DE10117642A1

DE10117642A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstande eines Füllguts in einem Behälter

Info

Publication number: DE10117642A1
Application number: DE2001117642
Authority: DE
Inventors: Stefan Burger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2002-10-10
Anticipated expiration: 2021-04-10
Also published as: DE10117642B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts (2) in einem Behälter (1). DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit optimierten Abstrahleigenschaften vorzuschlagen. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Antenne (10) einen Hohlleiter (12) und ein dielektrisches Füllmaterial (13) aufweist, wobei das dielektrische Füllmaterial (13) zumindest zwei sich verjüngende bzw. getaperte Abschnitte (14, 15) besitzt und wobei die Verjüngungs- bzw. Taperwinkel (phi¶1¶, phi¶2¶) der beiden getaperten Abschnitte (14, 15) voneinander verschieden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter über ein Laufzeitverfahren.

Laufzeitverfahren, beispielsweise das Pulsradarverfahren und das Frequenzmodulations-Dauerstrichradarverfahren (FMCW-Radar), nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Im Falle der Füllstandsmessung entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen Antenne und Oberfläche des Füllguts. Das Nutzechosignal, also das an der Oberfläche des Füllguts reflektierte Signal, und dessen Laufzeit werden anhand der sog. Echofunktion bzw. der digitalisierten Hüllkurve bestimmt. Die Hüllkurve repräsentiert die Amplituden der Echosignale als Funkton des Abstandes "Antenne - Oberfläche des Füllguts". Der Füllstand selbst wird aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der Antenne zum Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllguts zur Antenne berechnet.

Zum gerichteten Senden von elektromagnetischen Wellen mittels einer Antenne werden bevorzugt Moden angeregt, deren Abstrahlcharakteristik eine ausgeprägte Vorwärtskeule aufweist. Diese Eigenschaft weist der in Rund hohlleitern ausbreitungsfähige transversal-elektrische TE₁₁-Mode auf. In Abhängigkeit von den Abmessungen der als Rundhohlleiter dienenden Antenne gibt es einen Frequenzbereich, in dem der TE₁₁-Mode der einzige ausbreitungsfähige Mode ist. Oberhalb dieses Frequenzbereichs sind auch höhere für das gerichtete Senden von Mikrowellen weniger gut geeignete Moden, z. B. der TM₀₁-Mode, ausbreitungsfähig.

Darüber hinaus breiten sich Meßsignale in Koaxialleitern im transversal- elektromagnetischen Mode dispersionsfrei aus. Dieser Mode eignet sich daher natürlich besonders gut zum Transport von Wellenpaketen bzw. von elektromagnetischen Wellen, die eine gewisse Frequenz-Bandbreite aufweisen. Pulsförmige Meßsignale (Pulsradar) erfahren praktisch keine Verbreiterung, und bei linear frequenzmodulierten Meßsignalen (FMCW- Radar) wird eine Linearitätsabweichung weitgehend vermieden. Weiterhin ist dafür Sorge zu tragen, daß bei der Einspeisung der Meßsignale auf den Hohlleiter einer Antenne keine höheren Moden angeregt werden.

Um einerseits eine Trennung zum Prozeß hin zu erreichen, d. h. um die empfindlichen Komponenten der Einkopplung bzw. der Elektronik des Füllstandsmeßgeräts vor Verschmutzungen/Ablagerungen und sonstigen negativen Umgebungseinflüssen am Einbau- bzw. Meßort zu schützen, und um sicherzustellen, daß bei der Einspeisung der Meßsignale auf die Antenne möglichst nur der gewünschte Mode angeregt wird, muß eine Antenne folglich eine spezielle Ausgestaltung aufweisen.

Aus der DE 196 29 593 ist eine Antenne bekannt geworden, bei der die Meßsignale über einen Sendedraht eingekoppelt werden, der durch die Rückwand eines zylindrischen Hohlleiters geführt ist. Der zylindrische Hohl leiter weitet sich in Abstrahlrichtung konisch auf und ist so dimensioniert, daß nur der gewünschte Mode, insbesondere der TE₁₁-Mode, angeregt wird und sich nachfolgend ausbreiten kann. In dem Hohlleiter ist ein dielektrisches Material vorgesehen, das im Bereich des aufgeweiteten Hohlleiters in Abstrahlrichtung der Meßsignale getapert ist. Hierdurch wird der Übergang der Meßsignale auf den Lufthohlleiter optimiert. Diese Ausgestaltung hat darüber hinaus den Vorteil, daß sich bildendes Kondensat an der Spitze des getaperten dielektrischen Materials problemlos abtropfen kann. Handelt es sich bei dem dielektrischen Material beispielsweise um PTFE, so muß der Hohlleiter bei einer Betriebsfrequenz von ca. 6 GHz einen Durchmesser von 25 mm aufweisen, wenn die Anregung des TE₁₁-Modes sichergestellt sein soll.

