DE102008036963A1

DE102008036963A1 - Vorrichtung zur Ermittlung und/oder Überwachung des Füllstandes und/oder des Durchflusses eines Mediums

Info

Publication number: DE102008036963A1
Application number: DE102008036963A
Authority: DE
Inventors: Winfried Mayer; Michael Mirbach
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2010-02-18
Also published as: US20100031753A1; US7861600B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung und/oder Überwachung des Füllstandes und/oder Durchflusses eines Mediums in einem Behältnis, mit zumindest einer Antenne, die Hochfrequenzsignale in einer vorgegebenen Strahlcharakteristik entlang einer Hauptabstrahlachse in Richtung der Oberfläche des Mediums aussendet und/oder empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, der die reflektierten Hochfrequenzsignale signaltechnisch auswertet und den Füllstand anhand der Laufzeit der Hochfrequenzsignale und/oder den Durchfluss anhand von einer Doppler-Frequenz der reflektierten Hochfrequenzsignale bestimmt, und wobei zumindest eine Linse mit einer ersten Brennweite in Richtung der der Antenne und mit einer zweiten Brennweite in Richtung der Oberfläche des Mediums zwischen der Antenne und dem Medium vorgesehen ist. Die Erfindung sieht vor, dass ein erster Brennpunkt bei der ersten Brennweite der Linse so gewählt wird, dass die ausgesendeten Hochfrequenzsignale der Antenne innerhalb der Linsenapertur auf die Linse auftreffen und dass ein zweiter Brennpunkt bei der zweiten Brennweite in einem Öffnungsbereich des Behältnisses mit einem Öffnungsdurchmesser, der kleiner als der Durchmesser der Linsenapertur ist, liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung und/oder Überwachung des Füllstandes und/oder Durchflusses eines Mediums in einem Behältnis, mit zumindest einer Antenne, die Hochfrequenzsignale in einer vorgegebenen Strahlcharakteristik entlang einer Hauptabstrahlachse in Richtung der Oberfläche des Mediums aussendet und/oder empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit vorgesehen ist, der die reflektierten Hochfrequenzsignale signaltechnisch auswertet und den Füllstands anhand der Laufzeit der Hochfrequenzsignale und/oder den Durchfluss anhand von einer Doppler-Frequenz der reflektierten Hochfrequenzsignale bestimmt, und wobei zumindest eine Linse mit einer ersten Brennweite in Richtung der der Antenne und mit einer zweiten Brennweite in Richtung der Oberfläche des Mediums zwischen der Antenne und dem Medium vorgesehen ist.
Ein Messprinzip, aus einer Vielzahl von berührungslosen Messmethoden den Füllstand in einem Behältnis zu ermitteln, ist die Laufzeit-Messmethode. Bei der Laufzeit-Messmethode werden beispielsweise Mikrowellen bzw. Radarwellen über eine Antennenvorrichtung ausgesendet, und die an der Mediumsoberfläche reflektierten Radar-Echowellen werden nach der abstandsabhängigen Laufzeit des Messsignals wieder empfangen. Aus der halben Laufzeit lässt sich demgemäß der Füllstand des Mediums in einem Behälter berechnen. Die Echokurve stellt hierbei die empfangene Signalamplitude als Funktion der Zeit dar, wobei jeder Messwert der Echokurve der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand an einer Oberfläche reflektierten Echosignals entspricht. Die Laufzeit-Messmethode wird im wesentlichen in zwei Ermittlungsverfahren eingeteilt. Die Zeitdifferenzmessung ist eine erstes Ermittlungsverfahren, die die Zeit, die ein breitbandiger Wellensignalimpuls für eine zurückgelegte Wegstrecke benötigt, ermittelt, und ein weiteres weit verbreitetes Ermittlungsverfahren ist die Bestimmung der Kippfrequenzdifferenz des ausgesendeten, frequenzmodulierten Hochfrequenzsignals zum reflektierten, empfangenen, frequenzmodulierten Hochfrequenzsignal (FMCW – Frequency-Modulated Continuous Wave). Im Weiteren wird keine Beschränkung auf ein spezielles Ermittlungsverfahren gemacht. Nach diesem Messprinzip arbeitende Füllstandsmessgeräte werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung Micropilot angeboten und verkauft.
