DE19934041A1

DE19934041A1 - Füllstand-Sensorvorrichtung

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Publication number: DE19934041A1
Application number: DE19934041A
Authority: DE
Inventors: Winfried Schernus; Alfred Ebberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2019-07-17
Also published as: DE19934041C2

Abstract

Eine Füllstand-Sensorvorrichtung zum Erfassen des Füllstands eines Mediums in einem Behälter enthält einen Mikrowellenresonator (50), der ein für elektrische Mikrowellenfelder durchlässiges Fenster (55) aufweist. Der Mikrowellenresonator (50) wird in der Nähe des zu erfassenden Füllstands außerhalb des Mediums und mit dem Fenster (55) zu dem Medium weisend positioniert. Mit dem Mikrowellenresonator (50) steht eine Oszillatorschaltung in Wirkverbindung. Eine Steuer- und Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, eine Verstimmung der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators (50) infolge des aus dem Fenster (55) in das Medium eindringenden elektrischen Leckfeldes (59), wenn sich der Füllstand des Mediums in der Nähe des Fensters (55) befindet, zu erfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Füllstand-Sensorvorrichtung zum Erfassen des Füllstands eines Mediums in einem Behälter sowie ein Verfahren zum Erfassen des Füllstands eines Mediums in einem Behälter.

Füllstand-Sensoren und Füllstand-Meßvorrichtungen sind weit verbreitet. Sie dienen zum Erfassen bzw. zum Messen des Füll stands eines Mediums wie zum Beispiel einer Flüssigkeit oder eines Pulvers in einem Behälter, der geschlossen oder offen sein kann. Ein typischer Anwendungsfall ist das Überwachen des Füllstands, um zu verhindern, daß der Behälter überläuft oder der Füllstand (d. h. bei einer Flüssigkeit der Flüssigkeitsspiegel) unter ein vorgegebenes Niveau abfällt. In diesem Fall reicht es in der Regel aus, wenn ein Signal (zum Beispiel ein Steuer- oder Alarmsignal) abgegeben wird, sobald der Füllstand in die Nähe eines vorgegebenen Werts gelangt. Eine genaue Messung des Füllstands ist dabei meist nicht erforderlich. Bei anderen Applikationen kann mit einer Vorrichtung zum Erfassen des Füllstands der Füllstand des Mediums in dem Behälter über einen größeren Bereich oder über die gesamte Höhe des Behälters gemessen werden.

Füllstand-Sensorvorrichtungen, bei denen Teile der Vorrichtung mit dem Medium in Berührung kommen dürfen, lassen sich relativ einfach aufbauen. Ein Beispiel dafür ist ein Schwimmer, der in einer Flüssigkeit in der Nähe des Flüssigkeitsspiegels schwimmt und über eine mechanische Kopplungseinrichtung zum Beispiel auf einen Schalter oder ein Ventil wirkt. Daneben sind aber auch Füllstand-Sensorvorrichtungen bekannt, die außerhalb des Mediums angeordnet sind.

So beschreibt die FR 2 738 338 A1 ein optisches Verfahren, bei dem Änderungen im Niveau eines Flüssigkeitsspiegels mit Hilfe von zwei Infrarotdetektoren erfaßt werden. Optische Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß die Wandung des Behälters, in dem sich das Medium befindet, aus durchsichtigem Material bestehen muß, das möglichst frei von Schlieren und Verschmutzungen sein sollte. Der Spiegel einer klaren Flüssigkeit läßt sich mit Hilfe eines optischen Verfahrens nur unter Schwierigkeiten feststellen.

Bekannt sind auch Ultraschallverfahren, bei denen ausgenutzt wird, daß ein Ultraschallsignal an einer Grenzfläche zwischen zwei Medien, in denen die Schallgeschwindigkeit unterschiedlich ist, reflektiert wird. Ultraschallverfahren können jedoch nur bei bestimmten Behältermaterialien angewendet werden. Zudem muß in der Regel die Ultraschallsonde mit Hilfe eines Gels an die Behälterwandung angekoppelt werden, was umständlich ist.

Aus der EP 0 361 023 A1 ist ein mit Mikrowellen arbeitendes Verfahren zum Überwachen des Füllstands einer Flüssigkeit aus dem medizinischen Bereich bekannt. Dabei wird ein Dipol, der Bestandteil eines mit mindestens 50 MHz betriebenen Oszillators ist, an der Außenwand des Flüssigkeitsbehälters montiert. Wenn der Flüssigkeitsspiegel einen Sollwert erreicht, ändert sich die für die Schwingung des Oszillators maßgebliche Phasen- oder Amplitudenbedingung. Die Verwendung eines Dipols hat jedoch den Nachteil, daß die Gefahr einer unerwünschten Abstrahlung von elektromagnetischer Energie besteht, was zum Beispiel zu Störungen an benachbarten Geräten führen kann.

In der JP 7280627 ist eine Resonatorstruktur beschrieben, die von zwei Seiten an einem Behälter mit einem zu erfassenden Füllstand angebracht wird. An den Resonator werden Mikrowellen angelegt, die mit Hilfe eines Oszillators erzeugt werden, der eine Gunn- Diode enthält. Wenn die Flüssigkeit in dem Behälter einen vorgegebenen Füllstand erreicht, bildet sich eine stehende Welle aus, deren Amplitude ausgewertet wird. Der mechanische Aufbau dieser Anordnung ist relativ kompliziert, und die Auswertung der Amplitude kann nur mit einer verminderten Genauigkeit erfolgen.

Eine weitere Füllstand-Sensorvorrichtung, die mit Mikrowellen arbeitet, ist aus der DE 195 16 789 A2 bekannt. Darin wird ein Mikrowellensensor mit einem Sender und einem Empfänger verwendet, und die Auswertung erfolgt wiederum über die Amplitude einer sich ausbildenden stehenden Welle. Die Genauigkeit ist daher nicht sehr hoch.

Ferner gibt es Mikrowellenverfahren zum Messen eines Füllstands, die mit Freistrahlausbreitung und unter Bestimmung der Laufzeit von Mikrowellen bzw. mit Hilfe einer komplexen Netzwerkanalyse arbeiten. Sie sind jedoch in der Regel aufwendig und erfordern eine hohe mechanische Genauigkeit.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, um den Füllstand eines Mediums in einem Behälter auf zuverlässige und einfach zu handhabende Weise von außerhalb des Mediums zu erfassen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Füllstand-Sensorvorrichtung zum Erfassen des Füllstands eines Mediums in einem Behälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Erfassen des Füllstands eines Mediums in einem Behälter mit den Merkmalen des Anspruchs 21. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Füllstand-Sensorvorrichtung zum Erfassen des Füllstands eines Mediums in einem Behälter hat einen Mikrowellen resonator, der ein für elektrische Mikrowellenfelder durch lässiges Fenster aufweist. Der Mikrowellenresonator wird in der Nähe des zu erfassenden Füllstands, außerhalb des Mediums und mit dem Fenster zu dem Medium weisend positioniert. Mit dem Mikrowel lenresonator steht eine Oszillatorschaltung in Wirkverbindung. Eine Steuer- und Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, eine Verstimmung der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators infolge des aus dem Fenster in das Medium eindringenden elek trischen Leckfeldes, wenn sich der Füllstand des Mediums in der Nähe des Fensters befindet, zu erfassen.

