DE10028807A1 - Füllstandsmeßgerät - Google Patents

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Füllstandsmeßgerät, das nach dem Radarprinzip arbeitet, vorzugsweise zur Messung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter (1), mit einem ein Mikrowellensignal erzeugenden Mikrowellengenerator, mit einem das Mikrowellensignal führenden Hohlleiter (2), mit einem als Sende- und/oder Empfangsantenne wirkenden Hornstrahler (3), mit einem Impedanzwandler (4) und mit einem Anschlußflansch (5), wobei der Hornstrahler (3) auf der dem Medium zugewandten Seite des Anschlußflansches (5) vorgesehen ist und der Impedanzwandler (4) wenigstens teilweise in die Öffnung des Hornstrahlers (3) hineinreicht. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß eine Dichtungsplatte (6) zwischen dem Hornstrahler (3) und dem Anschlußflansch (5) angeordnet ist, die mit dem Impedanzwandler (4) einstückig ausgebildet ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Impedanzwandler (4) einfach austauschbar ist, während die Abdichtung des Übergangs von dem Hornstrahler (3) auf den Impedanzwandler (4) sicher gewährleistet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmeßgerät, das nach dem Radarprinzip arbeitet, vorzugsweise zur Messung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter, mit ei­ nem ein Mikrowellensignal erzeugenden Mikrowellengenerator, mit einem das Mi­ krowellensignal führenden Hohlleiter, mit einem als Sende- und/oder Empfangsan­ tenne wirkenden Hornstrahler, mit einem Impedanzwandler und mit einem Anschluß­ flansch, wobei der Hornstrahler auf der dem Medium zugewandten Seite des An­ schlußflansches vorgesehen ist und der Impedanzwandler wenigstens teilweise in die Öffnung des Hornstrahlers hineinreicht. Ein solches Füllstandsmeßgerät ist aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 94 12 243 bekannt.

Allgemein sind neben den bekannten mechanischen Füllstandsmeßgeräten, die nach dem Schwimmer- oder Tastplatten-Prinzip arbeiten, seit geraumer Zeit Füllstandsmeß­ geräte bekannt, die darauf beruhen, daß ein Schwingungswellengenerator Schwin­ gungswellen aussendet, daß ein Schwingungswellendetektor die an der Oberfläche eines in einem Behälter befindlichen Mediums reflektierten Schwingungswellen de­ tektiert und daß aus der für die Schwingungswellen ermittelten Laufzeit die Füll­ standshöhe des Mediums in dem Behälter berechnet wird. Dazu wird verwiesen auf die deutschen Offenlegungsschriften 42 33 324, 43 27 333 und 44 19 462.

Füllstandsmeßgeräte der zuvor beschriebenen Art werden im allgemeinen als berüh­ rungslose Füllstandsmeßgeräte bezeichnet, da weder die Schwingungswellengenera­ toren und die Schwingungswellendetektoren noch die Sendeantenne und die Emp­ fangsantenne mit dem Medium in Berührung stehen müssen. Zumindest stehen die Sendeantenne und die Empfangsantenne wenigstens dann nicht mit dem in dem Be­ hälter befindlichen Medium in Berührung, wenn der Behälter nicht überbefüllt ist.

Sämtliche bekannten, in der Regel berührungslos arbeitenden Füllstandsmeßgeräte ar­ beiten mit von ihnen ausgesandten Schwingungswellen, die von der Oberfläche des Mediums, dessen Füllstand zu messen ist, reflektiert werden. Bei den bekannten Ver­ fahren zur Bestimmung des Füllstands unterscheidet man zwischen einerseits solchen, die die Phasenverschiebung zwischen den ausgesandten und den detektierten Schwingungswellen messen, und andererseits solchen, die unmittelbar die Laufzeit der Schwingungswellen messen. Bei der Laufzeitmessung unterscheidet man ferner im wesentlichen wiederum einerseits solche Füllstandsmeßgeräte, die die Laufzeit an­ hand von Schwingungswellen mit impulsmodulierten Amplituden messen, und ande­ rerseits solchen, die die Laufzeit anhand von frequenzmodulierten Schwingungswel­ len messen. Letztere bezeichnet man auch als Füllstandsmeßgeräte, die nach dem FMCW-Verfahren arbeiten.

