WO2001092835A1 - Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des füllstandes eines füllguts in einem behälter - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung des füllstandes eines füllguts in einem behälter Download PDF

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WO2001092835A1
WO2001092835A1 PCT/EP2001/005768 EP0105768W WO0192835A1 WO 2001092835 A1 WO2001092835 A1 WO 2001092835A1 EP 0105768 W EP0105768 W EP 0105768W WO 0192835 A1 WO0192835 A1 WO 0192835A1
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WO
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coupling
unit
surface waveguide
coupling unit
rear wall
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PCT/EP2001/005768
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English (en)
French (fr)
Inventor
Herbert Schroth
Ralf Reimelt
Igor Getman
Stefan Burger
Original Assignee
Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg
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Publication date
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    • 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 determining and / or monitoring the fill level of a product or the position of the interface between two media or phases in a container with a signal generating unit that generates high-frequency measurement signals, one
  • Coupling unit and a surface waveguide the measurement signals being coupled in via the coupling unit onto the surface waveguide and being guided in the direction of the filling material via the surface waveguide, and a receiving / evaluation unit which directly or indirectly over the running time of the surface or interface of the filling material reflected measurement signals determines the fill level of the product or the position of the interface in the container.
  • measuring systems are used which measure different physical quantities.
  • the desired information about the fill level is subsequently derived on the basis of these variables.
  • capacitive, conductive or hydrostatic measuring probes are used, as are detectors that work on the basis of ultrasound, microwaves or radioactive radiation.
  • sensors are increasingly being used here, in which short electromagnetic high-frequency pulses (TDR method or pulse radar method) or continuous frequency-modulated microwaves (e.g. FMCW radar method) are coupled into a conductive element or a waveguide and by means of the waveguide into the container in which the contents are stored.
  • TDR method or pulse radar method short electromagnetic high-frequency pulses
  • FMCW radar method continuous frequency-modulated microwaves
  • the known variants come in waveguides: surface waveguides according to Sommerfeld or Goubau or Lecher waveguides. From a physical point of view, this measuring method takes advantage of the effect that at the interface between two different media, e.g. B. air and oil or air and water, due to the sudden change (discontinuity) of the dielectric numbers of both media, a portion of the guided high-frequency pulses or the guided microwaves reflected and passed back through the conductive element into a receiving device. The larger the difference in the dielectric constant of the two media, the greater the reflected portion (- useful echo signal).
  • the distance to the surface of the filling material can be determined on the basis of the transit time of the reflected portion of the high-frequency pulses or the CW signals (echo signals). If the empty distance of the container is known, the filling level of the filling material in the container can be calculated. If an interface determination is to be carried out, the position of the interface can be determined on the basis of the measurement results.
  • Sensors with guided high-frequency signals are distinguished from sensors that radiate high-frequency pulses or waves freely (free-field microwave systems (FMR) or 'real radar systems') by much higher echo amplitude.
  • FMR free-field microwave systems
  • 'real radar systems' 'real radar systems'
  • the power flow takes place very deliberately along the waveguide or the conductive element. If bulk goods with an inclined surface (bulk cone, discharge funnel) or liquids with a moving surface (bubbles, trombones, waves) are involved, then the use of guided high-frequency signals eliminates the risk of retroreflections.
  • the conductive element is usually in direct contact with the measuring medium for the purpose of carrying out the measurement. Is it a statically chargeable measuring medium, e.g. B. a bulk material with low electrical
  • the invention has for its object to propose a device which is designed such that interference voltages are effectively derived.
  • the object is achieved in that the surface waveguide is connected to ground potential via a coupling.
  • the surface waveguide forms the inner conductor and the coupling unit forms the outer conductor of a coaxial conductor, and that the inner conductor and the outer conductor are dimensioned and designed such that approximately only the basic mode spreads. This is important because higher modes are emitted at the transition between the coupling unit and the waveguide or are strongly attenuated on the waveguide. In both cases, the energy of the measurement signal available for the measurement would be reduced.
  • the surface waveguide usually consists of an essentially cylindrical conductor which opens concentrically into the coupling unit, which represents the outer conductor.
  • the basic mode is the rotationally symmetrical TEM mode.
  • the next higher mode is the TE11 mode, the symmetry of which is characterized by a mirror plane for the electrical and magnetic field, which contain the axis of rotation of the inner and outer conductors and are perpendicular to one another.
  • d denotes the diameter of the inner conductor, that is to say the surface waveguide
  • D the diameter of the outer conductor, that is to say the coupling unit.
  • the two diameters are at least everywhere in the range of Coupling where there is no rotational symmetry of the conductor structures is chosen so that the smallest wavelength contained in the high-frequency measurement signal is greater than the limit wavelength ⁇ G for the TE11 mode.
  • ⁇ G the limit wavelength for the TE11 mode
  • the cross section of the outer conductor advantageously widens in the area of the coupling unit toward the surface waveguide. This allows good impedance matching and low field distortion in the transition area to be achieved. The latter reduces the risk of higher modes being excited, the former reduces the risk of undesired reflection of the measurement signal.
  • a first preferred embodiment of the device according to the invention proposes that the coupling unit has at least one side wall and a rear wall, the measurement signals passing through an opening in the rear wall of the coupling unit from the signal generation unit into the
  • the coupling via which the surface waveguide lies at ground potential is a stub line which is guided through the side wall of the coupling unit and which runs essentially parallel to the plane in which the back wall of the coupling unit lies. Voltage transients are still effectively derived via the stub line if, for. B. in connection with service work on the device, the signal generation and / or the reception / evaluation unit are separated from the coupling unit and the conductive element or the surface waveguide.
  • the coupling or the spur line to the sensor-side part of the level sensor, it is prevented that this is an isolated capacitance from the environment when it is separated from the electronic part. This prevents discharge, particularly in potentially explosive areas, which could lead to ignition of the explosive atmosphere.