Bei der erfindungsgemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung wird also ausgenutzt, daß sich die Resonanzfrequenz des Mikrowellenresona tors verschiebt, wenn der Bereich, der von dem aus dem Fenster austretenden Leckfeld durchsetzt wird, seine Eigenschaften, zum Beispiel seine Dielektrizitätskonstante, ändert. Das ist der Fall, wenn in diesen Bereich oder einen Teil dieses Bereichs das Medium aufgrund einer Änderung des Füllstands eintritt oder diesen Bereich oder einen Teil dieses Bereichs verläßt. Da mit Hilfe der Steuer- und Auswerteeinrichtung letztlich eine Frequenz bestimmt wird, was mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen kann, arbeitet die erfindungsgemäße Füllstand-Sensorvorrichtung zuverlässig und genau, obwohl das Meßprinzip lediglich auf einer Art Randeffekt beruht, der bei einem idealen Mikrowellenresonator mit für elektrische Mikrowellenfelder undurchlässigen Wandungen gar nicht auftritt.

Wenn der Behälter mit dem Medium (zum Beispiel einer Flüssigkeit oder einem Pulver), dessen Füllstand erfaßt werden soll, nichtmetallische Wandungen hat, kann der Mikrowellenresonator außerhalb des Behälters angeordnet werden, vorzugsweise relativ dicht an der Behälterwandung. Dabei wird die Behälterwandung von dem elektrischen Leckfeld durchdrungen. Ein Einfluß der Behälter wandung auf das Leckfeld läßt sich durch Kalibrierungsmessungen berücksichtigen. Insbesondere verstimmt sich die Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators, die bereits von den Eigenschaften der Behälterwandung mitbeeinflußt ist, weiter, wenn in das elek trische Leckfeld, das auch bis ins Innere des Behälters hinein reicht, zusätzlich das Medium eintritt (oder wenn das Medium diesen Bereich des elektrischen Leckfeldes verläßt).

Die erfindungsgemäße Füllstand-Sensorvorrichtung kann aber auch zum Überwachen des Füllstands in einem Behälter mit metallischer Wandung verwendet werden. Dabei wird ein Mikrowellenresonator innerhalb des Behälters und oberhalb des höchsten zu erwartenden Füllstands angeordnet. Auch in diesem Fall läßt sich verhindern, daß der Mikrowellenresonator mit dem Medium in Kontakt kommt, zum Beispiel indem die Steuer- und Auswerteeinrichtung eine mit dem Behälter in Verbindung stehende Zufuhrleitung für das Medium absperrt, sobald der Füllstand seinen vorgegebenen Höchstwert erreicht hat.

Gegenüber optischen Verfahren haben die erfindungsgemäße Füllstand-Sensorvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen des Füllstands eines Mediums in einem Behälter die Vorteile, daß der Behälter auch aus undurchsichtigem Material bestehen kann und optische Unregelmäßigkeiten im Behälter wie zum Beispiel Schlieren keine Rolle spielen. Bis zu einem gewissen Grad besteht auch Unempfindlichkeit gegen Verschmutzung der Behälterwandung. Schließlich kann auch der Füllstand einer klaren Flüssigkeit gut erfaßt werden.

Im Vergleich zu vorbekannten Ultraschallverfahren ist es vorteilhaft, daß die erfindungsgemäße Füllstand-Sensorvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bei Behältern aus beliebigen nichtmetallischen Werkstoffen angewendet werden können, wobei der Mikrowellenresonator außerhalb des Behälters positioniert wird. Dabei ist zum Beispiel kein Gel zur Ankopplung an die Behälter wandung erforderlich. Es ergeben sich auch keine nachhaltigen Störungen durch unterschiedliche Wandstärken, da der Einfluß der Behälterwandung problemlos durch Kalibrierungsmessungen berück sichtigt werden kann. Wie oben erläutert, können die erfindungs gemäße Füllstand-Sensorvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren aber auch zum Erfassen des Füllstands eines Mediums in einem metallischen Behälter angewendet werden.

Die erfindungsgemäße Füllstand-Sensorvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen bei einfacher Handhabung eine hohe Genauigkeit. Ferner findet keine unerwünschte Ab strahlung von elektromagnetischer Energie statt, die in der Umgebung zu Störungen führen könnte. Dadurch ergeben sich auch Vorteile im Vergleich zu den vorbekannten Mikrowellenverfahren.

Der Mikrowellenresonator kann zum Beispiel als koaxialer Leitungsresonator oder als Hohlraumresonator gestaltet sein. Koaxiale Leitungsresonatoren oder Hohlraumresonatoren sind kommerziell erhältlich.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Mikrowellenresonator als frequenzbestimmendes Element der Oszillatorschaltung eingerichtet. Er wird damit Teil der Oszillatorschaltung, so daß sich eine Verstimmung der Resonanz frequenz des Mikrowellenresonators direkt auf die Frequenz auswirkt, mit der die Oszillatorschaltung schwingt.

Dabei kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung einen Frequenz teiler aufweisen, über den das Mikrowellensignal der Oszillator schaltung einem Mikroprozessor zuführbar ist. Der Frequenzteiler setzt die Signalfrequenz auf einen Wert herab, der für eine direkte Auswertung mit einem Mikroprozessor zugänglich ist. Um eine Verfälschung der Signalauswertung infolge einer Verschiebung der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators aufgrund einer Temperaturdrift zu vermeiden, ist der Mikrowellenresonator vorzugsweise über eine temperaturgesteuerte Verstimmungsein richtung, vorzugsweise eine Kapazitätsdiode, zur Temperaturkom pensation verstimmbar. Dazu kann beispielsweise die Temperatur in der Nähe des Mikrowellenresonators gemessen werden, wobei ein Mikroprozessor das Temperatursignal mit Hilfe eingespeicherter Kalibrierungsdaten in ein Steuersignal für die Verstimmungsein richtung umsetzt.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Referenzresonator vorgesehen, dessen Resonanzfrequenz grundsätzlich von der des zum Erfassen des Füllstands einsetz baren Mikrowellenresonators (des Meßresonators) verschieden ist. Dabei werden die Mikrowellensignale beider Mikrowellenresonatoren einem Mischer zugeführt, der dazu eingerichtet ist, ein Ausgangs signal mit einer Frequenz zu bilden, die gleich der Differenz der Frequenzen der beiden Mikrowellensignale ist. Dies hat vor allem zwei Vorteile. Zum einen kann der Unterschied der beiden Resonanzfrequenzen so gewählt werden, daß das Ausgangssignal des Mischers eine relativ niedrige Frequenz hat (zum Beispiel 5 MHz), die ohne Zwischenschaltung eines Frequenzteilers einem Mikro prozessor zugeführt werden kann. Unter der Voraussetzung, daß der Referenzresonator und der Meßresonator das gleiche Temperatur driftverhalten zeigen, ändert sich die Frequenz des Ausgangssignals des Mischers praktisch nicht mit der Temperatur, so daß Frequenzänderungen direkt auf einen geänderten Füllstand zurückzuführen sind. In diesem Fall ist also keine zusätzliche Temperaturkompensation erforderlich.

