WO2015117808A1 - Vorrichtung zur bestimmung oder überwachung des füllstands eines in einem behälter gelagerten füllguts - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung oder überwachung des füllstands eines in einem behälter gelagerten füllguts Download PDF

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WO2015117808A1
WO2015117808A1 PCT/EP2015/050780 EP2015050780W WO2015117808A1 WO 2015117808 A1 WO2015117808 A1 WO 2015117808A1 EP 2015050780 W EP2015050780 W EP 2015050780W WO 2015117808 A1 WO2015117808 A1 WO 2015117808A1
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WO
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process separation
measurement signals
dielectric material
frequency measurement
separation
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PCT/EP2015/050780
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Inventor
Klaus Feisst
Eric Bergmann
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Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
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    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver

Definitions

  • the invention relates to a device for determining or monitoring the fill level of a product stored in a container in a process having a signal generation unit which generates high-frequency measurement signals with a coupling / decoupling unit which couples the high-frequency measurement signals to an antenna unit or decouples them from the antenna unit in which the antenna unit has a waveguide and an antenna element which widens in the direction of the filling material, the antenna unit emitting the high-frequency measuring signals in the direction of the surface of the filling material and receiving the echo signals reflected on the surface of the filling material, and with a control / evaluation unit determined on the basis of the duration of the measurement signals the level of the contents in the container,
  • the usual frequency range of a radar level gauge which operates on a microwave basis, is between about 1 GHz and 100 GHz. Radar gauges determine the level of a product in a container over the life of microwave measurement signals. Runtime methods use the physical law that the running distance of the microwave measurement signals is equal to the product of transit time and propagation speed of the measurement signals. In the case of level measurement, the running distance is twice the distance between the antenna and the surface of the medium.
  • the useful echo signal that is to say the proportion of the measurement signals which is reflected at the surface of the medium, and its transit time are determined by means of the so-called echo function or the digital envelope. The envelope represents the amplitudes of the echo signals as a function of the distance 'antenna - surface of the medium' again.
  • the level itself can then be determined from the difference between the known distance of the antenna from the bottom of the container and the distance determined by the measurement of the surface of the medium from the antenna.
  • radar measuring instruments a distinction is made between measuring devices which use the pulsed radar method and use broadband RF pulses, and FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) measuring devices in which continuous microwaves of a wavelength ⁇ are periodically linear, eg. B. with a sawtooth voltage, are frequency modulated.
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • the antenna elements radiating and receiving the measuring signals and the measuring electronics are in opposition to the process side via process isolating elements
  • a fill level measuring device has become known in which a horn antenna is at least partially filled with a temperature-stable dielectric material.
  • the dielectric material is dimensioned so that at normal temperature, a defined distance between the outer surface of the dielectric filling body and the inner surface of the adjacent
  • Antenna element consists. Due to the design, the
  • PTFE In radar gauges marketed by the assignee under the name MICROPILOT, the process separation is usually made of PTFE.
  • PTFE has the advantage that it is almost transparent to the microwaves. In addition, it shows a sufficient temperature, pressure and / or chemical resistance for a variety of applications in process automation. In addition, PTFE has the merit of making it difficult to form a deposit. If there is still a buildup of the process separation, the cleaning is easily possible. Above 400 ° C, plastics are no longer stable. Therefore, in the high temperature and high pressure area preferably ceramic process separators are used. However, ceramics have the disadvantage over plastics that they have relatively high dielectric constants.
  • the process separation element is designed as a hollow body, wherein the remote from the process end to the
  • Diameter of the waveguide is adapted and the end facing the process is preferably designed conical or pyramidal.
  • the wall thickness of the process separation element in the emission area is approximately half the wavelength of the transmitted and received measurement signals. As a result, unwanted reflections of the measurement signals are largely avoided.
  • the process separation is made of a plastic material, a ceramic material or a dielectric composite material.
  • ceramic material is used because it is highly pressure and temperature resistant.
  • the invention has for its object to propose a permeable for microwave measurement signals and highly mechanically stable process separation for a microwave level gauge.
  • a first process separation is at least partially made of a dielectric material having a predetermined porosity. Furthermore, the first process separation is designed so that it is at least approximately transparent to the high-frequency measurement signals. As mentioned earlier, a ceramic process separation is very good for use at high temperatures and high pressures in the
  • Dilemmas is proposed in the prior art, a thin-walled, hollow cone-shaped process separator, the mechanical stability is lower than in a process separation of solid material.
  • Process separation according to the invention is made of at least one solid dielectric material.
  • the solid material is at least partially porous.
  • the dielectric material is either a plastic suitable for high temperatures and pressures or a ceramic.
  • fiber reinforced composite can be used, the required
  • the porosity of the material is adjusted accordingly.
  • the dimensioning of the process separation can be selected such that the batch and / or process separation is particularly important in the case of the critical process separation facing the process
  • Process separation is transparent to microwaves when the intensity of the microwave measurement signals only passes when passing the process separation
  • transparency in connection with the invention means that the dielectric constant of the material or materials of the process separation is preferably between 1 and 5.
  • the porosity defines the ratio of void volume (typically air inclusions) to the total volume of the porous matter or
  • the embodiment plays a role, which task is to fulfill a process separation. If the process separation, at least in the surface area, is closed in a porous or pore-free manner, then no medium can reach the area of the
  • an open-pore structure of the process separation means that gas or particles of the filling material can reach the area behind the process separation.
  • the open-pored represents
  • Process separation is at least one barrier to the contents:
  • the contents can not get unhindered in the area behind the process separation, but must first overcome considerable resistance.
