WO2023099268A1 - Radarfüllstandmessgerät - Google Patents

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WO2023099268A1
WO2023099268A1 PCT/EP2022/082658 EP2022082658W WO2023099268A1 WO 2023099268 A1 WO2023099268 A1 WO 2023099268A1 EP 2022082658 W EP2022082658 W EP 2022082658W WO 2023099268 A1 WO2023099268 A1 WO 2023099268A1
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WO
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antenna
measuring device
radar signals
separating element
waveguide segment
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Application number
PCT/EP2022/082658
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English (en)
French (fr)
Inventor
Eric Bergmann
Qi Chen
Klaus Feisst
Original Assignee
Endress+Hauser SE+Co. KG
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Publication date
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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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    • 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
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/04—Fixed joints
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/08—Dielectric windows
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/225—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles used in level-measurement devices, e.g. for level gauge measurement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns

Definitions

  • the invention relates to a level gauge.
  • Appropriate field devices are used in process automation technology to record relevant process parameters.
  • suitable measuring principles are implemented in the respective field device type in order to record a fill level, flow rate, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity as process parameters.
  • a wide variety of field device types are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
  • Non-contact measuring methods have become established for level measurement of filling goods in containers, as they are robust and low-maintenance. Another advantage of non-contact measuring methods is the ability to measure the level almost continuously. In the field of continuous level measurement, radar-based measurement methods are therefore predominantly used (in the context of this patent application, the term “radar” refers to signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz). The pulse propagation time method and FMCW (“Frequency Modulated Continuous Wave”) have established themselves as measuring methods. Radar-based level measurement is described in more detail, for example, in “Radar Level Detection, Peter Devine, 2000".
  • the antenna of radar-based fill level measuring devices must be attached with direct contact to the inside of the container, since there must not be a barrier impermeable to radar signals between the antenna of the fill level measuring device and the filling.
  • a spatial separation between the active, ie power-supplied, transmitter/receiver unit for processing the radar signals and the passive antenna is often required.
  • high temperatures, high pressure or dangerous gases prevail inside the container, depending on the application. Therefore, the transmit/receive unit will according to the design at least dust-tight or even completely fluid-tight encapsulated by the exposed antenna.
  • the permissible voltages within the transmitter/receiver unit are also limited to a maximum value, in particular to prevent flashovers that could lead to ignition.
  • radar-based level gauges also require galvanic isolation of the transmitter/receiver unit from the antenna. This prevents corresponding voltage limit values from being exceeded if high voltages are suddenly present from the outside. Since the transmitter/receiver unit is designed as a monolithically integrated half-litre component, particularly at frequencies above 60 GHz, and is accordingly connected directly to the antenna via a waveguide segment, a galvanically isolating sleeve can be used between the antenna and the waveguide segment . Overall, however, it is clear that the design effort increases due to the increasing number of requirements.
  • the invention is therefore based on the object of providing a reliable filling level measuring device with a structurally reduced complexity.
  • the invention solves this problem with a fill level measuring device for determining a fill level of a filling material in a container, which comprises the following components:
  • An antenna for emitting radar signals towards the filling material and/or for receiving corresponding received signals after reflection on the filling material surface
  • the fill level measuring device is characterized by a separating element which, on the one hand, electrically separates the waveguide segment from the antenna and, on the other hand, seals the waveguide segment from the antenna in a dust-tight manner (e.g. in accordance with guideline EN 60079-11).
  • the separating element is designed in such a way that it is permeable to the radar signals despite the dust seal. In the case of guideline EN 60079 - 11, it is necessary for the separating element to have a wall thickness of at least 0.5 mm.
  • the advantage of the fill level measuring device according to the invention is that the separating element, in addition to the galvanic isolation, also provides protection against dust-related explosion. As a result, the structural complexity of the fill level measuring device can be reduced, since an additional glass separation can be dispensed with.
  • fill level measuring devices whose transmission/reception unit generates the radar signals with a frequency of 60 GHz or more or processes corresponding reception signals benefit from the design according to the invention. Because of the correspondingly small waveguide cross-section, a galvanic isolation or dust seal must generally be designed more delicately with increasing frequency.