Bei der vorgenannten Ausgestaltung kann einer der beiden Mikrowellenresonatoren, vorzugsweise der Meßresonator, über eine Verstimmungseinrichtung, vorzugsweise eine Kapazitätsdiode, verstimmbar sein. Dabei ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, dessen Frequenz so zu verstimmen, daß das Ausgangssignal des Mischers die Frequenz Null oder eine sehr niedrige Frequenz im Bereich von Hz oder kHz hat. Der Pegel einer Regelspannung für die Verstimmungseinrichtung ist somit ein Maß für die Verstimmung der Resonanzfrequenz des Meßresonators aufgrund eines geänderten Füllstands. Bei dieser Ausgestaltung ist die Signalaufbereitung in der Steuer- und Auswerteeinrichtung besonders einfach.

Die Oszillatorschaltung kann auch in einem externen Oszillator enthalten sein, der dazu eingerichtet ist, dem Mikrowellenresona tor ein Mikrowellensignal vorgegebener Frequenz zuzuführen. Hierbei dient der Mikrowellenresonator also nicht als freguenzbe stimmendes Element einer Oszillatorschaltung, sondern er wird durch einen externen Oszillator mit einem Mikrowellensignal vorgegebener Frequenz beaufschlagt.

Die Steuer- und Auswerteeinrichtung kann dabei dazu eingerichtet sein, mit dem externen Oszillator die Resonanzkurve des Mikrowel lenresonators zumindest teilweise abzufahren. So läßt sich zum Beispiel aus der Breite der Resonanzkurve die Güte des Mikrowel lenresonators als Maß für den Füllstand bestimmen.

Die Steuer- und Auswerteeinrichtung kann auch einen vektoriellen Netzwerkanalysator aufweisen, der den externen Oszillator enthält. Damit lassen sich zum Beispiel Betrag und Phase eines Reflexionsfaktors des Mikrowellenresonators bestimmen, um die Verstimmung der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators zu erfassen. Vorzugsweise wird der vektorielle Netzwerkanalysator durch einen Mikroprozessor gesteuert, der auch die Meßdaten des vektoriellen Netzwerkanalysators aufbereitet und auswertet. Der Mikroprozessor kann, so, wie auch bei anderen Ausführungsformen der Erfindung, ein Bestandteil der Steuer- und Auswerteein richtung sein.

Grundsätzlich ist es möglich, daß die Füllstand-Sensorvorrichtung mit mehreren Mikrowellenresonatoren versehen ist, die jeweils ein für elektrische Mikrowellenfelder durchlässiges Fenster auf weisen. Diese Mikrowellenresonatoren werden in der Nähe des zu erfassenden Füllstands, außerhalb des Mediums und mit dem jeweiligen Fenster zu dem Medium weisend positioniert, und zwar in unterschiedlichen Höhen. Auf diese Weise ist es möglich, unterschiedliche Füllstandshöhen zu erfassen. Wenn einer der Mikrowellenresonatoren oberhalb des höchsten zu erwartenden Füllstands liegt, wird bei einer Anordnung, bei der die Mikrowel lenresonatoren an der Außenseite des Behälters montiert sind, die Verstimmung der Resonanzfrequenz dieses Mikrowellenresonators nahezu ausschließlich durch die Eigenschaften der Behälterwandung bestimmt (vor allem durch deren Dicke und relative Dielek trizitätszahl). Eine derartige Füllstand-Sensorvorrichtung kann problemlos an Behältern, deren Wandungen von Behälter zu Behälter unterschiedlich aufgebaut sind, verwendet werden, da der Einfluß der Behälterwandung mit Hilfe des oberen Mikrowellenresonators ohne zusätzliche Mühe herauskalibriert werden kann. Vorzugsweise hat bei einer derartigen Ausgestaltung die Steuer- und Auswerte einrichtung eine Schalteinrichtung zum Zuführen des Mikrowellen signals eines vorgewählten Mikrowellenresonators zu Komponenten der Steuer- und Auswerteeinrichtung, die für alle Mikrowellenre sonatoren gemeinsam nutzbar sind.

Die erfindungsgemäße Füllstand-Sensorvorrichtung eignet sich sehr gut zum Überwachen eines Füllstands, der nur in einem relativ engen Bereich schwanken darf. Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet, ein Signal abzugeben, wenn der Füllstand des Mediums einen vorgegebenen Wert überschreitet oder unterschreitet. Beispiele für ein derartiges Signal sind ein Alarmsignal, ein Steuersignal für eine Regeleinrichtung, die den Füllstand weitgehend konstant hält, oder eine Kombination solcher Signale.

Grundsätzlich ist die Erfindung aber auch dazu geeignet, den Füllstand eines Mediums in einem Behälter über einen größeren Bereich zu erfassen, also zu messen. Um dies zu erreichen, kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet sein, mittels der gemessenen oder ermittelten Verstimmung der Resonanz frequenz des Mikrowellenresonators und mittels Kalibrierungs daten, die die gemessene Abhängigkeit der Verstimmung der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators von dem Füllstand des Mediums wiedergeben, den Füllstand des Mediums in absoluten oder relativen Einheiten zu bestimmen. Es wird also der Effekt ausgenutzt, daß sich die Resonanzfrequenz eines Mikrowellenreso nators allmählich ändert, wenn sich der Flüssigkeitspegel in der Nähe des Mikrowellenresonators bewegt. Da Frequenzen mit sehr hoher Genauigkeit meßbar sind, läßt sich bei Anwendung guter Kalibrierungsdaten der Füllstand einer Flüssigkeit oder auch eines anderen Mediums in einem gewissen Bereich zuverlässig ermitteln, obwohl das aus dem Fenster des Mikrowellenresonators in das Medium eindringende Leckfeld keine allzu große Reichweite hat. Bei Bedarf können mehrere Mikrowellenresonatoren überein ander angeordnet werden, um eine größere Meßstrecke zu realisie ren.