Bei Temperaturen oberhalb von 250°C kann Teflon nicht mehr als Füllmaterial für eine Hornantenne verwendet werden. Bei Applikationen im Hochtemperaturbereich kommen vielmehr Keramiken, beispielsweise Aluminiumoxid, zum Einsatz. Beträgt die Betriebsfrequenz des Füllstands meßgerät z. B. 26 GHz, so hat ein mit Aluminiumoxid gefüllter Hohlleiter beispielsweise nur noch einen Durchmesser von 2,5 mm. Es versteht sich von selbst, daß eine Kondensatbildung bzw. eine Ansatzbildung an dem dielektrischen Material nunmehr einen wesentlich größeren Einfluß hat als bei den bekannten Antennen mit einem ca. 10-fach größeren Durchmesser.

Um die Ansatzempfindlichkeit zu reduzieren, ist es bereits bekannt geworden, den Hohlleiter stärker aufzuweiten. Damit nun keine Energieanteile in höhere, nicht erwünschte Moden eingespeist werden, beginnt die Taperung des dielektrischen Materials erst in einem vorgegebenen Mindestabstand von der Rückwand des Hohleiters. Durch diesen Mindestabstand wird sichergestellt, daß die höheren Feldanteile, die unerwünschter Weise bei der Einspeisung der Meßsignale auf den Hohlleiter angeregt wurden, bei Austritt aus der Antenne wieder abgeklungen sind. Der Mindestabstand läßt sich übrigens aus der gewünschten Dämpfung für die höheren Moden, dem Durchmesser des Hohlleiters und der Dielektrizitätskonstanten des jeweils verwendeten dielektrischen Füllmediums bestimmen. Darüber hinaus darf der Taper des Füllmaterials einen gewissen Grenzwinkel nicht übersteigen. Nur unterhalb dieses Grenzwinkels ist es möglich sicherzustellen, daß nur ein relativ geringer Energieanteil in höhere Moden eingekoppelt wird.

Ein weiteres Problem zeigt sich, wenn der Übergang vom gefüllten Hohlleiter in Luft als einfache Spitze gestaltet ist. Hier treten innerhalb der Taperspitze Resonanzen auf.

Hinzu kommt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Keramik und Luft sehr stark voneinander abweichen. Als Folge der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten zeigen sich starke Feldverzerrungen, die auch als Hybridmoden bezeichnet werden. Beim Auftreten von Hybridmoden werden bis zu 50% der Energie in Moden überführt, die nicht die gewünschte Abstrahlcharakteristik mit der ausgeprägten Vorwärtskeule aufweisen. Dieser Effekt ist natürlich in hohem Maße unerwünscht, da er die Meßgenauigkeit des Füllstandsmeßgeräts erheblich vermindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit optimierten Abstrahleigenschaften vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, die die folgenden Komponenten aufweist: eine Signalerzeugungseinheit, die hochfrequente Meßsignale erzeugt, eine Sende-/Empfangseinheit, die die Meßsignale über eine Antenne in Richtung auf das Füllgut, also in Abstrahlrichtung, aussendet, und die die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Meßsignale empfängt, und eine Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeit der Meßsignale den Füllstand in dem Behälter ermittelt. Die Antenne besteht aus einem Hohlleiter und einem in dem Hohlleiter angeordneten dielektrischen Füllmaterial, wobei das dielektrische Füllmaterial zumindest zwei sich verjüngende bzw. getaperte Abschnitte aufweist und wobei die Verjüngungs- bzw. Taperwinkel der beiden getaperten Abschnitte voneinander verschieden sind. Als Verjüngungs- bzw. Taperwinkel ist hierbei der Winkel zwischen der größeren Stirnfläche und der Seitenwand des Pyramiden- oder Kegelstumpfes definiert.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Hohlleiter in dem Endbereich, der entgegen der Abstrahlrichtung der Meßsignale liegt, zumindest teilweise durch eine Rückwand abgeschlossen. Weiterhin ist vorgesehen, daß der Hohlleiter in dem Endbereich, der entgegen der Abstrahlrichtung der Meßsignale liegt, zumindest teilweise durch eine Rückwand abgeschlossen ist und daß der in Abstrahlrichtung der Meßsignale liegende Endbereich des Hohlleiters kontinuierlich und/oder stufenförmig aufgeweitet ist.

