JPH08500907A - 容器内の充填レベル測定のための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 波長の短い電磁波を用いて金属性容器内の充填レベルを測定するためには容器外部に、ホーンアンテナを含めた充填機器を配設することが提案されている。送信はそれに対して容器壁部を貫通する開口部を通って、測定すべき媒体へ配向される。この開口部はガラス又はセラミック盤で閉鎖される。ガラス又はセラミック盤における電磁波の度重なる反射によって生じる障害エコーの中から有効信号の識別性を高めるために、マイクロ波結合素子とガラス又はセラミック盤との間に従来の減衰材料から成る減衰層が介在的に設けられる。最適なＳＮ比を得るために、減衰係数と、容器開口部の軸線方向での充填レベル測定機器とガラス又はセラミック盤の表面との間の間隔とが設定可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 容器内の充填レベル測定のための装置 本発明は、充填レベル測定機器を有し、該測定機器によってホーンアンテナを 用いて波長の短い電磁波が容器の開口面を通って容器内にある充填物の表面へ送 信され、該表面にて反射され、同じホーンアンテナを介して充填レベル測定機器 によって受信される、容器内の充填レベル測定のための装置に関する。測定毎に 、受信された反射波からは反射振幅を距離の関数として表わすエコー関数が形成 される。このエコー関数からはマイクロ波パルスの伝搬時間が求められ、さらに そこからはホーンアンテナと充填物表面との間の間隔距離が求められる。 マイクロ波充填レベル測定に対しては短い距離を反射波を用いて測定すること のできる種々の公知手法が用いられ得る。そのことに対して頻繁に用いられる手 法は、パルスレーダーと周波数変調−連続波−レーダー（ＦＭＣＷ）である。前 者のパルスレーダーの場合は周期的に短いマイクロ波パルスが送信され、その伝 搬時間が測定され、そこから間隔距離が求められるのに対して、ＦＭＣＷ−レー ダーの場合は周期的にリニアに周波数変調されている連続的なマイクロ波が送信 される。各受信エコー信号の周波数は、エコー信号の 伝搬時間に依存する周波数の差を有している。 そのようなマイクロ波充填レベル測定機器を、例えば化学工業におけるプロセ ス技法に用いるならば、困難な測定条件及び周辺環境条件のもとでも正確に測定 し得ることが要求される。この困難な条件とは例えば高いか及び／又は常時変動 する温度、高いか及び／又は変動する圧力やそれに類似する条件、例えば爆発性 又は侵蝕性又は毒性の充填物、つまり測定媒体等によって決定される。 ドイツ連邦共和国特許出願第４１００９２２号明細書からわかるように、これ までの従来技術によればこの困難性は充填レベル測定機器が空間的に分離される ことによって回避されている。この分離においては電子部品を有する送信部と受 信部が、危険な容器内部空間の外部に配設され、そして必要最小限だけアンテナ が容器の内部空間内に配置される。前記送信部と受信部の２つは容器壁部を貫通 する導波管によって接続されている。送信部と受信部を容器内部空間から分離す るためには、導波管内において石英ガラスからなる導波管窓が配設される。この 石英ガラスはこの場合マイクロ波の透過性にとって有利な低い誘電損失係数を有 するように選定される。 しかしながらこのような測定機器の分離には構造的なコストの上昇が伴う。そ の他にも整合のために、平均的な誘電率を有する材料、例えばテフロン等の材料 からなる整合部材をガラス体の両側に配設する必要がある。これは可用の使用範 囲（例えば温度範囲や化学的な抵抗力等）の制限も生ぜしめる。しかしながらこ のようなコストの上昇と使用技術の制限は、充填レベル測定機器全体を、爆発性 、侵蝕性、又は毒性の媒体が含まれている容器内部空間の外部に配設することが できた場合には回避可能となる。しかしながらこれは次のような場合にしか可能 とならない。すなわち誘電率ε_r＜７で、波長の短い電磁波よりも高い伝送係数 を有している例えばＧＦＫ，ＰＶＣ，ＰＤ等を原料とするプラスチックからなる 容器の場合にしか可能とならない。 