  • Open-pore process separations can be used in particular in applications with a low degree of contamination of the measuring device.
  • dielectric material of the first process separation is selected so that the dielectric material has a predetermined dielectric constant.
  • the first process separation is arranged so that at least a portion of its coming into contact with the process surface is made of a closed-pore dielectric material.
  • the protective layer can also be free of pores. This embodiment ensures that the process separation does not allow any filling material or particles of the filling material to penetrate from the process into the area of the level measuring device.
  • the protected interior of the measuring device with its sensitive components is effectively sealed off from the process by a suitably designed process separation.
  • the inner core material of the first process separation is open-pored.
  • a protective layer is applied, wherein the protective layer consists of a closed-pore or of a substantially non-porous dielectric material.
  • the dielectric material of core and protective layer either the same material can be used or it can
  • An advantageous embodiment of the solution according to the invention provides for a second process separation which, viewed in the emission direction of the high-frequency measurement signals, is arranged before the first process separation.
  • the second process separation is either made of a closed-pore dielectric material, or the second process separation consists of an open-pore core and the open-pore core surrounding, closed-pore or substantially non-porous protective layer.
  • a second process separation is provided and - seen in the emission direction of the high-frequency measurement signals - arranged before the first process separation.
  • the second process separation now consists entirely of an open-pore dielectric material. In this case, the second process separation meets with one
  • Damage to or destruction of the first process separation at least the function of a barrier that denied the contents or particles of the filling material unhindered penetration into the area separated by the process separation element of the level gauge.
  • the porosity of the dielectric material is such that the dielectric material has a predetermined dielectric constant. Preferably, this is also between 1 and 5.
  • the first and the second process separation have a protective layer of a closed-pore or non-porous dielectric material.
  • the thickness of each of the two protective layers is preferably K / 2.
  • ⁇ denotes the wavelength of the high-frequency measurement signals or the center wavelength of a pulse of high-frequency measurement signals.
  • the dielectric material is a temperature-resistant plastic or a ceramic.
  • a composite e.g. a fiber reinforced plastic can be used. It is preferably in the
  • dielectric material around alumina depending on the configuration of the first and second process separation at least in defined sub-areas open or closed porous or substantially free of pores
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the device according to the invention, which is mounted on a container
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a part of that shown in FIG
  • FIG. 4 shows a perspective view of the first process separating element.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the invention
  • a liquid or solid product 7 is stored in the container 8.
  • the level gauge 17, which is mounted in an opening 19 in the lid 16 of the container 8 is used.
  • the microwave measurement signals generated in the signal generation unit 1 are coupled to the antenna unit 3 and emitted via the antenna 5 in the direction of the surface 6 of the filling material 7.
  • the measurement signals are at least partially reflected as echo signals.
  • the echo signals are received by the antenna unit 3 and fed to a control / evaluation unit 9 for the purpose of preparation and evaluation of the fill level measured values.
  • the control / evaluation unit 9 is a
  • Delay circuit assigned, as described for example in DE 31 07 444 A1.
  • the components 1, 9, 18 are part of the so-called. Transmitter or
  • Transmitter and usually arranged in a not shown in Fig. 1 transmitter or transmitter housing.
  • Preferred embodiments of the antenna unit 3 with at least one of the process separations 10 and 10, 13 according to the invention are in the
  • Process separations 10, 13 are preferably designed such that they are at least approximately transparent to microwave measurement signals. In addition, they are characterized - depending on the function - by a high mechanical stability and a low condensate and Ansatzijneit.
  • the first process separation 10 which is process- or medium-contacting in a surface area, protects in addition to the already mentioned components of the electronic part in particular also the coupling / decoupling unit 2 and the waveguide 4 of the antenna unit 5 from the penetration of particles of the filling material and thus from harmful Influences of the process. These would significantly affect the measurement accuracy of the level gauge 17.
  • Level gauge 17 is used, the requirements for the process separation 10 and the process separation 13 can be very different.
  • the spectrum of possible configurations and combinations of the process separations 10, 13 is correspondingly broad.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a preferred embodiment of the fill level measuring device 17 according to the invention.
  • FIG. 3 is a longitudinal section through part of the embodiment of FIG.
  • Fill level measuring device 17 according to the invention can be seen in a perspective view.
  • the temperature reduction unit 22 is an indicator that these components
  • the drawing the process and thus medium- or process-contacting process seal 10 has a cylinder 20 and a pointed cone 21.
  • the process seal has a core 14 made of a porous dielectric material and a dielectric protection layer 12 consisting of a non-porous or closed-cell dielectric material.
  • the materials of core 14 and protective layer 12 are either the same material with different porosity, or that the materials of core 14 and protective layer 12 are different. If the protective layer has a thickness of K / 2, its porosity does not matter for the transparency of the process separation 10, 13. A sufficient mechanical stability is ensured by the Core 14 reached.
  • the core 14 consists of a porous dielectric material. In this case, the higher the dielectric constant of the
  • Porosity in plastic usually be chosen smaller than a ceramic. Which material is ultimately used depends on the
  • the second process seal 13 can only come in direct contact with the process if the first process separation 10 is damaged or broken, the formation of condensate and deposits plays a subordinate role. Therefore, the second
  • Process separation 13 for example, consist of an open or closed porous dielectric material. In the case shown has the second
  • Process seal 13 a much smaller dimensions than the first process seal 10. In particular, it has the shape of a double cone. It goes without saying that the second process seal 13 can also be designed as a disk. As already described above, the second process seal 13 can also be constructed analogously to the first one
  • the second process seal 13 merely has to be constructed in such a way that, in the event of destruction or breakage of the first process separation 10, the filling material or particles of the filling material 7 do not move unhindered into the interior region of the product
  • the second process separation 13 is at least designed such that it fulfills the function of a barrier. Earlier it was already mentioned that both
  • Process separations 10, 13 do not necessarily have to be gastight. Gas-tightness of the level gauge will definitely by the
  • Glass lead 23 reached. 4 shows a perspective view of a preferred embodiment of the first process separating element 10 with cylinder 20 and pointed cone 21.
