201A2/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H01Q19/08—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for modifying the radiation pattern of a radiating horn in which it is located

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting and monitoring the
  • Corresponding devices for detecting and monitoring the level in a container are often used in the measuring devices of automation and process control technology.
  • measuring devices under the name Levelflex and Micropilot are produced and distributed, which operate after the run time-measuring method and serve to determine a level of a medium in a container and / or monitor.
  • TDR Time Domain Reflection
  • a high-frequency pulse is emitted along a Sommerfeld or Goubauschen waveguide or along a Koaxialwellenleiters, which in a jump in the dielectric constant of the medium surrounding the waveguide, so-called DK value is partially reflected back.
  • microwaves are emitted via a horn antenna into a free space or process space, and the echo waves reflected at the medium surface are received again by the horn antenna after the distance-dependent transit time of the measurement signal.
  • the distance of the measuring device to the medium surface can be determined. Taking into account the geometry of the container interior of the level of the medium is then determined as a relative or absolute size.
  • the transit time measurement method can essentially be divided into two preliminary investigations:
  • the first investigation method is based on a transit time measurement, which is a pulse scan requires modulated signal for the distance covered;
  • a second widely used method of determination is based on the determination of the frequency difference of the currently emitted, continuously frequency-modulated high-frequency signal to the received, reflected high-frequency signal (FMCW - Frequency-Modulated Continuous Wave).
  • FMCW continuously frequency-modulated high-frequency signal
  • FMCW Frequency-Modulated Continuous Wave
  • the sensor units are protected by protective elements made of a resistant, dielectric material, such as e.g. a radome or a packing, protected from the aggressive media.
  • a resistant, dielectric material such as e.g. a radome or a packing
  • the reason for the protection of the sensor unit by such protective elements is on the one hand to prevent corrosion of parts of the sensor unit by the medium and on the other hand to prevent the formation of solid deposits and condensate developments, for example in the cavities of a free radiating antenna or in the cavities of a coupling unit of the waveguide.
  • seed formation has a direct influence on the propagation characteristics and reflectivity of the high frequency measurement signals. Due to the buildup of spurious signals occur in the measurement signal, which can cover the reflection signal of the level, whereby the meter for level detection is no longer suitable. In order to avoid starting in these high-sensitivity areas of the sensor unit, they are completely filled by a microwave permeable, dielectric material.
  • a horn antenna for level measurement is presented, which is at least partially filled with a dielectric material.
  • a horn antenna for a radar device is shown, the antenna is at least partially filled with a filling with a dielectric material and / or the entire horn antenna with a dielectric Material filled and completely enclosed. Furthermore, the filling process side is designed so that it forms a Flanschplatt réelle as a sealing element.
  • Fillers made of a dielectric material are at least partially filled, known from the Fönenden patents.
  • a further embodiment of a waveguide is shown with a simple structure, which combines the advantages of a single-wire and a multi-wire waveguide by showing no interaction with container installations, and in a simple way of Deposits or deposits to clean. This has been achieved by the fact that the multi-wire waveguide is at least partially surrounded by a dielectric medium in the process, whereby no approach between the individual waveguides can form.
  • a disadvantage of all embodiments of the protective elements of the sensor units according to the prior art is that the electromagnetic waves of a high-frequency measurement signal are greatly influenced by the dielectric material of the protective element.
  • the invention is therefore based on the object to propose a device which has a minimal effect on the generated electromagnetic measurement signals and thus increases the efficiency and accuracy of the device.
  • the dielectric filling body has at least one hermetically sealed recess volume inside and that the hermetically sealed recess volume is designed so that the dielectric filling body has a predetermined characteristic impedance and / or that the high-frequency Measuring signals have a predetermined propagation characteristic.
  • Level measuring devices with horn antennas or waveguides are known from the prior art, the cavities in the antenna coupling region, in the antenna region, in the probe coupling region and / or in the measuring probe region are filled with a completely filled packing of a dielectric material. By this backfilling of the cavities, no medium or ambient air of the process can accumulate in these areas, which can also lead to no medium accumulation or condensation in the cavities.
  • the dielectric material of the dielectric filling body influences the characteristic impedance of the electromagnetic waves of the high-frequency measurement signal and thus also on the efficiency of the coupling of the generated electromagnetic waves into the waveguide or into the horn antenna.
  • the coupling region of the waveguide should be configured so that the electromagnetic waves generated in the transmitting / receiving unit of the measuring signal are guided almost lossless and coupled without loss of signal in the rod / rope element.
  • the electromagnetic waves of the measurement signal generated in the transmitting / receiving unit should be attenuated as little as possible of the dielectric filling body and changed in their emission characteristics. In an area filled with air or a special gas, the electromagnetic waves experience almost no influence.
  • a dielectric filling body is proposed according to the invention which completely completes the cavities fills and at least one hermetically sealed recess volume has to adapt the characteristic impedance.
  • dielectric materials for example, technical ceramics and / or plastics are used here.
  • the dielectric filling body is made with at least one recess volume of a plastic. It has proved to be advantageous to produce the dielectric filling body made of chemically resistant plastic by means of an injection molding process or by the process of isostatic pressing.
  • the dielectric filling body consists of several individual parts.
  • a dielectric filler In the injection molding of plastics, it is very difficult to use a dielectric filler to produce a well-defined recess volume. The same applies to a dielectric filler of a ceramic material, which was produced by any method. For this reason, it is usually necessary to carry out the dielectric filling body at least from two individual parts.
  • An expedient embodiment of the invention is that the individual parts of the dielectric filling body are assembled hermetically sealed by means of a substance-conclusive connection technology.
  • the multipart dielectric filling body is connected by means of a material connection, such as e.g. Welding and gluing together, so that forms at least a hermetically sealed recess volume inside.
  • the ultrasonic welding technique is particularly suitable here, in that the bearing surfaces or connecting points of the multi-part dielectric filling body are melted together by frictional heat generated.
  • An advantageous embodiment of the invention is the fact that the individual parts of the dielectric filling body are joined together hermetically by means of a non-positive connection technology.
  • connection technique is a frictional connection, which joins the multipart dielectric packing by, for example, screws, rivets or a screw, so that forms at least a hermetically sealed recess volume in the interior.
  • a gas or a gas mixture is introduced in the recess volume of the dielectric filling body.
  • a special gas e.g. Helium trapped and measured with a leakage meter or a gas meter possibly leaking gas.
  • the tightness of the recess volume can be checked in multi-part design.
  • Another advantage of introducing a special gas is that the moisture-saturated air is displaced from the recess volume by the dried and / or hydrophobic gas and that no condensate can form when temperature changes occur. Furthermore, by using special gases in the recess volume, the characteristic impedance can be adjusted.
  • a further advantageous embodiment of the invention is to be seen in that in the recess volume of the dielectric filling body, a dielectric Filler material is provided with a low dielectric constant, which does not affect the propagation characteristic of the high-frequency measurement signals.
  • Adjusting the configuration of the recess volume it is to fill the recess volume with a dielectric solid or a dielectric liquid having a lower dielectric constant than the material of the dielectric filling body.
  • the hermetic tightness of the recess volume of the dielectric filling body is also achieved by the complete filling with a dielectric filling material.
  • Recess volume of the dielectric filling body is provided at least one support element.
  • supporting elements are introduced into the recess volume, which distribute the mechanical forces acting externally on the dielectric filling body uniformly.
  • the distribution of forces by the support elements is designed so that the shape of the dielectric filling body barely changed under mechanical forces acting in a certain limit range.
  • a probe fastening element is provided, which is arranged in the dielectric filling body against rotation and centered.
  • the rod / cable element of the waveguide is held by the dielectric filling body.
  • the attachment of the rod / cable element is effected, for example, by means of a probe fastening element embedded in the dielectric filling body in a form-fitting manner, such as e.g. a hex screw, whereby the rod / rope element is interchangeable.
  • a very advantageous variant of the invention is to be seen in that on the Surface of the dielectric filling body, a dielectric, gas-tight and / or hydrophobic coating is attached.
  • the coating of the dielectric filling body with a dielectric, gas-tight and / or hydrophobic material prevents a liquid medium or condensate from creeping along at a possible gap between the dielectric filling body and the horn antenna housing or the process connection housing by capillary action.
  • it is intended to create a diffusion barrier for preventing the diffusion of the medium through the material of the dielectric filling body into the recess volume.
  • Another possibility is to provide the dielectric filling body with an electrically conductive coating in the regions in which the electromagnetic waves of the measuring signals are guided and their emission characteristics or characteristic impedance are adjusted. Through this conductive coating, the medium or condensate that has entered the gap can not affect the characteristic impedance and the reflection properties of the electromagnetic waves. This electrically conductive coating must be contacted to the horn antenna housing or the process connection housing electrically conductive.
  • FIG. 1 shows a schematic overall view of a device mounted on a container for detecting and monitoring the level of a medium in a container by means of a horn antenna according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of the device with horn antenna
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a first embodiment of the multipart dielectric filling body of the horn antenna from FIG. 2, FIG.
  • FIG. 4 is a sectional view of the first embodiment according to the marking A-A in Fig. 3,
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a second embodiment of the multipart dielectric filling body of the horn antenna
  • FIG. 6 shows a sectional view of the second embodiment according to the marking B-B in Fig. 5,
  • Fig. 7 a schematic overall view of a mounted on a container Device for detecting and monitoring the level of a medium in a container by means of a waveguide according to the invention
  • FIG. 8 is a schematic sectional view of a third embodiment of the device with waveguide
  • FIG. 9 is a perspective view of the third embodiment of the dielectric filling body of Fig. 8,
  • FIG. 10 is a schematic sectional view of the third embodiment of the dielectric filling body of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a schematic sectional view of the third embodiment of the dielectric filling body of FIG. 8.
