WO2024256073A1 - Füllstandradargerät und flüssiggas-tank - Google Patents

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WO2024256073A1
WO2024256073A1 PCT/EP2024/061204 EP2024061204W WO2024256073A1 WO 2024256073 A1 WO2024256073 A1 WO 2024256073A1 EP 2024061204 W EP2024061204 W EP 2024061204W WO 2024256073 A1 WO2024256073 A1 WO 2024256073A1
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waveguide
radar device
level radar
liquid gas
level
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Roland Baur
Andreas BREGGER
Robin Müller
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Vega Grieshaber KG
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Vega Grieshaber 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
    • 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
    • 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

  • Level measuring devices can be used to get an overview of the current tank contents.
  • pressure measuring devices that are installed in the tank and measure the pressure at the bottom of the container, which can then be converted into a level.
  • a first aspect of the present disclosure relates to a level radar device that is designed for process automation in an industrial or private environment.
  • process automation in an industrial environment also includes level measurement during the transport of liquid gas tanks.
  • the level measuring device has a flexible, windable waveguide which is connected to an electronic circuit or a measuring device housing of the level radar device via a first interface located at a first end of the waveguide.
  • the electronic circuit of the level radar device is typically located outside the liquid gas tank or the process vessel in which the filling material is located.
  • the first interface has temperature insulation.
  • Flexible, windable waveguides can be provided on a roll in sufficient length during installation or construction of the vessel, making it easy to equip the vessel.
  • process automation in an industrial environment can be understood as a branch of technology that includes measures for operating machines and systems without human involvement.
  • One goal of process automation is to automate the interaction of individual components of a plant in the chemical, food, pharmaceutical, petroleum, paper, cement, shipping or mining sectors.
  • sensors can be used for this purpose, which are particularly adapted to the specific requirements of the process industry, such as mechanical stability, insensitivity to contamination, extreme temperatures and extreme pressures. Measured values from these sensors are usually transmitted to a control room, in which process parameters such as fill level, limit level, flow, pressure or density are monitored and settings for the entire plant can be changed manually or automatically.
  • a sub-area of process automation in the industrial environment concerns the logistics automation of systems and the logistics automation of supply chains.
  • processes inside or outside a building or within a single logistics facility are automated in the field of logistics automation.
  • Typical applications include logistics automation systems in the area of baggage and freight handling at airports, in the area of traffic monitoring (toll systems), in retail, in parcel distribution or in the area of building security (access control).
  • presence detection in combination with precise measurement of the size and position of an object is required by the respective application.
  • Sensors based on optical measuring methods using lasers, LEDs, 2D cameras or 3D cameras that measure distances according to the time of flight (ToF) principle can be used for this.
  • factory-to-production automation Another area of process automation in the industrial environment is factory-to-production automation. Applications for this can be found in a wide variety of industries such as automobile manufacturing, food production, the pharmaceutical industry or in the packaging sector in general.
  • the aim of factory automation is to automate the production of goods using machines, production lines and/or robots, i.e. to allow it to run without human involvement.
  • the sensors used and the specific requirements with regard to measurement accuracy when recording the position and size of an object are comparable to those in the previous example of logistics automation.
  • the phrase "at least one of A, B and C" is to be understood as one or more elements from a group of elements consisting of A, B and C, and not to be interpreted as requiring at least one of each of the listed elements A, B and C, whether A, B and C are related as categories or in some other way.
  • the mention of "A, B and/or C" or "at least one of A, B or C” should be construed to include any single entity of the listed elements, e.g. A, any subset of the listed elements, e.g. A and B, or the entire list of elements A, B and C.
  • the waveguide is designed as a (flexible) standpipe with an opening at the lower end for the entry of liquid gas and with one or more vent holes for pressure equalization.
  • the level radar device comprises an antenna connected to the waveguide via a second interface at a second end of the waveguide opposite the first end.
  • the waveguide is made of temperature-insulating material or comprises such a temperature-insulating material.
  • suitable plastics are used here. These should be flexible and have low attenuation at the frequency used.
  • the waveguide has an inner diameter of less than 6.5 mm.
  • the diameter depends on the frequency used. If the diameter is too small, the attenuation values are too high. If it is too large, higher order modes are formed that interfere with the signal and thus limit the accuracy of the measurement.
  • An inner diameter of 6.5 mm is suitable for an operating frequency of 80 GHz.