Die hier interessierenden, berührungslos arbeitenden Füllstandsmeßgeräte, die nach dem Radarprinzip arbeiten, verwenden üblicherweise als Sendeantennen bzw. als Empfangsantennen einen Hornstrahler. Diesem wird das von einem Mikrowellenge­ nerator erzeugte Mikrowellensignal typischerweise über einen Hohlleiter zugeführt. Um das von dem Hohlleiter geführte Mikrowellensignal über den Hornstrahler in den Behälter aussenden zu können, in dem sich das Medium befindet, wird im allgemeinen ein Impedanzwandler verwendet, in der deutschen Gebrauchsmusterschrift 94 12 243 auch Anschlußteil genannt, der derart ausgebildet und dimensioniert ist, daß ein mög­ lichst ungestörter Übergang des Mikrowellensignals vom Hohlleiter auf den Horn­ strahler mit möglichst wenig Reflektionen an diesem Übergang gewährleistet ist. Dazu reicht der Impedanzwandler typischerweise wenigstens teilweise in die Öffnung des Hornstrahlers hinein. Dabei ergibt sich jedoch das Problem, daß der Übergang zwischen dem Impedanzwandler einerseits und dem Hornstrahler andererseits abge­ dichtet werden muß, wenn das Füllstandsmeßgerät an einem zur Umgebung abge­ dichteten Behälter verwenden soll. Solche Anforderungen liegen insbesondere dann vor, wenn der Behälter ein chemisch aggressives Medium, ein Medium mit hoher Temperatur und/oder ein Medium unter hohem Druck aufweist.

Zur Lösung dieses Problems der Abdichtung des Übergangs zwischen dem Impe­ danzwandler einerseits und dem Hornstrahler andererseits ist in der deutschen Ge­ brauchsmusterschrift 94 12 243 beschrieben, die gesamte dem Medium in dem Behäl­ ter zugewandte Oberfläche des Hornstrahlers bzw. des Impedanzwandlers mit einer chemisch resistenten Schicht zu überziehen, die gleichzeitig abdichtend wirkt. Alter­ nativ dazu ist dargestellt, zwischen dem Impedanzwandler einerseits und dem Horn­ strahler andererseits ein System von Dichtungen in Form von O-Ringen vorzusehen. Diese Lösungen sind jedoch insofern nachteilig, als daß der Impedanzwandler fest mit dem Hornstrahler verbunden ist bzw. ein anfälliges zusätzliches Dichtungssystem zwischen dem Impedanzwandler und dem Hornstrahler vorgesehen werden muß.

Dementsprechend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein solches Füllstandsmeßgerät, das nach dem Radarprinzip arbeitet, bereitzustellen, bei dem der Impedanzwandler leicht austauschbar ist und die Abdichtung zwischen dem Hornstrahler und dem Im­ pedanzwandler auf einfache Weise sicher gewährleistet werden kann.

Das erfindungsgemäße Füllstandsmeßgerät, mit dem die zuvor aufgezeigte und herge­ leitete Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichtungsplatte vor­ gesehen ist, die zwischen dem Hornstrahler und dem Anschlußflansch angeordnet ist und mit dem Impedanzwandler einstückig ausgebildet ist.

Bei der Montage des Füllstandsmeßgeräts an dem Behälter, also beim Zusammenfü­ gen des Anschlußflansches des Füllstandsmeßgeräts mit dem diesem entsprechenden Flansch an dem Behälter durch Anziehen der Montageschrauben an den Flanschen, erfolgt die Abdichtung zwischen dem Impedanzwandler einerseits und dem Horn­ strahler andererseits dadurch, daß die Dichtungsplatte beidseitig mit Druck beauf­ schlagt wird. Damit entsteht zwischen dem Anschlußflansch und dem Hornstrahler aufgrund der Dichtungsplatte eine dichte Verbindung, so daß, da die Dichtungsplatte und der Impedanzwandler erfindungsgemäß einstückig ausgebildet sind, auch durch den Übergang zwischen dem Impedanzwandler und dem Hornstrahler hindurch kein Medium aus dem Behälter entweichen kann. Dabei erfolgt die Dichtung zwischen dem Hornstrahler einerseits und dem Flansch des Behälters andererseits, wie auch bei herkömmlichen Füllstandsmeßgeräten, mit Hilfe von zwischen der Dichtfläche des Flansches des Behälters und der Dichtfläche des Hornstrahlers angeordneten Dichte­ lementen.

Während, wie oben schon ausgeführt, die sichere Abdichtung zwischen dem Horn­ strahler einerseits und dem Impedanzwandler andererseits durch die Einstückigkeit dieser beiden Bauteile gewährleistet ist, liegt ein weiterer wesentlicher Vorteil der Er­ findung darin, daß sich der Impedanzwandler - zusammen mit der Dichtungsplatte - im ausgebauten Zustand des Füllstandsmeßgeräts leicht austauschen läßt, ohne die zu­ vor genannte Dichtungsproblematik beachten zu müssen.