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a fourth embodiment of the device with dielectric stem radiator
  • FIG. 1 an application example of the device 1 according to the invention with an antenna 10, in particular a horn antenna 10.1, is shown.
  • the device 1 or the measuring device in FIG. 1 is mounted on a flange 15 in a socket 31 of the container 4 via fastening elements 16.
  • the antenna 10 can be divided into two basic areas: the coupling-in area 7 and the antenna area 8.
  • the device or the measuring device 1 includes a transmitting / receiving unit 22 in the transmitter 23, in which the high-frequency measuring signals 6 are generated. Via a coupling-in element 24, the high-frequency measuring signals (6) in the coupling-in region 7 or the waveguide of the antenna 10 are guided in a specific mode, for example TE mode.
  • the coupled into the antenna 10 high-frequency measurement signals 6 are emitted through the material of the dielectric filling body 12 from the antenna 10 into the process chamber 5 with a predetermined emission characteristics as transmission signals S. In most cases, a radiation characteristic of the high-frequency measurement signals 6 with a planar wavefront is sought.
  • This desired radiation characteristic of the high-frequency measurement signals 6 is achieved in that due to the configuration of the dielectric filling body 12, for example by the recess volume 13 according to the invention and / or by matching elements 12.4, the characteristic impedance and the propagation characteristic of the high-frequency measurement signals 6 in the antenna 10 is adjusted accordingly.
  • the high-frequency measuring signals 6 or transmitting signals S emitted into the process space 5 are reflected on a surface of the medium 3 as reflection signals R and, after a certain transit time, are received again by the transmitting / receiving unit 22 in the measuring converter 23. Over the duration of the high-frequency measurement signals 6 and by means of the knowledge of the geometry of the container 4, the level 2 of the medium 3 in the container 4 is determined.
  • the control / evaluation unit 21 in the transmitter 23 has the task of evaluating the received, reflected echo or the reflection signals R of the high-frequency measurement signals 6 by the high-frequency measurement signals 6 by means of signal processing and special Signalaustechnischsa ⁇ orithms further processed and From this result, the running time or level 2 is determined.
  • the device 1 is supplied with the required energy.
  • the control / evaluation unit 21 communicates via a bus interface 20 and the field bus 18 with a remote control point and / or with other devices 1 or field devices, which are not explicitly shown.
  • An additional supply line 19 for supplying power to the device 1 is dispensed with if the device 1 is a so-called two-wire field device whose communication and power supply via the field bus 18 are exclusively and simultaneously achieved via a two-wire line.
  • the data transmission or communication via the fieldbus 18 takes place, for example, according to the CAN, HART, PROFIBUS DP, PROFIBUS FMS, PROFIBUS PA, or FOUNDATION FIELDBUS standard.
  • Fig. 2 to Fig. 5 is a horn antenna according to the invention 10.1 and a horn-shaped antenna made of an electrically conductive material, the cavity 35 is at least partially filled with a dielectric filling body 12, shown.
  • a dielectric filler body 12 is introduced as a protective element or a process separator to avoid buildup and corrosion.
  • the Flanschplatt ist shown here 12.3 has been found to be advantageous sealant to the process chamber 5 out.
  • the dielectric filling body 12 as a passive element of the horn antenna 10.1, sealed by the Flanschplatt ist 12.3 between the flanges 15 of the Hornantennengeophuses 37 and the nozzle 31 of the container 4, the active elements, such as the coupling unit 35 and the transmitter 23, from the medium 3 in the process space 5.
  • This dielectric filling body 12 prevents, as a protective element or as a process isolating element, that the horn antenna 10.1 comes into direct contact with the medium 3 of the process and that, if appropriate, condensate forms in the cavity 35.
  • the horn antenna 10.1 consists for example of a metal, of stainless steel or of a conductive plastic.
  • the dielectric filling body 12 is made of a dielectric material, in particular polyetherketone (PEK, PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE) or perfluoroalkoxy copolymer (PFA) ,
  • PES polyetherketone
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PFA perfluoroalkoxy copolymer
  • PCTFE polychlorotrifluoroethylene
  • ECTFE ethylene Chlorotrifluoroethylene-ethylene
  • ETFE ethylene tetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PVF polyvinyl fluoride
  • FEP fluorinated ethylene propylene
  • dielectric filling body 12 has good chemical and physical properties, such as resistance to almost all chemicals, very high temperature resistance, good microwave permeability and good RF performance, making these materials predestined for use as dielectric fillers 12 in process instrumentation instruments.
  • the design of the dielectric filling body 12 is limited by the feasibility in the production.
  • at least one recess volume 13 is introduced in the dielectric filling body 12 because of the better HF performance or the better adaptation of the wave resistance.
  • the production of the dielectric filling body 12 is accomplished by a chip-removing process, an injection molding or an isostatic pressing of the dielectric material or plastic.
  • the dielectric filling body 12 is made of several individual parts, consisting of a base body 12.1 with a lid 12.2, which may be made of different materials executed. These items are connected by a cohesive bonding technique that creates a durable, hermetically sealed joint 30.
  • the joints 30 of the individual parts of the dielectric filling body 12 by means of an ultrasonic welding technology connect.
  • the individual parts consisting of the base body 12.1 and the lid 12.2, brought with a defined pressure with the connection points 30 in contact.
  • a vibrating element is set in vibratory motion, which is caused by the friction heat a localized melting process of the material and a welding of the parts takes place at the connection points 30.
  • the welding procedure is carried out under a dry protective gas atmosphere, so that the recess volume 13 of the welded dielectric filling body 12 of this dry gas is under a certain pressure, or it is specifically in the recess volume 13, a dry gas, such as nitrogen, helium, argon introduced.
  • This gas has two functions; on the one hand, this gas displaces the steam-saturated air from the recess volume 13, so that no condensate can form in it when the temperature changes; and on the other hand, by means of this gas, the tightness of the weld at the connection points 30 can be checked.
  • a gas sensor info ⁇ e determined by a diffusion or leakage from the welded dielectric filling body 12 passing gas.
  • the gas When selecting the gas, care is taken to ensure that the high-frequency measuring signal 6 is influenced as little as possible by this gas.
  • additional filling material of the dielectric filling body 12 it is also possible to use special liquids and solids with a low dielectric constant e r which do not or only slightly influence the high-frequency measuring signal 6.
  • the invention can also be used in what are known as dielectric stem radiators 10.2 or rod radiators, which is explicitly illustrated in FIG. 11.
  • the antenna element radiating the high-frequency measurement signals 6 into the process space 5 is designed as a rod made of a dielectric material in such a dielectric stub radiator.
  • this radiating element is to a certain extent designed as a dielectric filling body 12 with a corresponding hermetically sealed recess volume 13 in the cavity 35 of the antenna coupling region 7.1.
  • the stem radiator 10.2 is constructed, for example, from a base body 12.1 and a cover 12.2, which are hermetically sealed together or is produced in one piece by means of an injection molding process.
  • the embodiments of the connection technology of the base body 12.1 with the lid 12.2 and the control by the transmitter, and its structure, is not explicitly listed here and can be found in the rest of the description.
  • Fig. 3 and Fig. 4 an embodiment of the dielectric filling body 12 is shown, the base body 12.1 is completely recessed by a recess volume 13, so that only a thin wall remains.
  • the matching of the characteristic impedance of the horn antenna 10.1 in one embodiment is optimized as a horn antenna, but the dielectric packing 12 does not have too high mechanical stability and compressive strength.
  • a measuring device with a horn antenna 10.1, which contains such a dielectric filling body 12 can be used in a process where no large pressures and temperature changes are expected.
  • supporting members 14 In order to increase the pressure resistance and the mechanical stability of the dielectric filling body 12, supporting members 14 have been inserted in the recess volume 13 as shown in FIGS. 5 and 6. Since this example is a frusto-conical horn antenna, the supporting elements 14 are arranged radially symmetrically in the shape of a spoke for mechanical stabilization. However, other configurations of support elements 14 may be used.
  • Another embodiment of the invention is e.g. sealed by injection molding dielectric filling body 12 with the process atmosphere partially open recess volume 13 with a corresponding selectively permeable membrane.
  • this membrane allows a gas molecule exchange and, on the other hand, it does not allow water to pass into the recess volume 13.
  • the characteristic impedance adapted transition between the dielectric filling body 12 and the subsequent process chamber 5, the process space 5 facing side of the dielectric filling body 12 is formed as a matching element 12.4, for example, has the shape of a blunt cone.
  • phase differences between individual wavebands that can arise when passing through the horn geometry are compensated, and the high-frequency measurement signals 6 are emitted as a transmission signal S in a planar wavefront.
  • planar, convex or concave transition geometries to form the desired radiation characteristic.
  • the high-frequency measuring signal 6 is, as shown in Fig. 1, via a coupling element 24 in the coupling region 7, which is formed as a round or rectangular waveguide introduced.
  • the waveguide or the coupling region 7 is designed so that a TE wave mode is formed.
  • the dielectric filling body 12 is in turn equipped with an adapter element 12.4, for example a cone tip or a stepped pyramid, in order to ensure a good matching of the air-filled waveguide to the dielectric material filled waveguide.
  • an adapter element 12.4 for example a cone tip or a stepped pyramid
  • Fig. 7 an application example of the device 1 according to the invention as a Zeit Schl.sreflektormeter or TDR measuring system for determining the continuous level 2 of a medium 3 in a container 4 with a waveguide 11 is shown.