しかしながらプロセス技術においては非常に頻繁に金属性の容器が用いられる 。この金属性容器表面は電磁波を反射し、そのために測定は密閉した容器壁部に よって不可能である。 本発明はそのような容器では非常に頻繁に開口部を有しているという事実から 出発している。この開口部を介して従来は容器内部空間が操作者によって光学的 に監視されていた。この場合この開口部は構造的に、防爆規定に関して容器内部 空間と周辺環境の雰囲気との間の分離により何重もの安全性が与えられるように 構成され適度な厚さのガラス板によって閉鎖されている。ここにおいて問題の解 決を次のようにして行う可能性が存在する。すなわちマイクロ波充填レベル測定 機器をそのような観察窓の上方に、送信波が当該観察窓を通して直接充填物表面 へ配向されるように配設する可能性が存在する。 しかしながらそのような観察窓の上方に、容器内部空間の外部にマイクロ波充 填レベル測定機器全体を配設することは、測定技術上次のような大きな欠点を伴 う。すなわち従来では充填レベル測定機器のそのような近接配置は初めから断念 されていた程の大きな欠点を伴う。 この欠点は、波動インピーダンスが次のように整合されなければならないこと からなる。すなわち観察窓がマイクロ波に対して、選択された中心周波数の周り で可及的に大きな帯域の中で通過性を有するように整合されなければならないこ とからなる。この前提条件は既存の観察窓においてはほとんどか又は完全に与え られてなかったので、このことは従来は以下のようなことに結び付いていた。す なわちガラスのかなりの厚さと、それに伴う波動インピーダンスの跳躍的な変動 と、適切な整合構造とその選定仕様の不在に起因して、マイクロ波に対するこの 種のガラス層の透過性が、もはや評価可能な有効信号が何も存在しなくなる程僅 かとなることに結び付いていた。 本発明の課題は、マイクロ波充填レベル測定機器全体が容器内部空間の外部に 存在する、金属容器内の充填レベルの測定において、マイクロ波充填レベル測定 装置を既存の又は新たに設けられる観察ガラス窓の上方に配設し、かつそのよう な配置構成のこれまでの測定技術上の欠点が回避できるように改善を行うことで ある。 本発明はさらに次のような利点をもたらす。すなわちホーンアンテナの下縁部 とガラス又はセラミック盤の合いだの空間的な間隔距離の選択によってＳＮ比と 電磁波の信号強度が設定調整可能である。 前記課題は請求の範囲第１項の特徴部分に記載された本発明によって解決され る。 本発明の別の特徴及び利点は本発明の実施例中に記載される。 図面 図１は、容器の観察窓の上方へのマイクロ波充填レベル測定機器の配置構成図 である。 図２にはダイヤグラムａ，ｂがプロットされており、図１による装置の使用下 と不使用下でのマイクロ波充填レベル測定機器の測定値の経過図である。 図３は、図１による装置を使用する下と使用しない下での１，２ｍの距離にお けるマイクロ波のエコー関数のダイヤグラムである。 図４は、図１による装置を使用する下と使用しない下での２，２ｍの測定間隔 距離におけるマイクロ波のエコー関数のダイヤグラムである。 実施例の説明 図１には小型構造のマイクロ波充填レベル測定機器が示されている。この場合 このマイクロ波充填レベル測定機器は、金属容器の外部（例えば同じ様な金属性 の容器カバー２の上方）に位置している。容器の内部空間３には爆発性又は侵蝕 性又は毒性の測定媒質が充填されており、この媒質の充填レベルの高さがマイク ロ波充填レベル測定機器によって測定される。金属容器の壁部は電磁波を反射す るので、この測定は直接容器壁部を通して行うことはできない。そのため充填レ ベル測定機器は円筒状開口部４の上方に次のように配設される。すなわち電磁波 がホーンアンテナ１を介して測定媒質の表面に直接配向されるように配設される 。この開口部４は容器カバー２を完全に貫通している。円筒状開口部４は、容器 内部空間の監視のための既存の観察窓であってもよいが、この目的のために新た に特別に設けられた開口部であってもよい。容器内部空間を外部環境から分離す るために開口部４は石英ガラス又はセラミック材料からなる盤５で閉鎖される。 