Ein Anwendungsfall der Erfindung ist das Überwachen des Füll stands in einem Dialyse-Entgasungsbehälter. In einen Dialyse- Entgasungsbehälter wird eine gasbeladene Dialyse-Flüssigkeit eingesprüht, um der Flüssigkeit Gelegenheit zum Entgasen zu geben. Über ein Saugrohr wird die entgaste Flüssigkeit abgesaugt und einem Dialyse-Patienten zugeführt. Der Füllstand in dem Dialyse-Entgasungsbehälter darf unter keinen Umständen unter einen vorgegebenen Minimalwert absinken; anderenfalls würde über das Saugrohr Luft angesaugt, was bei dem Patienten zu einer Embolie führen würde. Da die erfindungsgemäße Füllstand-Sensor vorrichtung leicht zu handhaben ist und bei geeigneter Ausgestal tung (siehe oben) keine Kalibrierungsmessungen zur Anpassung an einen gegebenen Dialyse-Entgasungsbehälter erfordert, ergeben sich im Vergleich zu vorbekannten Füllstandsensoren große Vorteile. Wenn der Dialyse-Entgasungsbehälter mit zwei in bezug auf die Längsachse des Dialyse-Entgasungsbehälters in Azimutrich tung um 180° versetzten Sprühstrahlen arbeitet, sind vorzugsweise mindestens zwei Mikrowellenresonatoren zum Erfassen des Füll stands vorgesehen, die außerhalb des Dialyse-Entgasungsbehälters und quer zueinander, vorzugsweise in Azimutrichtung um 90° versetzt, angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, daß unabhängig von der azimutalen Ausrichtung der beiden Mikrowellenresonatoren in bezug auf die Lage der Sprühstrahlen mindestens einer der Mikrowellenresonatoren den Füllstand ohne Störung durch einen Sprühstrahl erfassen kann. Wenn das Fenster eines der Mikrowel lenresonatoren zu einem Sprühstrahl weist, könnte dort nämlich ein zu hoher Füllstand vorgetäuscht werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Behälters mit einem Medium, dessen Füllstand mit Hilfe einer erfindungs gemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung erfaßt wird,

Fig. 2 in Teil (a) einen schematischen Längsschnitt durch einen als λ/4-Resonator ausgebildeten Mikrowellenreso nator der erfindungsgemäßen Füllstand-Sensorvorrich tung, wobei der Verlauf der elektrischen Komponente des Mikrowellenfeldes eingezeichnet ist, und in Teil (b) eine graphische Darstellung des elektrischen Feldver laufs innerhalb des Mikrowellenresonators,

Fig. 3 in Teil (a) einen schematischen Längsschnitt durch einen als λ/2-Resonator ausgebildeten Mikrowellenreso nator der erfindungsgemäßen Füllstand-Sensorvorrich tung, wobei der Verlauf der elektrischen Komponente des Mikrowellenfeldes eingezeichnet ist, und in Teil (b) eine graphische Darstellung des elektrischen Feldver laufs innerhalb des Mikrowellenresonators,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen Dialyse- Entgasungsbehälter, dessen Füllstand mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung erfaßt wird,

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch einen Dialyse- Entgasungsbehälter, der mit zwei Sprühstrahlen arbei tet, sowie die Anordnung von zwei Mikrowellenresonato ren einer erfindungsgemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung im Außenraum des Dialyse-Entgasungsbehälters,

Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt durch einen metal lischen Tank, in dessen Innenraum sich ein Rohr mit einem Mikrowellenresonator einer erfindungsgemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung befindet,

Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung des unteren Bereichs des Rohrs aus Fig. 6 mit dem Mikrowellenresonator,

Fig. 8 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung,

Fig. 9 ein Blockdiagramm einer mit der Ausführungsform aus Fig. 8 verwandten Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung,

Fig. 10 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung, die mit zwei Mikrowellenresonatoren arbeitet,

Fig. 11 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung,

Fig. 12 ein Blockdiagramm einer mit der Ausführungsform aus Fig. 11 verwandten Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung,

Fig. 13 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung, bei der ein spannungsgesteuerter Oszillator angewendet wird, und

Fig. 14 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllstand-Sensorvorrichtung, bei der ein vektorieller Netzwerkanalysator zur Anwendung kommt.

In Fig. 1 ist veranschaulicht, wie in einem Behälter 1, der ein Medium 2 enthält, der Füllstand 3 des Mediums 2, also die Höhe des Pegels des Mediums 2 über dem Boden des Behälters 1 oder relativ zu einer anderen Bezugsmarke, mit Hilfe einer Füllstand- Sensorvorrichtung erfaßt wird. Die Füllstand-Sensorvorrichtung weist einen Mikrowellenresonator 4 auf, der mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 in Verbindung steht. Dem Mikrowellenresona tor 4 ist ferner eine Oszillatorschaltung zugeordnet, die Komponenten an dem Mikrowellenresonator 4 oder einem Gehäuse für den Mikrowellenresonator 4 haben kann, aber auch vollständig oder teilweise in die Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 integriert sein kann. Gemäß Fig. 1 ist der Mikrowellenresonator 4 an der Außenwandung des Behälters 1 angeordnet, die in diesem Fall aus dielektrischem Material wie zum Beispiel Glas oder Kunststoff besteht.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Bauform des Mikrowellenresonators, der hier mit 10 bezeichnet ist. Dabei handelt es sich um einen koaxialen Leitungsresonator. Andere Ausgestaltungen des Mikrowellenresonators, zum Beispiel als Hohlraumresonator, sind jedoch ebenfalls denkbar.

Der Mikrowellenresonator 10 hat einen dielektrischen Grundkör per 12, der im Ausführungsbeispiel aus Keramik besteht. Andere als Dielektrikum taugliche Materialien wie z. B. Glas sind ebenfalls möglich. In Richtung der Längsachse des Grundkörpers 12 verläuft ein metallischer Innenleiter 14, der im Ausführungsbei spiel als Bohrung in dem Grundkörper 12 mit metallisierter Wandfläche ausgeführt ist. Die Mantelfläche 15 des Grundkör pers 12 ist ebenfalls metallisiert. An der Stirnseite 16 des Mikrowellenresonators 10 befindet sich jedoch keine Metall auflage, so daß dort ein Fenster ausgebildet ist, das für ein elektrisches Mikrowellenfeld durchlässig ist. Dieses Fenster kann sich auch in den an die Stirnseite 16 angrenzenden Bereich der Mantelfläche 15 fortsetzen, indem in diesem Bereich die Metalli sierung weggelassen ist. In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die gegenüberliegende Stirnseite 17 mit einer Metallauflage versehen, die jedoch keinen elektrischen Kontakt zu dem Innenlei ter 14 herstellt. Wegen der durch die Ausführung der Stirn seiten 16 und 17 gegebenen Randbedingungen ist der in Fig. 2 Teil (a) dargestellte Mikrowellenresonator 10 ein λ/4-Resonator, in dem sich im Resonanzfall unter Idealbedingungen eine Viertel wellenlänge ausbildet.