  • the length of the stub is essentially ⁇ / 4, where ⁇ corresponds to the center frequency of a high-frequency measurement signal.
  • ⁇ corresponds to the center frequency of a high-frequency measurement signal.
  • the center frequency can be 5.8 GHz, for example.
  • the block distance that is, the distance at which a reliable determination of the fill level is not possible, since the echo signals disappear in the interference signals. Therefore, the measurement range can be expanded and the measurement sensitivity increased by the previously described development of the device according to the invention.
  • the short circuit is preferably designed both in this embodiment and in all the other variants in such a way that the coupling can withstand a current surge of a predetermined minimum size.
  • the minimum value is such that it meets the high demands on the one hand
  • Measuring devices can be placed in the Ex area; on the other hand, the short circuit is designed so that the contact voltages on the surface waveguide remain below the prescribed values even in the event of a fault in the measuring electronics.
  • spur line is provided outside the coupling unit, for example in the plug of the supply line or on the electronics board on which the signal generation unit and / or the reception / evaluation unit are arranged.
  • the arrangement of the short circuit on the electronics board can be very can be realized inexpensively, while the arrangement in the plug of the supply line offers advantages during assembly.
  • the coupling unit has at least one side wall and a rear wall, the measurement signals being transmitted from the signal generation unit to the surface waveguide or from the surface waveguide via a coupling which is guided through an opening in the side wall or the rear wall are passed into the receiving unit, the rear wall of the coupling unit being at ground potential and the rear wall and surface conductor being conductively connected to one another.
  • This arrangement is characterized by a high level of mechanical stability, since the tensile forces on the waveguide, particularly in bulk materials, are absorbed exclusively by the metallic parts.
  • the coupling of the measurement signal to the waveguide is an essentially electrically conductive connection, or that the coupling is an open-circuit or short-circuited conductor structure, e.g. B. is a coupling pin or a coupling loop.
  • the open-circuit or short-circuited conductor structure is arranged in such a way that the measurement signals are coupled to the surface waveguide either essentially inductively or essentially capacitively.
  • the conductor structure is preferably U-shaped or ⁇ -shaped.
  • the galvanic, inductive or capacitive coupling is arranged in such a way that the area of maximum electrical coupling is approximately a distance of ⁇ / 4 from the rear wall, where ⁇ corresponds to the center frequency of a measurement signal.
  • FIG. 3 is a perspective view of the connector shown in Fig. 2,
  • FIG. 5 shows a schematic illustration (longitudinal section) of a capacitive coupling, the measuring signals being coupled in through the side wall of the coupling unit,
  • FIG. 6 shows a schematic illustration (longitudinal section) of an inductive coupling, the measuring signals being coupled in through the side wall of the coupling unit,
  • FIG. 9b the representation shown in Fig. 9a in cross section
  • 10a a schematic representation (longitudinal section) of a coupling via a second embodiment of a coupling loop
  • FIG. 10b the representation shown in FIG. 10a in cross section
  • Fig. 11 a schematic representation of a short circuit in the circuit of the electronic part of the level sensor.
  • the device can be seen partially in longitudinal section.
  • the coupling between level sensor 1 and ground is realized here via a spur line 10, which is provided in the connector 11.
  • the stub 10 can also be passed directly through the holder 25 of the coupling unit 3 onto the conductive element 28.
  • the level sensor 1 is composed of a coupling unit 3, via which the measurement signals from the signal generating unit 2 are coupled onto the surface waveguide 4.
  • the coupling takes place in the illustrated case through the rear wall 9 of the coupling unit 3
  • Short circuit is - as already mentioned - realized via a branch line 10 arranged laterally in the connector 11.
  • the length of the stub 10 is preferably ⁇ / 4 for the reasons already mentioned above, where ⁇ corresponds to the center frequency of a measurement signal.
  • the coupling unit 3 shows a special design. With this design, sufficient stability of the level sensor 1 can be achieved; on the other hand, the reflected portion of the measurement signals is kept as low as possible by the flowing transitions within the coupling unit 3.
  • the coupling unit is designed to be completely rotationally symmetrical - only in the area of the stub 10 is the symmetry lower. There, the diameters d of the inner conductor 17 and D of the outer conductor 18 are so small that no higher modes can be propagated at the signal frequencies used. In the area of the thickening of the conductive element 28 - the thickening serving to hold the surface waveguide 4 - the diameters can easily be as large in order to achieve maximum tensile strength be chosen that higher modes are in principle capable of spreading. Because of the rotational symmetry in this area, higher modes are not excited even then.
  • the coupling unit 3 is arranged in a holder 25 which is at ground potential.
  • the conductive element 28, which is spaced from the holder 25 via the dielectric elements 26, 27, is located in the central region of the coupling unit 3 or the holder 25.
  • the signal generating unit 2, the receiving unit 5 and the evaluation unit 6 are arranged on an electronic board 12.
  • the upper end region of the surface waveguide 4 is pushed in the central recess 30 in the lower end region of the conductive element 28.
  • the mechanical and electrical contact between the two elements 3, 4 is preferably achieved by pressing.
  • the surface waveguide 4 is at ground potential in the area of the plug 11.
  • the short circuit is realized via the stub 10.
  • the plug 11 with integrated stub 10 is detachably connected to the coupling unit 3.
  • the conductive contact of the coaxial cable 15 with the coupling unit 3 is interrupted or established.
  • resilient elements 19 are provided on the contact pin 17.
  • the stub 10 is - as can be seen in Fig. 3 - realized by a screw that extends through the side wall of the housing 18 of the connector 11, is soldered to this housing and is in direct contact with the contact pin 17.
  • the plug 11 is shown again in detail in FIGS. 2 and 3.