  • the waveguide is designed as a hollow guide.
  • a further aspect of the present disclosure relates to the use of a flexible, windable waveguide for determining the fill level in the liquid gas tank.
  • the waveguide can be connected to an electronic circuit of a fill level radar device via a first interface at a first end of the waveguide and is intended for at least partial installation in the wall of the liquid gas tank.
  • the electronic circuit of the fill level radar device can thus be connected to it outside the liquid gas tank.
  • a further aspect of the present disclosure relates to a liquid gas tank comprising a flexible, windable waveguide which can be connected to an electronic circuit of a level radar device via a first interface at a first end of the waveguide and is located at least partially in the wall of a liquid gas tank, so that the electronic circuit of the level radar device can be connected thereto outside the liquid gas tank.
  • Fig. 1 shows a cross-sectional view of a LPG tank with a
  • Level radar device according to an embodiment of the present disclosure.
  • Fig. 2 shows a cross-sectional view of a LPG tank with a
  • Level radar device according to another embodiment of the present disclosure.
  • Fig. 3 shows a cross-sectional view of a LPG tank with a level radar device according to another embodiment of the present disclosure.
  • Fig. 1 shows a cross-sectional view of a liquid gas tank 105 with a level radar device 100 installed in it.
  • a level radar device 100 When measuring the level in containers, especially gas tanks, it has proven to be very complex and expensive to install standpipes for level measurement. These must be lined up next to one another and the connection points must not have any mechanical elevations, as these can cause reflections.
  • liquefied natural gas is stored in highly insulated tanks.
  • a standpipe that runs a short distance through the insulation weakens the insulation.
  • the liquefied natural gas is transported at a low overpressure (membrane tank, for example, maximum 230 mbar) and a temperature of -164°C to -161°C.
  • Liquid hydrogen is transported at -253°C. Good insulation is very important because a reliquefaction plant is not provided for when transporting on ships, as this cannot be operated economically.
  • a level radar device 100 whose electronic circuit 106 is arranged outside the liquid gas tank 105.
  • An antenna 103 is arranged inside the liquid gas tank 105 and can be attached to the inner wall of the container 105.
  • a flexible, windable waveguide 101 is provided between the antenna 103 and the electronic circuit 106, which has a first interface 102 at an upper end of the waveguide 101, to which the electronic circuit 106 of the level radar device 100 is connected.
  • the flexible, windable waveguide 101 can also be a rigid waveguide.
  • the electronic circuit 106 of the level radar device 100 can be removed.
  • the flexible, windable waveguide 101 and the antenna 103 are installed during the manufacturing process of the LPG tank 105. Once the tank has been brought onto the ship, the electronic circuit 106 of the level radar device 100 can then be connected.
  • the level radar device can have an operating frequency of 60 GHz or more and be designed for measurement in a temperature range of -150°C or below. In particular, so-called explosion protection can be provided to prevent the risk of fire or explosion.
  • the level radar device 100 of Fig. 1 measures without contact, so that the antenna 103 can be mounted in the inner container on its upper side and is thus at a distance from the surface of the liquid gas 107.
  • the radar antenna 103 is mounted on the inside of the insulated double-walled container 105.
  • the sensor electronics are mounted on the outside or through a maintenance hatch in the container.
  • the waveguide or hollow conductor 101 connects the two units 103, 106 to one another.
  • Appropriate interfaces 102, 104 are used for these connections. These interfaces 102, 104 meet the necessary requirements with regard to length compensation, angle adjustment and have very good high-frequency properties.
  • a deflection unit for example in the form of metallic radar mirrors, to deflect the radar signals towards the bottom of the container.
  • These mirrors can be attached to the antenna or to the container (not shown in the figures).
  • Fig. 2 shows a cross-sectional view of a liquid gas tank 105 with a level radar device 100 according to another embodiment of the present disclosure.
  • the waveguide 101 which can be designed as a hollow conductor, is also flexible and "off the roll" so that it can be installed on site.
  • the waveguide 101 In order not to thermally short-circuit the insulation of the liquid gas tank 105, it is possible to manufacture the waveguide 101 from a material that is as thermally insulating as possible.
  • the length of the waveguide 101 in the insulation layer of the tank can also be increased (as shown in Fig. 2) in order to increase the temperature resistance over the length of the waveguide within the insulation.