Zur Abstrahlen und Empfangen von Mikrowellen werden in der Prozessmesstechnik unter andrem Gruppenstrahlerantennen, Planarantennen, Antennenarrays, Hornantennen oder Parabolantennen schon seit längerer Zeit eingesetzt. Alle diese Antennen zu berührungslosen Messung des Füllstands haben aufgrund Ihres technischen Aufbaus eine gewisse räumliche Größe und auch eine meist divergente Abstrahlcharakteristik der Mikrowellensignale, so dass bei Messungen in kleinen Öffnungen in Behältnissen schwierig ist oder meistens sogar unmöglich ist.
Werden die Antennen in einem Frequenzbereich von über 20 GHz eingesetzt, so könne zur Fokussierung der elektromagnetischen Wellen bzw. zur Veränderung der Abstrahlcharakteristiken der Antenne dielektrische Linsen eingesetzt werden, die in kleinen Anordnungen nahezu den optischen Gesetzen folgen. Mit einer dielektrischen Linse kann somit das Strahlungsprofil der Antenne den Messbedingungen im Prozess angepasst werden. Solche dielektrischen Linsenstrukturen sind beispielsweise in der DE 44 12 770 A1 und der EP 0 773 598 A2 gezeigt, die in Abstandswarngeräten bei Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstand und/oder des Durchflusses eines Mediums in einem Behältnis vorzuschlagen, die es ermöglicht durch kleine Öffnungen im Behältnis hindurch und/oder in kleinen Behältnissen den Füllstand und/oder den Durchfluss eines Mediums zuverlässig zu ermitteln und einfach und kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch gelöst, dass ein erster Brennpunkt bei der ersten Brennweite der Linse so gewählt wird, dass die ausgesendeten Hochfrequenzsignale der Antenne innerhalb der Linsenapertur auf die Linse auftreffen und dass ein zweiter Brennpunkt bei der zweiten Brennweite in einem Öffnungsbereich des Behältnisses mit einem Öffnungsdurchmesser, der kleiner als der Durchmesser der Linsenapertur ist, liegt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Behältnis als ein flaschenähnlicher Behälter mit einer auf einen Durchmesser verengten Öffnung im Halsbereich ausgestaltet ist und der zweite Brennpunkt der zweiten Brennweite der Linse der ausgesendeten und an der Oberfläche des Mediums reflektierten Hochfrequenzsignale in diesem verengten Öffnungsbereich liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass das Behältnis als eine Rinne mit dem Durchmesser im Öffnungsbereich ausgestaltet ist, in dem der zweite Brennpunkt der zweiten Brennweite der ausgesendeten und an der Oberfläche des Mediums reflektierten Hochfrequenzsignale liegt.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Hauptabstrahlachse der Antenne zur optischen Achse der Linse versetzt angeordnet ist, so dass die Hochfrequenzsignale nicht senkrecht auf der Oberfläche des Mediums auftreffen und die Regel-/Auswerteeinheit anhand der durch den Doppler-Effekt erhaltenen Frequenz aufgrund der diffusen Reflexion der Hochfrequenzsignale an der Oberfläche des Mediums die Geschwindigkeit des Durchfluss des Mediums ermittelt.
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass eine erste Antenne und zumindest eine zweite Antenne vorgesehen ist, deren Hauptabstrahlachsen in einem windschiefen Winkel zueinander und/oder mit einem unterschiedlichen Versatz der beiden Hauptabstrahlachsen der beiden Antennen zur optischen Achse der Linse angeordnet sind und die Regel-/Auswerteeinheit aus einer Mittelwertbildung der beiden durch den Doppler-Effekt erhaltenen Frequenzen somit eine eindeutige Geschwindigkeit des Durchflusses des Mediums ermittelt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist es, dass die zweite Brennweite in der Größenordnung der ersten Brennweite der Linse liegt.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung schlägt vor, dass es sich um eine bikonvexe Linse aus einem dielektrischen Material, insbesondere Polytetrafluorethylen, handelt.