  • the device 1 determines according to the transit time measurement method, the level 2 of a medium 3 or a Fü% uts in this container 4.
  • the waveguide 11 can be basically divided into two areas: the coupling region 7 and the probe area 9.
  • This device 1 is for example mounted via a screw 17 in an opening of the container 4.
  • the electromagnetic waves of the high-frequency measurement signal 6 are guided through a coaxial-like coupling region 7 through the region of the nozzle 31 or the screw 17 and coupled in the rod and rope-shaped probe area 9 in the process chamber 5 of the container 4 on the rod / rope element 11.1. Due to the coaxial configuration of the coupling-in region 7, a TEM mode of the high-frequency measuring signals 6 forms there, which represents a preferred embodiment for the almost lossless and interference-free transmission of the high-frequency measuring signals 6.
  • a configuration of a TM 01 mode in the near field region of the rod / cable element 11. 1 is generated for optimum measurement of the level 2 of a medium 3 in a container 4.
  • the TDR measuring method works according to the following measuring principle: About the
  • the electromagnetic waves of the high-frequency measurement signal 6 which are guided by the skin effect in the near field region of the rod / cable element 11.1 of the waveguide 11, in other words along the surface of the rod / cable element 11.1, in the direction of the medium 3 and the process space 5 as transmission signals S out.
  • the energy components of the high-frequency transmission signal S are reflected back at least partially as reflection signals R when the dielectric constant e r of the surrounding medium 3 jumps, and a change in the characteristic impedance associated with this occurs.
  • the reflection signals R run back in the opposite direction at the waveguide 11 to the transmitting / receiving unit 22.
  • This discontinuity is present, for example, when the first dielectric constant e rl of the gas phase superimposed on the medium 3, in particular of the air gap, is smaller than the second dielectric constant e r2 of the medium 3.
  • the measured transit time of the high-frequency measurement signal 6 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 height of the level 2 of the medium 3 in the container 4.
  • the height of the container 4 and the position of the coupling of the high-frequency measuring signal 6 is assumed to be known, causing the level 2 in the container 4 through a simple subtraction of the measured running distance of the high-frequency measurement signal 6 can be determined from the height of the container 4.
  • the electromagnetic waves of the measuring signal 6 are generated, for example, as pulses with a bandwidth of 0-1.5 GHz in the transmitting / receiving unit 22 and by means of a coupling element 24 as a transmission signal S in a waveguide 11, for example a Sommerfeld waveguide, as shown in Fig. 7 and Fig. 8, coupled. They are also Goubau waveguides; Coaxial, microstrip, or coaxial and parallel arrangements of multiple rod / rope elements 11.1 can be used, but which are not explicitly shown in the drawings.
  • the reflecting signals R returning to the bar / cable element 11.1 of the waveguide 11 due to the discontinuity of the dielectric constant e r of the surrounding medium 3 are in turn received and preprocessed in the transmitting / receiving unit 22.
  • These preprocessed reflection signals R are evaluated metrologically and signal technically in the control / evaluation unit 12 and processed so that the measured value of the level 2 or an echo curve signal representing the processed envelope of the reflection signals R, via a bus interface 20 to the field bus 18 to, for example, a Control center is forwarded.
  • the coupling region 7 of the waveguide 11 is formed as a coaxial conductor structure, for example, from a conductive process connection housing 36 as an outer conductor and a conductive rod / cable element 11.1 as an inner conductor.
  • the rod / cable element 11.1 is embedded in the coupling region 7 in a dielectric filling body 12 made of a dielectric material which positions the rod / cable element 11.1 centered in the cavity 35 of the process connection housing 36.
  • a probe attachment member 28 the rod / rope element 11.1 is held against rotation and interchangeable in the base body 12.1 of the dielectric filling body 12.
  • the probe attachment member 28 is an ordinary hex screw having a bore in the end face of the screw head.
  • external thread on the probe mounting member 28 and a corresponding blind hole thread in the rod / cable element 11.1 is both electrically conductive and connected to the main body 12.1 of the dielectric filling body 12 frictionally.
  • On the main body 12.1 an anti-rotation 12.5 in the form of a bulge or bulge is formed, which fits positively into a corresponding counterpart in the cavity 35 of the process connection housing 36 and thus prevents twisting of the dielectric filling body in the process connection housing 36.
  • the base body 12.1 of the dielectric filling body 12 with the probe fastening element 28 sunk therein is welded to a cover 12.2, for example via an ultrasonic welding method, so that the recess volumes 13 in the base body 12.1 are hermetically sealed.
  • the dielectric filling body 12 can also be made in one piece. These recess volumes 13 are introduced into the main body 12 of the dielectric filling body 12 in order to improve the HF performance of the coupling element 24 and thus to minimize interference reflections of the high-frequency measuring signal 6 due to the dielectric material of the dielectric filling body 12.
  • the probe coupling 27 contacting the probe fastening element 28 is introduced into a glass feedthrough 26, which enables a gas-tight process separation to the electronics of the transmitter 23.
  • the probe coupling is completed, for example via a coaxial plug 38.
  • a diaphragm 29 made of a resistant and temperature-stable material, such as. a ceramic with sealing elements 32, e.g. O-rings attached This panel is designed to handle aggressive media 3 or high temperatures.
  • the dielectric filling body 12 is shown in two different views.
  • Fig. 9 shows two three-dimensional exploded views different angles, whereby different aspects of the subject invention are shown more clearly.
  • the Standköper 12 consists basically of a body 12.1 with recess volume 13 and support members 14 and a lid 12.2. As already described above, the two parts are connected to one another via a cohesive connection method at the connection points 30 or contact points, or they are designed as a one-piece dielectric filling body 12.
  • the probe attachment member 28 is centered with a washer 33 positioned in a recess volume in the body 12.1.
  • a positive locking element 34 which is as shown on the cover 12.2 or even in the base body 12.1 itself, the probe attachment member 28 and the hexagonal screw is placed against rotation.
  • the rod / cable element 11.1 can thus be screwed in without a tool having to be attached directly to the probe fastening element 28: it can be screwed in by a corresponding fixing of the entire coupling element 24.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes (2) eines Mediums (3) in einem Behälter (4) mittels einer Laufzeitmessmethode von hochfrequenten Messsignalen (6), mit einer Antenne (10), bestehend aus einem Antenneneinkoppelbereich (7.1) und einem Antennenbereich (8), oder mit einem Wellenleiter (11) bestehend aus einem Sondeneinkoppelbereich (7.2) und einem sich in den Behälter (4) hinein erstreckenden Messsondenbereich (9), wobei in dem Antenneneinkoppelbereich (7.1), im Antennenbereich (8), in dem Sondeneinkoppelbereich (7.2) und/oder im Messsondenbereich (9) vorhandene Hohlräume (35) zumindest teilweise mit einem dielektrischen Füllkörper (12) ausgefüllt sind. Die Erfindung beinhaltet, dass der dielektrische Füllkörper (12) im Inneren zumindest ein hermetisch dichtes Aussparungsvolumen (13) aufweist und dass das hermetisch dichte Aussparungsvolumen (13) so ausgestaltet ist, dass der dielektrische Füllkörper (12) einen vorgegebenen Wellenwiderstand aufweist und/oder die hochfrequenten Messsignale (6) eine vorgegebene Ausbreitungscharakteristik aufweisen.

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 mittels einer Laufzeitmessmethode von hochfrequenten Messsignalen, mit einer Antenne, bestehend aus einem Antenneneinkoppelbereich und einem Antennenbereich, oder mit einem Wellenleiter bestehend aus einem Sondeneinkoppelbereich und einem sich in den Behälter hinein erstreckenden Messsondenbereich, wobei in dem Antenneneinkoppelbereich, im Antennenbereich, in dem Sondeneinkoppelbereich und/oder im Messsondenbereich vorhandene Hohlräume zumindest teilweise mit einem dielektrischen Füllkörper ausgefüllt sind.
[0002] Entsprechende Vorrichtungen zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes in einem Behälter werden häufig in den Messgeräten der Automations- und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt. Von der Anmelderin werden beispielsweise Messgeräte unter dem Namen Levelflex und Micropilot produziert und vertrieben, welche nach dem Lauf zeit-Mess verfahren arbeiten und dazu dienen, einen Füllstand eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen. Nach der Methode der geführten Mikrowelle bzw. der Zeitbereichsreflektormetrie oder der TDR-Messmethode (Time Domain Reflection) wird ein Hochfrequenzimpuls entlang eines Sommerfeldschen oder Goubauschen Wellenleiters oder entlang eines Koaxialwellenleiters ausgesendet, welcher bei einem Sprung in der Dielektrizitätskonstanten des den Wellenleiter umgebenden Mediums, so genannter DK- Wert teilweise zurückreflektiert wird. Ferner werden nach der freistrahlenden Laufzeitmessmethode beispielsweise Mikrowellen über eine Hornantenne in einen Freiraum bzw. Prozessraum ausgesendet, und die an der Mediumsoberfläche reflektierten Echowellen werden nach der abstandsabhängigen Laufzeit des Messsignals wieder von der Hornantenne empfangen. Anhand der Zeitdauer zwischen dem Aussenden der Hochfrequenzimpulse und dem Empfang der reflektierten Echosignale lässt sich der Abstand des Messgerätes zu der Mediumsoberfläche ermitteln. Unter Berücksichtigung der Geometrie des Behälterinnern wird dann der Füllstand des Mediums als relative oder absolute Größe ermittelt. Die Laufzeit- Messmethode lässt sich im wesentlichen in zwei Ermittlungsverfahren einteilen: Das erste Ermittlungsverfahren beruht auf einer Laufzeitmessung, die ein Impulsfo^en moduliertes Signal für die zurückgelegte Wegstrecke erfordert; ein zweites weit verbreitetes Ermittlungsverfahren beruht auf der Bestimmung der Frequenzdifferenz des aktuell ausgesendeten, kontinuierlich frequenzmodulierten Hochfrequenzsignals zum empfangenen, reflektierten Hochfrequenzsignal (FMCW - Frequency-Modulated Continuous Wave). Im Allgemeinen wird in den folgenden Ausführungen keine Beschränkung auf ein bestimmtes Ermittlungsverfahren vorgenommen.