  • the process separator 10 may be configured as described in FIG. 2 or FIG. 3. Depending on the application, the
  • Process separation 10 in whole or in partial areas of an open-pored and / or closed-pore material.
  • the process separation 10 can be configured completely as an open-pored or closed-pored plastic.
  • a closed-pore or open-pore ceramic can be used.
  • a protective layer 12 may additionally be provided.
  • An analogous structure can also have the second process separation 13.
  • the thickness of the protective layer is preferably K / 2.
  • the dielectric constant increases. Therefore, an additional phase jump of K / 2 occurs. This is the total

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands eines in einem Behälter (8) gelagerten Füllguts (7) in einem Prozess mit einer Signalerzeugungseinheit (1), die hochfrequente Messsignale erzeugt, mit einer Einkoppel-/Auskoppeleinheit (2), die die hochfrequenten Messsignale auf eine Antenneneinheit (3) einkoppelt bzw. von der Antenneneinheit (3) auskoppelt, wobei die Antenneneinheit (3) einen Hohlleiter (4) und ein sich in Richtung des Füllguts aufweitendes Antennenelement (5) aufweist, wobei die Antenneneinheit (3) die hochfrequenten Messsignale in Richtung der Oberfläche (6) des Füllguts (7) aussendet und die an der Oberfläche (6) des Füllguts (7) reflektierten Echosignale empfängt, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit (9), die anhand der Laufzeit der Messsignale den Füllstand des Füllguts (7) in dem Behälter (8) ermittelt, wobei in oder an der Antenneneinheit (3) mindestens eine Prozesstrennung (10) vorgesehen ist, die die Einkoppel-/Auskoppeleinheit (2) vor Einflüssen des Prozesses schützt, wobei eine erste Prozesstrennung (10) zumindest teilweise aus einem dielektrischen Material mit einer vorgegebenen Porosität gefertigt ist und wobei die erste Prozesstrennung so ausgestaltet ist, dass sie für die hochfrequenten Messsignale zumindest näherungsweise transparent ist.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands eines in einem Behälter gelagerten Füllguts
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestinnnnung oder Überwachung des Füllstands eines in einem Behälter gelagerten Füllguts in einem Prozess mit einer Signalerzeugungseinheit, die hochfrequente Messsignale erzeugt, mit einer Einkoppel-/Auskoppeleinheit, die die hochfrequenten Messsignale auf eine Antenneneinheit einkoppelt bzw. von der Antenneneinheit auskoppelt, wobei die Antenneneinheit einen Hohlleiter und ein sich in Richtung des Füllguts aufweitendes Antennenelement aufweist, wobei die Antenneneinheit die hochfrequenten Messsignale in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet und die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Echosignale empfängt, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeit der Messsignale den Füllstand des Füllguts in dem Behälter ermittelt,
wobei in oder an der Antenneneinheit mindestens eine Prozesstrennung vorgesehen ist, die die Einkoppel-/Auskoppeleinheit vor Einflüssen des
Prozesses schützt.
Der übliche Frequenzbereich eines Radar-Füllstandsmessgeräts, das auf Mikrowellenbasis arbeitet, liegt zwischen ca. 1 GHz und 100 GHz. Radar- Messgeräte bestimmen den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter über die Laufzeit von Mikrowellen-Messsignalen. Laufzeitverfahren nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeit, dass die Laufstrecke der Mikrowellen- Messsignale gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungs- geschwindigkeit der Messsignale ist. Im Falle der Füllstandsmessung entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen Antenne und Oberfläche des Füllguts. Das Nutzechosignal, also der Anteil der Messsignale, der an der Oberfläche des Füllguts reflektiert wird, und dessen Laufzeit werden anhand der sog. Echofunktion bzw. der digitalen Hüllkurve bestimmt. Die Hüllkurve gibt die Amplituden der Echosignale als Funktion des Abstandes 'Antenne - Oberfläche des Füllguts' wieder. Der Füllstand selbst lässt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der Antenne von dem Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllguts von der Antenne bestimmen. Bei Radar-Messgeräten wird unterschieden zwischen Messgeräten, die nach dem Pulsradar-Verfahren arbeiten und breitbandige Hochfrequenzpulse nutzen, und FMCW-Messgeräten (Frequency Modulated Continous Wave), bei denen kontinuierliche Mikrowellen einer Wellenlänge λ periodisch linear, z. B. mit einer Sägezahnspannung, frequenzmoduliert sind.
Um eine gleichbleibend gute Messperformance zu gewährleisten, sind die die Messsignale abstrahlenden und empfangenden Antennenelemente und die Messelektronik prozessseitig über Prozesstrennelementen gegen
Umgebungseinflüsse geschützt. Dieser Schutz ist sehr wichtig, da die
Füllstandsmessgeräte je nach Einsatzort hohen Temperaturen, hohen
Drücken und/oder aggressiven chemischen Medien ausgesetzt sind. In
Abhängigkeit von den am Messort herrschenden Bedingungen sind die
Anforderungen, die an den Schutz der empfindlichen Elektronikkomponenten gestellt werden, entsprechend hoch.