  • Fig. 2 shows a cross section through the plug 11, in which the stub 10 is positioned; in Fig. 3 the connector 11 is shown in a perspective view.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration (longitudinal section) of a coupling unit 3 with a galvanic coupling, the measuring signals being coupled through the side wall 8 of the coupling unit 3 onto the conductive element 28.
  • the variants shown in FIGS. 5 and 6 differ from the solution shown in FIG. 4 only in the way in which the measurement signals are coupled onto the surface waveguide 4.
  • a capacitive coupling via the electric field is shown in FIG. 6 shows an inductive coupling via the magnetic field induced in the conductor loop.
  • the surface waveguide 4 is connected (possibly via a conductive element 28) directly to the rear wall 9 of the coupling unit 3 and is therefore grounded.
  • the measurement signals are coupled via a coupling 7 through the side wall 8 of the coupling unit 3 onto the surface waveguide 4.
  • the coupling is, for example, a coupling pin 13 or a coupling loop 14. Examples of how coupling pins 13 and coupling loops 14 of this type can be configured are shown in FIGS. 7a, 7b, 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b. While the figure marked with (a) each shows a longitudinal section of the configuration, a cross section is shown in the corresponding figure marked with (b). While in the solutions shown in FIGS.
  • the coupling pin 13 or the coupling 7 has no direct contact with the side wall 8 or the holder 25, in the case of the FIGS. 9 and 10 shown variants contacted the coupling loop 14 in its end region with the side wall 8 or the holder 25 of the coupling unit 3.
  • the galvanic, inductive or capacitive coupling 7 is preferably arranged at a point at which the diameters of the inner conductor 4 and the outer conductor 8 are so small that these higher modes are not capable of propagation.
  • the coupling 7 of the measurement signal is preferably arranged such that the area of maximum electrical coupling from the rear wall 9 is approximately a distance of ⁇ / 4; here again ⁇ corresponds to the center frequency of a measurement signal. Then the short circuit of the surface waveguide is transformed into an open circuit and the reflection of the measurement signal is minimal.
  • the coupling unit 3 can be completely or partially filled with a dielectric material to protect it from contamination or corrosion.
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a short circuit on the electronic circuit board 12 on which the signal generating unit 2 and / or the receiving and evaluating unit 5, 6 are / is arranged.
  • the short circuit is in turn via a stub 31.
  • Microwave circuits are usually implemented using microstrip technology.
  • the electronic board 1 then consists of a dielectric substrate with continuous base metallization on one side and conductor tracks on the other side.
  • other technologies such as. B. the coplanar line, slot line or triplates are used.
  • the only prerequisite for usability is that an LF short circuit can be implemented via the line, which does not interfere with HF technology.
  • the stub 31 has a through-contact for the base metallization of the electronic plate 12.
  • the branch line 31 branches off laterally from line 23 or line 24, line 23 symbolizing the supply line to the circuit of signal generating unit 2 and / or reception / evaluation unit 5, 6, while line 24 represents the supply line to the coupling 7 represents.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Füllguts bzw. der Lage der Grenzfläche zwischen zwei Medien oder Phasen in einem Behälter mit einer Signalerzeugungseinheit (2), die hochfrequente Meßsignale erzeugt, einer Einkoppeleinheit (3) und einem Oberflächenwellenleiter (4), wobei die Meßsignale über die Einkoppeleinheit (3) auf den Oberflächenwellenleiter (4) eingekoppelt werden und über den Oberflächenwellenleiter (4) in Richtung des Füllguts geführt werden, und einer Empfangs-/Auswerteeinheit (5, 6), die direkt oder indirekt über die Laufzeit der an der Oberfläche bzw. Grenzfläche des Füllguts reflektierten Meßsignale den Füllstand des Füllguts bzw. die Lage der Grenzfläche in dem Behälter bestimmt.Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die derart ausgestaltet ist, daß Störspannungen wirkungsvoll abgeleitet werden.Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Oberflächenwellenleiter (4) über eine Kopplung (7) auf Massepotential liegt.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Füllguts bzw. der Lage der Grenzfläche zwischen zwei Medien oder Phasen in einem Behälter mit einer Signalerzeugungseinheit, die hochfrequente Meßsignale erzeugt, einer
Einkoppeleinheit und einem Oberflachenwellenleiter, wobei die Meßsignale über die Einkoppeleinheit auf den Oberflachenwellenleiter eingekoppelt werden und über den Oberflachenwellenleiter in Richtung des Füllguts geführt werden, und einer Empfangs-/Auswerteeinheit, die direkt oder indirekt über die Laufzeit der an der Oberfläche bzw. Grenzfläche des Füllguts reflektierten Meßsignale den Füllstand des Füllguts bzw. die Lage der Grenzfläche in dem Behälter bestimmt.
Zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter werden Meßsysteme eingesetzt, die unterschiedliche physikalische Größen messen. Anhand dieser Größen wird nachfolgend die gewünschte Information über den Füllstand abgeleitet. Neben mechanischen Abtastern werden kapazitive, konduktive oder hydrostatische Meßsonden eingesetzt, ebenso wie Detektoren, die auf der Basis von Ultraschall, Mikrowellen oder radioaktiver Strahlung arbeiten.