Gemäß einer dienlichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass eine zylindrische dielektrische Linse aus einem dielektrischen Material vorgesehen ist.
Eine geeignete Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die bikonvexe Linse aus einem dielektrischen, die Wärmestrahlung abschirmenden Material hergestellt oder durch ein solches die Wärmestrahlung abschirmendes Material beschichtet ist und/oder dass die Oberflächen der Linse durch eine Strukturierung oder einen Materialüberzug mit einer Antireflexionsschicht ausgestaltet ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine bistatische Anordnung der ersten Antenne und der zweiten Antenne so ausgestaltet ist, dass sich die Hauptabstrahlrichtungen sich in einer Stelle auf der Oberfläche des Mediums treffen und sich somit Bestrahlungsflächen der Brennpunkt überlappen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass als Hilfsmittel für die Ausrichtung der Hauptabstrahlrichtungen der Antennen zur optischen Achse der Linse durch eine Markierung der Brennpunkte auf der Oberfläche des Mediums mittels ein optisch sichtbaren Lichtpunkt vorgesehen ist.
Angesichts der zuvor aufgeführten Merkmale erfüllt diese Erfindung die folgenden Vorteile und Eigenschaften, dass durch erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung die Ermittlung und Überwachung des Füllstand und/oder des Durchflusses eines Mediums in einem Behältnis mit einem Flaschenhals bzw. einer kleinen Öffnung und in schmalen Rinnen möglich ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den zugehörigen Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung die Elemente, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels zur Ermittlung des Füllstands in Behältern mit einer verengten Öffnung,
2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels zu Ermittlung des Füllstands in einer Rinne,
3: eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels zur Bestimmung des Durchflusses in einer Rinne,
4: eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels zur eindeutigen Bestimmung des Durchflusses in eine Rinne mit zwei Antennen in einer Janus-Anordnung,
5: eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels zur Bestimmung des Oberflächeprofils des Mediums in eine Rinne oder einem Behälter, und
6: eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels zur Bestimmung des Durchflusses und/oder des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter oder einer Rinne mit einer Sendeantenne und einer Empfangantenne.
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels zur Ermittlung des Füllstands 13 in einem flaschenähnlichen Behälter 4 mit einer verengten Öffnung.
Bei der gezeigten Vorrichtung 1 handelt es sich um ein Füllstandsmessgerät 1, das eine in den Prozessraum freiabstrahlendes Sende-/Empfangselement bzw. ein Antenne 10 mit einem Messumformer 8 und einer bikonvexen Linse 11 aufweist.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird eine bikonvexe Linse 11 verwendet. Es sind jedoch alle Sammellinsen, wie z. B. plankonvex Linsen, konvex-konkave Linsen, die einer Wellenfront 7 parallel zur optischen Achse L einfallender Hochfrequenzsignale 6 in einem Brennpunkt B1, B2 sammelt, in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 anwendbar. Außerdem hat sich eine halbzylinderförmige oder zylinderförmige Linse 11 für die Messung der Fließgeschwindigkeit in Rinnen 5 als vorteilhaft herausgestellt.
Der Messumformer 8 umfasst, zumindest eine Sende-/Empfangseinheit 16, die die Erzeugung und den Empfang der Hochfrequenzsignale 6, wie z. B. Mikrowellensignale bewerkstelligt, eine Regel-/Auswerteeinheit 9, die eine signaltechnische Verarbeitung der Hochfrequenzsignale 6 und eine Steuerung bzw. Regelung des Füllstandmessgeräts 1 ermöglicht, und außerdem eine Kommunikationseinheit 17, die die Kommunikation über einen Feldbus 18, sowie die Energieversorgung des Füllstandmessgeräts 1 steuert und regelt. Über die Kommunikationseinheit 17 kommuniziert das Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise mit einer externen Bedieneinheit, weiteren Feldgeräten und/oder einer Leitstelle, Alternativ oder zusätzlich zum drahtgebundenen Feldbus 18 kann das Füllstandsmessgerät 1 auch über eine Funknetzschnittstelle, z. B. WLAN, mit weiteren Feldgeräten oder der Leitstelle, sowie einem Bedieneinheit kommunizieren.