Je nach Ausgestaltung des Hohlleiters als Rund- oder Rechteckhohlleiter besitzt zumindest einer der beiden in Abstrahlrichtung der Meßsignale getaperten Abschnitte des dielektrischen Füllmaterials die Form eines Kegelstumpfes oder eines Pyramidenstumpfs.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der erste Abschnitt des dielektrischen Füllmaterials relativ zur Abstrahlrichtung gesehen eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche auf, wobei die zweite Stirnfläche des ersten Abschnitts im wesentlichen die gleichen Abmessungen wie die erste sich anschließende Stirnfläche des zweiten Abschnitts hat.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß das dielektrische Füllmaterial den Hohlleiter zumindest teilweise ausfüllt.

Hierbei ragen die beiden getaperten Abschnitte des dielektrischen Füll materials im wesentlichen frei in den aufgeweiteten Hohlleiter hinein.

Insbesondere schließt sich die in Abstrahlrichtung der Meßsignale ange ordnete Stirnfläche des ersten Abschnitts unmittelbar an das dielektrische Füllmaterial an, das im Hohlleiter angeordnet ist.

Um eine optimale Einkopplung der Meßsignale zu erzielen, ist das dielektri sche Füllmaterial auch in dem nicht aufgeweiteten Bereich des Hohlleiters getapert. Vorteilhafterweise ist das dielektrische Füllmaterial übrigens ein einstückiges, separates Teil, das so ausgebildet ist, daß es formschlüssig in den Hohlleiter der Antenne eingesetzt werden kann.

Bevorzugt handelt es sich bei dem dielektrischen Füllmaterial um ein hoch resistentes Material, z. B. um ein keramisches Material. Insbesondere sei an dieser Stelle Aluminiumoxid als dielektrisches Füllmaterial genannt.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vor richtung. Ein festes oder flüssiges Füllgut 2 ist in einem Behälter 1 gelagert. Zur Bestimmung des Füllstandes dient das Füllstandsmeßgerät, das in einer Öffnung 5 im Deckel 4 des Behälters 1 montiert ist.

Über die Antenne 10 werden in der Signalerzeugungs-/Sendeeinheit 6; 7 erzeugte Sendesignale, insbesondere Mikrowellen, in Richtung der Oberfläche 3 des Füllguts 2 abgestrahlt. An der Oberfläche 3 werden die gesendeten Signale zumindest teilweise als Echosignale reflektiert. Diese Echosignale werden in der Empfangs-/Auswerteeinheit 8; 14 empfangen und ausgewertet. Mittels der Sende-/Empfangsweiche 9 werden im gezeigten Beispiel die Sendeeinheit 6 und die Empfangseinheit 7 voneinander entkoppelt. Bei Verwendung einer Sendeeinheit 6 und einer Antenne zum Senden und einer Antenne zum Empfangen, die mit der Empfangseinheit 8 verbunden ist, kann die Sende-/Empfangsweiche 9 selbstverständlich entfallen.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt zu sehen. Die Antenne 10 ist im gezeigten Fall übrigens über ein Außengewinde 23 in der Öffnung 5 im Deckel 4 des Behälters 1 festge schraubt.

Die Antenne 10 besteht aus einem Rundhohlleiter 12 und einem dielek trischen Füllmaterial 13, das den Hohlleiter 12 zumindest teilweise ausfüllt. Der Hohlleiter 12 besteht aus einem nicht aufgeweiteten Bereich 22, der entgegen der Abstrahlrichtung der Meßsignale durch eine Rückwand 16 abgeschlossen ist, und einem in Richtung auf das Füllgut 2 weisenden aufgeweiteten Bereich 21. Das dielektrische Füllmaterial 13 ist im gezeigten Fall einstückig ausgebildet und besteht bei Hochtemperaturanwendungen bevorzugt aus Aluminiumoxid. Selbstverständlich können auch andere hochtemperaturbeständige Materialien, insbesondere Keramiken, zum Einsatz kommen. Im Niedertemperaturbereich kann das dielektrische Füllmaterial 13 natürlich auch ein Kunststoff sein.