Bei einer Vielzahl von Einsatzgebieten, beispielsweise in der Petrochemie, Chemie und Lebensmittelindustrie, sind hochgenaue Messungen des Füllstandes von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in Behältern (Tanks, Silos, usw. ) gefordert. Deshalb kommen hier in zunehmendem Maße Sensoren zum Einsatz, bei denen kurze elektromagnetische Hochfrequenzimpulse (TDR- Verfahren oder Puls-Radar-Verfahren) oder kontinuierliche frequenzmodulierte Mikrowellen (z. B. FMCW-Radar-Verfahren) in ein leitfähiges Element bzw. einen Wellenleiter eingekoppelt und mittels des Wellenleiters in den Behälter, in dem das Füllgut gelagert ist, hineingeführt werden. Als
Wellenleiter kommen die bekannten Varianten: Oberflachenwellenleiter nach Sommerfeld oder Goubau oder Lecherwellenleiter in Frage. Physikalisch gesehen wird bei dieser Meßmethode der Effekt ausgenutzt, daß an der Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Medien, z. B. Luft und Öl oder Luft und Wasser, infolge der sprunghaften Änderung (Diskontinuität) der Dielektrizitätszahlen beider Medien ein Teil der geführten Hochfrequenz- Impulse bzw. der geführten Mikrowellen reflektiert und über das leitfähige Element zurück in eine Empfangsvorrichtung geleitet wird. Der reflektierte Anteil (- Nutzechosignal) ist dabei um so größer, je größer der Unterschied in den Dielektrizitätszahlen der beiden Medien ist. Anhand der Laufzeit des reflektierten Anteils der Hochfrequenz-Impulse bzw. der CW-Signale (Echosignale) läßt sich die Entfernung zur Oberfläche des Füllguts bestimmen. Bei Kenntnis der Leerdistanz des Behälters kann der Füllstand des Füllguts in dem Behälter berechnet werden. Soll eine Grenzflächenbestimmung durchgeführt werden, so läßt sich anhand der Meßergebnisse die Lage der Grenzfläche bestimmen.
Sensoren mit geführten hochfrequenten Signalen (bei den Signalen kann es sich um Impulse oder Wellen handeln) zeichnen sich gegenüber Sensoren, die hochfrequente Impulse oder Wellen frei abstrahlen (Freifeld-Mikrowellen- Systeme (FMR) bzw. 'echte Radar-Systeme') durch eine wesentlich höhere Echoamplitude aus. Grund hierfür ist, daß der Leistungsfluß ganz gezielt entlang des Wellenleiters bzw. des leitfähigen Elements erfolgt. Handelt es sich um Schüttgüter mit schräger Oberfläche (Schüttkegel, Abzugstrichter) oder um Flüssigkeiten mit bewegter Oberfläche (Blasen, Tromben, Wellen), so ist bei Verwendung geführter hochfrequenter Signale zudem die Gefahr von Retroreflexionen ausgeschlossen.
Das leitfähige Element ist zwecks Durchführung der Messung üblicherweise in direktem Kontakt mit dem Meßmedium. Handelt es sich um ein statisch aufladbares Meßmedium, z. B. ein Schüttgut mit geringer elektrischer
Leitfähigkeit, beispielsweise Kunststoffgranulat oder Zement, - besonders ausgeprägt ist die statische Aufladung übrigens bei pneumatischer Befüllung), so kann der Fall auftreten, daß statische Entladungen in dem Meßmedium über das leitfähige Element in Richtung der Signalerzeugungseinheit bzw. der Empfangs-/Auswerteeinheit abgeleitet werden. Es besteht dann die Gefahr, daß insbesondere die gegenüber Spannungsspitzen empfindlichen elektronischen und elektrischen Teile der jeweiligen Einheiten zerstört werden. Umgekehrt kann der Fall eintreten, daß bei einem Defekt im Elektronikteil die volle Betriebsspannung von z. B. 220 V an dem leitfähigen Element anliegt, was zwangsläufig zu einer enormen Gefährdung des Bedienpersonals führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die derart ausgestaltet ist, daß Störspannungen wirkungsvoll abgeleitet werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Oberflachenwellenleiter über eine Kopplung auf Massepotential liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß der Oberflachenwellenleiter den Innenleiter und die Einkoppeleinheit den Außenleiter eines Koaxialleiters bildet, und daß der Innenleiter und der Außenleiter so dimensioniert und ausgestaltet sind, daß sich näherungsweise nur der Grundmode ausbreitet. Dies ist wichtig, da höhere Moden am Übergang zwischen Einkoppeleinheit und Wellenleiter abgestrahlt oder auf dem Wellenleiter stark bedämpft werden. In beiden Fällen würde also die der Messung zur Verfügung stehende Energie des Meßsignals verringert werden.
Der Oberflachenwellenleiter besteht üblicherweise aus einem im wesentlichen zylindrischen Leiter, der konzentrisch in die Einkoppeleinheit, die den Außenleiter darstellt, mündet. Im Falle eines Koaxialleiters mit kreisförmigem Querschnitt ist der Grundmode der rotationssymmetrische TEM-Mode. Der nächst höhere Mode ist der TE11-Mode, dessen Symmetrie durch je eine Spiegelebene für das elektrische und magnetische Feld gekennzeichnet ist, die die Rotationsachse des Innen- und Außenleiters enthalten und aufeinander senkrecht stehen. Der TE11-Mode tritt erst ab einer Grenzwellenlänge λG auf, wobei für die Grenzwellenlänge λG näherungsweise die Beziehung gilt: λG = 0,5 π (d + D). Hierbei kennzeichnet d den Durchmesser des Innenleiters, also des Oberflächenwellenleiters, und D den Durchmesser des Außenleiters, also der Einkoppeleinheit. Um die Ausbreitung höherer Moden zu vermeiden, werden die beiden Durchmesser zumindest überall dort im Bereich der Einkopplung, wo keine Rotationssymmetrie der Leiterstrukturen vorliegt, so gewählt, daß die kleinste im hochfrequenten Meßsignal enthaltene Wellenlänge größer ist als die Grenzwellenlänge λG für den TE11-Mode. Damit sind in den Bereichen mit verringerter Symmetrie der Einkoppeleinheit keine höheren Moden ausbreitungsfähig. In den Bereichen der Einkoppeleinheit, in denen höhere Moden wegen der größeren Durchmesser Ausbreitungsfähig sind, liegt Rotationssymmetrie vor, so daß keine höheren Moden angeregt werden.