In Fig. 2 Teil (a) ist der Verlauf des elektrischen Feldes 18 entlang des Mikrowellenresonators 10 durch Pfeile und eine Kurve angedeutet. Diese Kurve, die eine Funktion der Längskoordinate L des Mikrowellenresonators 10 ist, ist auch in Fig. 2 Teil (b) dargestellt. Weil die Stirnseite 16 des Mikrowellenresonators 10 für das elektromagnetische Mikrowellenfeld durchlässig ist, kann ein elektrisches Leckfeld 19, also ein Streufeld, den Mikrowel lenresonator 10 verlassen, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Dieses elektrische Leckfeld 19 wird durch die Eigenschaften der Substanz oder Substanzen, in denen es sich erstreckt, beeinflußt, insbesondere durch deren relative Dielektrizitätszahlen. Dies hat einen Einfluß auf die Resonanzfrequenz des Mikrowellenresona tors 10. Um den Füllstand eines Mediums in einem Behälter zu erfassen, wird der Mikrowellenresonator 10 außerhalb des Mediums und in der Nähe des zu erfassenden Füllstands so pla ziert, daß die Stirnseite 16 zu dem Medium weist, siehe auch Fig. 1. Das elektrische Leckfeld kann dann eine dielektrische Behälterwandung durchdringen, die somit die Resonanzfrequenz des Mikrowellenreso nators 10 beeinflußt, und ändert sich ferner, wenn der Füllstand des Mediums in den Bereich des elektrischen Leckfeldes 19 kommt, wodurch die Resonanzfrequenz zusätzlich verstimmt wird. Der Einfluß der Behälterwandung kann durch Kalibrierungsmessungen ermittelt werden; weiter unten ist auch eine Ausführungsform erläutert, die keine diesbezüglichen Kalibrierungsmessungen erfordert.

Fig. 3 zeigt in Teil (a) einen Mikrowellenresonator 10', der ähnlich aufgebaut ist wie der Mikrowellenresonator 10, weshalb in Fig. 3 Teil (a) auch für einige Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet sind wie in Fig. 2 Teil (a). Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist jedoch die Stirnseite 17' nicht metallisiert, so daß der Mikrowellenresonator 10' ein λ/2- Resonator ist. Das elektrische Leckfeld 19' an der Stirnseite 16 hat daher einen etwas anderen Verlauf, und an der Stirnseite 17' tritt ebenfalls ein elektrisches Leckfeld 19" aus, das aber zum Erfassen des Füllstands keine Rolle spielt. Wie sich das elektrische Feld 18' entlang der Längskoordinate L des Mikrowel lenresonators 10' ändert, ist in Fig. 3 Teil (a) und Teil (b) dargestellt.

Fig. 4 zeigt im Längsschnitt, wie mit Hilfe der Füllstand- Sensorvorrichtung aus Fig. 1 mit dem Mikrowellenresonator 4 und der Steuer- und Auswerteeinrichtung 5 der Füllstand in einem Dialyse-Entgasungsbehälter 20 überwacht werden kann. Die Längsachse des Dialyse-Entgasungsbehälters 20 ist mit A-A bezeichnet. In den oberen Bereich des Dialyse-Entgasungsbehäl ters 20 wird über eine Zufuhrleitung 22 mit Gas angereicherte Dialyse-Flüssigkeit eingeleitet und dort mit Hilfe einer Sprühdüse 24 versprüht. Aus dem sich dabei ausbildenden Sprüh strahl 26 kann das Gas entweichen. Die entgaste Dialyse-Flüssig keit 28 sammelt sich im unteren Bereich des Dialyse-Entgasungs behälters 20; ihr Füllstand ist mit 29 bezeichnet. In die Dialyse-Flüssigkeit 28 taucht ein Röhrchen 30 ein, das als Absaugleitung dient. Mit Hilfe einer Pumpe 32 kann die entgaste Dialyse-Flüssigkeit 28 zu dem Dialyse-Patienten transportiert werden.

Da unter allen Umständen vermieden werden muß, daß über das Röhrchen 30 Luft angesaugt wird, die eine Embolie auslösen könnte, muß der Füllstand 29 überwacht werden. Dies geschieht mit Hilfe des Mikrowellenresonators 4, wie oben erläutert, und der Steuer- und Auswerteeinrichtung 5, zu der weiter unten ver schiedene Ausführungsbeispiele angegeben werden.

Fig. 5 veranschaulicht eine Variante eines Dialyse-Entgasungs behälters, der hier mit 20' bezeichnet ist, in einem schema tischen Querschnitt. Der Dialyse-Entgasungsbehälter 20' arbeitet mit zwei Sprühstrahlen 34 und 35, die in bezug auf die Längs achse A' des Dialyse-Entgasungsbehälters 20' diametralzueinander ausgerichtet sind, also in Azimutrichtung um 180° gegeneinander versetzt sind. Da nicht erwartet werden kann, daß die Füllstand- Sensorvorrichtung immer unter genauer Beachtung der Position der Sprühstrahlen 34 und 35 an dem Dialyse-Entgasungsbehälter 20' angeordnet wird, sind in der Ausführungsform gemäß Fig. 5 zwei Mikrowellenresonatoren 36 und 37 vorgesehen, die in Azimutrich tung um 90° gegeneinander versetzt ausgerichtet sind. Unabhängig davon, wie die gemeinsame Anordnung der Mikrowellenresonatoren 36 und 37 um die Längsachse A' des Dialyse-Entgasungsbehälters 20' gedreht ist, ist immer gewährleistet, daß mindestens einer der beiden Mikrowellenresonatoren 36, 37 nicht im Bereich eines der beiden Sprühstrahlen 34, 35 liegt. Dadurch wird sichergestellt, daß das Signal wenigstens eines der beiden Mikrowellenresonato ren 36, 37 tatsächlich dem aktuellen Füllstand in dem Dialyse- Entgasungsbehälter 20' entspricht und nicht etwa durch einen der Sprühstrahlen 34, 35 verfälscht ist, der je die Resonanzfrequenz in ähnlicher Weise verstimmen kann wie die Dialyse-Flüssigkeit, die sich im unteren Bereich des Dialyse-Entgasungsbehälters 20' gesammelt hat.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine andere Anwendungsmöglichkeit für die Füllstand-Sensorvorrichtung. Diesmal ist der Behälter, in dem sich das Medium befindet, ein Tank 40 mit metallischer Wandung. Daher kann der Mikrowellenresonator der Füllstand-Sensorvor richtung nicht außerhalb des Behälters angeordnet werden, denn die Metallwand des Tanks 40 ist für Mikrowellen undurchlässig.

Der Tank 40 hat einen Dom 41 und enthält eine Flüssigkeit 42, deren Füllstand mit 43 bezeichnet ist. Von dem Dom 41 erstreckt sich nach unten ein Rohr 44, das mit Hilfe einer Verschraubung 46 in abgedichteter Weise durch den Dom 41 durchgeführt ist. Am oberen Ende des Rohrs 44 sitzt eine Steuer- und Auswerteein richtung 48, die noch zusätzliche Komponenten aufweisen kann, wie zum Beispiel einen Personal Computer.