  • the term “unit” is understood in principle to mean a separate arrangement or encapsulation of those electronic circuits that are provided for a specific application, for example for high-frequency signal processing or as an interface.
  • the corresponding module can therefore include corresponding analog circuits for generating or processing corresponding analog signals.
  • the module can also include digital circuits such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with appropriate programs.
  • the program is designed to carry out the necessary procedural steps or to apply the necessary arithmetic operations.
  • different electronic circuits of the module within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit. It is not relevant whether different electronic circuits within the unit on one common printed circuit board or are arranged on several connected printed circuit boards.
  • the material of the separating element is not strictly specified within the scope of the invention. If the separating element is generally made of a dielectric material such as glass, ceramic or plastic (in particular PTFE or PFA), it is ensured that the radar signals are not completely absorbed or reflected by the separating element. In particular, a reflection can be effectively suppressed if the separating element has a wall thickness that corresponds to a whole multiple of half the wavelength of the radar signals.
  • the dust-tight delimitation of the waveguide segment by the separating element can also be ensured in that the transmitter/receiver unit is fastened in the housing, for example via a spring, in such a way that the waveguide segment is pressed against the separating element with a defined force. element is pressed. It is also advantageous within the scope of the invention if the housing in which the transmitter/receiver unit is arranged is arranged electrically isolated from the transmitter/receiver unit, since the housing may have to be electrically connected to the antenna.
  • Fig. 1 A radar-based level gauge on a container
  • FIG. 1 shows a container 3 with a filling material 2 whose filling level L is to be determined.
  • the container 3 can be up to more than 100 m high.
  • the conditions in the container 3 also depend on the type of filling material 2 and the area of application. In the case of exothermic reactions, for example, high temperatures and pressures can occur. For dusty or flammable substances, the corresponding explosion protection conditions must be observed inside the container.
  • the fill level measuring device 1 is fitted above the filling material 2 at a known installation height h above the brine of the container 3 .
  • the fill level measuring device 1 is attached or aligned to a corresponding opening of the container 3 so that it is pressure and media-tight in such a way that an antenna 11 of the fill level measuring device 1 is directed vertically downwards towards the filling material 2 into the container 3 .
  • Radar signals SHF are emitted in the direction of the surface of the filling material 2 via the antenna 11 .
  • the level measuring device 1 After reflection on the surface of the filling material, the level measuring device 1 again receives the reflected radar signals RHF via the antenna 11 .
  • the signal propagation time t can be determined by the fill level measuring device 1, for example using the FMCW method or using the pulse propagation time method.
  • the fill-level measuring device 1 can assign the measured transit time t to the respective distance d, for example on the basis of a corresponding calibration.
  • the fill level measuring device 1 has a separate interface unit, such as "4-20 mA”, “PROFIBUS”, “HART”, or "Ethernet” with a higher-level unit 4, such. B. connected to a local process control system or a decentralized server system.
  • the measured filling level value L can be transmitted via this, for example in order to control inflows or outflows of the container 3 .
  • other information about the general operating status of the fill-level measuring device 1 can also be communicated.
  • the separate accommodation of the interfaces as a separate module has the advantage that it can also be used in other modular field device types in addition to level measuring devices.
  • the antenna 11 within the level measuring device 1 is controlled in terms of high frequency by a transmitter/receiver unit 12, in which, for example, the FMCW or pulse transit time measuring principle is used to determine the signal propagation time t based on the incoming receive signal RHF is implemented.
  • the transmission/reception unit 12 is used to generate the radar signal SHF to be transmitted.
  • the transmitter/receiver unit 11 in the embodiment variant shown is arranged within a device housing 14, for example as a monolithically encapsulated SMD component on a side of a printed circuit board facing the antenna 11.
  • the printed circuit board, together with the transmitter/receiver unit 12, is enclosed within the housing 14 by an encapsulation 15 which is made, for example, from a plastic such as PC, PE, PP or PA.
  • encapsulation 15 which is made, for example, from a plastic such as PC, PE, PP or PA.
  • the transmission/reception unit 12 includes a straight waveguide segment 121, which extends orthogonally from the transmission/reception unit 12 in relation to the printed circuit board.