Vorteilhafterweise erweitert sich der Querschnitt des Außenleiters im Bereich der Einkoppeleinheit zum Oberflachenwellenleiter hin. Hierdurch läßt sich eine gute Impedanzanpassung und geringe Feldverzerrung im Übergangsbereich erzielen. Letzteres verringert die Gefahr, daß höhere Moden angeregt werden, ersteres verringert die Gefahr, daß unerwünschte Reflexion des Meßsignals auftreten.
Eine erste bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, daß die Einkoppeleinheit zumindest eine Seitenwand und eine Rückwand aufweist, wobei die Meßsignale durch eine Öffnung in der Rückwand der Einkoppeleinheit von der Signalerzeugungseinheit in die
Einkoppeleinheit bzw. von der Einkoppeleinheit in die Empfangseinheit geführt werden. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn es sich bei der Kopplung, über die der Oberflachenwellenleiter auf Massepotential liegt, um eine Stichleitung handelt, die durch die Seitenwand der Einkoppel- einheit geführt ist und die im wesentlichen parallel zu der Ebene verläuft, in der die Rückwand der Einkoppeleinheit liegt. Über die Stichleitung werden Spannungstransienten auch dann noch effektiv abgeleitet, wenn z. B. im Zusammenhang mit Service-Arbeiten an der Vorrichtung die Signal- erzeugungs- und/oder die Empfangs-/Auswerteeinheit von der Einkoppelein- heit und dem leitfähigen Element bzw. dem Oberflachenwellenleiter abgetrennt sind. Oder mit anderen Worten ausgedrückt: Durch die Anbindung der Kopplung bzw. der Stichleitung an den sensorseitigen Teil des Füllstandssensors wird verhindert, daß dieser bei Abtrennung vom Elektronikteil eine isolierte Kapazität gegenüber der Umgebung darstellt. Damit wird insbesondere in explosionsgefährdeten Bereichen eine Entladung verhindert, die zu einer Zündung der explosionsfähigen Atmosphäre führen könnte.
Besonders günstig ist es darüber hinaus, wenn die Länge der Stichleitung im wesentlichen λ/4 beträgt, wobei λ der Mittenfrequenz eines hochfrequenten Meßsignals entspricht. Beim Vorhandensein parasitärer Effekte ist es durchaus möglich, daß die optimale Länge von λ/4 abweicht, z. B. λ/6 oder λ/8 ist. Die Mittenfrequenz kann beispielsweise 5.8 GHz betragen. Erfüllt die Länge der Stichleitung (oder einer anderweitigen Art der Kopplung) die obengenannte Bedingung, so wird der Kurzschluß zum Leerlauf transformiert. Im Idealfall treten dann keine Reflexionen im Bereich der Kopplung gegen Masse auf und das gesamte Meßsignal wie auch umgekehrt das vom Füllstand reflektierte Signal wird transmittiert. Als Folge der erhöhten Transmission erreichen die Echosignale maximale Amplituden. Durch die verminderte Reflexion ist die Blockdistanz, also die Distanz, in der eine verläßliche Bestimmung des Füllstands nicht möglich ist, da die Echosignale in den Störsignalen verschwinden, verringert. Daher läßt sich durch die zuvor beschriebene Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Meß- bereich erweitern und die Meßempfindlichkeit erhöhen.
Der Kurzschluß wird vorzugsweise sowohl bei dieser Ausgestaltung als auch bei allen übrigen Varianten derart ausgestaltet, daß die Kopplung einen Stromstoß einer vorgegebenen Mindestgröße verkraftet. Der Minimalwert ist so bemessen ist, daß er einerseits die hohen Anforderungen, die an
Meßgeräte im Ex-Bereich gestellt werden, erfüllen kann; andererseits ist der Kurzschluß so ausgelegt, daß die Berührspannungen am Oberflachenwellenleiter auch im Fehlerfall der Meßelektronik unter den vorgeschriebenen Werten bleiben.
Eine alternative Ausführungsform sieht vor, daß die Stichleitung außerhalb der Einkoppeleinheit, beispielsweise im Stecker der Zuleitung oder auf der Elektronikplatine, auf der die Signalerzeugungseinheit und/oder die Empfangs-/Auswerteeinheit angeordnet sind, vorgesehen ist. Insbesondere die Anordnung des Kurzschlusses auf der Elektronikplatine kann sehr preisgünstig realisiert werden, während die Anordnung im Stecker der Zuleitung Vorteile bei der Montage bietet.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Einkoppeleinheit zumindest eine Seitenwand und eine Rückwand auf, wobei die Meßsignale über eine Kopplung, die durch eine Öffnung in der Seitenwand oder der Rückwand geführt ist, von der Signalerzeugungseinheit auf den Oberflachenwellenleiter bzw. von dem Oberflachenwellenleiter in die Empfangseinheit geleitet werden, wobei die Rückwand der Einkoppeleinheit auf Massepotential liegt und wobei Rückwand und Oberflächenleiter leitend miteinander verbunden sind. Diese Anordnung zeichnet sich durch eine hohe mechanische Stabilität aus, da die insbesondere in Schüttgütern auftretenden Zugkräfte am Wellenleiter ausschließlich von den metallischen Teilen aufgenommen werden.
Alternative Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sehen vor, daß es sich bei der Kopplung des Meßsignals zum Wellenleiter um eine im wesentlichen elektrisch leitende Verbindung handelt, oder daß es sich bei der Kopplung um eine leerlaufende oder gegen Masse kurzgeschlossene Leiterstruktur, z. B. um einen Koppelstift oder um eine Koppelschleife, handelt. Die leerlaufende oder gegen Masse kurzgeschlossene Leiterstruktur ist so angeordnet ist, daß die Ankopplung der Meßsignale an den Oberflachenwellenleiter entweder im wesentlichen induktiv oder im wesentlichen kapazitiv erfolgt. Bevorzugt ist die Leiterstruktur übrigens U- oder Ω-förmig ausgebildet.