[0003] Diese Messgeräte der Automations- und Prozesssteuerungstechnik zur Ermittlung des Füllstandes werden oft in Prozessen mit aggressiven Medien eingesetzt. Um die im Prozess befindlichen Sensoreinheiten der Messgeräte, wie z.B. ein Wellenleiter, eine Hornantenne oder eine Gruppenstrahlerantenne vor den hochfrequenztechnischen, thermischen und chemischen Einflüssen des Mediums zu schützen, sind die Sensoreinheiten durch Schutzelemente aus einem resistenten, dielektrischen Material, wie z.B. einem Radom oder einem Füllkörper, vor den aggressiven Medien geschützt. Der Grund für den Schutz der Sensoreinheit durch solche Schutzelemente ist einerseits, der Korrosion von Teilen der Sensoreinheit durch das Medium vorzubeugen und andererseits die Bildung von Feststoffablagerungen und Kondensatentwicklungen beispielsweise in den Hohlräume einer freiabstrahlenden Antenne oder in den Hohlräumen einer Einkopplungseinheit des Wellenleiters zu verhindern. Die Bildung von Feststoffablagerungen und Kondensatentwicklungen in den Hohlräumen von freiabstrahlenden Antennen und Wellenleitern, im allgemeinen als Ansatzbildung bezeichnet, hat direkten Einfluss auf die Ausbreitungscharakteristik und das Reflexionsverhalten der hochfrequenten Messsignale. Durch die Ansatzbildung treten Störsignale im Messsignal auf, die das Reflexionssignal des Füllstandes überdecken können, wodurch das Messgerät zur Füllstandsermittlung nicht mehre geeignet ist. Um Ansatz in diesen messtechnisch hochempfindlichen Bereichen der Sensoreinheit zu vermeiden, werden diese durch ein mikrowellendurchlässiges, dielektrisches Material vollständig ausgefüllt.
[0004] Eine mit einem dielektrischen Material vollständig gefüllte Hornantenne zur Verbesserung der Beständigkeit gegen hochfrequenztechnische, thermische und chemische Einflüsse des Mediums wird in fönenden Patentschriften dargestellt.
[0005] In der DE 100 40 943 Al wird eine Hornantenne zur Füllstandsmessung vorgestellt, die zumindest teilweise mit einem dielektrischen Material gefüllt ist.
[0006] In der DE 100 57 441 Al wird eine Hornantenne für ein Radar-Gerät aufgezeigt, dessen Antenne zumindest teilweise mit einer Füllung mit einem dielektrischen Material gefüllt ist und/oder die gesamte Hornantenne mit einem dielektrischen Material gefüllt und vollständig umschlossen ist. Des Weiteren ist die Füllung prozessseitig so ausgestaltet, dass diese eine Flanschplattierung als Dichtelement ausbildet.
[0007] Des weitern sind Einkopplungseinheiten eines Wellenleiters, die mit einen
Füllkörper aus einem dielektrischen Material zumindest teilweise gefüllt sind, aus den fönenden Patentschriften bekannt.
[0008] In der DE 100 19 129 Al wird eine Ausgestaltung von einer mit einem dielektrischen Material gefüllten Einkoppeleinheiten aufgezeigt, die in der Lage ist, den Einfluss, den ein Konstruktionsteil und/oder Ansatzbildung am Sensor auf die Messgenauigkeit und die Messempfindlichkeit des Sensors haben, weitgehend zu eliminieren. Dies wird durch die erfindungsgemäße Verlängerung des dielektrischen Füllkörpers der Einkoppeleinheit erreicht, wodurch die Konstruktionsteile außerhalb des Bereichs liegen, in den elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden.
[0009] In der EP 1 069 649 Al wird eine weitere Ausgestaltung eines Wellenleiters mit einem einfachen Aufbau aufgezeigt, der die Vorteile von einem Eindraht- und einem 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 der Mehrdraht- Wellenleiter im Prozess zumindest teilweise von einem dielektrischen Medium umgeben ist, wodurch sich kein Ansatz zwischen den einzelnen Wellenleitern ausbilden kann.
[0010] Nachteilig bei allen Ausführungsformen der Schutzelemente der Sensoreinheiten nach dem Stand der Technik ist, dass die elektromagnetischen Wellen eines hochfrequenten Messsignals durch das dielektrische Material des Schutzelements stark beeinflusst werden.
[0011] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die eine minimale Beeinflussung der erzeugten elektromagnetischen Messsignale aufweist und die somit den Wirkungsgrad und die Messgenauigkeit der Vorrichtung erhöht.
[0012] Diese Aufgabe wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch gelöst, dass der dielektrische Füllkörper im Inneren zumindest ein hermetisch dichtes Aussparungsvolumen aufweist und dass das hermetisch dichte Aussparungsvolumen so ausgestaltet ist, dass der dielektrische Füllkörper einen vorgegebenen Wellenwiderstand aufweist und/oder dass die hochfrequenten Messsignale eine vorgegebene Ausbreitungscharakteristik aufweisen. Aus dem Stand der Technik sind Füllstandsmessgeräte mit Hornantennen oder Wellenleitern bekannt, deren Hohlräume im Antenneneinkoppelbereich, im Antennenbereich, im Sondeneinkoppelbereich und/ oder im Messsondenbereich mit einem vollständig gefüllten Füllkörper aus einem dielektrischen Material ausgefüllt sind. Durch diese Verfüllung der Hohlräume kann sich kein Medium oder Umgebungsluft des Prozesses in diesen Bereichen ansammeln, wodurch es auch zu keiner Mediums anlagerung oder Kondensatbildung in den Hohlräumen kommen kann. Ein Nachteil ist jedoch, dass das dielektrische Material des dielektrischen Füllkörpers den Wellenwiderstand der elektromagnetischen Wellen des hochfrequenten Messsignals und somit auch auf die Effizienz der Einkopplung der erzeugten elektromagnetischen Wellen in den Wellenleiter oder in die Hornantenne beeinflusst. Beispielsweise sollte der Einkoppelbereich des Wellenleiters so ausgestaltet sein, dass die in der Sende-/Empfangseinheit erzeugten elektromagnetischen Wellen des Messsignals nahezu verlustfrei geführt und ohne Signaleinbußen in das Stab-/Seilelement eingekoppelt werden. Dasselbe gilt bei einer Hornantenne, bei der die elektromagnetischen Wellen des in der Sende- /Empfangseinheit erzeugten Messsignals so wenig wie möglich von dem dielektrischen Füllkörper gedämpft und in ihrer Abstrahlcharakteristik verändert werden sollen. In einem mit Luft oder mit einem speziellen Gas gefüllten Bereich erfahren die elektromagnetischen Wellen nahezu keine Beeinflussung. Um die Vorteile der Vermeidung der Ansatzbildung in den Hohlräumen von mit elektromagnetischen Wellen arbeitenden Füllstandsmessgeräten durch einen dielektrischen Füllkörper und der geringen Beeinflussung der elektromagnetischen Wellen bei einer Übertragung durch Luft oder ein spezielles Gas zu vereinen, wird erfindungsgemäß ein dielektrischer Füllkörper vorgeschlagen, der die Hohlräume vollständig ausfüllt und zur Anpassung des Wellenwiderstandes zumindest ein hermetisch dichtes Aussparungsvolumen aufweist. Als dielektrische Materialien kommen hier beispielsweise technische Keramiken und/oder Kunststoffe zum Einsatz.
[0013] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der dielektrische Füllkörper mit zumindest einem Aussparungsvolumen aus einem Kunststoff gefertigt ist. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den dielektrischen Füllkörper aus chemisch resistentem Kunststoff mittels eines Spritzguss- Verfahrens oder nach dem Verfahren des isostatischen Pressens herzustellen.
[0014] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der dielektrische Füllkörper aus mehren Einzelteilen besteht. Im Spritzguss- Verfahren von Kunststoffen ist es sehr schwierig, einen dielektrischen Füllkörper mit einem genau definierten Aussparungsvolumen herzustellen. Dasselbe gilt für einen dielektrischen Füllkörper aus einem keramischen Material, der nach einem beliebigen Verfahren hergestellt wurde. Aus diesem Grund ist es meist notwendig, den dielektrischen Füllkörper zumindest aus zwei Einzelteilen auszuführen.
[0015] Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist, dass die Einzelteile des dielektrischen Füllkörpers mittels einer Stoff schlüssigen Verbindungstechnik hermetisch dicht zusammengefügt sind. Der mehrteilig ausgeführte dielektrische Füllkörper wird mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, wie z.B. Schweißen und Kleben zusammengefügt, so dass sich im Inneren zumindest ein hermetisch dichtes Aussparungsvolumen ausbildet. Die Ultraschall-Schweißtechnik ist hier besonders geeignet, indem die Auflageflächen bzw. Verbindungsstellen des mehrteilig ausgestalteten dielektrischen Füllkörpers durch entstehende Reibungswärme miteinander verschmelzen.