Aus der WO 2006/120124 A1 ist ein Füllstandsmessgerät bekannt geworden, bei dem eine Hornantenne zumindest teilweise mit einem temperaturstabilen dielektrischen Material gefüllt ist. Das dielektrische Material ist so bemessen, dass bei Normaltemperatur ein definierter Abstand zwischen der Außenfläche des dielektrischen Füllkörpers und der Innenfläche des angrenzenden
Antennenelements besteht. Aufgrund der Ausgestaltung kann sich der
Füllkörper bei steigenden Temperaturen ausdehnen, so dass keine
mechanischen Spannungen innerhalb des Füllkörpers auftreten.
Bei Radar-Messgeräten, die von der Anmelderin unter der Bezeichnung MICROPILOT vertrieben werden, ist die Prozesstrennung üblicherweise aus PTFE gefertigt. PTFE hat den Vorteil, dass es für die Mikrowellen nahezu transparent ist. Zudem zeigt es eine für eine Vielzahl von Anwendungen in der Prozessautomatisierung ausreichende Temperatur-, Druck- und/oder chemische Beständigkeit. Darüber hinaus hat PTFE den Vorzug, dass es die Ansatzbildung erschwert. Kommt es dennoch zu einer Ansatzbildung an der Prozesstrennung, so ist die Reinigung problemlos möglich. Oberhalb von 400 °C sind Kunststoffe nicht mehr beständig. Daher werden im Hochtemperatur und Hochdruckbereich bevorzugt Prozesstrennelemente aus Keramik eingesetzt. Keramiken haben gegenüber Kunststoffen jedoch den Nachteil, dass sie verhältnismäßig hohe Dielektrizitätskonstanten haben.
Hierdurch reduziert sich die HF-verträgliche Dimensionierung einer
Prozesstrennung erheblich. Je kleiner die Abmessungen der Prozesstrennung sind, umso anfälliger sind sie für die Kondensat- und Ansatzbildung. Werden hingegen die Abmessungen der Prozesstrennung an die Kondensat- und Ansatzproblematik angepasst, so werden verstärkt höhere Moden angeregt. Werden höhere Moden angeregt, so wird das Klingeln, welches den Anteil der unerwünschten Reflexionen im Antennenbereich beschreibt, verstärkt. Je intensiver das "Klingeln" ist, desto schlechter wird die Messperformance des Füllstandsmessgeräts. Aus der DE 102010031276 A1 ist ein Füllstandsmessgerät bekannt geworden, das für den Hochtemperatur- und den Hochdruckbereich geeignet ist. Auch hier ist in einen Hohlleiter, in dem die hochfrequenten Messsignale geführt werden, ein Prozesstrennelement eingesetzt, das die Mikrowellen möglichst ungestört passieren lässt. Um die zuvor genannte Ansatz- und/oder
Kondensatbildung zu vermeiden, ist das Prozesstrennelement als Hohlkörper ausgestaltet, wobei der vom Prozess abgewandte Endbereich an den
Durchmesser des Hohlleiters angepasst ist und der dem Prozess zugewandte Endbereich bevorzugt kegel- oder pyramidenförmig ausgestaltet ist. Die Wandstärke des Prozesstrennelements beträgt im Abstrahlbereich ungefähr die halbe Wellenlänge der ausgesendeten und empfangenen Messsignale. Hierdurch werden unerwünschte Reflexionen der Messsignale weitgehend vermieden. Die Prozesstrennung ist aus einem Kunststoffmaterial, einem Keramikmaterial oder einem dielektrischen Verbundmaterial gefertigt.
Bevorzugt wird Keramikmaterial verwendet, da es in hohem Maße druck- und temperaturbeständig ist.
Bei der bekannten Ausgestaltung besteht jedoch die Gefahr, dass die
Kegelspitze bzw. die Pyramidenspitze infolge von mechanischer Gewalteinwirkung, z.B. infolge eines Schlages abbricht. Ist die
Prozesstrennung undicht, kann sie ihre Schutzfunktion nicht mehr erfüllen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für Mikrowellen-Messsignale durchlässige und in hohem Maße mechanisch stabile Prozesstrennung für ein Mikrowellen-Füllstandsmessgerät vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine erste Prozesstrennung zumindest teilweise aus einem dielektrischen Material mit einer vorgegebenen Porosität gefertigt ist. Weiterhin ist die erste Prozesstrennung so ausgestaltet, dass sie für die hochfrequenten Messsignale zumindest näherungsweise transparent ist. Wie bereits zuvor erwähnt, ist eine Prozesstrennung aus Keramik sehr gut für den Einsatz bei hohen Temperaturen und hohen Drücken in der
Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungs- technik geeignet. Jedoch hat eine Keramik, insbesondere Aluminiumoxid, den Nachteil, dass sie aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstanten von ca. 10 eine geringe Transparenz für Mikrowellen aufweist. Als Lösung dieses
Dilemmas wird im Stand der Technik ein dünnwandiges, hohlkegelförmiges Prozesstrennelement vorgeschlagen, dessen mechanische Stabilität jedoch geringer ist als bei einer Prozesstrennung aus Vollmaterial.