Besonders günstig ist es weiterhin, wenn die galvanische, induktive oder kapazitive Ankopplung so angeordnet ist, daß der Bereich maximaler elektrischer Kopplung von der Rückwand näherungsweise einen Abstand von λ/4 aufweist, wobei λ der Mittenfrequenz eines Meßsignals entspricht.
Dadurch wird wiederum der Kurzschluß des Oberflächenwellenleiters in einen Leerlauf transformiert und damit die Reflexion des Meßsignals minimiert.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 : eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung teilweise im Längsschnitt dargestellt ist,
Fig. 2: einen Querschnitt durch einen Stecker mit einer Stichleitung,
Fig. 3: eine perspektivische Ansicht des in Fig. 2 gezeigten Steckers,
Fig. 4: eine schematische Darstellung (Längsschnitt) einer galvanischen Einkopplung, wobei die Meßsignale durch die Seitenwand der Einkoppeleinheit eingekoppelt werden,
Fig. 5: eine schematische Darstellung (Längsschnitt) einer kapazitiven Einkopplung, wobei die Meßsignale durch die Seitenwand der Einkoppeleinheit eingekoppelt werden,
Fig. 6: eine schematische Darstellung (Längsschnitt) einer induktiven Einkopplung, wobei die Meßsignale durch die Seitenwand der Einkoppeleinheit eingekoppelt werden,
Fig. 7a: eine schematische Darstellung (Längsschnitt) einer Einkopplung über einen Koppelstift,
Fig. 7b: die in Fig. 7a gezeigte Darstellung im Querschnitt,
Fig. 8a: eine schematische Darstellung (Längsschnitt) einer Einkopplung mit leerlaufender Leiterstruktur, welche halbkreisförmig ausgebildet ist,
Fig. 8b: die in Fig. 8a gezeigte Darstellung im Querschnitt,
Fig. 9a: eine schematische Darstellung (Längsschnitt) einer Einkopplung über eine Koppelschleife, die gegen Masse kurzgeschlossen ist,
Fig. 9b: die in Fig. 9a gezeigte Darstellung im Querschnitt, Fig. 10a: eine schematische Darstellung (Längsschnitt) einer Einkopplung über eine zweite Ausgestaltung einer Koppelschleife,
Fig. 10b: die in Fig. 10a gezeigte Darstellung im Querschnitt und
Fig. 11 : eine schematische Darstellung eines Kurzschlusses in der Schaltung des Elektronikteils des Füllstandssensors.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt, wobei die Vorrichtung teilweise im Längsschnitt zu sehen ist. Die Kopplung zwischen Füllstandssensor 1 und Masse wird hier über eine Stichleitung 10 realisiert, die in dem Stecker 11 vorgesehen ist. Selbstverständlich kann die Stichleitung 10 auch direkt durch die Halterung 25 der Einkoppeleinheit 3 auf das leitfähige Element 28 geführt sein.
Der Füllstandssensor 1 setzt sich zusammen aus einer Einkoppeleinheit 3, über die die Meßsignale von der Signalerzeugungseinheit 2 auf den Oberflachenwellenleiter 4 eingekoppelt werden. Die Einkopplung erfolgt im dargestellten Fall durch die Rückwand 9 der Einkoppeleinheit 3. Der
Kurzschluß wird - wie bereits erwähnt - über eine seitlich im Stecker 11 angeordnete Stichleitung 10 realisiert. Die Länge der Stichleitung 10 beträgt aus den bereits an vorhergehender Stelle genannten Gründen vorzugsweise λ/4, wobei λ der Mittenfrequenz eines Meßsignals entspricht.
Die Einkoppeleinheit 3 zeigt ein spezielles Design. Durch dieses Design läßt sich einmal eine ausreichende Stabilität des Füllstandssensors 1 erreichen; andererseits wird durch die fließenden Übergänge innerhalb der Einkoppeleinheit 3 der reflektierte Anteil der Meßsignale möglichst gering gehalten. Die Einkoppeleinheit ist vollkommen rotationssymmetrisch ausgestaltet - lediglich im Bereich der Stichleitung 10 ist die Symmetrie niedriger. Dort sind die Durchmesser d des Innenleiters 17 und D des Außenleiters 18 so klein, daß keine höheren Moden bei den verwendeten Signalfrequenzen ausbreitungsfähig sind. Im Bereich der Verdickung des leitfähigen Elements 28 - wobei die Verdickung der Halterung des Oberflächenwellenleiters 4 dient - können die Durchmesser zur Erreichung maximaler Zugbelastbarkeit problemlos so groß gewählt werden, daß höhere Moden prinzipiell ausbreitungsfähig sind. Wegen der Rotationssymmetrie in diesem Bereich werden höhere Moden selbst dann nicht angeregt.
Die Einkoppeleinheit 3 ist in einer auf Massepotential liegenden Halterung 25 angeordnet. Das leitfähige Element 28, das von der Halterung 25 über die dielektrischen Elemente 26, 27 beabstandet ist, befindet sich im Mittenbereich der Einkoppeleinheit 3 bzw. der Halterung 25. Über einen Stecker 11 und ein mit dem Anschlußstück 16, auf das im gezeigten Fall ein SMA-Stecker aufge- schraubt werden kann, verbundenes Koaxkabel 15 werden die Meßsignale von der Signalerzeugungseinheit 2 auf den Oberflachenwellenleiter 4 bzw. von dem Oberflachenwellenleiter 4 zu der Empfangseinheit 5 geführt. Im gezeigten Beispiel sind die Signalerzeugungseinheit 2, die Empfangseinheit 5 und die Auswerteeinheit 6 auf einer Elektronikplatine 12 angeordnet.