Das dielektrische Füllmaterial 13 weist neben dem stufigen Endbereich 24 ein zylindrisches Zwischenstück 25 auf. In Abstrahlrichtung schließen sich an das zylindrische Zwischenstück 25 ein erster getaperter Abschnitt 14 und einer zweiter getaperter Abschnitt 15 an. Die Stirnflächen zweier aneinander grenzender Abschnitte 24, 25, 14, 15 sind jeweils im wesentlichen gleich dimensioniert. Erfindungswesentlich hierbei ist es, daß die beiden Taperwinkel ϕ₁, ϕ₂ des ersten getaperten Abschnitts 14 und des zweiten getaperten Abschnitts 15 voneinander verschieden sind. Insbesondere ist der Taper winkel ϕ₁ des ersten getaperten Abschnitts 14 kleiner als der Taperwinkel ϕ₂ des zweiten getaperten Abschnitts 15. Beispielsweise beträgt der Taperwinkel ϕ₁ ca. 40°.

In Fig. 2 ist eine günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne 10 dargestellt: Sowohl bei dem ersten getaperten Abschnitt 14 als auch bei dem zweiten getaperten Abschnitt 15 handelt es sich um Kegelstümpfe. Selbstverständlich könnte je nach Frequenzbereich und Bandbreite der Meßsignale der zweite getaperte Abschnitt 15 auch eine Kegelform bzw. eine Pyramidenform aufweisen.

Wie bereits gesagt, füllt das dielektrische Füllmaterial 13 sowohl den nicht aufgeweiteten Bereich 22 als auch den aufgeweiteten Bereich 21 des Hohlleiters 12 nur teilweise aus. Aus dem Einkoppelbereich - in der Fig. 2 nicht gesondert dargestellt - erfolgt eine Anpassung an den mit dielektrischem Material 13 gefüllten nicht aufgeweiteten Bereich 22 des Hohlleiters über einen gestuften Endbereich 24. Der mit dielektrischem Material 13 gefüllte Hohlleiter 12 ist über den Taper aufgeweitet. Die Dimensionierung ist so gewählt, daß unerwünschte Moden möglichst nicht angeregt werden. Der Übergangsbereich 14, 15 von dem dielektrischen Material 13 in dem aufge weiteten Bereich 21 des Hohlleiters 21 in Luft ist gleichfalls getapert und weist zumindest zwei getaperte Abschnitte 14, 15 auf. Bevorzugt liegt die erste Stirnfläche 17 des ersten getaperten Abschnitts 14 in der Ebene, ab der sich der Hohlleiter 12 in Abstrahlrichtung aufzuweiten beginnt. Erfindunggsgemäß sind die Taperwinkel ϕ₁,ϕ₂ der beiden getaperten Abschnitte 14, 15 voneinander verschieden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist auch der zweite getaperte Abschnitt 15 kegelstumpfförmig ausgebildet, besitzt also bevorzugt keine Taperspitze. Hierdurch lassen sich Resonanzen, die sich innerhalb einer Taperspitze leicht ausbilden, effektiv vermeiden. Darüber hinaus ist die Ausbildung des zweiten getaperten Abschnitts 15 als Kegelstumpf (Pyramidenstumpf) besonders dann von großem Nutzen, wenn als dielektrisches Füllmaterial 13 eine Keramik verwendet wird. Wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben, sind die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von elektromagnetischen Wellen in keramischem Material sehr unter schiedlich. Als Folge der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten treten Feldverzerrungen auf, die auch als Hybridmoden bezeichnet werden. Diese Hybridmoden weisen nicht die gewünschte Abstrahlcharakteristik mit ausgeprägter Vorwärtskeule auf. Da bei Auftreten von Hybridmoden die Meßgenauigkeit des Füllstandsmeßgeräts erheblich vermindert wird, versteht es sich von selbst, daß Hybridmoden in hohem Maße unerwünscht sind.

Die Einkopplung der Meßsignale auf den Hohlleiter 12 erfolgt über einen in der Fig. 2 nicht gesondert dargestellten Sendedraht. Der Sendedraht kann entweder durch die Rückwand 16 oder die Seitenwand des Hohlleiters 12 geführt sein.