  • This flexible waveguide or hollow conductor can be used in the structure described above.
  • a waveguide has very high requirements for the surface inside the waveguide.
  • the required surface roughness in waveguides is not directly related to the wavelength, but rather to the depth of penetration of the field into the wall. This in turn depends on the specific resistance of the material used and on the frequency.
  • Fig. 3 shows a liquid gas tank 105 with a level radar device according to another embodiment of the present disclosure.
  • the level radar device has an electronic circuit 106 that is connected to a waveguide in the form of a standpipe.
  • the standpipe runs from the electronic circuit 106 initially horizontally through the container wall and then bends vertically downwards to the container bottom or until just before the container bottom. It is loosely attached to the container wall and threaded through, for example, appropriate suspensions or clamps. It is important that the attachment has sufficient play so that the standpipe can contract or expand depending on the temperature.
  • a "tube from a roll" can be used for the flexible, windable waveguide 101 in order to be attached on site with a corresponding interface to the electronic circuit 106 of the level radar device. The actual level measurement takes place in this tube.
  • one or more openings must be provided to enable pressure equalization. This pressure equalization can also be installed in the interface in order to avoid unwanted reflections elsewhere.
  • a standpipe is fed via a suitable antenna, which radiates the measurement signal into the standpipe.
  • the standpipe has a diameter of approximately 48 to 50 mm.
  • the pulse-shaped measurement signal is emitted directly from the electronics into the pipe.
  • pipe diameters of 20 mm are often used.
  • the inner diameter of the tube is approximately 6.5 mm, and correspondingly less for higher frequencies.
  • the number and size of the ventilation holes and the number and strength of the bends must be selected appropriately. There can only be a single ventilation hole at the very top of the tube (but still inside the container) if the tube is open at the bottom.

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Abstract

Füllstandradargerät, eingerichtet zur Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld, aufweisend einen flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiter, der über eine erste Schnittstelle an einem ersten Ende des Wellenleiters an eine Elektronikschaltung des Füllstandradargeräts angeschlossen ist.

Description

Füllstandradargerät und Flüssiggas-Tank
Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2023 205 428.0, eingereicht am 12. Juni 2023, die in vollem Umfang durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Füllstandmesstechnik. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung ein Füllstandradargerät, das zur Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld eingerichtet ist, die Verwendung eines flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiters zum Bestimmen des Füllstands in dem Flüssiggas-Tank und einen Flüssiggas-Tank mit einem solchen flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiter.
Hintergrund
Flüssiggas-Tanks müssen oft über weite Distanzen transportiert werden, beispielsweise auf dem Seeweg. Um sich einen Überblick über den aktuellen Tankinhalt verschaffen zu können, können Füllstandmessgeräte eingesetzt werden. Ein Beispiel hierfür sind Druckmessgeräte, die im Tank verbaut sind und den Druck am Behälterboden messen, der dann in einen Füllstand umgerechnet werden kann.
Da das Flüssiggas in den Tanks eine deutlich niedrigere Temperatur aufweist als die Umgebung, ist eine wirkungsvolle Isolierung des Tanks von Vorteil. Bei der Verwendung von Messgeräten im Tank sollte dieser Isolationsaspekt nicht vergessen werden, um Verluste möglichst gering zu halten. Zusammenfassung
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine alternative Füllstandbestimmung in Behältern und insbesondere in Flüssiggas-Tanks bereitzustellen, die eine einfache Installation und gute Wärmeisolierung des Tanks ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Füllstandradargerät, das zur Prozessautomatisierung im industriellen oder privaten Umfeld eingerichtet ist. Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ fällt auch die Füllstandmessung beim Transport von Flüssiggas-Tanks.
Das Füllstandmessgerät weist einen flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiter auf, der über eine erste Schnittstelle, die sich an einem ersten Ende des Wellenleiters befindet, an eine Elektronikschaltung beziehungsweise ein Messgerätegehäuse des Füllstandradargeräts angeschlossen ist.
Hierbei befindet sich die Elektronikschaltung des Füllstandradargeräts typischerweise außerhalb des Flüssiggas-Tanks beziehungsweise des Prozessbehälters, in dem sich das Füllgut befindet.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Schnittstelle eine Temperaturisolierung aufweist.