Um eine stabile Verbindung zwischen dem Oberflachenwellenleiter 4 und der Einkoppeleinheit 3 zu erreichen, wird der obere Endbereich des Oberflächen- wellenleiters 4 in der mittigen Ausnehmung 30 im unteren Endbereich des leitfähigen Elements 28 geschoben. Vorzugsweise wird der mechanische und elektrische Kontakt zwischen den beiden Elementen 3, 4 über eine Verpressung erreicht.
Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform liegt der Oberflachenwellenleiter 4 im Bereich des Steckers 11 auf Massepotential. Der Kurzschluß wird über die Stichleitung 10 realisiert. Der Stecker 11 mit integrierter Stichleitung 10 ist lösbar mit der Einkoppeleinheit 3 verbunden. Durch Herausziehen bzw. Hineinstecken des Kontaktstiftes 17 des Steckers 11 in die korrespondierende mittige Ausnehmung 29 im oberen Bereich des leitfähigen Elements 28 wird der leitende Kontakt des Koaxkabels 15 mit der Einkoppeleinheit 3 unter- brachen bzw. hergestellt. Um einen sicheren Halt und Kontakt zu gewährleisten, sind an dem Kontaktstift 17 federnde Elemente 19 vorgesehen. Die Stichleitung 10 ist - wie in Fig. 3 zu erkennen - über eine Schraube realisiert, die durch die seitliche Wandung des Gehäuses 18 des Steckers 11 reicht, mit diesem Gehäuse verlötet ist und in direktem Kontakt mit dem Kontaktstift 17 steht. Der Stecker 11 ist in den Figuren Fig. 2 und Fig. 3 noch einmal detailliert dargestellt. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Stecker 11 , in dem die Stichleitung 10 positioniert ist; in Fig. 3 ist der Stecker 11 in einer perspektivischen Ansicht gezeigt.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung (Längsschnitt) einer Einkoppeleinheit 3 mit einer galvanischen Einkopplung, wobei die Meßsignale durch die Seitenwand 8 der Einkoppeleinheit 3 auf das leitfähige Element 28 eingekoppelt werden. Die in den Figuren Fig. 5 und Fig. 6 dargestellten Varianten unterscheiden sich von der in Fig. 4 gezeigten Lösung lediglich durch die Art der Einkopplung der Meßsignale auf den Oberflachenwellenleiter 4. In Fig. 5 ist eine kapazitive Einkopplung über das elektrische Feld dargestellt, während Fig. 6 eine induktive Einkopplung, über das in die Leiterschleife induzierte magnetische Feld zeigt.
In allen drei Fällen ist der Oberflachenwellenleiter 4 (ggf. über ein leitfähiges Element 28) direkt mit der Rückwand 9 der Einkoppeleinheit 3 verbunden und liegt somit auf Masse. Die Meßsignale werden über eine Kopplung 7 durch die Seitenwand 8 der Einkoppeleinheit 3 auf den Oberflachenwellenleiter 4 eingekoppelt. Bei der Kopplung handelt es sich beispielsweise um einen Koppelstift 13 oder um eine Koppelschleife 14. Beispiele, wie derartige Koppelstifte 13 und Koppelschleifen 14 ausgestaltet sein können, sind in den Figuren Fig. 7a, Fig. 7b, Fig. 8a, Fig. 8b, Fig. 9a, Fig. 9b, Fig. 10a, Fig. 10b zu sehen. Während die mit (a) gekennzeichnete Figur jeweils einen Längsschnitt der Ausgestaltung zeigt, ist in der entsprechenden mit (b) gekennzeichneten Figur ein Querschnitt gezeigt. Während bei den in den Figuren Fig. 7 und Fig. 8 dargestellten Lösungen der Koppelstift 13 bzw. die Kopplung 7 keinen direkten Kontakt mit der Seitenwand 8 bzw. der Halterung 25 aufweist, ist bei den in den Figuren Fig. 9 und Fig. 10 gezeigten Varianten die Koppelschleife 14 in ihrem Endbereich mit der Seitenwand 8 bzw. der Halterung 25 der Einkoppeleinheit 3 kontaktiert.
Um die Anregung unerwünschter höherer Moden zu unterdrücken, ist die galvanische, induktive oder kapazitive Kopplung 7 bevorzugt an einer Stelle angeordnet, an der die Durchmesser des Innenleiters 4 und des Außenleiters 8 so klein sind, daß diese höheren Moden nicht ausbreitungsfähig sind. Bevorzugt wird die Kopplung 7 des Meßsignals so angeordnet, daß der Bereich maximaler elektrischer Kopplung von der Rückwand 9 näherungsweise einen Abstand von λ/4 aufweist; wiederum entspricht hier λ der Mittenfrequenz eines Meßsignals. Dann wird der Kurzschluß des Oberflächenwellenleiters in einen Leerlauf transformiert und die Reflexion des Meßsignals ist minimal.
Selbstverständlich kann die Einkoppeleinheit 3 zum Schutz vor Verschmutzung oder Korrosion ganz oder teilweise mit einem dielektrischen Material aufgefüllt sein.
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Kurzschlusses auf der Elektronikplatine 12, auf der die Signalerzeugungseinheit 2 und/oder die Empfangs- und Auswerteeinheit 5, 6 angeordnet sind/ist. Der Kurzschluß erfolgt im einfachsten Fall wiederum über eine Stichleitung 31. Üblicherweise werden Mikrowellenschaltungen in Mikrostreifenleiter-Technologie ausgeführt. Die Elektronikplatine 1 besteht dann aus einem dielektrischen Substrat mit durchgehender Grundmetallisierung auf der einen Seite und Leiterbahnen auf der anderen Seite. Selbstverständlich können auch andere Technologien, wie z. B. die Koplanarleitung, Schlitzleitung oder Triplate zum Einsatz kommen. Voraussetzung für die Verwendbarkeit ist lediglich, daß sich über die Leitung ein NF-Kurzschluß realisieren läßt, der HF-technisch gesehen nicht stört.