Um ihre abdichtende Wirkung erfüllen zu können, muß die Dichtungsplatte längs ihres gesamten Umfangs kontinuierlich die Dichtfläche des Anschlußflansches und die parallel zur Dichtfläche des Anschlußflansches verlaufende Dichtfläche des Horn­ strahlers bedecken. Dabei ist es grundsätzlich ausreichend, wenn die Dichtungsplatte die Dichtfläche des Anschlußflansches und die Dichtfläche des Hornstrahlers lediglich teilweise bedeckt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die Dichtungsplatte die gesamte Dichtfläche des Hornstrahlers be­ deckt. Aufgrund der dann besonders großen Dichtfläche wird eine noch bessere Ab­ dichtung des Übergangs zwischen dem Hornstrahler einerseits und dem Impedanz­ wandler andererseits erzielt, so daß in dem Behälter auch Medien mit besonders ho­ hen Drücken bevorratbar sind, ohne daß befürchtet werden muß, daß diese Medien im Bereich des an den Behälter angeschlossenen Füllstandsmeßgeräts nach außen ge­ langen.

Im allgemeinen sind für den Impedanzwandler sowie für die Dichtungsplatte alle sol­ chen dielektrischen Materialien geeignet, die eine für den jeweiligen Einsatz des Füll­ standsmeßgeräts ausreichend hohe Abdichtungseigenschaft aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die Dich­ tungsplatte und der Impedanzwandler aus einem chemisch resistenten Kunststoff - vor­ zugsweise aus PTFE - bestehen. Sind die Dichtungsplatte und der Impedanz­ wandler aus PTFE hergestellt, ist gewährleistet, daß die Dichtung zwischen dem Hornstrahler einerseits und dem Impedanzwandler andererseits nicht aufgrund einer von aggressiven Chemikalien angefressenen Dichtungsplatte leck wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Dich­ tungsplatte auf ihrer dem Impedanzwandler gegenüberliegenden Seite eine Hohl­ leiterfüllung aufweist, die einstückig mit der Dichtungsplatte ausgebildet ist und über die das Mikrowellensignal in den Impedanzwandler einkoppelbar ist. Zwar kann eine Einkopplung des Mikrowellensignals in den Impedanzwandler auch ohne eine solche Hohlleiterfüllung erfolgen, jedoch müssen dann stärkere Verluste bzw. Störungen des Mikrowellensignals bei diesem Übergang in Kauf genommen werden. Bei dieser be­ vorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Hohlleiterfüllung vorzugsweise eben­ falls aus einem chemisch resistenten Kunststoff, vorzugsweise nämlich ebenfalls aus PTFE, hergestellt.

Der Hornstrahler ist im allgemeinen aus einem Metall, wie Edelstahl, Tantal, Titan oder Aluminium hergestellt. Erfindungsgemäß kann ein solcher Hornstrahler aus Metall ohne eine Beschichtung verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die gesamte in Kontakt mit dem Innenraum des Behälters stehende Oberfläche des Hornstrahlers mit einem Dielektrikum be­ schichtet ist. Auf diese Weise wird insbesondere ein guter Korrosionsschutz des Hornstrahlers erzielt. Bei der Beschichtung des Hornstrahlers mit dem Dielektrikum soll die Schichtdicke des Dielektrikums 2 mm nicht überschreiten, um somit keine solch hohen Aufladungen des Dielektrikums zu ermöglichen, die mit den vorge­ schriebenen Explosionsschutzmaßnahmen nicht vereinbar wären. Bevorzugte Mate­ rialien für das Dielektrikum bestehen dabei aus Keramik, aus Kunststoff, nämlich vor­ zugsweise aus PTFE, PFA, FEP oder PVDF, und aus Email. An dieser Stelle sei aus­ drücklich darauf hingewiesen, daß der Impedanzwandler zwar ebenfalls emailliert oder anderweitig beschichtet sein kann, eine solche Emaillierung bzw. anderweitige Beschichtung des Impedanzwandlers zu Abdichtungszwecken jedoch nicht erfor­ derlich ist.