Flexible, aufwickelbare Wellenleiter können bei der Installation beziehungsweise dem Bau des Behälters in ausreichender Länge auf einer Rolle bereitgestellt werden, so dass es einfach ist, den Behälter auszurüsten.
Hierdurch werden die Kosten der ansonsten sehr teuren Füllstandmessungen in Behältern, insbesondere in Flüssiggas-Tanks, reduziert. Auch ist der Einbau teurer starrer Standrohre zur Füllstandmessung nicht mehr erforderlich. Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation von Anlagen und die Logistikautomation von Lieferketten. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb oder außerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-ZFertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.
Die in den Ansprüchen verwendeten Begriffe sollten so ausgelegt werden, dass sie die weitestmögliche vernünftige Interpretation in Übereinstimmung mit der vorstehenden Beschreibung erhalten. Zum Beispiel sollte die Verwendung des Artikels "ein" oder "der" bei der Einführung eines Elements nicht so ausgelegt werden, dass sie eine Vielzahl von Elementen ausschließt. Ebenso sollte die Erwähnung von "oder" so ausgelegt werden, dass sie eine Vielzahl von Elementen einschließt, so dass die Erwähnung von "A oder B" nicht "A und B" ausschließt, es sei denn, aus dem Kontext oder der vorangehenden Beschreibung geht klar hervor, dass nur eines von A und B gemeint ist. Ferner ist die Formulierung "mindestens eines von A, B und C" als eines oder mehrere Elemente aus einer Gruppe von Elementen zu verstehen, die aus A, B und C besteht, und nicht so auszulegen, dass mindestens eines von jedem der aufgeführten Elemente A, B und C erforderlich ist, unabhängig davon, ob A, B und C als Kategorien oder auf andere Weise miteinander verbunden sind. Darüber hinaus sollte die Erwähnung von "A, B und/oder C" oder "mindestens eines von A, B oder C" so ausgelegt werden, dass sie jede einzelne Einheit der aufgeführten Elemente, z. B. A, jede Teilmenge der aufgeführten Elemente, z. B. A und B, oder die gesamte Liste der Elemente A, B und C umfasst.
Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist der Wellenleiter als (flexibles) Standrohr mit einer Öffnung am unteren Ende für den Eintritt von Flüssiggas und mit einem oder mehreren Belüftungslöchern zum Druckausgleich ausgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist das Füllstandradargerät eine Antenne auf, die über eine zweite Schnittstelle an einem zweiten, dem ersten Ende entgegengesetzten Ende des Wellenleiters an den Wellenleiter angeschlossen ist.
Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Schnittstelle eine Temperaturisolierung aufweist. Auch kann im Bereich der zweiten Schnittstelle eine „second line of defense“ vorgesehen sein, welche zur Abdichtung des Tanks dient, wenn die Elektronikschaltung abgenommen wird. Beispielsweise wird ein Glasfenster mit einer von der Dielektrizitätszahl und einer von den einschlägigen Vorschriften zum Explosionsschutz abhängigen Stärke genau so dimensioniert, dass die Reflexionen am Glasfenster minimal sind. Das Glasfenster besteht aus einer Metallhülse, die in einem Schmelzprozess mit dem Glas gefüllt wird. Das Glasfenster wird so axial in den Hohlleiter eingesetzt und an der Metallhülse verschweißt, dass dieser dadurch druckdicht verschlossen wird. Dadurch wird verhindert, dass z.B. zündfähige Gase oder Flüssigkeiten durch den Wellenleiter in den Bereich der Elektronik vordringen können, sich dort entzünden und im schlimmsten Fall eine Explosion auslösen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung besteht der Wellenleiter aus temperaturisolierendem Material oder umfasst ein solches temperaturisolierendes Material.
Vorzugsweise werden hier entsprechend geeignete Kunststoffe verwendet. Diese sollten flexibel und bei der verwendeten Nutzfrequenz dämpfungsarm sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist der Wellenleiter einen Innendurchmesser von weniger als 6,5 mm auf.