Die Antenne 10 ist in den Ausführungsbeispielen beispielsweise als Hornantenne ausgeführt, über welche ein Mikrowellensignal 6 in Richtung der Oberfläche des Mediums 2 mit einer vorgegebenen Strahlcharakteristik ausgestrahlt wird. Gleichwohl kann die Antenne 10 in jeglicher bekannten freiabstrahlenden Antennenform, wie z. B. Parabol- oder Planarantenne, ausgestaltet sein. Bezüglich der Mikrowellen-Messmethode wird in der Sende-/Empfangseinheit 16 beispielsweise ein hochfrequentes Mikrowellensignal 6 als Sendesignal S erzeugt und über die Antenne 10 in einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik in Richtung Medium 2 ausgesendet oder abgestrahlt. Nach einer von einer zurückgelegten Strecke abhängigen Laufzeit werden die an der Oberfläche des Mediums 2 zumindest teilweise widergespiegelten Sendesignale S als Reflexionssignal R von der Antenne 10 und der Sende-/Empfangseinheit 16 empfangen. Die nachgeschaltete Regel-/Auswerteeinheit 9 ermittelt aus den Reflexionssignalen R eine Echofunktion, die die Amplitudenwerte der Echosignale dieser Reflexionssignale R in Abhängigkeit der zurückgelegten Strecke oder der entsprechenden Laufzeit darstellt. Durch eine Filterung und Analog/Digitalwandlung wird aus der analogen Echofunktion bzw. der Echokurve eine einhüllende, digitalisierte Hüllkurve erzeugt. Im Falle der Verwendung eines Mikrowellensignals als Sendesignal S umfasst die Sende-/Empfangseinheit 16 zumindest ein Hochfrequenz-Modul, welches beispielsweise hochfrequente, impulsförmige Sendesignale S im Gigahertz-Bereich, z. B. 26 GHz oder 77 GHz, erzeugt und einen Homodyn- und/oder Heterodyn-Empfänger, bei dem die empfangenen Reflexionssignale R signaltechnisch vorverarbeitet und zeitgedehnt in einer Hüllkurve umgesetzt werden.
Die Laufzeit-Messmethode lässt sich im wesentlichen in zwei Ermittlungsverfahren einteilen: Das erste Ermittlungsverfahren beruht auf einer Laufzeitmessung, die ein Impulsfolgen moduliertes Mikrowellensignal 6 für die zurückgelegte Wegstrecke erfordert; ein zweites weit verbreitetes Ermittlungsverfahren, das FMCW bzw. Frequency-Modulated-Continuous-Wave – Verfahren, beruht auf der Bestimmung der Frequenzdifferenz des aktuell ausgesendeten, kontinuierlich frequenzmodulierten Sendesignal S zum empfangenen Reflexionssignal R des Hochfrequenzsignals 6. Beim FMCW-Verfahren wird meistens noch zwischen einer rampenförmigen Modulation und der stufenförmigen Modulation der Frequenzen unterschieden. Im Allgemeinen wird in den folgenden Ausführungen keine Beschränkung auf ein bestimmtes Ermittlungsverfahren vorgenommen.