石英ガラス又はセラミックの材料にはマイクロ波の透過性に対して良好に低い誘 電率と可及的に低い損失率を有するものが選定される。またプロセスや周辺環境 からの確実な分離が保証されるように、石英ガラス又はセラミックの壁厚を選択 することも重要である。この場合は窓の直径を少なくともホーンアンテナ１のア ンテナ開口面に相応させるべきである。当該の実施例で はそのような窓は２５ｍｍ厚の硼珪酸ガラスからなりまた開口部は１５０ｍｍの 開口部直径を有している。 容器カバー２への石英ガラス−又はセラミック盤５の固定に対しては枠リング ６によって石英ガラス−又はセラミック盤５が囲繞される。 固定ねじ７はねじ孔８と共に取外し（解離）可能な継手を形成する。この継手 によって枠リング６は容器壁部２と形状的に結合により連結される。もちろん前 記石英ガラス−又はセラミック盤５ないし枠リング６は、当業者にとって周知の その他の各固定方式によって容器カバー２に連結されてもよい。 しかしながらこのようなガラス窓を通したマイクロ波充填レベル測定そのもの はこれまでは次のようなことで失敗していた。すなわち使用するガラスが比較的 僅かな誘電率を有しているにもかかわらずプロセスや周辺環境からの分離のため に必要とされるガラス又はセラミックの厚さの故に、波長の短い電磁波の所要の 通過帯域幅内においてガラス又はセラミック盤の上面と下面で強い反射及び狭帯 域の厚み振動共鳴のみが生じることである。それにより例えばε_r＝７のガラス のもとではガラス／空気の各境界面において電磁波の約８０％のみが通過し、約 ２０％は反射する。 ガラス又はセラミック盤の表面にて反射する電磁波成分は、充填レベル測定機 器までの短い間隔のために送出後すぐにホーンアンテナを介して再び充填レベル 測定機器に到達する。ここにおいてこの成分はホーンアンテナ及び／又は導波管 によって反射し、その後再びガラス又はセラミック盤の表面で反射する。この、 エネルギーの完全な消失までのある期間常時充填レベル測定機器とガラス盤表面 との間を往復走行する電磁波成分は、次のようなほぼ傾斜（ランプ）形の障害エ コーを引き起こす。すなわち有効信号に重って、アンテナ近傍領域の測定を不可 能にするような障害エコーを引き起こす。 図２にはこの作用の影響が示されている。図２ａのダイヤグラムには横軸に測 定距離がメートル単位でプロットされ、縦軸には測定値が同じようにメートル単 位でプロットされている。この特性曲線には、石英ガラス−又はセラミック盤を 通って容器内にある充填物表面までの測定で得られるマイクロ波充填レベル測定 機器の測定信号が示されている。特性曲線２ａからわかることは、エラー測定が 頻繁に生じていることである。度重なる反射から生じる０．５ｍ〜３．５ｍのア ンテナ近傍領域での障害エコーは、この領域での充填レベルの確実な測定が不可 能となるくらいに高い障害レベルを形成する。 この偏見の打破において明らかとなることは、一方が石英ガラス又はセラミッ ク盤で閉鎖された金属容器の窓を透過させる比較的波長の短い電磁波を用いた充 填レベルの測定が、本発明により、マイクロ波結合素 子１８と石英ガラス又はセラミック盤５の間に通常の市販の減衰マットを介在さ せることによって可能となることである。このような減衰層９の挿入は、測定信 号も反射信号も減衰層の透過のたびに減衰を受けるように作用する。この２度の 減衰は有効信号も弱めるが、しかしながらホーンアンテナ１とガラス又はセラミ ック盤５の表面における反射によって生じこれらの間を往復する障害信号も減衰 させる。この場合この障害信号は減衰層の度重なる透過により、有効信号の２度 の透過の際の減衰量よりもはるかに多く減衰される。これによりＳＮ比の明らか な向上が生ぜしめられる。減衰層の減衰係数の選択によりＳＮ比とそれに基づく 有効信号レベルが調整できる。この場合減衰マットは例えば市販されているベル ギーのグレースＮ．Ｖ社性“ＥＣＣＯＣＯＲＢ”減衰マットを用いることができ る。 図２ｂでも横軸には測定距離がメートル単位でプロットされ、縦軸には測定値 がメートル単位でプロットされている。この特性曲線にも図２ａと類似の測定信 号が示されている。ただこの場合異なっているのは測定に際してホーンアンテナ １とガラス又はセラミック盤５との間に減衰層９が介在されている点である。