  • the waveguide segment 121 or the printed circuit board is fastened in the encapsulation 15 in such a way that the waveguide segment 121 is routed to the outside through a passage 141 in the housing 14, where the antenna 11 forms a galvanic contact on the housing 14 is attached. Included it is not relevant from a safety point of view whether a galvanic contact is formed between the antenna 11 and the housing 14 .
  • the antenna 11 is fastened to the housing 14 at the level of a galvanic isolating element 13 by means of a screw thread, which is aligned along the axis of the waveguide segment 121.
  • a radially symmetrical step is formed below the separating element 13 at the interface between the antenna 11 and the housing, which serves as an end stop for the screw thread and thereby prevents any creepage distance via the antenna 11 into the interior of the housing 14 for explosion protection purposes prevents.
  • the galvanic isolation 13 is designed in such a way that the waveguide segment 121 and the antenna 11 are electrically insulated from one another when the level gauge 1 is in the installed state, with the waveguide segment 121 and the antenna 11 being connected to the galvanic isolation 13 from the other side without a gap adjoin.
  • the galvanic isolation 13 is made of an electrically insulating material such as a plastic, a glass or a ceramic.
  • the encapsulation 15 is pressed against the galvanic isolation 13 with a defined force so that the waveguide segment 121 borders the galvanic isolation element 13 without a gap for optimal HF transmission.
  • a spring element 16 is clamped inside the housing 14 on that outside of the encapsulation 15 which faces away from the waveguide segment 121 .
  • the interior of the housing 14 serves as a guide for the encapsulation 15 or the waveguide segment 121.
  • the galvanic isolating element 13 does not include a feedthrough between the waveguide segment 121 and the antenna 11 . Rather, the separating element 13 is designed in such a way that the waveguide segment 121 is dust-tight in relation to the antenna 11 is completed. A wall thickness of the separating element 13 of at least 0.5 mm is required so that the corresponding EN directive regarding dust tightness is observed. In order to still be able to determine the fill level L, the separating element 13 is made of a material that is transparent to the radar signals SHF, RHF.
  • the galvanic isolating element 13 reduces the design complexity of the fill level measuring device 1 since an additional glass separation can be dispensed with.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät (1) zur Bestimmung von Füllständen (L) in Behältern (3), das folgender Komponenten aufweist: Eine Antenne (11) zum Aussenden von Radar-Signalen (SHF) gen Füllgut (2) und/oder zum Empfang entsprechender Empfangs-Signale (RHF) nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche; Und eine Sende-/Empfangs-Einheit (12), die ausgelegt ist, die Radar-Signale (SHF) zu erzeugen und anhand der Empfangs-Signale (RHF) den Füllstand (L) zu bestimmen, mit einem Hohlleitersegment (121), das derart angeordnet ist, so dass die Radar-Signale (SHF, RHF) zur bzw. von der Antenne (11) übertragbar sind. Dabei zeichnet sich das Füllstandsmessgerät (1) erfindungsgemäß durch ein Trenn-Element (13) aus, welches das Hohlleiter-Segment (121) galvanisch von der Antenne (11) trennt und das Hohlleiter-Segment (121) gen Antenne (11) zusätzlich staubdicht abschließt, ohne dass die Radar-Signale (SHF, RHF) absorbiert werden. Vorteilhaft ist hieran, dass das Trenn-Element (13) neben der galvanischen Trennung zusätzlich Fluid-abdichtend wirkt. Hierdurch wird der Aufbau des Füllstandsmessgerätes (1) vereinfacht, da auf eine zusätzliche Glasabdichtung verzichtet werden kann.

Description

RADARFULLSTANDMESSGERAT
Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der jeweiligen Prozessparameter sind im jeweiligen Feldgeräte-Typ daher geeignete Messprinzipien implementiert, um als Prozessparameter etwa einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, eine Temperatur, einen pH-Wert, ein Redoxpotential oder eine Leitfähigkeit zu erfassen. Verschiedenste Feldgeräte-Typen werden von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Als Messverfahren haben sich das Pulslaufzeit-Verfahren und FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) etabliert. Näher beschrieben wird Radar-basierte Füllstandsmessung beispielsweise in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000“.