Die vorgeschlagene Lösung umgeht das Dilemma, indem die
erfindungsgemäße Prozesstrennung aus zumindest einem dielektrischen Vollmaterial gefertigt ist. Um die für den Einsatz in Radar-Messgeräten geeignete möglichst geringe Dielektrizitätskonstante und eine ausreichende Dimensionierung zu erreichen, ist das Vollmaterial zumindest anteilig porös ausgestaltet. Je nach Anwendungsfall handelt es sich bei dem dielektrischen Material entweder um einen für hohe Temperaturen und Drücke geeigneten Kunststoff oder um eine Keramik. Darüber hinaus kann auch ein
faserverstärkter Verbundstoff eingesetzt werden, der die erforderliche
Temperatur- und Druckbeständigkeit aufweist. Der Gefahr eines Bruchs oder einer Beschädigung der Prozesstrennung wird infolge der gesteigerten Stabilität der Prozesstrennung aus zumindest teilweise geschäumtem
Vollmaterial effektiv entgegengewirkt. Aufgrund der hohen Stabiltät der Prozesstrennung ist sichergestellt, dass keine großen Stoffeinträge und damit keine erhebliche thermische Energie zu nachgelagerten Sensor- und
Elektronikkomponenten gelangt. Um die benötigte Transparenz des dielektrischen Materials der
Prozesstrennung zu erreichen, wird die Porosität des Materials entsprechend angepasst. Als Richtlinie gilt: Je höher die Dielektrizitätskonstante des
Materials der Prozesstrennung ist, umso höher muss die Porosität des
Materials sein.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Dimensionierung der Prozesstrennung so gewählt werden, dass insbesondere bei der kritischen dem Prozess zugewandten Prozesstrennung die Ansatz- und/oder
Kondensatproblematik nur eine untergeordnete bzw. keine Rolle spielen/spielt. Über die Porosität des Materials der Prozesstrennung werden die
Eigenschaften des dielektrischen Materials so optimiert, dass einerseits die Prozesstrennung effektiv und dauerhaft verhindert, dass Füllgut aus dem Prozess in den Elektronikteil, bzw. in die Einkoppel-/Auskoppeleinheit des Füllstandsmessgeräts gelangt und dass andererseits die Prozesstrennung weitgehend transparent für die Mikrowellen-Messsignale ist. Eine
Prozesstrennung ist transparent für Mikrowellen, wenn die Intensität der Mikrowellen-Messsignale beim Passieren der Prozesstrennung nur
unwesentlich abgeschwächt wird. Insbesondere bedeutet Transparenz im Zusammenhang mit der Erfindung, dass die Dielektrizitätskonstante des Materials bzw. der Materialien der Prozesstrennung bevorzugt zwischen 1 und 5 liegt.
Die Porosität definiert das Verhältnis von Hohlraumvolumen (üblicherweise Lufteinschlüssen) zum Gesamtvolumen des porösen Stoffes oder
Stoffgemisches. Stehen die Hohlräume untereinander und mit der Umgebung in Verbindung, so spricht man von offener Porosität des Materials bzw. von offenporigem Material. Stehen die Hohlräume weder untereinander noch mit der Umgebung in Verbindung so spricht man von geschlossener Porosität des Materials bzw. von geschlossen porigem Material. In Verbindung mit der Erfindung sind eine Vielzahl unterschiedlicher
Ausgestaltungen von Prozesstrennungen möglich. Insbesondere spielt bei der Ausgestaltung eine Rolle, welche Aufgabe eine Prozesstrennung erfüllen soll. Ist die Prozesstrennung zumindest im Oberflächenbereich geschlossen porig oder porenfrei ausgestaltet, so kann kein Medium in den Bereich des
Füllstandsmessgeräts gelangen, der - in Bezug auf den Prozess gesehen - hinter der Prozesstrennung angeordnet ist. Über eine offenporige Struktur der Prozesstrennung können jedoch Gas oder Partikel des Füllguts in den Bereich hinter der Prozesstrennung gelangen. Allerdings stellt die offen porige
Prozesstrennung zumindest eine Barriere für das Füllgut dar: Das Füllgut kann nicht ungehindert in den Bereich hinter der Prozesstrennung gelangen, sondern muss zuerst einen erheblichen Widerstand überwinden. Offenporige Prozesstrennungen können insbesondere bei Anwendungen mit geringem Verschmutzungsgrad des Messgeräts eingesetzt werden.
Wie bereits zuvor erwähnt ist vorgesehen, dass die Porosität des
dielektrischen Materials der ersten Prozesstrennung so gewählt ist, dass das dielektrische Material eine vorgegebene Dielektrizitätskonstante besitzt.
Bevorzugt liegt diese zwischen 1 und 5.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erste Prozesstrennung so angeordnet, dass zumindest ein Teilbereich ihrer mit dem Prozess in Kontakt kommenden Oberfläche aus einem geschlossen porigen dielektrischen Material gefertigt ist. Selbstverständlich kann die Schutzschicht auch porenfrei sein. Durch diese Ausgestaltung ist sichergestellt, dass die Prozesstrennung kein Füllgut bzw. keine Partikel des Füllguts aus dem Prozess in den Bereich des Füllstandsmessgeräts eindringen lässt. Der zu schützende Innenraum des Messgeräts mit seinen ansatzempfindlichen Komponenten ist durch eine entsprechend ausgestaltete Prozesstrennung wirksam gegen den Prozess abgeschottet.
Eine alternative Lösung sieht vor, dass das innere Kernmaterial der ersten Prozesstrennung offenporig ausgestaltet ist. Auf das innere Kernmaterial ist zumindest in dem Teilbereich, der mit dem Prozess in Kontakt kommt, eine Schutzschicht aufgebracht, wobei die Schutzschicht aus einem geschlossen porigen oder aus einem im Wesentlichen porenfreien dielektrischen Material besteht. Als dielektrisches Material von Kern und Schutzschicht kann entweder das gleiche Material verwendet werden, oder es können
unterschiedliche Materialien eingesetzt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht eine zweite Prozesstrennung vor, die - in Abstrahlrichtung der hochfrequenten Messsignale gesehen - vor der ersten Prozesstrennung angeordnet ist. Die zweite Prozesstrennung ist entweder aus einem geschlossen porigen dielektrischen Material gefertigt, oder die zweite Prozesstrennung besteht aus einem offenporigen Kern und einer den offenporigen Kern umgebenden, geschlossen porigen oder im Wesentlichen porenfreien Schutzschicht. Die Vorteile sind analog zu den vorhergehenden Ausführungen bei der ersten Prozesstrennung zu werten .