Bei Frequenzen der Mikrowellensignale 6 von größer als 20 GHz können zur Fokussierung elektromagnetischer Wellen auch in kleinen Anordnungen bzw. bei kurzen Distanzen näherungsweise optische Gesetzte angewendet werden. Eine physikalische Grenze der örtlichen Auflösung in einer bestmöglich fokussierten Ebene ist ein halbe Wellenlänge des Mikrowellensignals 6. Mit einer bikonvexen dielektrischen Linse 11 lässt sich damit die von einer Antenne, z. B. einer Hornantenne, einer Planarantenne bzw. einem Primärstrahler, abgestrahlte Wellenfront in einem kleinen Brennpunkt B1, B2 bündeln, wobei die Fläche des Brennpunkts B1, B2 von den Abmessungen bzw. dem Durchmesser der Linsenapertur d2 und dielektrischen Linse 11 und der gewählten Brennweite f1, f2 abhängt. In der 1 die Anordnung der Linse 11 vor der Antenne 10 so gewählt, dass die in einem ersten Brennpunkt B1 bei der ersten Brennweite f1 der Linse 11 ausgesendeten Hochfrequenzsignale 6 der Antenne 10 vollständig innerhalb der Linsenapertur 12 auf die Linse 11 auftreffen und dass die in einem zweiten Brennpunkt B2 bei der zweiten Brennweite f2 in einem Öffnungsbereich 15 der Öffnung 14 des flaschenähnlichen Behälters 4 mit einem Öffnungsdurchmesser d1 liegt. Der Öffnungsdurchmesser d1 der Öffnung 14 des Behälters 4 kann durch die Fokussierung der Hochfrequenzsignale 6 durch die Linse 11 um Größenordnungen kleiner sein als der Durchmesser der Linsenapertur d2.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel zu Ermittlung des Füllstands 13 in einer Rinne 5 gezeigt. Solche schmalen Rinnen 5 werden beispielsweise in Metallgießereien verwendet. Zum thermischen Schutz der Vorrichtung 1 bzw. der Linse 11 ist diese beispielsweise aus einem die thermischen Wärmestrahlung abschirmenden Material hergestellt oder durch ein solches die Wärmestrahlung abschirmendes Material beschichtet ist.
Außerdem kann zu Verbesserung der der Transmissionseigenschaften der Linse 11 auf den Oberflächen der Linse 11 eine Mikrostrukturierung oder eine Beschichtung mit einer Antireflexionsschicht vorgesehen werden.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel zur Bestimmung des Durchflusses in einer Rinne gezeigt, indem die Hauptabstrahlachse A der Antenne 10 windschief oder versetzt zur optischen Achse L der Linse 11 angeordnet ist. Durch den Versatz der Hauptabstrahlachse A der Antenne 10 zur optischen Achse L der Linse 11 treffen die elektromagnetischen Wellen 7 der Hochfrequenzsignale 6 in einem durch den Versatz vorgegeben Winkel auf der Oberfläche des Mediums 2 auf. Liegt die die Oberflächenrauhigkeit des zu messenden Mediums 2 über eine Viertel der Wellenlänge des verwendeten Hochfrequenzsignals 6 handelt es sich um einen Lambertschen Reflektor mit einem diffusen Reflexionssignal R.
Zur Ermittlung des Durchflusses 13 eines Mediums 2 in einer Rinne 5 wird die elektromagnetische Welle 7 des Mikrowellensignals 6 in einem Winkel auf die Oberfläche des Mediums 2 als Sendesignal S abgestrahlt. Die Frequenz des von der Oberflächenrauhigkeit und/oder weiteren Diskontinuitäten im Medium 2 diffus zurück gestreuten Reflexionssignals R ist unter Beachtung des Doppler-Effekts proportional zur Fließgeschwindigkeit des Mediums 2 in der Rinne 5. Diese Anordnung mit nur einer Antenne hat jedoch den Nachteil, dass bei leichter Verkippung der Antenne 11 bzw. der Rinne 5 oder Diskontinuitäten im Medium 2 sich auf den Messwert der Fließgeschwindigkeit auswirken.