Bezugszeichenliste

1

Behälter

2

Füllgut

3

Oberfläche des Füllguts

4

Behälterdeckel

5

Öffnung

6

Signalerzeugungseinheit

7

Sendeeinheit

8

Empfangseinheit

9

Sende-/Empfangsweiche

10

Antenne

11

Auswerteeinheit

12

Hohlleiter

13

dielektrisches Füllmaterial

14

erster getaperter Abschnitt

15

zweiter getaperter Abschnitt

16

Rückwand des Hohlleiters

17

erste Stirnfläche des ersten getaperten Abschnitts

18

zweite Stirnfläche des ersten getaperten Abschnitts

19

erste Stirnfläche des zweiten getaperten Abschnitts

20

zweite Stirnfläche des zweiten getaperten Abschnitts

21

aufgeweiteter Bereich des Hohlleiters

22

nicht aufgeweiteter Bereich des Hohlleiters

23

Einschraubteil

24

getaperter Endbereich

25

zylindrisches Zwischenstück

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts (2) in einem Behälter (4) mit einer Signalerzeugungseinheit (6), die hochfrequente Meßsignale erzeugt, mit einer Sende-/Empfangseinheit (7, 8), die die Meßsignale über eine Antenne (10) in Richtung auf das Füllgut (2), also in Abstrahlrichtung, aussendet, und die die an der Oberfläche (3) des Füllguts (2) reflektierten Meßsignale empfängt, und mit einer Auswerteeinheit (11), die anhand der Laufzeit der Meßsignale den Füllstand in dem Behälter (1) ermittelt,
wobei die Antenne (10) einen Hohlleiter (12) und ein dielektrisches Füllmaterial (13) aufweist,
wobei das dielektrische Füllmaterial (13) zumindest zwei sich verjüngende bzw. getaperte Abschnitte (14, 15) aufweist und
wobei die Verjüngungs- bzw. Taperwinkel (ϕ₁, ϕ₂) der beiden getaperten Abschnitte (14, 15) voneinander verschieden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Hohlleiter (12) in dem Endbereich, der entgegen der Abstrahlrichtung der Meßsignale liegt, zumindest teilweise durch eine Rückwand (16) abgeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Hohlleiter (12) in dem Endbereich, der entgegen der Abstrahlrichtung der Meßsignale liegt, zumindest teilweise durch eine Rückwand (16) abgeschlossen ist und
wobei der in Abstrahlrichtung der Meßsignale liegende Endbereich des Hohlleiters (12) kontinuierlich und/oder stufenförmig aufgeweitet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei zumindest einer der beiden Abschnitte (14, 15) des dielektrischen Füllmaterials (13) die Form eines Kegelstumpfes oder eines Pyramiden stumpfs aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
wobei der erste Abschnitt (14) des dielektrischen Füllmaterials (13) relativ zur Abstrahlrichtung gesehen eine erste Stirnfläche (17) und eine zweite Stirnfläche (18) aufweist und
wobei die zweite Stirnfläche (18) des ersten Abschnitts (14) im wesentlichen die gleichen Abmessungen aufweist, wie die erste sich anschließende erste Stirnfläche (19) des zweiten Abschnitts (15).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, wobei das dielektrische Füllmaterial (13) den Hohlleiter (12) zumindest teilweise ausfüllt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, wobei die beiden getaperten Abschnitte (14, 15) des dielektrischen Füllmaterials (13) im wesentlichen frei in den aufgeweiteten Bereich (21) des Hohlleiters (12) hineinragen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die in Abstrahlrichtung der Meßsignale angeordnete zweite Stirnfläche (18) des ersten Abschnitts (14) sich unmittelbar anschließt an das dielektrische Füllmaterial (13), das den nicht aufgeweiteten Teil des Hohlleiters (12) zumindest teilweise ausfüllt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei das dielektrische Füllmaterial (13), das in dem nicht aufgeweiteten Teil des Hohlleiters (13) angeordnet ist, entgegen der Abstrahlrichtung der Meßsignale getapert ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem dielektrischen Füllmaterial (13) um ein hoch resistentes Material, insbesondere um Aluminiumoxid, handelt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 10, wobei das dielektrische Füllmaterial (13) einstückig ausgebildet ist.