Prinzip-bedingt ist die Antenne von Radar-basierten Füllstandsmessgeräten mit direktem Kontakt zum Behälter-Inneren anzubringen, da zwischen der Antenne des Füllstandsmessgerätes und dem Füllgut keine für Radar-Signale undurchlässige Barriere im Wege stehen darf. Vor allem zu Explosionsschutz- Zwecken wird jedoch oftmals eine räumliche Trennung zwischen den aktiven, also mit Strom versorgten Sende-/Empfangs-Einheit Einheit zur Verarbeitung der Radar-Signale, und der passiven Antenne gefordert. Außerdem herrschen im Inneren des Behälters je nach Anwendung hohe Temperaturen, hoher Druck oder gefährliche Gase vor. Daher wird die Sende-/Empfangs-Einheit je nach Auslegung zumindest staubdicht oder sogar komplett fluiddicht von der freiliegenden Antenne gekapselt.
Aus Gründen des Explosionsschutzes sind außerdem die zulässigen Spannungen innerhalb der Sende-Empfangs-Einheit auf einen maximalen Wert beschränkt, um insbesondere Überschläge, die zu einer Zündung führen könnten, zu verhindern. Neben staubdichter Kapselung ist bei Radar-basierten Füllstandsmessgeräten daher des Weiteren eine galvanische Trennung der Sende-Empfangs-Einheit zur Antenne erforderlich. Hierdurch wird verhindert, dass entsprechende Spannungsgrenzwerte überschritten werden, wenn von außen unvermittelt hohe Spannungen anliegen sollten. Da insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 60 GHz die Sende-/Empfangs-Einheit als monolithisch integriertes Halbliterbauelement ausgelegt ist und dementsprechend unmittelbar über ein Hohlleiter-Segment mit der Antenne verbunden wird, kann eine galvanisch trennende Hülse zwischen die Antenne und das Hohlleiter-Segment eingesetzt werden. Insgesamt wird jedoch deutlich, dass der konstruktive Aufwand durch die steigende Anzahl an Anforderungen steigt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein sicheres Füllstandsmessgerät mit konstruktiv verringerter Komplexität bereitzustellen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Füllstandsmessgerät zur Bestimmung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter, das folgende Komponenten umfasst:
- Eine Antenne zum Aussenden von Radar-Signalen gen Füllgut und/oder zum Empfang entsprechender Empfangs-Signale nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche, und
- Eine Sende-ZEmpfangs-Einheit, die ausgelegt ist, die Radar-Signale zu erzeugen und anhand der Empfangs-Signale den Füllstand zu bestimmen, mit o einem Hohlleiter-Segment, das derart angeordnet ist, so dass die Radar-Signale zur bzw. von der Antenne übertragbar sind. Das Füllstandsmessgerät zeichnet sich erfindungsgemäß durch em Trenn- Element aus, welches das Hohlleiter-Segment einerseits galvanisch von der Antenne trennt und andererseits das Hohlleiter-Segment gen Antenne (bspw. entsprechend der Richtlinie EN 60079 - 11 ) staubdicht abschließt. Dabei ist Trenn-Element so ausgelegt, dass es trotz Staub-Abdichtung durchlässig für die Radar-Signale ist. Im Falle der Richtlinie EN 60079 - 11 ist es erforderlich, dass das Trenn-Element eine Wandstärke von mindestens 0,5 mm aufweist.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät ist, dass das Trenn-Element neben der galvanischen Trennung zusätzlich Schutz vor Staub-bedingter Explosion bewirkt. Hierdurch kann die konstruktive Komplexität des Füllstandsmessgerätes verringert werden, da auf eine zusätzliche Glas-Trennung verzichtet werden kann. Vor allem Füllstandsmessgeräte, deren Sende-/Empfangs-Einheit die Radar-Signale mit einer Frequenz von 60 GHz oder mehr erzeugt bzw. entsprechende Empfangs-Signale verarbeitet, profitieren von der erfindungsgemäßen Auslegung. Denn aufgrund des entsprechend kleinen Hohlleiter-Querschnittes muss eine galvanische Trennung bzw. Staubdichtung mit zunehmender Frequenz allgemein filigraner ausgestaltet sein.
Unter dem Begriff „Einheit wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell eine separate Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen verstanden, die für einen konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Hochfrequenz- Signalverarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Das entsprechende Modul kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale umfassen. Das Modul kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGA’s, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Schaltungen des Moduls im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Dabei ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb der Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.