Der Durchmesser ist abhängig von der verwendeten Nutzfrequenz. Wird der Durchmesser zu klein gewählt, dann weist er zu große Dämpfungswerte auf. Wird er zu groß gewählt, dann bilden sich Moden höherer Ordnung, die mit dem Nutzsignal interferieren und somit die Genauigkeit der Messung einschränken. Ein Innendurchmesser von 6,5 mm eignet sich für eine Betriebsfrequenz von 80GHz.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist der Wellenleiter als Hohlleiter ausgeführt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung eines flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiters zum Bestimmen des Füllstands in dem Flüssiggas-Tank. Der Wellenleiter ist über eine erste Schnittstelle an einem ersten Ende des Wellenleiters an eine Elektronikschaltung eines Füllstandradargeräts anschließbar und zur zumindest teilweisen Installation in der Wandung des Flüssiggas-Tanks vorgesehen. Die Elektronikschaltung des Füllstandradargeräts ist somit außerhalb des Flüssiggas-Tanks daran anschließbar. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Flüssiggas-Tank, aufweisend einen flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiter, der über eine erste Schnittstelle an einem ersten Ende des Wellenleiters an eine Elektronikschaltung eines Füllstandradargeräts anschließbar ist und sich zumindest teilweise in der Wandung eines Flüssiggas-Tanks befindet, so dass die Elektronikschaltung des Füllstandradargeräts außerhalb des Flüssiggas-Tanks daran anschließbar ist.
Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Flüssiggas-Tanks mit einem
Füllstandradargerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Flüssiggas-Tanks mit einem
Füllstandradargerät gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Flüssiggas-Tanks mit einem Füllstandradargerät gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Flüssiggas-Tanks 105 mit einem darin installierten Füllstandradargerät 100. Bei Füllstandmessungen in Behältern, insbesondere Gastanks, hat es sich als sehr aufwendig und kostentreibend erwiesen, Standrohre zur Füllstandmessung einzubauen. Diese müssen aneinandergereiht sein und die Verbindungsstellen dürfen keine mechanischen Erhebungen aufweisen, da sich an diesen Reflexionen ergeben können.
Bei Flüssiggas-Tanks wird verflüssigtes Erdgas in hochisolierte Tanks gelagert. Ein Standrohr auf kurzem Weg durch die Isolierung schwächt die Isolierung. Das verflüssigte Erdgas wird bei geringem Überdruck (Membrantank zum Beispiel maximal 230 mbar) und einer Temperatur von -164°C bis -161 °C transportiert. Flüssiger Wasserstoff hingegen wird bei -253°C transportiert. Eine gute Isolierung ist sehr wichtig, da bei einem Transport auf Schiffen eine Rückverflüssigungsanlage nicht vorgesehen ist, da diese nicht wirtschaftlich betrieben werden kann.
Somit bestehen durchaus hohe Anforderungen bei der Verwendung und Fertigung individueller Standrohre. Deren Anordnung muss sorgfältig geplant werden und kommt fertig konfiguriert vom Sensorhersteller. Dies ist aufwendig und kann, wie im Folgenden beschrieben, vereinfacht werden.
Es wird vorgeschlagen, ein Füllstandradargerät 100 einzusetzen, dessen Elektronikschaltung 106 außerhalb des Flüssiggas-Tanks 105 angeordnet ist. Im Inneren des Flüssiggas-Tanks 105 ist eine Antenne 103 angeordnet, die an der Innenwandung des Behälters 105 befestigt sein kann. Zwischen der Antenne 103 und der Elektronikschaltung 106 ist ein flexibler, aufwickelbarer Wellenleiter 101 vorgesehen, der eine erste Schnittstelle 102 an einem oberen Ende des Wellenleiters 101 aufweist, an welche die Elektronikschaltung 106 des Füllstandradargeräts 100 angeschlossen ist.
Am entgegengesetzten Ende des Wellenleiters 101 befindet sich eine zweite Schnittstelle 104, an welche die Antenne 103 angeschlossen ist.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass es sich bei dem flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiter 101 auch um einen starren Wellenleiter handeln kann.
Die Elektronikschaltung 106 des Füllstandradargeräts 100 kann abgenommen werden. Typischerweise werden der flexible, aufwickelbare Wellenleiter 101 und die Antenne 103 während des Fertigungsprozesses des Flüssiggas-Tanks 105 installiert. Wurde der Tank auf das Schiff verbracht, kann dann die Elektronikschaltung 106 des Füllstandradargeräts 100 angeschlossen werden.