Kommt - wie im dargestellten Fall - die Mikrostreifenleiter-Technologie zum Einsatz, so weist die Stichleitung 31 im einfachsten Fall eine Durch- kontaktierung zur Grundmetallisierung der Elektronikplatte 12 auf. Die Stichleitung 31 zweigt seitlich von der Leitung 23 bzw. der Leitung 24 ab, wobei die Leitung 23 die Zuleitung zu der Schaltung der Signalerzeugungseinheit 2 und/oder der Empfangs-/Auswerteeinheit 5, 6 symbolisiert, während die Leitung 24 die Zuleitung zu der Kopplung 7 darstellt. Bezugszeichenliste
1 Füllstandssensor
2 Signalerzeugungseinheit
3 Einkoppeleinheit
4 Oberflachenwellenleiter
5 Empfangseinheit
6 Auswerteeinheit
7 Kopplung
8 Seitenwand
9 Rückwand
10 Stichleitung
11 Stecker
12 Elektronikplatine
13 Koppelstift
14 Koppelschleife
15 Koaxialkabel
16 Anschlußstück
17 Kontaktstift
18 Gehäuse des Steckers
19 federndes Element
20 Öffnung in der Rückwand
21 Öffnung in der Seitenwand
22 Gehäuse/Flansch
23 Leitung von der Schaltung
24 Leitung zur Einkoppeleinheit
25 Halterung
26 dielektrisches Element
27 dielektrisches Element
28 leitfähiges Element
29 mittige Ausnehmung im oberen Bereich
30 mittige Ausnehmung im unteren Bereich
31 Stichleitung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Füllguts bzw. der Lage der Grenzfläche zwischen zwei Medien oder Phasen in einem Behälter mit einer Signalerzeugungseinheit, die hochfrequente
Meßsignale erzeugt, einer Einkoppeleinheit und einem Oberflachenwellenleiter, wobei die Meßsignale über die Einkoppeleinheit auf den Oberflachenwellenleiter eingekoppelt werden und über den Oberflachenwellenleiter in Richtung des Füllguts geführt werden, und einer Empfangs-/Auswerteeinheit, die direkt oder indirekt über die Laufzeit der an der Oberfläche bzw.
Grenzfläche des Füllguts reflektierten Meßsignale den Füllstand des Füllguts bzw. die Lage der Grenzfläche in dem Behälter bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflachenwellenleiter (4) über eine Kopplung (7) auf Masse- potential liegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflachenwellenleiter (4) den Innenleiter und die Einkoppeleinheit (3) den Außenleiter eines Koaxialleiters bildet, und daß der Innenleiter und der Außenleiter so dimensioniert und ausgestaltet sind, daß näherungsweise nur der Grundmode angeregt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppeleinheit (3) zumindest eine Seitenwand (8) und eine Rückwand (9) aufweist, wobei die Meßsignale durch eine Öffnung (20) in der Rückwand (9) der Einkoppeleinheit (3) von der Signalerzeugungseinheit (2) in die Einkoppeleinheit (3) bzw. von der Einkoppeleinheit (3) in die Empfangs- einheit (5) geführt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Kopplung (7), über die der Oberflachenwellenleiter (4) auf Massepotential liegt, um eine Stichleitung (10) handelt, die durch die
Seitenwand (8) der Einkoppeleinheit (3) geführt ist und die im wesentlichen parallel zu der Ebene verläuft, in der die Rückwand (9) der Einkoppeleinheit (3) liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Stichleitung (10) im wesentlichen λ/4 beträgt, wobei λ der Mittenfrequenz eines Meßsignals entspricht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stichleitung (10) außerhalb der Einkoppeleinheit (3), beispielsweise im Stecker (11) der Zuleitung (15) oder auf der Elektronikplatine (12), auf der die Signalerzeugungseinheit (2) und/oder die Empfangs-/Auswerteeinheit (5, 6) angeordnet sind, vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppeleinheit (3) zumindest eine Seitenwand (8) und eine Rückwand (9) aufweist, wobei die Meßsignale über eine Kopplung (7), die durch eine Öffnung (20 oder 21) in der Seitenwand (8) oder der Rückwand (9) geführt ist, von der Signalerzeugungseinheit (2) auf den Oberflachenwellenleiter (4) bzw. von dem Oberflachenwellenleiter (4) in die Empfangseinheit (5) geleitet werden, wobei die Rückwand (9) der Einkoppeleinheit (3) auf Massepotential liegt und mit dem Oberflachenwellenleiter (4) leitend verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Kopplung (7) um eine im wesentlichen elektrisch leitende Verbindung (10) handelt, oder daß es sich bei der Kopplung (7) um eine leerlaufende oder gegen Masse kurzgeschlossene Leiterstruktur, z. B. um einen Koppelstift (13) oder um eine Koppelschleife (14), handelt, die so angeordnet ist, daß die Ankopplung der Meßsignale an den Oberflachenwellenleiter (4) entweder im wesentlichen induktiv oder im wesentlichen kapazitiv ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung (7) U- oder Ω-förmig ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanische, induktive oder kapazitive Kopplung (7) so angeordnet ist, daß der Bereich maximaler elektrischer Kopplung von der Rückwand (9) näherungsweise einen Abstand von λ/4 aufweist, wobei λ der Mittenfrequenz eines Meßsignals entspricht.
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