図 ２ｂから明らかなことは、減衰層９の設置によって高い障害レベルが除かれ、全 く正確な測定値が導出されていることである。もちろんマイクロ波充填レベル測 定機器がダイナミック特性に関する十分な余裕度有することは必要である。それ により２度減衰される有効信号がこの減衰にもかかわらず問題なく評価可能とな る。しかしながらこのことは問題とはならない。なぜなら現在において通常のマ イクロ波充填レベル測定機器のほとんどはそのようなダイナミック特性の余裕度 を十分に有しているからである。 その上さらに減衰層の介在挿入は次のような利点を有する。すなわち減衰係数 の選択を介して障害信号の急峻度が、すなわちＳＮ比が、距離と有効信号の絶対 レベルとそれに結び付く測定領域の関数として設定調整可能となることである。 さらに図１の装置では容器カバー２への充填レベル測定機器に対する固定手法 が示されている。それに対してはリングフランジ１０が同じ間隔で同軸的に枠リ ング６を囲繞している。このリングフランジ１０は一連のねじ孔１１を有してい る。このねじ孔は環状孔部周辺に沿って同じ間隔でリングフランジ１０に設けら れている。リングフランジ１０は溶接結合を用いて固定的に容器カバー２に結合 されている。 別の溶接結合部はホーンアンテナ１と固定フランジ１２との解離不能な結合部 である。固定フランジ１２は形状結合的に同軸にホーンアンテナ１の上縁並びに 導波管１３の外套面を囲繞する。マイクロ波結合素子１８の励磁ピンはホーンア ンテナ１３の外套面を貫通 して一部が導波管１３の内部空間内で半径方向に突出している。マイクロ波結合 素子１８は同軸ケーブルを介して電子的送受信部と接続されている。固定フラン ジ１２はその周面に沿って一連の貫通孔部１４を有している。これらの貫通孔部 はリングフランジ１０のねじ孔１１と同じように固定フランジ１２上に分布して いる。ねじ孔１１と貫通孔部１４は相互に対向して位置している。フランジ１０ と１２の間にはねじ込みロッド１５が配設されている。このねじ込みロッド１５ はリングフランジ１０のねじ孔１１の中に支持されている。固定フランジ１２は さらにねじ込みロッド１５のそれぞれ２つのナット１６，１７の間で緊定される 。これにより充填レベル測定機器は解離可能に容器カバー２と結合される。固定 部のこのような固定形式によっては、充填レベル測定機器と容器カバー２との間 の間隔と共にホーンアンテナ１の縁部とガラスまたはセラミック盤５との間の間 隔を、固定フランジ１２とナット１６，１７で形成されるねじ込み結合部の簡単 な緩め、調節、締め等によって正確にセッティング調整できるものとなる。その ようなセッティング調整は、ホーンアンテナ１とガラスまたはセラミック盤５と の間の間隔を介して窓近傍の空間領域内のＳＮ比を非常に大きく維持できるため 重要である。 もちろんその他の、当業者に周知で高さ調整可能な、マイクロ波充填レベル測 定機器のそれぞれの固定手法 を選択することも可能である。 図３及び図４にはエコー関数のダイヤグラムに基づいて本発明の作用効果が示 されている。図３のダイヤグラムでも横軸には距離がメートルでプロットされ、 縦軸には信号出力がｄＢでプロットされている。上方の特性曲線ａは、減衰層９ なしでのエコー関数を示し、特性曲線ｂは測定距離１．２ｍでの減衰層９を用い たエコー関数が示されている。初めの大きな最大値はそれぞれ送信パルスを表わ している。０ｍでの最大値はガラスまたはセラミック盤５の表面における反射で ある。特性曲線ａから明らかなように、減衰層９なしでのガラス又はセラミック 盤５における反射では、減衰層９の介在の下での特性曲線ｂに比べて約２０ｄＢ ほど強いことが現れている。図３のダイヤグラムにおいては減衰層９なしの場合 有効信号が完全に障害信号の中に消えている。これに対して減衰層９ありの場合 では有効信号から大きく外れている。 図４のダイヤグラムは測定距離２．２ｍでの同じようなエコー関数が示されて いる。図４のダイヤグラムから見て取れることは、減衰層９なしでは有効信号は まだ評価は可能ではあるが、しかしながら減衰層９の介在下での場合よりも低い ＳＮ比しか有していないことである。