[0016] Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Einzelteile des dielektrischen Füllkörpers mittels einer kraftschlüssigen Verbindungstechnik hermetisch dicht zusammengefügt sind.
[0017] Eine weitere Verbindungstechnik ist eine kraftschlüssige Verbindung, die den mehrteiligen dielektrischen Füllkörper durch beispielsweise Schrauben, Nieten oder eine Verschraubung zusammenfügt, so dass sich im Inneren zumindest ein hermetisch dichtes Aussparungsvolumen ausbildet.
[0018] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Aussparungsvolumen des dielektrischen Füllkörpers ein Gas oder eine Gasmischung eingebracht ist. Um die Dichtigkeit des hermetisch dichten Aussparungsvolumens zu überprüfen, wird beim Herstellungsprozess im hermetisch dichten Aussparungsvolumen des Füllkörpers ein spezielles Gas, wie z.B. Helium eingeschlossen und mit einem Leckagemessgerät bzw. einem Gasmessgerät eventuell austretendes Gas gemessen. Durch diesen Test kann die Dichtigkeit des Aussparungsvolumens bei mehrteiliger Ausgestaltung überprüft werden. Ein weiterer Vorteil des Einbringens eines speziellen Gases ist, dass die mit Feuchtigkeit gesättigte Luft durch das getrocknete und/oder hydrophobe Gas aus dem Aussparungsvolumen verdrängt wird und wodurch sich kein Kondensat bei auftretenden Temperaturänderungen bilden kann. Desweiteren kann durch den Einsatz spezieller Gase in dem Aussparungsvolumen der Wellenwiderstand angepasst werden.
[0019] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, dass in dem Aussparungsvolumen des dielektrischen Füllkörpers ein dielektrisches Füllmaterial mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante vorgesehen ist, die die Ausbreitungscharakteristik der hochfrequenten Messsignale nicht beeinflusst.
[0020] Eine andere Variante, den Wellenwiderstand des Füllkörpers über die
Ausgestaltung des Aussparungsvolumens anzupassen, ist es, das Aussparungsvolumen mit einem dielektrischen Feststoff oder einer dielektrischen Flüssigkeit mit einer geringeren Dielektrizitätskonstanten als das Material des dielektrischen Füllkörpers auszufüllen. In diesem Fall wird die hermetische Dichtigkeit des Aussparungsvolumens des dielektrischen Füllkörpers auch durch die vollständige Verfüllung mit einem dielektrischen Füllmaterial erreicht. Durch das Einbringen eines bestimmten dielektrischen Füllmaterials in zumindest einen Aussparungsvolumen ist es möglich, darüber hinaus auch die Abstrahlcharakteristik bzw. Ausbreitungscharakteristik beispielsweise der Hornantenne oder die Kopplungseigenschaften der Einkoppeleinheit des Wellenleiters entsprechend anzupassen.
[0021] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung schlägt vor, dass in dem
Aussparungsvolumen des dielektrischen Füllkörpers zumindest ein Stützelement vorgesehen ist. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und der Druckfestigkeit des dielektrischen Füllkörpers mit zumindest einem Aussparungsvolumen sind Stützelemente in dem Aussparungsvolumen eingebracht, die von Außen auf den dielektrischen Füllkörpers einwirkende mechanische Kräfte gleichmäßig verteilen. Die Kräfteverteilung durch die Stützelemente ist so ausgestaltet, dass sich die Form des dielektrischen Füllkörpers bei einwirkenden mechanischen Kräften in einem gewissen Grenzbereich kaum verändert.
[0022] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Sondenbefestigungselement vorgesehen ist, das in dem dielektrischen Füllkörper verdrehsicher und zentriert angeordnet ist. Das Stab-/Seilelement des Wellenleiters wird von dem dielektrischen Füllkörper gehalten. Die Befestigung des Stab-/Seilelements erfo^t beispielsweise über ein formschlüssig in den dielektrischen Füllkörper eingelassenes Sondenbefestigungselement, wie z.B. eine Sechskantschraube, wodurch das Stab-/Seilelement austauschbar ist. Aufgrund der formschlüssigen Einpassung des Sondenbefestigungselements in dem dielektrischen Füllkörper, und des dielektrischen Füllkörpers in dem Prozessanschlussgehäuse ist es möglich, einen Austausch des Stab-/Seilelements durch eine einfache konträre Drehbewegung des Prozessanschlussgehäuse zum Stab-/Seilelement zu bewirken.
[0023] Eine sehr vorteilhafte Variante der Erfindung ist darin zu sehen, dass auf der Oberfläche des dielektrischen Füllkörpers eine dielektrische, gasdichte und/oder hydrophobe Beschichtung angebracht ist. Durch die Beschichtung des dielektrischen Füllkörpers mit einem dielektrischen, gasdichten und/oder hydrophoben Material wird verhindert, dass ein flüssiges Medium oder Kondensat durch Kapillarwirkung an einem möglichen Spalt zwischen dem dielektrischen Füllkörper und dem Hornantennengehäuse oder dem Prozessanschlussgehäuse entlang kriecht. Andererseits soll dadurch eine Diffusionssperre zur Verhinderung der Diffusion des Mediums durch das Material des dielektrischen Füllkörpers in den Aussparungsvolumen geschaffen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den dielektrischen Füllkörper in den Bereichen, in denen die elektromagnetischen Wellen der Messsignale geführt und deren Abstrahlcharakteristik bzw. Wellenwiderstand angepasst werden, mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung zu versehen. Durch diese leitende Beschichtung kann sich in den Spalt eingedrungenes Medium oder Kondensat nicht auf den Wellenwiderstand und die Reflexionseigenschaften der elektromagnetischen Wellen auswirken. Diese elektrisch leitende Beschichtung muss an das Hornantennengehäuse oder das Prozessanschlussgehäuse elektrisch leitend kontaktiert sein.
[0024] Die Erfindung wird nachfo^end unter Bezugnahme auf verschiedene, in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele beschrieben und erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden. Es zeigt:
[0025] Fig. 1: eine schematische Gesamtdarstellung einer auf einen Behälter montierten Vorrichtung zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mittels einer erfindungsgemäßen Hornantenne,
[0026] Fig. 2: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung mit Hornantenne,
[0027] Fig. 3: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mehrteiligen dielektrischen Füllkörpers der Hornantenne aus Fig. 2,
[0028] Fig. 4: eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 3,
[0029] Fig. 5: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mehrteiligen dielektrischen Füllkörpers der Hornantenne,
[0030] Fig. 6: eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 5,
[0031] Fig. 7: eine schematische Gesamtdarstellung einer auf einen Behälter montierten Vorrichtung zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mittels eines erfindungsgemäßen Wellenleiters,
[0032] Fig. 8: eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung mit Wellenleiter,
[0033] Fig. 9: eine perspektivische Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels des dielektrischen Füllkörpers aus Fig. 8,
[0034] Fig. 10: eine schematische Schnittdarstellung des dritten Ausführungsbeispiels des dielektrischen Füllkörpers aus Fig. 8.
[0035] Fig. 11: eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung mit dielektrischem Stielstrahler,
[0036] In Fig. 1 wird ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Antenne 10, insbesondere eine Hornantenne 10.1, dargestellt. Die Vorrichtung 1 bzw. das Messgerät in der Fig. 1 ist über Befestigungselemente 16 an einem Flansch 15 in einem Stutzen 31 des Behälters 4 montiert. Die Antenne 10 lässt sich in zwei grundlegende Bereiche aufteilen: den Einkoppelbereich 7 und den Antennenbereich 8.
[0037] Die Vorrichtung bzw. das Messgerät 1 beinhaltet eine Sende-/Empfangseinheit 22 im Messumformer 23, in der die hochfrequenten Messsignale 6 erzeugt werden. Über ein Einkoppelelement 24 werden die hochfrequenten Messsignale (6) in dem Einkoppelbereich 7 bzw. den Hohlleiter der Antenne 10 in einer bestimmten Mode, z.B. TE-Mode geführt. Die in die Antenne 10 eingekoppelten hochfrequenten Messsignale 6 werden durch das Material des dielektrischen Füllkörpers 12 hindurch von der Antenne 10 in den Prozessraum 5 mit einer vorbestimmten Abstrahlcharakteristik als Sendesignale S abgestrahlt. Meist wird eine Abstrahlcharakteristik der hochfrequenten Messsignale 6 mit einer ebenen Wellenfront angestrebt. Diese gewünschte Abstrahlcharakteristik der hochfrequenten Messsignale 6 wird dadurch erreicht, dass aufgrund der Ausgestaltung des dielektrischen Füllkörpers 12, beispielsweise durch die erfindungsgemäßen Aussparungsvolumen 13 und/oder durch Anpasselemente 12.4, der Wellenwiderstand und die Ausbreitungscharakteristik der hochfrequenten Messsignale 6 in der Antenne 10 entsprechend angepasst wird. Die in den Prozessraum 5 ausgesendeten hochfrequenten Messsignale 6 bzw. Sendesignale S werden an einer Oberfläche des Mediums 3 als Reflexionssignale R reflektiert und nach einer bestimmten Laufzeit wieder von der Sende -/Empfangseinheit 22 im Messumformer 23 empfangen. Über die Laufzeit der hochfrequenten Messsignale 6 und mittels der Kenntnis der Geometrie des Behälters 4 wird der Füllstand 2 des Mediums 3 im Behälter 4 bestimmt. [0038] Die Regel-/Auswerteeinheit 21 im Messumformer 23 hat die Aufgabe, das empfangene, reflektierte Echo bzw. die Reflexionssignale R der hochfrequenten Messsignale 6 auszuwerten, indem die hochfrequenten Messsignale 6 mit Hilfe einer Signalverarbeitung und spezieller Signalauswertungsa^orithmen weiter verarbeitet werden und aus diesem Ergebnis die Laufzeit bzw. der Füllstand 2 bestimmt wird.