Das Material des Trenn-Elementes ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben. Sofern das Trenn-Element allgemein aus einem dielektrischen Material wie Glas, Keramik oder Kunststoff (insbesondere PTFE oder PFA) gefertigt wird, ist sichergestellt, dass die Radar-Signale durch das Trenn-Element nicht komplett absorbiert bzw. reflektiert werden. Insbesondere eine Reflektion kann effektiv unterdrückt werden, wenn das Trenn-Element eine Wandstärke aufweist, die einem Ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge der Radar-Signale entspricht. Die staubdichte Abgrenzung des Hohlleiter-Segmentes durch das Trenn-Element kann außerdem dadurch sichergestellt werden, dass die Sende-/Empfangs-Einheit beispielsweise über eine Feder derart im Gehäuse befestigt ist, so dass das Hohlleiter-Segment mit einer definierten Kraft gegen das Trenn-Element gepresst wird. Außerdem ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, wenn das Gehäuse, in welchem die Sende-/Empfangs-Einheit angeordnet ist, galvanisch von der Sende- /Empfangs-Einheit getrennt angeordnet ist, da das Gehäuse gegebenenfalls galvanisch mit der Antenne verbunden sein muss.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät an einem Behälter, und
Fig. 2: eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes.
Zum prinzipiellen Verständnis des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 ist in Fig. 1 ein Behälter 3 mit einem Füllgut 2 gezeigt, dessen Füllstand L zu bestimmen ist. Dabei kann der Behälter 3 je nach Art des Füllgutes 2 und je nach Einsatzgebiet bis zu mehr als 100 m hoch sein. Von der Art des Füllgutes 2 und dem Einsatzgebiet hängen auch die Bedingungen im Behälter 3 ab. So kann es im Falle von exothermen Reaktionen beispielsweise zu hoher Temperatur- und Druckbelastung kommen. Bei staubhaltigen oder entzündlichen Stoffen sind im Behälter-Inneren entsprechende Explosionsschutzbedingungen einzuhalten.
Um den Füllstand L unabhängig von den vorherrschenden Bedingungen ermitteln zu können, ist das Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in einer bekannten Einbauhöhe h über der Sole des Behälter 3 angebracht. Dabei ist das Füllstandsmessgerät 1 derart Druck- und Mediendicht an einer entsprechenden Öffnung des Behälters 3 befestigt bzw. ausgerichtet, dass in den Behälter 3 hinein eine Antenne 11 des Füllstandsmessgerätes 1 vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist.
Über die Antenne 11 werden Radar-Signale SHF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 ausgesendet. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Radar-Signale RHF wiederum über die Antenne 11 . Dabei ist die Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals SHF, RHF gemäß
Figure imgf000007_0001
proportional zum Abstand d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und dem Füllgut 2, wobei c die Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit entsprechend Lichtgeschwindigkeit ist. Die Signallaufzeit t kann vom Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise mittels des FMCW- oder mittels des Pulslaufzeit-Verfahrens bestimmt werden. Hierdurch kann das Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise auf Basis einer entsprechenden Kalibration die gemessene Laufzeit t dem jeweiligen Abstand d zuordnen. Hierüber kann das Füllstandsmessgerät 1 gemäß d = h — L wiederum den Füllstand L bestimmen, sofern die Einbauhöhe h im Füllstandsmessgerät 1 hinterlegt wird. In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine separate Schnittstellen- Einheit, wie etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden. Hierüber kann der gemessene Füllstandswert L übermittelt werden, beispielsweise um Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Die separate Unterbringung der Schnittstellen als separates Modul besitzt den Vorteil, dass es neben Füllstandsmessgeräten auch in anderen, modular aufgebauten Feldgeräte-Typen eingesetzt werden kann.