Der untere Endbereich 49 des Rohrs 44 ist in Fig. 7 in einem vergrößerten Längsschnitt dargestellt. Dort befindet sich ein Mikrowellenresonator 50, der über eine Dichtung 51 in das Rohr 44 eingesetzt ist. Der Mikrowellenresonator 50 ist im Ausführungs beispiel ein kommerziell erhältlicher Mikrowellenresonator und ähnlich aufgebaut wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Er hat einen als Dielektrikum wirkenden Keramikkörper 52, der auf seiner Mantelfläche 53 metallisiert ist. Entlang der Längsachse des Keramikkörpers 52 verläuft ein Innenleiter 54. An der unteren Stirnseite des Keramikkörpers 52 ist kein Metall aufgelegt, so daß dort ein für elektrische Felder durchlässiges Fenster 55 ausgebildet ist. An der gegenüberliegenden Stirnseite des Mikrowellenresonators 50 ist ein Schwingtransistor 56 angeordnet, der über eine Koaxialleitung 57, die im Innenraum 58 des Rohrs 44 verläuft, mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung 48 verbunden ist. Der Mikrowellenresonator 50 ist hier als frequenzbestimmen des Element einer Oszillatorschaltung eingerichtet, in die auch der Schwingtransistor 56 integriert ist und die weitere Kom ponenten in der Steuer- und Auswerteeinrichtung 48 haben kann.

Durch das Fenster 55 tritt ein elektrisches Leckfeld 59 aus, über das eine Verstimmung der Resonanzfrequenz der Oszillatorschaltung bewirkt wird, sobald der Füllstand 43 in den Bereich, des elektrischen Leckfeldes 59 kommt. Die Füllstand-Sensorvorrichtung gemäß den Fig. 6 und 7 kann daher so betrieben werden, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung 48 bei steigendem Füllstand 43 die Zufuhr für die Flüssigkeit 42 unterbricht, wenn der Flüssig keitspegel kurz unterhalb des Mikrowellenresonators 50 angelangt ist. Dadurch ist gewährleistet, daß sich der Mikrowellenresona tor 50 immer außerhalb der Flüssigkeit 42 befindet.

In den Fig. 8 bis 14 sind anhand von Blockdiagrammen ver schiedene Ausgestaltungen einer Steuer- und Auswerteeinrichtung dargestellt, die den Mikrowellenresonator (oder auch mehrere Mikrowellenresonatoren) ansteuert und die Mikrowellensignale auswertet. Bei den Varianten gemäß den Fig. 8 bis 12 ist der Mikrowellenresonator als frequenzbestimmendes Element einer Oszillatorschaltung eingerichtet, bei den Varianten gemäß den Fig. 13 und 14 wird dagegen dem Mikrowellenresonator über einen externen Oszillator ein Mikrowellensignal vorgegebener Frequenz zugeführt.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausgestaltung ist ein Mikrowellenre sonator 60 (Meßresonator) mit einer Ozsillatorschaltung 62 verbunden, an deren Ausgang ein Mikrowellensignal entsteht, dessen Frequenz f1 (Resonanzfrequenz) von der Verstimmung des Meßresonators 60 abhängt, wie oben erläutert. Die Frequenz dieses Signals wird durch einen Frequenzteiler 63 auf einen so niedrigen Wert herabgesetzt, daß eine direkte Auswertung mit einem Mikroprozessor 64 möglich ist. Wenn eine vorgegebene Frequenz über- oder unterschritten wird, ist dies ein Anzeichen dafür, daß ein gewünschter Füllstand erreicht bzw. über- oder unterschritten ist; in diesem Fall wird über einen Alarmausgang 65 ein optischer oder akustischer Alarm ausgelöst.

Um bei der einfachen Schaltung gemäß Fig. 8 Fehlergebnisse infolge einer Temperaturdrift des Meßresonators 60 zu vermeiden, muß ein ausgewählter Meßresonator 60 mit einem Temperaturkoeffi zienten von näherungsweise Null verwendet werden.

Die in Fig. 9 gezeigte Ausgestaltung ist eine Weiterentwicklung der Schaltung aus Fig. 8 und enthält eine Temperaturkompensa tion. Elemente, die mit denen der Schaltung aus Fig. 8 überein stimmen, sind in Fig. 9 mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 8. Der Meßresonator 60' kann mit Hilfe einer Kapazitäts diode 66 verstimmt werden, um eine Temperaturdrift auszugleichen. Dazu wird mit Hilfe eines Temperatursensors 68 die Temperatur in der Nähe des Meßresonators 60' gemessen und dem Mikroprozessor 64 zugeleitet. Im Mikroprozessor 64 ist der Frequenzgang des Meßresonators 60' als Funktion der Temperatur abgespeichert, wie durch eine Kalibrierungsmessung ermittelt. In Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur kann daher der Mikroprozessor 64 die Kapazitätsdiode 66 über eine Leitung 69 so ansteuern, daß der Meßresonator 60' kein Temperaturdriftverhalten zeigt und eine Verstimmung seiner Resonanzfrequenz praktisch ausschließlich auf einen geänderten Füllstand zurückzuführen ist.

Für die Serienfertigung ist die Schaltung gemäß Fig. 9 nur dann sinnvoll, wenn alle verwendeten Meßresonatoren 60' in etwa denselben Frequenzgang als Funktion der Temperatur aufweisen.

In Fig. 10 ist eine Ausgestaltung dargestellt, in der zwei Meßresonatoren 70 und 70' zum Einsatz kommen, die jeweils über eine Oszillatorschaltung 72 bzw. 72' und einen Frequenzteiler 73 mit einem Mikroprozessor 74, der einen Alarmausgang 75 hat, verbunden werden können. Um die Mikrowellensignale des jeweils gewünschten Meßresonators 70 bzw. 70' dem Mikroprozessor 74 zuzuleiten, steuert der Mikroprozessor 74 eine Schalteinrich tung 76 an. Die Meßresonatoren 70 und 70' beeinflussen sich gegenseitig nicht.

Die Ausgestaltung gemäß Fig. 10 ist also im Prinzip so aufgebaut wie die Ausgestaltung gemäß Fig. 8, mit dem Unterschied, daß mehr als ein Meßresonator verwendet wird. Mit Hilfe mehrerer Meßresonatoren läßt sich der Füllstand eines Mediums in einem Behälter in unterschiedlichen Höhen erfassen. Es ist auch denkbar, einen der Meßresonatoren in der Nähe der Behälterwan dung, aber entfernt von dem Medium in dem Behälter zu positionie ren, zum Beispiel oberhalb des höchsten zu erwartenden Füll standes. Das Mikrowellensignal dieses Meßresonators wird dann nicht durch das Medium oder dessen Füllstand beeinflußt, wohl dagegen von den Eigenschaften der Behälterwandung, die auch auf die übrigen Meßresonatoren einwirkt. Durch Vergleich der Resonanzfrequenzen der den Füllstand erfassenden Meßresonatoren mit der des Meßresonators, der fern von dem Medium plaziert ist, ist es daher möglich, den Einfluß unterschiedlicher Behälter eigenschaften herauszukalibrieren.