[0039] Über die Versorgungsleitung 19 wird die Vorrichtung 1 mit der benötigten Energie versorgt. Die Regel-/ Auswerteeinheit 21 kommuniziert über einen Busschnittstelle 20 und den Feldbus 18 mit einer entfernten Kontrollstelle und/oder mit weiteren Vorrichtungen 1 bzw. Feldgeräten, die nicht explizit gezeigt sind. Eine zusätzliche Versorgungsleitung 19 zur Energieversorgung der Vorrichtung 1 entfällt, wenn es sich bei der Vorrichtung 1 um ein so genanntes Zweileiter-Feldgerät handelt, dessen Kommunikation und Energieversorgung über den Feldbus 18 ausschließlich und gleichzeitig über eine Zweidrahtleitung erfo^t. Die Datenübertragung bzw. Kommunikation über den Feldbus 18 erfolgt beispielsweise nach dem CAN-, HART-, PROFIBUS DP-, PROFIBUS FMS-, PROFIBUS PA-, oder FOUNDATION FIELDBUS- Standard.
[0040] In Fig. 2 bis Fig. 5 ist eine erfindungsgemäße Hornantenne 10.1 bzw. eine hornförmige Antenne aus einem elektrisch leitfähigen Material, dessen Hohlraum 35 zumindest teilweise mit einem dielektrischen Füllkörper 12 ausgefüllt ist, gezeigt. In die Hohlräume 35 der Hornantenne 10.1 wird zur Vermeidung von Ansatzbildung und Korrosion ein dielektrischer Füllkörper 12 als ein Schutzelement bzw. ein Prozesstrennelement eingebracht. Die hier gezeigte Flanschplattierung 12.3 hat sich als vorteilhaftes Dichtmittel zum Prozessraum 5 hin herausgestellt. Der dielektrische Füllkörper 12 als passives Element der Hornantenne 10.1 separiert, abgedichtet durch die Flanschplattierung 12.3 zwischen den Flanschen 15 des Hornantennengehäuses 37 und des Stutzen 31 des Behälters 4, die aktiven Elemente, wie die Einkoppeleinheit 35 und den Messumformer 23, vom Medium 3 im Prozessraum 5. Dieser dielektrische Füllkörper 12 verhindert als Schutzelement bzw. als Prozesstrennelement, dass die Hornantenne 10.1 mit dem Medium 3 des Prozesses in direkten Kontakt kommt und dass sich gegebenenfalls Kondensat im Hohlraum 35 ausbildet. Die Hornantenne 10.1 besteht beispielsweise aus einem Metall, aus Edelstahl oder aus einem leitfähigem Kunststoff, Der dielektrischen Füllkörper 12 ist aus einem dielektrischen Material, insbesondere aus PoIy etherke tone (PEK, PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) hergestellt. Weitere geeignete Materialien und deren Derivate sind beispielsweise Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Ethylen- Chlortrifluor-Ethylen (ECTFE), Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylfluorid (PVF), Fluorinatedethylenepropylen (FEP). Diese Kunststoffe besitzen gute chemische und physikalische Stoffeigenschaften, wie z.B. Beständigkeit gegen nahezu alle Chemikalien, sehr hohe Temperaturfestigkeit, gute Mikrowellendurchlässigkeit und gute HF-Performance, wodurch diese Materialien für die Verwendung als dielektrische Füllkörper 12 in Messgeräten der Prozessmesstechnik prädestinieren. Die Gestaltung des dielektrischen Füllkörpers 12 ist begrenzt durch die Machbarkeit in der Herstellung. In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des dielektrischen Füllkörpers 12 der Hornantenne 10.1 ist wegen der besseren HF-Performance bzw. der besseren Anpassung des Wellen Widerstandes zumindest ein Aussparungsvolumen 13 im dielektrischen Füllkörper 12 eingebracht. Die Herstellung des dielektrischen Füllkörpers 12 wird erfahrungsgemäß durch ein Span abhebendes Verfahren, einen Spritzguss oder ein isostatisches Pressen des dielektrischen Materials bzw. Kunststoffes bewerkstelligt. Als Herstellungsverfahren wird das Spritzgießen von Kunststoffen, wie beispielsweise von Polyetheretherketon, bevorzugt angewendet. Herstellungsbedingt können auch beim Spritzguss- Verfahren keine wohl definierten, geschlossenen Aussparungsvolumen 13 in dem Spritzgussteil des dielektrischen Füllkörpers 12 erzeugt werden. Aus diesen Gründen ist der dielektrische Füllkörper 12 aus mehren Einzelteilen, bestehend aus einem Grundkörper 12.1 mit einem Deckel 12.2, die eventuell aus unterschiedlichen Materialien bestehen, ausgeführt. Diese Einzelteile werden mit einer stoffschlüssigen Verbindungstechnik, die einen beständige, hermetisch dichte Verbindungsstelle 30 erzeugt, verbunden.
[0041] Es gibt verschiedene stoffschlüssige Verbindungstechniken, die für eine solche Anwendung in Frage kommen, wie z.B. Kleben oder Verschweißen der Verbindungsstellen 30. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Verbindungsstellen 30 der einzelnen Teile des dielektrischen Füllkörpers 12 mittels einer Ultraschall- Schweißtechnik zu verbinden. Hierzu werden die Einzelteile, bestehend aus dem Grundkörper 12.1 und dem Deckel 12.2, mit einem definierten Druck mit den Verbindungsstellen 30 in Kontakt gebracht. Darauf fönend wird zumindest ein Teil, z.B. der Deckel 12.2, über ein Vibrationselement in Vibrationsbewegung versetzt, wodurch durch die Reib wärme ein örtlich begrenzter Schmelzprozess des Materials hervorgerufen wird und eine Verschweißung der Teile an den Verbindungsstellen 30 stattfindet. Vorteilhafterweise wird die Schweißungsprozedur unter einer trockenen Schutzgas-Atmosphäre durchgeführt, so dass sich in den Aussparungsvolumen 13 des verschweißten dielektrischen Füllkörpers 12 dieses trockene Gas unter einem bestimmten Druck befindet, oder es wird speziell in die Aussparungsvolumen 13 ein trockenes Gas, z.B. Stickstoff, Helium, Argon, eingebracht. Dieses Gas hat zwei Funktionen, einerseits wird durch dieses Gas die Wasserdampf gesättigte Luft aus den Aussparungsvolumen 13 verdrängt, so dass sich bei einer Temperaturänderung kein Kondensat darin bilden kann; und andererseits kann mittels dieses Gases die Dichtigkeit der Verschweißung an den Verbindungsstellen 30 überprüft werden. Hierzu wird in dem Produktionsprozess mit einem Gas-Sensor info^e von einer Diffusion oder einer Leckage aus dem verschweißten dielektrischen Füllkörper 12 tretendes Gas ermittelt. Es wird bei der Gasauswahl darauf geachtet, dass das hochfrequente Messsignal 6 möglichst wenig von diesem Gas beeinflusst wird. Als zusätzliches Füllmaterial des dielektrischen Füllkörpers 12 können auch spezielle Flüssigkeiten und Feststoffe mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten er, die das hochfrequente Messsignal 6 nicht oder nur gering beeinflussen, eingesetzt werden.
[0042] Die Erfindung ist auch einsetzbar bei so genannten dielektrischen Stielstrahlern 10.2 oder Stabstrahler, was explizit in Fig. 11 dargestellt ist. Das die hochfrequenten Messsignale 6 in den Prozessraum 5 abstrahlende Antennenelement ist bei einem solchen dielektrischen Stielstrahler als Stab aus einem dielektrischen Material ausgeführt. Um die Abstrahlcharakteristik der hochfrequenten Messsignale der abstrahlenden Antennen 10 anzupassen, ist dieses abstrahlenden Element gewissermaßen als ein dielektrischer Füllkörper 12 mit einem entsprechenden hermetisch dichten Aussparungsvolumen 13 im Hohlraum 35 des Antenneneinkoppelbereichs 7.1 ausgeführt. Der Stielstrahlers 10.2 ist beispielsweise aus einem Grundkörper 12.1 und einem Deckel 12.2 aufgebaut, die miteinander hermetischdicht verbunden sind oder ist mittels einem Spritzguss- Verfahren einteilig hergestellt. Die Ausführungen der Verbindungstechnik des Grundkörper 12.1 mit dem Deckel 12.2 und die Ansteuerung durch den Messumformer, sowie dessen Aufbau, ist hier nicht mehr explizit aufgeführt und sind der restlichen Beschreibung zu entnehmen.