Wie in Fig. 2 skizziert ist, wird die Antenne 11 innerhalb des Füllstandsmessgerätes 1 hochfrequenztechnisch von einer Sende-/Empfangs- Einheit 12 angesteuert, in welcher zur Bestimmung der Signallaufzeit t anhand des eingehenden Empfangs-Signals RHF beispielsweise das FMCW- oder Pulslaufzeit-Messprinzip implementiert ist. Außerdem dient die Sende- /Empfangs-Einheit 12 zur Erzeugung des auszusendenden Radar-Signals SHF. Hierzu ist die Sende-/Empfangs-Einheit 11 in der gezeigten Ausführungsvariante innerhalb eines Geräte-Gehäuses 14 bspw. als monolithisch gekapseltes SMD-Bauteil auf einer der Antenne 11 zugewandten Seite einer Leiterplatte angeordnet.
Umschlossen wird die Leiterplatte mitsamt der Sende-/Empfangs-Einheit 12 innerhalb des Gehäuses 14 durch eine Kapselung 15, die beispielsweise aus einem Kunststoff, wie PC, PE, PP oder PA gefertigt ist. Dies ermöglicht es, die Leiterplatte mitsamt der Sende-/Empfangs-Einheit 12 zu Explosionsschutzzwecken zusätzlich mittels einer Vergussmasse zu kapseln (nicht explizit in Fig. 2 dargestellt). Als hochfrequenztechnische Ankopplung an die Hornantenne der Antenne 11 umfasst die Sende-/Empfangs-Einheit 12 ein geradliniges Hohlleiter-Segment 121 , welches von der Sende-/Empfangs- Einheit 12 in Bezug zur Leiterplatte orthogonal ausgeht. Dabei ist das Hohlleiter-Segment 121 bzw. die Leiterplatte derart in der Kapselung 15 befestigt, so dass das Hohlleiter-Segment 121 durch eine Durchführung 141 im Gehäuse 14 hindurch nach außen geführt wird, wo die Antenne 11 unter Ausbildung eines galvanischen Kontaktes am Gehäuse 14 befestigt ist. Dabei ist es sicherheitstechnisch nicht relevant, ob zwischen der Antenne 11 und dem Gehäuse 14 ein galvanischer Kontakt ausgebildet ist.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante ist die Antenne 11 auf Höhe eines galvanischen Trenn-Elementes 13 mittels eines Schraub-Gewindes am Gehäuse 14 befestigt, welches entlang der Achse des Hohlleiter-Segmentes 121 ausgerichtet ist. Unterhalb des Trenn-Elementes 13 ist an der Grenzfläche zwischen der Antenne 11 und dem Gehäuse eine radialsymmetrische Stufe ausgebildet, welche als Endanschlag für das Schraub-Gewinde dient und hierdurch zu Explosionsschutz-Zwecken einen etwaigen Kriechweg über die Antenne 11 in das Innere des Gehäuses 14 unterbindet.
Die galvanische Trennung 13 ist so konzipiert, dass das Hohlleiter-Segment 121 und die Antenne 11 im montierten Zustand des Füllstandsmessgerätes 1 elektrisch voneinander isoliert sind, wobei das Hohlleiter-Segment 121 und die Antenne 11 von der jeweils anderen Seite spaltfrei an die galvanische Trennung 13 angrenzen. Hierzu ist die galvanische Trennung 13 aus einem elektrisch isolierenden Material wie einem Kunststoff, einem Glas oder einer Keramik gefertigt. Somit kann eine etwaige Überspannung an der Sende- /Empfangs-Einheit 12 nicht in das Innere des Behälters 3 übertragen werden, wodurch entsprechender Explosionsschutz gewährleistet wird.
Damit das Hohlleiter-Segment 121 zu einer optimalen HF-Übertragung spaltfrei an das galvanische Trenn-Element 13 grenzt, wird die Kapselung 15 mit einer definierten Kraft gegen die galvanische Trennung 13 gepresst.
Hierzu ist ein Feder-Element 16 im Inneren des Gehäuses 14 auf derjenigen Außenseite der Kapselung 15, die dem Hohlleiter-Segment 121 abgewandt ist, eingespannt. Dabei dient das Innere des Gehäuses 14 als Führung für die Kapselung 15 bzw. das Hohlleiter-Segment 121.