Auch bei einer alternativen Ausgestaltung ist eine zweite Prozesstrennung vorgesehen und - in Abstrahlrichtung der hochfrequenten Messsignale gesehen - vor der ersten Prozesstrennung angeordnet. Allerdings besteht die zweite Prozesstrennung nun komplett aus einem offenporigen dielektrischen Material. In diesem Fall erfüllt die zweite Prozesstrennung bei einer
Beschädigung oder Zerstörung der ersten Prozesstrennung zumindest noch die Funktion einer Barriere, die dem Füllgut bzw. Partikeln des Füllguts das ungehinderte Eindringen in den durch das Prozesstrennelement abgetrennten Bereich des Füllstandsmessgeräts verwehrt.
Auch bei der zweiten Prozesstrennung ist die Porosität des dielektrischen Materials so bemessen, dass das dielektrische Material eine vorgegebene Dielektrizitätskonstante aufweist. Bevorzugt liegt auch diese zwischen 1 und 5.
Zuvor wurde bereits erwähnt, dass die erste und die zweite Prozesstrennung je nach Ausführungsform der Erfindung eine Schutzschicht aus einem geschlossen porigen oder aus einem porenfreien dielektrischen Material aufweisen. Bevorzugt beträgt die Dicke jeder der beiden Schutzschichten K/2. λ kennzeichnet hierbei die Wellenlänge der hochfrequenten Messsignale oder die Mittenwellenlänge eines Pulses aus hochfrequenten Messsignalen.
Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, handelt es sich bei dem dielektrischen Material um einen temperaturbeständigen Kunststoff oder um eine Keramik. Es kann jedoch auch ein Verbundstoff, z.B. ein faserverstärkter Kunststoff eingesetzt werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem
dielektrischen Material um Aluminiumoxid, das je nach Ausgestaltung von erster und zweiter Prozesstrennung zumindest in definierten Teilbereichen offen- oder geschlossen porig oder im Wesentlichen frei von Poren
ausgestaltet ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die an einem Behälter montiert ist,
Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts,
Fig. 3: einen Längsschnitt durch einen Teil der in Fig. 2 gezeigten
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts in
perspektivischer Ansicht und
Fig. 4: eine perspektivische Ansicht des ersten Prozesstrennelements.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung. Ein flüssiges oder festes Füllgut 7 ist in dem Behälter 8 gelagert. Zur Bestimmung des Füllstandes des Füllguts 7 in dem Behälter 8 dient das Füllstandsmessgerät 17, das in einer Öffnung 19 im Deckel 16 des Behälters 8 montiert ist. Die in der Signalerzeugungseinheit 1 erzeugten Mikrowellen- Messsignale werden auf die Antenneneinheit 3 eingekoppelt und über die Antenne 5 in Richtung der Oberfläche 6 des Füllguts 7 abgestrahlt. An der Oberfläche 6 werden die Messsignale als Echosignale zumindest teilweise reflektiert. Die Echosignale werden von der Antenneneinheit 3 empfangen und einer Regel-/Auswerteeinheit 9 zwecks Aufbereitung und Auswertung der Füllstandsmesswerte zugeleitet. Der Regel-/Auswerteeinheit 9 ist eine
Verzögerungsschaltung zugeordnet, wie sie beispielsweise in der DE 31 07 444 A1 beschrieben ist. Die korrekte Taktung von Absendung der Messsignale und Empfang der Echosignale erfolgt über die Sende-Empfangsweiche 18. Die Komponenten 1 , 9, 18 sind Teil des sog. Messumformers oder
Transmitters und üblicherweise in einem in der Fig. 1 nicht gesondert dargestellten Messumformer- bzw. Transmittergehäuse angeordnet.
Insbesondere sind es diese üblicherweise ansatz-, druck- und/oder
temperaturempfindlichen Komponenten des Messumformers, die mittels der erfindungsgemäßen Prozesstrennungen 10, 13 vor negativen Einflüssen des Prozesses geschützt werden .
Bevorzugte Ausgestaltungen der Antenneneinheit 3 mit zumindest einer der erfindungsgemäßen Prozesstrennungen 10 bzw. 10, 13 sind in den
nachfolgenden Figuren näher verdeutlicht. Die erfindungsgemäßen
Prozesstrennungen 10, 13 sind bevorzugt so ausgestaltet, dass sie zumindest näherungsweise für Mikrowellen-Messsignale transparent sind. Darüber hinaus zeichnen sie sich - je nach Funktion - durch eine hohe mechanische Stabilität und eine geringe Kondensat- und Ansatzempfindlicheit aus.