Die Schalteinrichtung 76, die von dem Mikroprozessor 74 in kurzen Zeitabständen umgeschaltet wird, ermöglicht es, den Frequenz teiler 73 und den Mikroprozessor 74 für die Meßresonatoren 70 und 70' gemeinsam zu nutzen. In Fig. 10 ist die Schaltung für mehrere Meßresonatoren am Beispiel des Grundaufbaus gemäß Fig. 8 dargestellt; eine Ausgestaltung, bei der mehrere Meßresonatoren zum Einsatz kommen, kann aber in analoger Weise auch mit den anderen zuvor und hiernach erläuterten Schaltungen verwirklicht werden.

Bei der in Fig. 11 gezeigten Ausgestaltung werden zwei Mikrowel lenresonatoren verwendet, und zwar ein Meßresonator 80 mit einer Oszillatorschaltung 81 (Frequenz f₁) und ein Referenzresonator 82 mit einer Oszillatorschaltung 83. Die Resonanzfrequenz des Referenzresonators 82 liegt um einen vorgegebenen Betrag, im Ausführungsbeispiel um 5 MHz, über der des Meßresonators 80. Der Referenzresonator 82 befindet sich nicht im Einflußbereich des Mediums. Die Mikrowellensignale des Meßresonators 80 und des Referenzresonators 82 werden einem Mischer 84 zugeführt, an dessen Ausgang ein Signal mit der Differenz der beiden Mikrowel lensignale entsteht. Wenn der Meßresonator 80 nicht infolge des Mediums verstimmt ist und mit der gleichen Resonanzfrequenz schwingt wie der Referenzresonator 82, hat das am Ausgang des Mischers 84 anliegende Signal also eine Frequenz von 5 MHz. Wird dagegen der Meßresonator 80 verstimmt, so ändert sich auch die Frequenz des Mischerausgangssignals. Das Differenzsignal wird über eine Signalaufbereitungseinrichtung 85 in einem Mikro prozessor 86 ausgewertet. Bei Über- oder Unterschreiten einer vorgegebenen Frequenz wird am Alarmausgang 87 ein Alarm ausgelöst oder angezeigt.

Dadurch, daß zwei Mikrowellenresonatoren 80, 82 verwendet werden, können Temperaturdriften minimiert oder ausgeschlossen werden, und zwar unter der Voraussetzung, daß die beiden Mikrowellenreso natoren 80 und 82 in der gleichen Weise driften und sich auf gleicher Temperatur befinden. Die Schaltung gemäß Fig. 11 hat den weiteren Vorteil, daß ein Mikrowellen-Frequenzteiler nicht erforderlich ist.

Die Fig. 12 zeigt eine Ausgestaltung, die ähnlich aufgebaut ist wie die in Fig. 11 dargestellte. Komponenten mit den gleichen Funktionen wie in der Schaltung gemäß Fig. 11 haben dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 11. Im Unterschied zu der Schaltung gemäß Fig. 11 wird der Meßresonator, in Fig. 12 mit 80' bezeichnet, über eine Verstimmungseinrichtung 88 (im Ausführungs beispiel eine Kapazitätsdiode) soweit verstimmt, daß am Ausgang des Mischers 84 immer ein Gleichspannungssignal (Frequenz von 0 Hz) entsteht. Dazu regelt der Mikroprozessor 86 die Kapazitäts diode 88 über eine Leitung 89 nach. Die Amplitude der Regel spannung für die Kapazitätsdiode 88 ist somit ein Maß für die Verstimmung des Meßresonators 80' und damit für den Füllstand im Behälter. Anstelle des Meßresonators 80' könnte auch der Referenzresonator 82 mit Hilfe einer Verstimmungseinrichtung verstimmt werden. Der Vorteil dieser Schaltung ist, daß die Signalaufbereitungseinrichtung 85 gemäß Fig. 11 entfällt.

Bei der in Fig. 13 gezeigten Ausgestaltung wird einem Meßresona tor 90 über ein Anpaßnetzwerk 91 ein Mikrowellensignal vor gegebener Frequenz f₁ zugeführt, das in einem externen spannungs gesteuerten Oszillator (VCO) 92 erzeugt wird. Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 92 wird vorzugsweise sägezahn förmig verändert, und zwar in einem Bereich, der die Resonanz frequenz des Meßresonators 90 überstreicht. Bei der Resonanz frequenz weist der Meßresonator eine hohe Impedanz auf, so daß es zu einer Spannungsüberhöhung kommt, die mit Hilfe eines Amplitudendetektors 94, der mit einer Signalaufbereitungsein richtung 95 verbunden ist, detektiert und von einem Mikro prozessor 96 ausgewertet werden kann. Die Frequenz/Steuer spannungs-Kennlinie des spannungsgesteuerten Oszillators 92 ist in dem Mikroprozessor 96 abgespeichert, so daß eine eindeutige Zuordnung zwischen der an dem spannungsgesteuerten Oszillator 92 eingestellten Frequenz und der beobachteten Resonanzfrequenz des Meßresonators 90 hergestellt werden kann. Der Mikroprozessor 96 hat einen Alarmausgang 97.

Im Gegensatz zu den anhand der Fig. 8 bis 12 erläuterten Varianten erlaubt diese Ausgestaltung neben der Bestimmung der Resonanzfrequenz auch die Bestimmung der Güte des Meßresona tors 90, indem die Resonanzkurve ausgemessen und ihre Breite bestimmt wird. Eine Güteänderung kann ebenfalls als Meßkriterium herangezogen werden.

In Fig. 14 ist eine Ausgestaltung dargestellt, bei der ein Meßresonator 100 über ein Anpaßnetzwerk 101 mit einem vektoriel len Netzwerkanalysator (VNWA) 102 in Verbindung steht. Der vektorielle Netzwerkanalysator 102 enthält einen externen Oszillator und wird durch einen Mikroprozessor 106 gesteuert, der auch die Meßdaten des vektoriellen Netzwerkanalysators 102 aufbereitet und auswertet und einen Alarmausgang 107 hat. Zur Auswertung werden der Betrag und die Phase des üblicherweise mit S11 bezeichneten Reflexionsfaktors des Meßresonators 100 herangezogen.

Die beschriebenen Schaltungsvarianten sind Beispiele für die Ausgestaltung der Steuer- und Auswerteeinrichtung und ihre Verbindung mit einem oder mehreren Mikrowellenresonatoren. Andere Ausgestaltungen sind ebenfalls denkbar.

Claims

1. Füllstand-Sensorvorrichtung zum Erfassen des Füllstands (3) eines Mediums (2) in einem Behälter (1),

- mit einem Mikrowellenresonator (4; 10), der ein für elektrische Mikrowellenfelder durchlässiges Fenster (16) aufweist und der in der Nähe des zu erfassenden Füll stands (3), außerhalb des Mediums (2) und mit dem Fen ster (16) zu dem Medium (2) weisend positionierbar ist,
- mit einer Oszillatorschaltung (5), die mit dem Mikrowel lenresonator (4; 10) in Wirkverbindung steht, und
- mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (5), die dazu eingerichtet ist, eine Verstimmung der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators (4; 10) infolge des aus dem Fenster (16) in das Medium (2) eindringenden elektrischen Leckfeldes (19), wenn sich der Füllstand (3) des Mediums (2) in der Nähe des Fensters (16) befindet, zu erfassen.