[0043] In Fig. 3 und Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des dielektrischen Füllkörpers 12 gezeigt, dessen Grundkörper 12.1 vollständig durch einen Aussparungsvolumen 13 ausgespart ist, so dass nur noch eine dünne Wand stehen bleibt. In dieser Ausführungsform ist die Anpassung des Wellenwiderstands der Hornantenne 10.1 in einer Ausgestaltung als Hornantenne optimiert, jedoch weist der dielektrische Füllkörper 12 keine allzu hohe mechanische Stabilität und Druckfestigkeit auf. Ein Messgerät mit einer Hornantenne 10.1, die einen solchen dielektrischen Füllkörper 12 aufweist, kann in einem Prozess, bei dem keine großen Drücke und Temperaturänderungen zu erwarten sind, eingesetzt werden. Um die Druckfestigkeit und die mechanische Stabilität des dielektrischen Füllkörpers 12 zu erhöhen, sind, wie in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt, Stützelemente 14 in den Aussparungsvolumen 13 eingefügt worden. Da es sich bei diesem Beispiel um eine kegelstumpfförmige Hornantenne handelt, sind die Stützelemente 14 zur mechanischen Stabilisierung in Speichenform radialsymmetrisch angeordnet. Es können jedoch auch andere Ausgestaltungen von Stützelementen 14 verwendet werden.
[0044] Eine weitere, nicht explizit in den Zeichnungen aufgeführte Ausführungsform der Erfindung ist, den z.B. durch Spritzguss hergestellten dielektrischen Füllkörper 12 mit zur Prozessatmosphäre teilweise offenen Aussparungsvolumen 13 mit einer entsprechenden selektiv permeablen Membran zu verschließen. Diese Membran ermöglicht einerseits einen Gasmolekülaustausch und andererseits lässt sie Wasser nicht in das Aussparungsvolumen 13 passieren.
[0045] Um einen reflexionsarmen, dem Wellenwiderstand angepassten Übergang zwischen dem dielektrischen Füllkörper 12 und dem anschließendem Prozessraum 5 zu gewährleisten, ist die dem Prozessraum 5 zugewandte Seite des dielektrischen Füllkörpers 12 als Anpasselement 12.4 ausgebildet, das beispielsweise die Form eines stumpfen Kegels aufweist. Dadurch werden Phasenunterschiede zwischen einzelnen Wellenbereichen ausgeglichen, die beim Durchlaufen der Horngeometrie entstehen können, und die hochfrequenten Messsignale 6 werden als Sendesignal S in einer ebene Wellenfront abgestrahlt. Es sind jedoch auch plane, konvexe oder konkave Übergangsgeometrien zur Ausbildung der gewünschten Abstrahlcharakteristik denkbar.
[0046] Das hochfrequente Messsignal 6 wird, wie in Fig. 1 dargestellt, über ein Einkoppelelement 24 in den Einkoppelbereich 7, der als Rund- oder Rechteckhohlleiter ausgebildet ist, eingebracht. Bevorzugt wird der Hohlleiter bzw. der Einkoppelbereich 7 so ausgestaltet, dass sich ein TE-Wellenmode ausbildet. In diesem Einkoppelbereich 7 ist der dielektrische Füllkörper 12 wiederum mit einem Anpasselement 12.4, z.B. einer Kegelspitze oder einer Stufenpyramide, ausgestattet, um eine gute Anpassung vom Luft gefüllten Hohlleiter zu dem mit dielektrischem Material gefüllten Hohlleiter zu gewährleisten. Durch die Anpassung im Einkoppelbereich 7 der Hornantenne 10.1 wird vermieden, dass schon in diesem Einkoppelbereich 7 das eingespeiste hochfrequente Messsignal 6 anteilig zurückreflektiert und somit gedämpft wird. Der Einkoppelbereich 7 der Hornantenne 10.1 kann auch vollständig von dem dielektrischen Material des dielektrischen Füllkörpers 12 ausgefüllt sein.
[0047] In Fig. 7 wird ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 als ein Zeitbereichsreflektormeter bzw. TDR-Messsystem zur Ermittlung des kontinuierlichen Füllstandes 2 eines Mediums 3 in einem Behälter 4 mit einem Wellenleiter 11 dargestellt. Die Vorrichtung 1 ermittelt nach der Laufzeit- Messmethode den Füllstand 2 eines Mediums 3 bzw. eines Fü%uts in diesem Behälter 4. Der Wellenleiter 11 lässt sich grundlegend in zwei Bereiche aufteilen: den Einkoppelbereich 7 und den Messsondenbereich 9. Diese Vorrichtung 1 ist beispielsweise über eine Einschraubung 17 in einer Öffnung des Behälters 4 montiert. Die elektromagnetischen Wellen des hochfrequenten Messsignals 6 werden über einen koaxialartig ausgebildeten Einkoppelbereich 7 durch den Bereich des Stutzens 31 oder der Einschraubung 17 hindurch geführt und in dem stab- und seilförmigen Messsondenbereich 9 im Prozessraum 5 des Behälters 4 auf das Stab-/Seilelement 11.1 eingekoppelt. Durch die koaxiale Ausgestaltung des Einkoppelbereichs 7 bildet sich dort eine TEM-Mode der hochfrequenten Messsignale 6, welche eine bevorzugte Ausgestaltung zum nahezu verlustlosen und störungsfreien Übermitteln der hochfrequenten Messsignale 6 darstellt. Im Messsondenbereich 9 des Wellenleiters 11 wird zur optimalen Messung des Füllstands 2 eines Mediums 3 in einem Behälter 4 eine Ausbildung einer als TM01 -Mode im Nahfeldbereich des Stab-/Seilelements 11.1 erzeugt.
[0048] Die TDR-Messmethode arbeitet nach fönenden Messprinzip: Über den
Messsondenbereich 9 des Wellenleiters 11 werden die elektromagnetische Wellen des hochfrequenten Messsignals 6, die durch den Skin-Effekt im Nahfeldbereich des Stab- /Seilelements 11.1 des Wellenleiters 11, mit anderen Worten an der Oberfläche des Stab-/Seilelements 11.1 entlang geführt werden, in Richtung des Mediums 3 bzw. den Prozessraum 5 als Sendesignale S geführt. Die Energieanteile des hochfrequenten Sendesignals S bei einem Sprung der Dielektrizitätskonstanten er des umgebenden Mediums 3 und einer damit zusammenhängenden Änderung des Wellenwiderstands zumindest teilweise als Reflexionssignale R zurückreflektiert. Die Reflexionssignale R laufen in entgegen gesetzter Richtung am Wellenleiter 11 zur Sende-/Empfangseinheit 22 zurück. Diese Diskontinuität liegt beispielsweise vor, wenn die erste Dielektrizitätskonstante erl der dem Medium 3 überlagerten Gasphase, insbesondere der Luft erl«l kleiner ist als die zweite Dielektrizitätskonstante er2 des Mediums 3. Über die gemessene Laufzeit des hochfrequenten Messsignals 6 wird durch eine Umrechnung über die Formel der Wellengeschwindigkeit die zurückgelegte Strecke ermittelt. Diese Differenzstrecke entspricht der Höhe des Behälters 4 minus der Höhe des Füllstands 2 des Mediums 3 im Behälter 4. Die Höhe des Behälters 4 bzw. die Position der Einkopplung des hochfrequenten Messsignals 6 ist als bekannt vorauszusetzen, wodurch sich der Füllstand 2 im Behälter 4 durch eine einfache Subtraktion der gemessen Laufstrecke des hochfrequenten Messsignals 6 von der Höhe des Behälters 4 ermitteln lässt.
[0049] Die elektromagnetischen Wellen des Messsignals 6 werden beispielsweise als Impulse mit einer Bandbreite von 0 - 1,5 GHz in der Sende -/Empfangseinheit 22 erzeugt und mittels eines Einkoppelelements 24 als ein Sendesignal S in einen Wellenleiter 11, z.B. einen Sommerfeldschen Wellenleiter, wie in Fig. 7 und Fig. 8 gezeigt, eingekoppelt. Es sind auch Goubau- Wellenleiter; Koaxialleitern, Mikrostreifenleiter oder koaxiale und parallele Anordnungen von mehreren Stab- /Seilelementen 11.1 einsetzbar, die jedoch hier in den Zeichnungen nicht explizit gezeigt sind. Die aufgrund der Diskontinuität der Dielektrizitätskonstanten er des umgebenden Mediums 3 zurücklaufenden Reflexionssignale R auf dem Stab- /Seilelement 11.1 des Wellenleiters 11 werden wiederum in der Sende- /Empfangseinheit 22 empfangen und vorverarbeitet. Diese vorverarbeiteten Reflexionssignale R werden in der Regel-/Auswerteeinheit 12 messtechnisch und signaltechnisch ausgewertet und so aufbereitet, dass der Messwert des Füllstands 2 oder ein Echokurvensignal, das die aufbereitete Hüllkurve der Reflexionssignale R darstellt, über eine Busschnittstelle 20 auf den Feldbus 18 an beispielsweise eine Leitstelle weitergeleitet wird.