Wie aus Fig. 2 deutlich wird, umfasst das galvanische Trenn-Element 13 erfindungsgemäß keine Durchführung zwischen dem Hohlleiter-Segment 121 und der Antenne 11 . Vielmehr ist das T renn-Element 13 so ausgelegt, dass das Hohlleiter-Segment 121 staubdicht gegenüber der Antenne 11 abgeschlossen wird. Damit die entsprechende EN-Richthnie bezüglich Staubdichtigkeit eingehalten wird, ist eine Wandstärke des Trenn-Elementes 13 von mindestens 0, 5 mm erforderlich. Um dennoch den Füllstand L bestimmen zu können, ist das Trenn-Element 13 aus einem Material gefertigt, welches für die Radar-Signale SHF, RHF transparent ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn als Kunststoff-Material für das Trenn- Element 13 PTFE oder PFA verwendet wird, und wenn die Wandstärke des Trenn-Elementes 13 mit einem Ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge der Radar-Signale SHF, RHF bemaßt ist, so dass durch negative Interferenz etwaige Reflexionen der Radar-Signale SHF, RHF am Trenn-Element 13 vermieden werden. Damit eine hinreichende Fluiddichtigkeit gewährt wird, ist es im Falle von PTFE oder PFA vorteilhaft, wenn das Trenn-Element 13 eine Wandstärke von mehr als 0,5 mm aufweist. Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Auslegung des galvanischen Trenn-Elementes ist, dass hierdurch neben der galvanischen Trennung zusätzlich Schutz vor Staubbedingter Explosion erreicht wird. Insgesamt wird durch das galvanische trenn-Element 13 der konstruktive Aufwand des Füllstandsmessgerätes 1 verringert, da auf eine zusätzliche Glas-Trennung verzichtet werden kann.
Bezugszeichenhste
1 Füllstandsmessgerät
2 Füllgut
3 Behälter
4 Übergeordnete Einheit
11 Antenne
12 Sende-/Empfangs-Einheit
13 Trenn-Element
14 Gehäuse
15 Kapselung
16 Feder-Element
121 Hohlleiter-Segment
141 Durchführung d Entfernung h Einbauhöhe
L Füllstand
RHF Reflektiertes Radar-Signal SHF Radar-Signal

Claims

Patentansprüche
1. Füllstandsmessgerät zur Bestimmung eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3), folgende Komponenten umfassend:
- Eine Antenne (11 ) zum Aussenden von Radar-Signalen (SHF) gen Füllgut (2) und/oder zum Empfang entsprechender Empfangs-Signale (RHF) nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche,
- Eine Sende-ZEmpfangs-Einheit (12), die ausgelegt ist, die Radar- Signale (SHF) ZU erzeugen und anhand der Empfangs-Signale (RHF) den Füllstand (L) zu bestimmen, mit o einem Hohlleiter-Segment (121 ), das derart angeordnet ist, so dass die Radar-Signale (SHF, RHF) zur bzw. von der Antenne (11 ) übertragbar sind, und
- ein Trenn-Element (13), welches o das Hohlleiter-Segment (121 ) galvanisch von der Antenne (11 ) trennt, o das Hohlleiter-Segment (121 ) gen Antenne (11 ) staubdicht abschließt, und o durchlässig für die Radar-Signale (SHF, RHF) ist.
2. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1 , umfassend:
- ein Gehäuse (14), in welchem die Sende-ZEmpfangs-Einheit (12) galvanisch getrennt angeordnet ist.
3. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 2, wobei das Gehäuse (14) galvanisch mit der Antenne (11 ) verbunden ist.
4. Füllstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Sende- ZEmpfangs-Einheit (12) derart im Gehäuse (14) befestigt ist, so dass das Hohlleiter-Segment (121 ) mit einer definierten Kraft gegen das Trenn-Element (13) gepresst wird.
5. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trenn-Element (13) eine Wandstärke aufweist, die einem Ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge der Radar-Signale (SHF, RHF) entspricht.
6. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trenn-Element (13) aus einem dielektrischen Material, insbesondere einem Glas, einer Keramik oder einem Kunststoff gefertigt ist.
7. Füllstandsmessgerät nach Anspruch 6, wobei das Trenn-Element (13) eine
Wandstärke von mindestens 0,5 mm aufweist.
8. Füllstandsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sende-/Empfangs-Einheit (12) ausgelegt ist, die Radar-Signale (SHF) mit einer Frequenz von zumindest 60 GHz zu erzeugen bzw. entsprechende Empfangs-Signale ( HF) ZU verarbeiten.
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