2. Füllstand-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Mikrowellenresonator (10; 10') als koaxialer Leitungsresonator gestaltet ist.

3. Füllstand-Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Mikrowellenresonator als Hohlraumresonator gestaltet ist.

4. Füllstand-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenresonator (60; 60'; 70, 70'; 80; 80') als frequenzbestimmendes Element der Oszillatorschaltung (62; 72, 72'; 81) eingerichtet ist.

5. Füllstand-Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (5) einen Frequenzteiler (63; 73) aufweist, über den das Mikrowellen signal der Oszillatorschaltung (62; 72, 72') einem Mikro prozessor (64; 74) zuführbar ist.

6. Füllstand-Sensorvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenresonator (60') über eine temperaturgesteuerte Verstimmungseinrichtung, vorzugsweise eine Kapazitätsdiode (66), zur Temperaturkompensation verstimmbar ist.

7. Füllstand-Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Referenzresonator (82) vorgesehen ist, dessen Resonanzfrequenz grundsätzlich von der des zum Erfassen des Füllstands einsetzbaren Mikrowellenresonators, des Meßresonators (80; 80'), verschieden ist, wobei die Mi krowellensignale beider Mikrowellenresonatoren (82, 80; 82, 80') einem Mischer (84) zuführbar sind, der dazu eingerich tet ist, ein Ausgangssignal mit einer Frequenz zu bilden, die gleich der Differenz der Frequenzen der beiden Mikrowel lensignale ist.

8. Füllstand-Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß einer der beiden Mikrowellenresonatoren (82, 80'), vorzugsweise der Meßresonator (80'), über eine Verstimmungseinrichtung, vorzugsweise eine Kapazitäts diode (88), verstimmbar ist, wobei die Steuer- und Auswerte einrichtung (5, 86) dazu eingerichtet ist, dessen Frequenz so zu verstimmen, daß das Ausgangssignal des Mischers (84) die Frequenz Null oder eine sehr geringe Frequenz hat.

9. Füllstand-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschaltung in einem externen Oszillator (92; 102) enthalten ist, der dazu eingerichtet ist, dem Mikrowellenresonator (90; 100) ein Mikrowellensignal vorgegebener Frequenz zuzuführen.

10. Füllstand-Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (91, 92, 94, 95, 96) dazu eingerichtet ist, mit dem externen Oszilla tor (92) die Resonanzkurve des Mikrowellenresonators (90) zumindest teilweise abzufahren.

11. Füllstand-Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (91, 92, 94, 95, 96) dazu eingerichtet ist, aus der Breite der Resonanzkurve die Güte des Mikrowellenresonators (90) als Maß für den Füllstand zu bestimmen.

12. Füllstand-Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (101, 102, 106) einen vektoriellen Netzwerkanalysator (102) aufweist, der den externen Oszillator enthält.

13. Füllstand-Sensorvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (101, 102, 106) dazu eingerichtet ist, zum Erfassen der Ver stimmung der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresona tors (100) Betrag und Phase eines Reflexionsfaktors des Mikrowellenresonators (100) zu bestimmen.

14. Füllstand-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Mikrowellenresonato ren (70, 70') vorgesehen sind, die jeweils ein für elek trische Mikrowellenfelder durchlässiges Fenster aufweisen und die in der Nähe des zu erfassenden Füllstands in unterschiedlichen Höhen und optional außerdem oberhalb des höchsten zu erwartenden Füllstands, außerhalb des Mediums und mit dem jeweiligen Fenster zu dem Medium weisend positionierbar sind.

15. Füllstand-Sensorvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (72, 72', 73, 74, 76) eine Schalteinrichtung (76) zum Zuführen des Mikrowellensignals eines vorgewählten Mikrowellenresona tors (70, 70') zu Komponenten (73, 74) der Steuer- und Auswerteeinrichtung (72, 72', 73, 74, 76) aufweist, die für alle Mikrowellenresonatoren (70, 70') gemeinsam nutzbar sind.

16. Füllstand-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteein richtung (5) dazu eingerichtet ist, ein Signal abzugeben, wenn der Füllstand des Mediums einen vorgegebenen Wert über schreitet oder unterschreitet.

17. Füllstand-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteein richtung (5) dazu eingerichtet ist, mittels der gemessenen oder ermittelten Verstimmung der Resonanzfrequenz des Mikro wellenresonators (4) und mittels Kalibrierungsdaten, die die gemessene Abhängigkeit der Verstimmung der Resonanzfrequenz des Mikrowellenresonators (4) von dem Füllstand (3) des Mediums (2) wiedergeben, den Füllstand (3) des Mediums (2) in absoluten oder relativen Einheiten zu bestimmen.

18. Verwendung einer Füllstand-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Überwachen des Füllstands in einem Behälter (20) mit nichtmetallischer Wandung, wobei ein Mikrowellenresonator (4) außerhalb des Behälters (20) angeordnet ist.

19. Verwendung einer Füllstand-Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 18 zum Überwachen des Füllstands in einem Dialyse-Entga sungsbehälter (20'), der mit zwei in bezug auf die Längs achse des Dialyse-Entgasungsbehälters (20') in Azimut richtung um 180° versetzten Sprühstrahlen (34, 35) arbeitet, wobei mindestens zwei Mikrowellenresonatoren (36, 37) zum Erfassen des Füllstands vorgesehen sind, die außerhalb des Dialyse-Entgasungsbehälters (20') und quer zueinander, vorzugsweise in Azimutrichtung um 90° versetzt, angeordnet sind.

20. Verwendung einer Füllstand-Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zum Überwachen des Füllstands in einem Behälter (40) mit metallischer Wandung, wobei ein Mikrowel lenresonator (50) innerhalb des Behälters (40) und oberhalb des höchsten zu erwartenden Füllstands angeordnet ist.

21. Verfahren zum Erfassen des Füllstands (3) eines Mediums (2) in einem Behälter (1), mit den Schritten:

- Positionieren eines Mikrowellenresonators (4; 10), der ein für elektrische Mikrowellenfelder durchlässiges Fenster (16) aufweist, in der Nähe des zu erfassenden Füllstands (3), au ßerhalb des Mediums (2) und mit dem Fenster (16) zu dem Medium (2) weisend,
- Erfassen der Verstimmung der Resonanzfrequenz des Mikro wellenresonators (4; 10) infolge des aus dem Fenster (16) in das Medium (2) eindringenden elektrischen Leckfeldes (19), wenn sich der Füllstand (3) des Mediums (2) in der Nähe des Fensters (16) befindet.