[0050] In Fig. 8 ist der Wellenleiter 11 mit dem Einkoppelelement 24 und dem Stab-
/Seilelement 11.1 aus Fig. 7 vergrößert und auszugsweise in einer Schnittdarstellung dargestellt. Der Einkoppelbereich 7 des Wellenleiters 11 ist als koaxiales Leitergebilde beispielsweise aus einem leitfähigen Prozessanschlussgehäuse 36 als Außenleiter und einem leitfähigen Stab-/Seilelement 11.1 als Innenleiter ausgebildet. Das Stab- /Seilelement 11.1 ist im Einkoppelbereich 7 in einem dielektrischen Füllkörper 12 aus einem dielektrischen Material eingebettet, das das Stab-/Seilelement 11.1 in dem Hohlraum 35 des Prozessanschlussgehäuses 36 zentriert positioniert. Durch ein Sondebefestigungselement 28 wird das Stab-/Seilelement 11.1 verdrehsicher und austauschbar in dem Grundkörper 12.1 des dielektrischen Füllkörpers 12 gehalten. Bei dem Sondebefestigungselement 28 handelt es sich beispielsweise um eine gewöhnliche Sechskantschraube, die in der Stirnfläche des Schraubenkopfes eine Bohrung aufweist, in die die Sondeneinkopplung 27, beispielsweise in Form einer Feder gelagerten Stiftes, das hochfrequente Messsignal 6 einkoppelt. Über ein. in den Zeichnungen nicht explizit gezeigtes, Außengewinde am Sondebefestigungselement 28 und einem entsprechenden Sacklochgewinde in dem Stab-/Seilelement 11.1 ist beides miteinander elektrisch leitend und mit dem Grundkörper 12.1 des dielektrischen Füllkörpers 12 kraftschlüssig verbunden. An dem Grundkörper 12.1 ist eine Verdrehsicherung 12.5 in Form einer Auswölbung oder Ausbuchtung ausgebildet, die formschlüssig in ein entsprechendes Gegenstück im Hohlraum 35 des Prozessanschlussgehäuses 36 passt und somit ein Verdrehen des dielektrischen Füllkörpers in dem Prozessanschlussgehäuse 36 verhindert. Der Grundkörper 12.1 des dielektrischen Füllkörpers 12 mit dem darin versenkten Sondebefestigungselement 28 wird beispielsweise über ein Ultraschall-Schweißverfahren mit einem Deckel 12.2 verschweißt, so dass die Aussparungsvolumen 13 im Grundkörper 12.1 hermetisch dicht verschlossen sind. Der dielektrische Füllkörper 12 kann natürlich auch einteilig ausgeführt sein. Diese Aussparungsvolumen 13 sind in den Grundkörper 12 des dielektrischen Füllkörpers 12 eingebracht, um die HF-Performance des Einkoppelelements 24 zu verbessern und somit Störreflexionen des hochfrequenten Messsignals 6 aufgrund des dielektrischen Materials des dielektrischen Füllkörpers 12 zu minimieren.
[0051] Die das Sondebefestigungselement 28 kontaktierende Sondeneinkopplung 27 ist in eine Glasdurchführung 26 eingebracht, die eine gasdichte Prozesstrennung zur Elektronik des Messumformers 23 ermöglicht. Zur Seite des Messumformers 23 hin ist die Sondeneinkopplung beispielsweise über einen Koax-Stecker 38 abgeschlossen. Prozessseitig ist vor dem Grundkörper 12.1 beispielsweise eine Blende 29 aus einem resistenten und temperaturstabilen Material, wie z.B. eine Keramik mit Dichtelementen 32, wie z.B. O-Ringe angebracht Diese Blende hat einerseits die Aufgabe, aggressive Medien 3 oder hohe Temperaturen angebracht. Die, die das Material des dielektrischen Füllkörpers 12 verändern, von dem dielektrischen Füllkörper 12 fernzuhalten und andererseits einen sauberen Prozessanschluss, der keine Verunreinigungen im Prozessraum 5 bzw. im Medium 3 durch das Material des dielektrischen Füllkörpers 12 zulässt, zu bilden.
[0052] Materialien für den dielektrischen Füllkörper 12 wurden schon in Zusammen hang mit Fig. 1 ausführlich beschrieben
[0053] In Fig. 9 und Fig. 10 ist der dielektrische Füllkörper 12 in zwei unterschiedlichen Ansichten dargestellt. Fig. 9 zeigt zwei dreidimensionale Explosionsansichten aus verschieden Blickwinkeln, wodurch unterschiedliche Aspekte des erfindungsgemäßen Gegenstandes deutlicher gezeigt werden. Der Füllköper 12 besteht grundlegend aus einem Grundkörper 12.1 mit Aussparungsvolumen 13 und Stützelementen 14 sowie einem Deckel 12.2. Die beiden Teile sind wie schon zuvor beschrieben über ein stoffschlüssiges Verbindungsverfahren an den Verbindungsstellen 30 bzw. Auflagepunkten miteinander verbunden, oder sie sind als einteiliger dielektrischer Füllkörper 12 ausgeführt. Das Sondenbefestigungselement 28 wird mit einer Unterlegscheibe 33 zentriert in einer Aussparungsvolumen im Grundkörper 12.1 positioniert. Über ein formschlüssiges Arretierungselement 34, das sich wie gezeigt am Deckel 12.2 oder aber auch im Grundkörper 12.1 selbst befindet, ist das Sondenbefestigungselement 28 bzw. die Sechskantschraube verdrehsicher platziert. Das Stab-/Seilelement 11.1 kann somit eingeschraubt werden, ohne dass direkt an dem Sondenbefestigungselement 28 ein Werkzeug angesetzt werden muss: es lässt sich durch ein entsprechendes Fixieren des gesamten Einkoppelelements 24 einschrauben.
[0054] Bezugszeichenliste
[0055] 1 Vorrichtung
[0056] 2 Füllstand
[0057] 3 Medium
[0058] 4 Behälter
[0059] 5 Prozessraum
[0060] 6 Messsignale
[0061] 7.1 Antenneneinkoppelbereich
[0062] 7.2 Sondeneinkoppelbereich
[0063] 8 Antennenbereich
[0064] 9 Messsondenbereich
[0065] 10 Antenne;
[0066] 10.1 Hornantenne
[0067] 10.2 dielektrischer Stielstrahler
[0068] 11 Wellenleiter
[0069] 11.1 Stab-/Seilelement
[0070] 12 Füllkörper
[0071] 12.1 Grundkörper
[0072] 12.2 Deckel
[0073] 12.3 Flanschplattierung
[0074] 12.4 Anpasselement [0075] 12.5 Verdrehsicherung
[0076] 13 Aussparungsvolumen
[0077] 14 Stützelemente
[0078] 15 Flansch
[0079] 16 Befestigungselement
[0080] 17 Einschraubung
[0081] 18 Fekibus
[0082] 19 Versorgungsleitung
[0083] 20 Busschnittstelle
[0084] 21 Regel-/Auswerteeinheit
[0085] 22 Sende -/Empfangseinheit
[0086] 23 Messumformer
[0087] 24 Einkoppelelement
[0088] 25 Koaxialleitung
[0089] 26 Glasdurchführung
[0090] 27 Sondeneinkopplung
[0091] 28 Sondenbefestigungselement
[0092] 29 Blende
[0093] 30 Verbindungsstelle
[0094] 31 Stutzen
[0095] 32 Dichtelement
[0096] 33 Unterlegscheibe
[0097] 34 Arretierungselement
[0098] 35 Hohlraum
[0099] 36 Prozessanschlussgehäuse
[0100] 37 Hornantennengehäuse
[0101] 38 Koax-Stecker
[0102] S Sendesignal
[0103] R Reflexionssignal
[0104] er Dielektrizitätskonstante
[0105] erl erste Dielektrizitätskonstante
[0106] er2 zweite Dielektrizitätskonstante

Claims

Ansprüche
[0001] 1. Vorrichtung (1) zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes (2) eines
Mediums (3) in einem Behälter (4) mittels einer Laufzeitmessmethode von hochfrequenten Messsignalen (6), mit einer Antenne (10), bestehend aus einem Antenneneinkoppelbereich (7.1) und einem Antennenbereich (8), oder mit einem Wellenleiter (11), bestehend aus einem Sondeneinkoppelbereich (7.2) und einem sich in den Behälter (4) hinein erstreckenden Messsondenbereich (9), wobei in dem Antenneneinkoppelbereich (7.1), im Antennenbereich (8), in dem Sondeneinkoppelbereich (7.2) und/oder im Messsondenbereich (9) vorhandene Hohlräume (35) zumindest teilweise mit einem dielektrischen Füllkörper (12) ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Füllkörper (12) im Inneren zumindest ein hermetisch dichtes Aussparungsvolumen (13) aufweist und dass das hermetisch dichte Aussparungsvolumen (13) so ausgestaltet ist, dass der dielektrische Füllkörper (12) einen vorgegebenen Wellen widerstand aufweist und/oder dass die hochfrequenten Messsignale (6) eine vorgegebene Ausbreitungscharakteristik aufweisen.
[0002] 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Füllkörper (12) aus einem Kunststoff gefertigt ist.
[0003] 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dielektrische Füllkörper (12) aus mehren Einzelteilen besteht.
[0004] 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelteile des dielektrischen Füllkörpers (12) mittels einer stoffschlüssigen Verbindungstechnik hermetisch dicht zusammengefügt sind.
[0005] 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelteile des dielektrischen Füllkörpers (12) mittels einer kraftschlüssigen Verbindungstechnik hermetisch dicht zusammengefügt sind.
[0006] 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Aussparungsvolumen (13) des dielektrischen Füllkörpers (12) ein Gas oder eine Gasmischung eingebracht ist.
[0007] 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Aussparungsvolumen (13) des dielektrischen Füllkörpers (12) ein dielektrisches Füllmaterial mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (er) vorgesehen ist, die die Ausbreitungscharakteristik der hochfrequenten Messsignale (6) nicht beeinflusst. [0008] 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem
Aussparungsvolumen (13) des dielektrischen Füllkörpers (12) zumindest ein Stützelement (14) vorgesehen ist.
[0009] 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Sondenbefestigungselement (28) vorgesehen ist, das in dem dielektrischen Füllkörper (12) verdrehsicher und zentriert angeordnet ist.
[0010] 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des dielektrischen Füllkörpers (12) eine dielektrische, gasdichte und/oder hydrophobe Beschichtung angebracht ist.
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