Das Füllstandradargerät kann eine Betriebsfrequenz von 60 GHz oder mehr aufweisen und für die Messung in einem Temperaturbereich von -150°C oder darunter ausgeführt sein. Insbesondere kann ein sogenannter Ex-Schutz vorgesehen sein, um der Brandoder Explosionsgefahr vorzu beugen. Das Füllstandradargerät 100 der Fig. 1 misst berührungslos, so dass die Antenne 103 im inneren Behälter an dessen Oberseite angebracht werden kann und sich somit in einem Abstand zur Oberfläche des Flüssiggases 107 befindet.
An dem isolierten doppelwandigen Behälter 105 ist innenseitig die Radarantenne 103 montiert. Außen oder durch eine Wartungsluke wird im Behälter die Sensorelektronik angebracht. Zwischen der Antenne 103 und der Sensorelektronik 106 verbindet der Wellenleiter beziehungsweise der Hohlleiter 101 die beiden Einheiten 103, 106 miteinander. Für diese Verbindungen werden entsprechende Schnittstellen 102, 104 verwendet. Diese Schnittstellen 102, 104 erfüllen die erforderlichen Anforderungen bezüglich des Längenausgleichs, der Winkelanpassung und weisen sehr gute Hochfrequenzeigenschaften auf.
Meist ist es bei Flüssiggasbehältern nicht erwünscht, im oberen Bereich des Behälters Öffnungen einzubauen. Diese Gasbehälter werden, wenn benötigt, lediglich von der Seite mit Öffnungen versehen.
Um die Radarsignale in Richtung Boden zu senden, ist es möglich, mit einer Umlenkeinheit, beispielsweise in Form metallischer Radarspiegel, die Radarsignale in Richtung des Behälterbodens umzulenken. Diese Spiegel können an der Antenne oder auch am Behälter angebracht sein (nicht gezeigt in den Figuren).
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Flüssiggas-Tanks 105 mit einem Füllstandradargerät 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der Wellenleiter 101 , der als Hohlleiter ausgeführt sein kann, ist ebenfalls flexibel und „von der Rolle“, so dass er vor Ort installierbar ist.
Um die Isolierung des Flüssiggas-Tanks 105 nicht thermisch kurzzuschließen, ist es möglich, den Wellenleiter 101 aus einem möglichst temperaturisolierenden Material herzustellen. Dabei kann auch die Länge des Wellenleiters 101 in der Isolierschicht des Tanks vergrößert werden (wie dies in Fig. 2 gezeigt ist), um den Temperaturwiderstand über die Länge des Wellenleiters innerhalb der Isolierung zu erhöhen.
So ist es möglich, als Wellenleiter ein im Innendurchmesser hochgenaues Rohr zu verwenden, welches über gute Hochfrequenzeigenschaften verfügt. Dieser flexible Wellen- oder Hohlleiter kann in den oben beschriebenen Aufbau eingesetzt werden.
Ein Hohlleiter weist sehr hohe Anforderungen an die Oberfläche im Inneren des Hohlleiters auf. Die benötigte Oberflächenrauigkeit in Hohlleitern hängt nicht unmittelbar mit der Wellenlänge zusammen, sondern vielmehr mit der Eindringtiefe des Feldes in die Wandung. Diese wiederum hängt vom spezifischen Widerstand des verwendeten Materials und von der Frequenz ab.
Sobald die Rauhtiefe in etwa die Größenordnung der Eindringtiefe der elektromagnetischen Welle ins Material erreicht, beginnt sich dies mit zunehmender Rauigkeit mehr und mehr durch Reflexionen und Dämpfung auszuwirken.
Es gilt die folgende Formel:
Eindringtiefe = 503 x p-.F, wobei p = spezifischer Widerstand in Ohm x Meter, F = Frequenz in Hertz.
Bei einer 5-fachen Eindringtiefe hat man somit in etwa 99% des Hochfrequenzstroms erfasst.
Bei der Verwendung von Wellenleitern aus Edelstahl und Frequenzen von 80 GHz ergibt sich in etwa eine Eindringtiefe von 0,15 pm.
Die entsprechenden Anforderungen an andere Wellenleiter sind weniger groß.