障害信号は減衰によっては非常に平滑にな る。 減衰によって引き起こされる信号出力の低下にもか かわらずエコー関数は全ての場合に亘って良好に評価可能である。具体的に例え ば５．８ＧＨｚの送信周波数と２０ｍｍ厚の減衰層９のもとでは７ｄＢの減衰作 用が生じる。ホーンアンテナ１とガラス又はセラミック盤５の間隔は約４０ｍｍ にするのが特に有利であることがわかっている。 もちろんホーンアンテナ１とガラス又はセラミック盤５との間に例えばスペー サ、ステーボルト、金属ケーシング部等の反射部材をできるだけ少なく設けるこ とは有利である。それにより送信波のさらなる反射が回避される。 減衰層の介在下で金属容器のガラス又はセラミック盤を通す波長の短い電磁波 を用いた充填レベルの測定は、測定に適した材料からなる容器の壁部による測定 に比べて、測定の距離範囲の低減に結び付くということは、黙秘せざるべきこと ではないが、しかしながらこのことが普通の使用例において不都合を生じること はない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．充填レベル測定機器を有し、該測定機器によってホーンアンテナを用いて波 長の短い電磁波が容器の開口面を通って容器内にある充填物の表面へ送信され、 該表面にて反射され、同じホーンアンテナを介して充填レベル測定機器によって 受信される、容器内の充填レベル測定のための装置において、 ａ）前記充填レベル測定機器は、ホーンアンテナ（１）も含めて開口部（４）の 対称軸線か又は該対称軸線から僅かな角度だけずれた軸線に沿って、容器内部空 間の外側で容器壁部（２）に配設されており、 ｂ）前記開口部（４）は、ガラス又はセラミック盤（ディスク）（５）によって 閉鎖されており、 ｃ）前記充填レベル測定機器のマイクロ波結合素子（１８）とガラス又はセラミ ック盤（５）との間に減衰層（９）が介在的に設けられており、 ｄ）前記減衰層（９）は、マイクロ波結合素子（１８）とガラス又はセラミック 盤（５）との間で、前記減衰層（９）を貫通する放射された又は反射された各電 磁波が減衰を受けるような位置関係をとるよう配置されていることを特徴とする 、容器内の充填レベル測定のための装置。 ２．前記減衰層（９）は、市販の減衰マットの１セク ションによって形成されている、請求の範囲第１項記載の容器内の充填レベル測 定のための装置。 ３．前記減衰層（９）は、ベルギーのＧＲＡＣＥ Ｎ．Ｖ．社の“ＥＣＣＯＳＯ ＲＢ”からなる、請求の範囲第２項記載の容器内の充填レベル測定のための装置 。 ４．測定媒質を含む容器内部空間（３）がガラス又はセラミック盤（５）によっ て周辺環境から遮蔽されている、請求の範囲第１項記載の容器内の充填レベル測 定のための装置。 ５．前記ガラス又はセラミック盤（５）は、固定手段（６）によって嵌着されて いる、請求の範囲第４項記載の容器内の充填レベル測定のための装置。 ６．前記ガラス又はセラミック盤（５）は、固定手段（６）を介して圧力密にか つ防爆的に容器壁部（２）に連結されている、請求の範囲第５項記載の容器内の 充填レベル測定のための装置。 ７．前記ガラス又はセラミック盤（５）は、電磁波の透過性に対して僅かな誘電 損失係数と僅かな誘電率を有する材料から形成されている、請求の範囲第４項記 載の容器内の充填レベル測定のための装置。 ８．前記ガラス又はセラミック盤（５）は、硼珪酸ガラスから形成されている、 請求の範囲第７項記載の容器内の充填レベル測定のための装置。 ９．前記ホーンアンテナ（１）の下縁部と前記ガラス 又はセラミック盤（５）の表面との間の空間的な距離の選択によって、ＳＮ比と 電磁波の信号強度が設定調整可能である、請求の範囲第１項記載の容器内の充填 レベル測定のための装置。 10．前記ホーンアンテナ（１）の下縁部と前記ガラス又はセラミック盤（５）の 表面との間の空間的な距離の変化調整及び設定のための手段（１５．１６，１７ ）が設けられている、請求の範囲第９項記載の容器内の充填レベル測定のための 装置。 11．減衰係数の選択によってＳＮ比と有効信号の絶対レベルが設定調整可能であ る、請求の範囲第１項記載の容器内の充填レベル測定のための装置。