Die erste Prozesstrennung 10, die in einem Oberflächenbereich prozess- bzw. mediumsberührend ist, schützt neben den bereits erwähnten Komponenten des Elektronikteils insbesondere auch die Einkoppel-/Auskoppeleinheit 2 und den Hohlleiter 4 der Antenneneinheit 5 vor dem Eindringen von Partikeln des Füllguts und damit vor schädlichen Einflüssen des Prozesses. Diese würden die Messgenauigkeit des Füllstandsmessgeräts 17 erheblich beeinträchtigen . Im Prinzip werden durch die dem Prozess zugewandte - also die
mediumsberührende und/oder prozessberührende erste Prozesstrennung 1 0 - in Abstrahlrichtung der hochfrequenten Messsignale gesehen - alle vor der Prozesstrennung 10 liegenden Bereiche des Füllstandsmessgeräts 17 geschützt. Generell gilt in diesem Zusammenhang, dass die Dimensionierung der Antenneneinheit 3 umso kleiner gewählt ist, je kleiner die Wellenlänge der Messsignale ist, also je hochfrequenter die Messsignale sind. Je kleiner die Wellenlänge ist, umso stärker beeinträchtigen Ablagerungen im Abstrahl- und Empfangsbereich der Antenneneinheit die Messqualität bzw. die
Messperformance.
Es versteht sich von selbst, dass je nach Anwendungsfall, in dem das
Füllstandsmessgerät 17 zum Einsatz kommt, die Anforderungen an die Prozesstrennung 10 und an die Prozesstrennung 13 sehr unterschiedlich sein können. Entsprechend breit ist das Spektrum an möglichen Ausgestaltungen und Kombinationen der Prozesstrennungen 10, 13.
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts 17. In Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen Teil der in Fig. 2 gezeigten Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts 17 in perspektivischer Ansicht zu sehen.
Die Temperaturreduziereinheit 22 ist ein Indikator dafür, dass diese
Ausgestaltung für den Hochtemperaturbereich geeignet ist, d.h. das in Fig. 2 skizzierte Füllstandsmessgerät 17 kann bei Temperaturen bis 450 °C verwendet werden . Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von den bekannten Lösungen durch die besondere Ausgestaltung und/oder Anordnung der Prozessdichtungen 10, 13. Die dem Prozess zugewandte und damit mediums- bzw. prozessberührende Prozessdichtung 10 weist einen Zylinder 20 und einen Spitzkegel 21 auf. Die Prozessdichtung hat einen Kern 14, der aus einem porösen dielektrischen Material besteht, und eine dielektrische Schutzschicht 12, die aus einem porenfreien oder einem geschlossen porigen dielektrischen Material besteht. Es versteht sich von selbst, dass es sich bei den Materialien von Kern 14 und Schutzschicht 12 entweder um das gleiche Material mit unterschiedlicher Porosität handelt, oder dass die Materialien von Kern 14 und Schutzschicht 12 unterschiedlich sind. Hat die Schutzschicht eine Dicke von K/2, spielt ihre Porosität für die Transparenz der Prozesstrennung 10, 13 keine Rolle. Eine ausreichende mechanische Stabilität wird durch den Kern 14 erreicht. Damit auch der Kern 14 die Transparenz der
Prozesstrennung 10, 13 nur in tolerierbaren Grenzen reduziert, besteht der Kern 14 aus einem porösen dielektrischen Material. Hierbei ist die Porosität umso höher zu wählen, je größer die Dielektrizitätskonstante des
Kernmaterials 14 ist. Um die gleiche Transparenz zu erzielen, kann die
Porosität bei Kunststoff üblicherweise kleiner gewählt werden als bei einer Keramik. Welches Material letztlich eingesetzt wird, hängt von den
physikalischen und chemischen Bedingungen ab, die im Prozess herrschen. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausgestaltung, bei der die erste Prozessdichtung 10 extrem stabil ausgestaltet ist, sind die Anforderungen an die Stabilität der zweiten Prozessdichtung 13 relativ gering. Da die zweite Prozessdichtung 13 nur bei Beschädigung oder Bruch der ersten Prozesstrennung 10 überhaupt mit dem Prozess in direkten Kontakt kommen kann, spielt die Kondensat- und Ansatzbildung eine untergeordnete Rolle. Daher kann die zweite
Prozesstrennung 13 beispielsweise aus einem offen oder geschlossen porigen dielektrischen Material bestehen. Im gezeigten Fall hat die zweite
Prozessdichtung 13 eine wesentlich geringere Dimensionierung als die erste Prozessdichtung 10. Insbesondere hat sie die Form eines Doppelkegels. Es versteht sich von selbst, dass die zweite Prozessdichtung 13 auch als Scheibe ausgestaltet sein kann. Wie bereits zuvor beschrieben, kann die zweite Prozessdichtung 13 auch analog aufgebaut sein wie die erste
Prozessdichtung 10 - also mit einem porösen Kern und einer Schutzschicht. Die zweite Prozessdichtung 13 muss lediglich so aufgebaut sein, dass bei einer Zerstörung oder einem Bruch der ersten Prozesstrennung 10 das Füllgut bzw. Partikel des Füllguts 7 nicht ungehindert in den Innenbereich des
Füllstandsmessgeräts 17 gelangen. Die zweite Prozesstrennung 13 ist zumindest so ausgestaltet, dass sie die Funktion einer Barriere erfüllt. An vorhergehender Stelle wurde bereits erwähnt, dass beide
Prozesstrennungen 10, 13 nicht notwendigerweise gasdicht sein müssen . Gasdichtigkeit des Füllstandsmessgeräts wird auf jeden Fall durch die
Glasdurchführung 23 erreicht. Fig. 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine bevorzugte Ausgestaltung des ersten Prozesstrennelements 10 mit Zylinder 20 und Spitzkegel 21 . Das Prozesstrennelement 10 kann so ausgeführt sein, wie in Fig. 2 oder Fig. 3 beschrieben. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall besteht die
Prozesstrennung 10 in Gänze oder in Teilbereichen aus einem offen porigen und/oder geschlossen porigen Material. So kann die Prozesstrennung 10 beispielsweise komplett als offen poriger oder geschlossen poriger Kunststoff ausgestaltet sein. Ebenso kann eine geschlossen porige oder offen porige Keramik verwendet werden. Bei beiden Ausgestaltungen kann zusätzlich eine Schutzschicht 12 vorgesehen sein. Einen analogen Aufbau kann auch die zweite Prozesstrennung 13 aufweisen.