Fig. 3 zeigt einen Flüssiggas-Tank 105 mit einem Füllstandradargerät gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das Füllstandradargerät weist eine Elektronikschaltung 106 auf, die an einen Wellenleiter in Form eines Standrohrs angeschlossen ist. Das Standrohr verläuft hierbei von der Elektronikschaltung 106 zunächst horizontal durch die Behälterwand hindurch und biegt dann senkrecht nach unten ab bis zum Behälterboden beziehungsweise bis kurz vor den Behälterboden. Hierbei ist es lose an der Behälterwand befestigt und beispielsweise durch entsprechende Aufhängungen oder Klammern hindurchgefädelt. Es ist wichtig, dass die Befestigung ausreichend Spiel hat, so dass sich das Standrohr temperaturbedingt zusammenziehen oder ausdehnen kann. Es kann ein „Rohr von der Rolle“ für den flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiter 101 genutzt werden, um vor Ort mit einer entsprechenden Schnittstelle an der Elektronikschaltung 106 des Füllstandradargeräts angebracht zu werden. In diesem Rohr erfolgt die eigentliche Füllstandmessung. Damit die Flüssigkeit aufsteigen kann, ist eine beziehungsweise sind mehrere Öffnungen vorzusehen, um einen Druckausgleich zu ermöglichen. Dieser Druckausgleich kann ebenfalls in der Schnittstelle angebracht sein, um unerwünschte Reflexionen an anderer Stelle zu vermeiden.
Im Regelfall wird ein Standrohr über eine passende Antenne gespeist, die das Messsignal in das Standrohr einstrahlt. Bei einem 26-GHz- und einem 80-GHz- Füllstandradargerät hat das Standrohr ungefähr einen Durchmesser von etwa 48 bis 50 mm.
Bei Pulsradargeräten wird das pulsförmige Messsignal direkt aus der Elektronik in das Rohr eingestrahlt. Bei 26 GHz werden oft Rohrdurchmesser von 20 mm verwendet.
Bei einem Pulsradargerät mit 80 GHz ergibt sich ein Rohrinnendurchmesser von etwa 6,5 mm, bei höheren Frequenzen entsprechend weniger. Um die Messeigenschaften des Rohres zu verbessern, sind Anzahl und Größe der Belüftungsbohrungen sowie Anzahl und Stärke der Biegungen geeignet zu wählen. Es kann lediglich eine einzelne Entlüftungsbohrung ganz oben im Rohr (aber immer noch im Inneren des Behälters) vorgesehen sein, wenn das Rohr unten offen ist.

Claims

Patentansprüche
1. Füllstandradargerät (100), eingerichtet zur Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld, aufweisend: einen flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiter (101), der über eine erste Schnittstelle (102) an einem ersten Ende des Wellenleiters an eine Elektronikschaltung (106) des Füllstandradargeräts angeschlossen ist; wobei der Wellenleiter (101) als Standrohr mit einer Öffnung am unteren Ende für den Eintritt von Flüssiggas und mit einem oder mehreren Belüftungslöchern zum Druckausgleich ausgeführt ist.
2. Füllstandradargerät (100) nach Anspruch 1 , wobei der Wellenleiter (101) aus temperaturisolierendem Material besteht oder ein solches umfasst.
3. Füllstandradargerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wellenleiter (101) einen Innendurchmesser von weniger als 6,5 mm aufweist.
4. Füllstandradargerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wellenleiter (101) als Hohlleiter ausgeführt ist.
5. Verwendung eines flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiters (101), der über eine erste Schnittstelle (102) an einem ersten Ende des flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiters an eine Elektronikschaltung eines Füllstandradargeräts anschließbar ist, zur zumindest teilweisen Installation in der Wandung eines Flüssiggas-Tanks, so dass die Elektronikschaltung des Füllstandradargeräts außerhalb des Flüssiggas-Tanks daran anschließbar ist, zum Bestimmen des Füllstands in dem Flüssiggas-Tank (105).
6. Flüssiggas-Tank (105), aufweisend einen flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiter (101), der über eine erste Schnittstelle (102) an einem ersten Ende des flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiters an eine Elektronikschaltung eines Füllstandradargeräts
(100) anschließbar ist und sich zumindest teilweise in der Wandung eines Flüssiggas- Tanks befindet, so dass die Elektronikschaltung (106) des Füllstandradargeräts außerhalb des Flüssiggas-Tanks daran anschließbar ist.
7. Flüssiggas-Tank (105) nach Anspruch 6, weiter aufweisend: eine Antenne (103), die über eine zweite Schnittstelle (104) an einem zweiten
Ende des flexiblen, aufwickelbaren Wellenleiters (101) an den Wellenleiter angeschlossen ist.
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