Bei einem Hornstrahler, dessen Oberfläche emailliert ist, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß eine bei der Beschichtung des Horn­ strahlers mit Email, also der Emaillierung des Hornstrahlers, entstandene Aufhängeöse als Anschluß für eine Erdung des Hornstrahlers dient. Auf diese Weise wird die Er­ dung des Hornstrahlers nicht nur sehr einfach realisiert, nämlich insbesondere ohne eine Bohrung in dem Hornstrahler vorzusehen, sondern auch sehr effektiv, nämlich mit besonders guten Ableitungseigenschaften für die auf der beschichteten Oberflä­ che des Hornstrahlers entstehenden elektrischen Ladungen.

Im Zusammenhang mit einer Emaillierung des Hornstrahlers sei außerdem darauf hin­ gewiesen, daß ein im Stand der Technik vorhandenes Problem bei emaillierten Horn­ strahlern, nämlich ein Abblättern bzw. ein Abplatzen der Emailschicht unter Druckbe­ aufschlagung, erfindungsgemäß dadurch vermieden wird, daß nicht nur auf einer son­ dern auf beiden Seiten des Hornstrahlers Dichtelemente vorgesehen sind, die ausrei­ chend nachgiebig sind, um die auf die Emailschicht wirkenden Kräfte abzufedern. Beim vorschriftsmäßigen Befestigen des Anschlußflansches des derart weitergebilde­ ten Füllstandsmeßgeräts an dem Flansch des Behälters ist somit kein Abblättern bzw. Abplatzen der Emailschicht zu befürchten.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Füllstandsmeß­ gerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Pa­ tentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfol­ gende detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfin­ dung unter Bezugnahme auf die Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Antenneneinrichtung eines Füllstandsmeßgeräts gemäß einem be­ vorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Explosionsdar­ stellung im Schnitt und

Fig. 2 die Antenneneinrichtung des Füllstandsmeßgeräts gemäß dem bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel der Erfindung in zusammengebauten Zustand im Schnitt.

Aus Fig. 1 ist lediglich der Teil eines Füllstandsmeßgeräts gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich, der für die Erfindung wesentlich ist, nämlich die an einem Behälter 1 zu montierende Antenneneinrichtung des Füll­ standsmeßgeräts. Nicht dargestellt in den Figuren ist also ein ein Mikrowellensignal erzeugender Mikrowellengenerator des Füllstandsmeßgeräts sowie ein reflektierte Mikrowellensignale empfangender Meßumformer.

Wie in den Figuren dargestellt, weist das Füllstandsmeßgerät einen Hohlleiter 2 auf, in den das von dem Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowellensignal eingekoppelt und in dem das Mikrowellensignal dann weitergeführt wird. Das Füllstandsmeßgerät weist ferner einen Hornstrahler 3 aus Edelstahl auf, der gemäß dem vorliegend be­ schriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung als Sende- und Emp­ fangsantenne wirkt. Ferner sind ein Impedanzwandler 4 und ein Anschlußflansch 5 vorgesehen. Durch den Hohlleiter 2 hindurch wird einerseits das von dem Mikrowel­ lengenerator erzeugte Mikrowellensignal zum Anschlußflansch 5 hin geführt und andererseits, da der Hornstrahler 3 auch als Empfangsantenne wirkt, das am Medium reflektierte und von dem Hornstrahler 3 empfangene Mikrowellensignal zum eben­ falls nicht dargestellten Meßumformer hin geführt. Der vom Mikrowellengenerator und vom Meßumformer her kommende Hohlleiter 2 ist auf der dem Medium abge­ wandten Seite des Anschlußflansches 5 vorgesehen, während der Impedanzwandler 4 auf der dem Medium zugewandten Seite des Anschlußflansches 5 angeordnet ist.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist der Impedanzwandler 4 einstückig mit einer Dich­ tungsplatte 6 und einer Hohlleiterfüllung 7 ausgebildet. Die Hohlleiterfüllung 7 führt zum Hohlleiter 2 hin, nämlich durch eine in dem Anschlußflansch 5 zentral vorgese­ hene Bohrung 8 hindurch, so daß die Einkopplung des Mikrowellensignals in den Impedanzwandler 4 von dem Hohlleiter 2 her über ein auf der dem Medium abge­ wandten Seite des Anschlußflansches 5 vorgesehenes Hohlleiterfenster 9 und die sich daran anschließende Hohlleiterfüllung 7 erfolgt.

Während die Dichtungsplatte 6 als Dichtelement zwischen der dem Medium zuge­ wandten Dichtfläche des Anschlußflansches 5 des Füllstandsmeßgeräts und der dem Medium abgewandten Dichtfläche des Hornstrahlers 3 wirkt, dient als Dichtungsele­ ment zwischen der dem Medium zugewandten Dichtfläche des Hornstrahlers 3 und der Dichtfläche des Flansches 10 des Behälters 1 ein Dichtungsring 11.