Deshalb ist in 4 eine weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt, die eine eindeutige Messung der Fließgeschwindigkeit des Mediums 2 in Rinnen 5 ermöglicht. In diesem Ausführungsbeispiel werden eine erste Antenne 10a und zumindest eine zweite Antenne 10b, deren Hauptabstrahlachsen (A) in einem windschiefen Winkel zueinander und/oder mit einem unterschiedlichen Versatz der beiden Hauptabstrahlachsen (Aa, Ab) der beiden Antennen (10a, 10b) zur optischen Achse (L) der Linse (11) angeordnet sind, über der Linse 11 angebracht. Durch die unterschiedlichen Winkel mit der die elektromagnetischen Wellen 7 der Hochfrequenzsignale 6 der beiden, versetzt angeordneten Antennen 10a, 10b auf die Oberfläche des Mediums 2 auftreffen, werden unterschiedliche der Fließgeschwindigkeiten des Mediums 2 in der Rinne 5 proportionalen Frequenzen für jede Antennenausrichtung ermittelt. Aus diesen – unterschiedlichen Doppler-Frequenzen werden von der Regel-/Auswerteeinheit 9 mittels einer Mittelwertbildung somit eine eindeutige Fließgeschwindigkeit des Durchflusses 12 des Mediums 2 in der Rinne 5 ermittelt, da sich ändernde Messbedingung, wie z. B. Winkeländerungen sich gegenläufig in den beiden ermittelten Doppler-Frequenzen der Antennen 10a, 10b auswirken.
Solche Janus-Anordnungen von Antenne 10 zur Ermittlung von Geschwindigkeiten bei Fahrzeugen ist aus der WO 1996/24071 A1 und der DE 4021167 A1 bekannt.
In 5 ist ein ergänzendes, fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt. In dieser Ausgestaltung sind die Hauptabstrahlrichtungen Aa, Ab, Ac der drei in einer parallelen Ebene zur Linse 11 liegenden Antennen 10a, 10b, 10c versetzt zur optischen Achse L der Linse 11 angeordnet, so dass mehrere Brennpunkte B1, B2, B3 auf der Oberfläche des Mediums 2 bzw. Strahlungskeulen der elektromagnetischen Wellen 7 des Hochfrequenzsignals 6 erzeugt werde. Durch die Erzeugung mehrer Brennpunkte B1, B2, B3 bzw. Strahlungskeulen kann an mehren Stellen der Oberfläche des Mediums 2 der Füllstand 13 oder die Ebenheit der Oberfläche des Mediums 2 in der Rinne 5 oder auf eine Förderband ermittelt werden.
Desweiteren ist es durch diese Ausgestaltung als Mehrkeulenantenne möglich, zwischen Störreflexionssignalen von beispielsweise Einbauten in den Behältern 4 und Nutzreflexionssignalen zu Ermittlung des Füllstands 13 im Behälter 4 oder einer Rinne 5 zu unterscheiden. Hierzu wird beispielsweise ein Differenzkeulenverfahren verwendet, das aus der Ermittlung der Amplituden- und Phasenunterschiede von zwei oder mehreren Antennen mit unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken den Zielwinkel des Reflektors bestimmt. Durch diesen Zielwinkel kann zwischen den Störechosignalen der Einbauten, z. B. Behälterwand, Rohre oder Rührwerke, und den Nutzechosignal des Mediums 2 im Behältnis 3 unterschieden werden. Ein solches Differenzkeulenverfahren zur Unterscheidung zwischen den Störechosignalen und den Nutzechosignalen bei der Füllstandsmessung eines Mediums 2 in Behältern 4 wird beispielsweise in der EP 01 143 724 A1 beschrieben.
In 6 ist eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels zur Bestimmung des Durchflusses und/oder des Füllstandes 13 eines Mediums 2 in einem Behälter 4 oder einer Rinne 5 mit einer bistatischen Anordnung der ersten Antenne 10a und der zweiten Antenne 10b gezeigt, bei der sich die Hauptabstrahlrichtungen A in einer Stelle auf der Oberfläche des Mediums 2 treffen und sich somit Bestrahlungsflächen der Brennpunkt B1, B2 überlappen. Durch diese Ausgestaltung der Anordnung der beiden Antenne 10a, 10b vor der Linse 11 überlappen sich die beiden Beleuchtungsflächen der Brennpunkte B1, B2 auf der Oberfläche des Mediums 2. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass bei spiegelnd reflektierenden und/oder schaukelnden Oberflächen der Füllstand auch ermittelt werden kann. Hierzu ist die erste Antenne 10a als Sendeantenne, die ein Sendesignal S in Richtung der Oberfläche des Mediums 2 aussendet, und die zweite Antenne 10b als eine Empfangsantenne, die die an der Oberfläche des Mediums 2 reflektierten Reflexionssignal R wieder empfängt, ausgestaltet.