Wie bereits erwähnt, beträgt die Dicke der Schutzschicht bevorzugt K/2. Beim Übergang von der porösen Struktur zur Schutzschicht - wie er bei der Erfindung vorliegt - nimmt die Dielektrizitätskonstante zu. Daher tritt ein zusätzlicher Phasensprung von K/2 auf. Damit beträgt der gesamte
Gangunterschied der beiden Teilwellen 2* K/2 + Phasensprung K/2 = 3/2 λ, und die Interferenz ist destruktiv, λ/4 hingegen gilt, wenn beim Übergang die Dielektrizitätskonstante abnimmt und daher kein Phasensprung erfolgt.
Bezugszeichenliste
1 Signalerzeugungseinheit
2 Einkoppel-/Auskoppeleinheit
3 Antenneneinheit
4 Hohlleiter
5 Antennenelement
6 Oberfläche
7 Füllgut
8 Behälter
9 Reg el -/Au s we rtee i n h e it
10 erste Prozesstrennung
1 1 poröses dielektrisches Material
12 Schutzschicht
13 zweite Prozesstrennung
14 Kern aus porösem dielektrischem Material
15 Schutzschicht
16 Deckel
17 Füllstandsmessgerät
18 Sende-/Empfangsweiche
19 Öffnung
20 Zylinder
21 Spitzkegel
22 Temeraturreduziereinheit
23 Glasdurchführung

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstands eines in einem Behälter (8) gelagerten Füllguts (7) in einem Prozess
mit einer Signalerzeugungseinheit (1 ), die hochfrequente Messsignale erzeugt, mit einer Einkoppel-/Auskoppeleinheit (2), die die hochfrequenten Messsignale auf eine Antenneneinheit (3) einkoppelt bzw. von der
Antenneneinheit (3) auskoppelt, wobei die Antenneneinheit (3) einen
Hohlleiter (4) und ein sich in Richtung des Füllguts aufweitendes
Antennenelement (5) aufweist,
wobei die Antenneneinheit (3) die hochfrequenten Messsignale in Richtung der Oberfläche (6) des Füllguts (7) aussendet und die an der Oberfläche (6) des Füllguts (7) reflektierten Echosignale empfängt, und
mit einer Regel-/Auswerteeinheit (9), die anhand der Laufzeit der Messsignale den Füllstand des Füllguts (7) in dem Behälter (8) ermittelt,
wobei in oder an der Antenneneinheit (3) mindestens eine Prozesstrennung (10) vorgesehen ist, die die Einkoppel-/Auskoppeleinheit (2) vor Einflüssen des Prozesses schützt,
wobei eine erste Prozesstrennung (10) zumindest teilweise aus einem dielektrischen Material mit einer vorgegebenen Porosität gefertigt ist und wobei die erste Prozesstrennung so ausgestaltet ist, dass sie für die hochfrequenten Messsignale zumindest näherungsweise transparent ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei die Porosität des dielektrischen Materials der ersten Prozesstrennung (10) so gewählt ist, dass das dielektrische Material eine vorgegebene
Dielektrizitätskonstante besitzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die erste Prozesstrennung (10) so angeordnet ist, dass zumindest ein Teilbereich ihrer mit dem Prozess in Kontakt kommenden Oberfläche aus einem geschlossen porigen dielektrischen Material gefertigt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein innerer Kern (14) der ersten Prozesstrennung (10) offenporig ausgestaltet ist, wobei eine Schutzschicht (12) zumindest auf den mit dem Prozess in Kontakt kommenden Teilbereich der Prozesstrennung (10) aufgebracht ist, und wobei die Schutzschicht (12) aus einem geschlossen porigen oder im Wesentlichen porenfreien dielektrischen Material besteht.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -4,
wobei eine zweite Prozesstrennung (13) vorgesehen ist, die - in
Abstrahlrichtung der hochfrequenten Messsignale gesehen - vor der ersten Prozesstrennung (10) angeordnet ist, wobei die zweite Prozesstrennung (13) aus einem geschlossen porigen dielektrischen Material gefertigt ist oder wobei die zweite Prozesstrennung (12) aus einem offenporigen Kern und einer den offenporigen Kern umgebenden, geschlossen porigen oder im Wesentlichen porenfreien Schutzschicht (15) besteht,
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 -4,
wobei eine zweite Prozesstrennung (13) vorgesehen ist, die - in
Abstrahlrichtung der hochfrequenten Messsignale gesehen - vor der ersten Prozesstrennung (10) angeordnet ist, wobei die zweite Prozesstrennung (13) komplett aus einem offenporigen dielektrischen Material gefertigt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
wobei die Porosität des dielektrischen Materials der zweiten Prozesstrennung (13) so bemessen ist, dass das dielektrische Material eine vorgegebene Dielektrizitätskonstante aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
wobei die Dicke jeder der beiden Schutzschichten (12, 15) vorzugsweise K/2 beträgt, wobei λ die Wellenlänge der hochfrequenten Messsignale oder die Mittenwellenlänge eines Pulses aus hochfrequenten Messsignalen ist.
9. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 -8,
wobei es sich bei dem dielektrischen Material um einen
temperaturbeständigen Kunststoff oder um eine Keramik handelt.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem dielektrischen Material um Aluminiumoxid handelt.
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