Der Hornstrahler 3 des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Füllstandsmeßgeräts ist auf seiner gesamten Oberfläche emailliert. Die Schichtdicke dieser Emailschicht 12 auf dem Hohlleiter 3 beträgt 2 mm. Aus herstellungstechnischen Gründen ist der Horn­ strahler 3 gemäß dem vorliegend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung auf seiner gesamten Oberfläche vollständig emailliert. Um einen guten Korrosionsschutz zu erzielen, ist jedoch die Emaillierung lediglich der Fläche des Hornstrahlers 3 ausreichend, die in Kontakt mit dem Innenraum des Behälters 1 kommt.

Bei der Beschichtung des Hornstrahlers 3 mit Email entsteht im allgemeinen eine Auf­ hängeöse 13. Bei dem Füllstandsmeßgerät gemäß dem dargestellten bevorzugten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung ist dabei so vorgegangen worden, daß diese Aufhän­ geöse 13 gerade im äußeren Umfangsbereich der Anschlußplatte, also des Teils des Hornstrahlers 3, der zwischen dem Anschlußflansch 5 des Füllstandsmeßgeräts und dem Flansch 10 des Behälters 1 befestigt wird, entsteht. Dann kann diese Aufhän­ geöse 13 nämlich direkt für die Erdung des mit Email beschichteten Hornstrahlers 3 verwendet werden, indem an der Aufhängeöse 13 ein elektrischer Leiter 14 befestigt wird und zum Anschlußflansch 5 des Füllstandsmeßgeräts geführt und mit diesem fest verschraubt wird.

Es versteht sich von selbst, daß die zuvor beschriebene Verwendung der Aufhän­ geöse der Emailschicht nicht auf das erfindungsgemäße Füllstandsmeßgerät be­ schränkt ist, sondern bei allen Füllstandsmeßgeräten verwendet werden kann, die eine emaillierte Antenne aufweisen, die geerdet werden soll.

Claims (11)

1. Füllstandsmeßgerät, das nach dem Radarprinzip arbeitet, vorzugsweise zur Mes­ sung des Füllstands eines Mediums in einem Behälter (1), mit einem ein Mikrowellen­ signal erzeugenden Mikrowellengenerator, mit einem das Mikrowellensignal führen­ den Hohlleiter (2), mit einem als Sende- und/oder Empfangsantenne wirkenden Horn­ strahler (3), mit einem Impedanzwandler (4) und mit einem Anschlußflansch (5), wobei der Hornstrahler (3) auf der dem Medium zugewandten Seite des Anschlußflansches (5) vorgesehen ist und der Impedanzwandler (4) wenigstens teilweise in die Öffnung des Hornstrahlers (3) hineinreicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dichtungs­ platte (6) vorgesehen ist, die zwischen dem Hornstrahler (3) und dem Anschluß­ flansch (5) angeordnet ist und mit dem Impedanzwandler (4) einstückig ausgebildet ist.

2. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dich­ tungsplatte (6) die gesamte Dichtfläche des Hornstrahlers (3) bedeckt.

3. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatte (6) und der Impedanzwandler (4) aus einem chemisch resistenten Kunststoff - vorzugsweise aus PTFE - bestehen.

4. Füllstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatte (6) auf ihrer dem Impedanzwandler (4) gegenüberliegenden Seite eine Hohlleiterfüllung (7) aufweist, die einstückig mit der Dichtungsplatte (6) ausgebildet ist und über die das Mikrowellensignal in den Impedanzwandler (4) ein­ koppelbar ist.

5. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter­ füllung (7) aus einem chemisch resistenten Kunststoff - vorzugsweise aus PTFE - be­ steht.

6. Füllstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte in Kontakt mit dem Innenraum des Behälters (1) stehende Oberfläche des Hornstrahlers (3) mit einem Dielektrikum beschichtet ist.

7. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht­ dicke des Dielektrikums maximal 2 mm beträgt.

8. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Di­ elektrikum aus Keramik besteht.

9. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Di­ elektrikum aus Kunststoff - vorzugsweise aus PTFE, PFA, FEP oder PVDF - besteht.

10. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus Email besteht.

11. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei der Beschichtung des Hornstrahlers (3) mit Email entstandene Aufhängeöse (13) als An­ schluß für eine Erdung des Hornstrahlers (3) dient.