Diese Ausgestaltungsarten der Fokussierungs-Linse 11 sind auch an die klassischen Planar-, Parabolantennen usw. adaptierbar, was in dieser Anmeldung jedoch nicht explizit angezeigt ist.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind,

– dass die Überwachung des Füllstands 13 in mobilen Behältern 4 mit einem Flaschenhals oder einer verengten Öffnung 14, deren Füllstand 13 vor dem Verschließen geprüft werden muss und die dazu beispielsweise auf einem Förderband unter der Vorrichtung 1 bewegt werden, möglich ist,
– dass ein kontinuierliche Messung und Überwachung des Füllstands 13 in schmalen Rinnen 5 möglich ist,
– dass eine eindeutige Durchflussmessung in Rinnen bei diffus reflektierender Flüssigkeitsoberfläche mittels der Janusanordnung von zwei Antennen 10, 10a, 10b über einer der Linse 11 möglich ist,
– dass eine kontinuierliche Messung und Überwachung des Füllstands 13 oder Durchflusses 12 von heißen Schmelzen von Metallen und/oder Gläsern in Gussformen und Gussrinnen möglich ist, wobei durch die bikonvexe Linse 11 trotz eines ausreichenden Sicherheitsabstands zur heißen Schmelze ein eng eingegrenzter Messbereich in einer engen Öffnung des Behälters 4 oder einer engen Rinne 5 möglich ist, und
– dass eine Mehrpunktüberwachung von zäh fließenden oder schüttgutartigen Medien 2 in Gussformen oder zur Überwachung einer Förderbandbelegung umgesetzt werden kann.

1: Vorrichtung, Füllstandsmessgerät,
2: Medium
3: Behältnis
4: Flaschenähnlicher Behälter
5: Rinne
6: Hochfrequenzsignale, Mikrowellensignale
7: elektromagnetische Wellen
8: Messumformer
9: Regel-/Auswerteeinheit
10: Antenne, Sende-/Empfangselement
10a: Erste Antenne
10b: Zweite Antenne
10c: Dritte Antenne
11: Linse, dielektrische Linse
12: Durchfluß
13: Füllstand
14: Öffnung
15: Öffnungsbereich
16: Sende-/Empfangseinheit
17: Kommunikationseinheit
18: Feldbus
A: Hauptabstrahlachse
Aa: Hauptabstrahlachse der ersten Antenne
Ab: Hauptabstrahlachse der zweiten Antenne
Ac: Hauptabstrahlachse der dritten Antenne
L: Optische Achse
B1: Erste Brennpunkt
B2: Zweiter Brennpunkt
B3: Dritter Brennpunkt
f1: Erste Brennweite
f2: Zweite Brennweite
d1: Durchmesser der Öffnung, Öffnungsdurchmesser
d2: Durchmesser der Linsenapertur
S: Sendesignal
R: Reflexionssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4412770 A1 [0004]
- EP 0773598 A2 [0004]
- WO 1996/24071 A1 [0038]
- DE 4021167 A1 [0038]
- EP 01143724 A1 [0040]

Claims

Vorrichtung (1) zur Ermittlung und/oder Überwachung des Füllstandes (13) und/oder Durchflusses (12) eines Mediums (2) in einem Behältnis (3), mit zumindest einer Antenne (10), die Hochfrequenzsignale (6) in einer vorgegebenen Strahlcharakteristik entlang einer Hauptabstrahlachse (A) in Richtung der Oberfläche des Mediums (2) aussendet und/oder empfängt, und wobei eine Regel-/Auswerteeinheit (9) vorgesehen ist, der die reflektierten Hochfrequenzsignale (6) signaltechnisch auswertet und den Füllstands (4) anhand der Laufzeit der Hochfrequenzsignale (6) und/oder den Durchfluss (3) anhand von einer Doppler-Frequenz der reflektierten Hochfrequenzsignale (6) bestimmt, und wobei zumindest eine Linse (11) mit einer ersten Brennweite (f1) in Richtung der der Antenne (10) und mit einer zweiten Brennweite (f2) in Richtung der Oberfläche des Mediums (2) zwischen der Antenne (10) und dem Medium (2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Brennpunkt (B1) bei der ersten Brennweite (f1) der Linse (11) so gewählt wird, dass die ausgesendeten Hochfrequenzsignale (6) der Antenne (10) innerhalb der Linsenapertur (12) auf die Linse (11) auftreffen und dass ein zweiter Brennpunkt (B2) bei der zweiten Brennweite (f2) in einem Öffnungsbereich des Behältnisses (3) mit einem Öffnungsdurchmesser (d1), der kleiner als der Durchmesser (d2) der Linsenapertur (12) ist, liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (3) als ein flaschenähnlicher Behälter (4) mit einer auf einen Durchmesser (d1) verengten Öffnung im Halsbereich ausgestaltet ist und der zweite Brennpunkt (62) der zweiten Brennweite (f2) der Linse (11) der ausgesendeten und an der Oberfläche des Mediums (2) reflektierten Hochfrequenzsignale (6) in diesem verengten Öffnungsbereich liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (5) als eine Rinne mit dem Durchmesser (d1) im Öffnungsbereich ausgestaltet ist, in dem der zweite Brennpunkt (62) der zweiten Brennweite (f2) der ausgesendeten und an der Oberfläche des Mediums (2) reflektierten Hochfrequenzsignale (6) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptabstrahlachse (A) der Antenne (10) zur optischen Achse (L) der Linse (11) versetzt angeordnet ist, so dass die Hochfrequenzsignale (6) nicht senkrecht auf der Oberfläche des Mediums (2) auftreffen und die Regel-/Auswerteeinheit () anhand der durch den Doppler-Effekt erhaltenen Frequenz aufgrund der diffusen Reflexion der Hochfrequenzsignale (6) an der Oberfläche des Mediums (2) die Geschwindigkeit () des Durchfluss () des Mediums (2) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Antenne (10a) und zumindest eine zweite Antenne (10b) vorgesehen ist, deren Hauptabstrahlachsen (A) in einem windschiefen Winkel zueinander und/oder mit einem unterschiedlichen Versatz der beiden Hauptabstrahlachsen (Aa, Ab) der beiden Antennen (10a, 10b) zur optischen Achse (L) der Linse (11) angeordnet sind und die Regel-/Auswerteeinheit (9) aus einer Mittelwertbildung der beiden durch den Doppler-Effekt erhaltenen Frequenzen somit eine eindeutige Geschwindigkeit des Durchflusses (12) des Mediums (2) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brennweite (f2) in der Größenordnung der ersten Brennweite (f1) der Linse (11) liegt.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine bikonvexe Linse (11) aus einem dielektrischen Material hergestellt ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zylindrische Linse (11) aus einem dielektrischen Material ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bikonvexe Linse (11) aus einem dielektrischen, die Wärmestrahlung abschirmenden Material hergestellt oder durch ein solches die Wärmestrahlung abschirmendes Material beschichtet ist und/oder dass die Oberflächen der Linse (11) durch eine Strukturierung oder einen Materialüberzug mit einer Antireflexionsschicht ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine bistatische Anordnung der ersten Antenne (10a) und der zweiten Antenne (10b) so ausgestaltet ist, dass sich die Hauptabstrahlrichtungen (A) sich in einer Stelle auf der Oberfläche des Mediums (2) treffen und sich somit Bestrahlungsflächen der Brennpunkt (B1, B2) überlappen.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Hilfsmittel für die Ausrichtung der Hauptabstrahlrichtungen (Aa, Ab, Ac) der Antennen (10a, 10b, 10c) zur optischen Achse (L) der Linse (11) durch eine Markierung der Brennpunkte B1, B2, B3 auf der Oberfläche des Mediums (2) mittels ein optisch sichtbaren Lichtpunkt vorgesehen ist.