DE10118009B4 - Device for determining and / or monitoring the fill level of a product in a container - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung
zur Bestimmung und/oder Überwachung
des Füllstands
eines Füllguts
in einem Behälter
mit einer Signalerzeugungs-/Sendeeinheit, die hochfrequente Meßsignale
erzeugt, mit einer Antenneneinheit, die die hochfrequenten Meßsignale
in Richtung auf das Füllgut
abstrahlt bzw. die die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Meßsignale
empfängt,
und mit einer Empfangs-/Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeit
der hochfrequenten Meßsignale
den Füllstand
des Füllguts
in dem Behälter
bestimmt,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein dielektrisches Trägermaterial
(11) vorgesehen ist, auf dem zumindest die Schaltungskomponenten
(15), die die hochfrequenten Meßsignale
erzeugen, und die Antenneneinheit (16, 19), die die hochfrequenten
Meßsignale aussendet
und/oder empfängt,
angeordnet sind,
daß die
Schaltungskomponenten (15) auf der dem Füllgut (2) abgewandten Hochfrequenzseite
(13) des dielektrischen Trägermaterials
(11) in Planartechnik angebracht sind, und
daß die Antenneneinheit
(16, 19) auf der dem Füllgut
(2) zugewandten Antennenseite (14) des dielektrischen Trägermaterials
(11) angeordnet ist.Device for determining and / or monitoring the filling level of a filling material in a container with a signal generating / transmitting unit which generates high-frequency measuring signals, with an antenna unit which radiates the high-frequency measuring signals in the direction of the filling material or which reflected on the surface of the medium Receives measuring signals, and with a receiving / evaluation unit, which determines the level of the contents in the container based on the duration of the high-frequency measurement signals,
characterized,
a dielectric carrier material (11) is provided on which at least the circuit components (15) which generate the high-frequency measurement signals and the antenna unit (16, 19) which transmits and / or receives the high-frequency measurement signals are arranged,
in that the circuit components (15) are mounted on the high frequency side (13) of the dielectric carrier material (11) facing away from the medium (2) in planar technology, and
in that the antenna unit (16, 19) is arranged on the antenna side (14) of the dielectric carrier material (11) facing the filling material (2).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter mit einer Signalerzeugungs-/Sendeeinheit, die hochfrequente Meßsignale erzeugt, mit einer Antenneneinheit, die die hochfrequenten Meßsignale in Richtung auf das Füllgut abstrahlt bzw. die die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Meßsignale empfängt, und mit einer Empfangs-/Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeit der hochfrequenten Meßsignale den Füllstand des Füllguts in dem Behälter bestimmt.The The invention relates to a device for determination and / or monitoring the level a product in a container with a signal generation / transmission unit, the high-frequency measurement signals generated, with an antenna unit, the high-frequency measurement signals in the direction of the contents radiates or which reflects the reflected signals on the surface of the medium receives and with a reception / evaluation unit based on the runtime the high-frequency measurement signals the level of the contents in the container certainly.
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.Transit time method, for example, the pulse radar method and the frequency modulation continuous wave radar method (FMCW radar), take advantage of the physical law, according to which the running distance equal to the product of transit time and propagation speed is. In the case of level measurement the running distance is twice the distance between the antenna and surface of the Product level. The useful echo signal, ie the signal reflected at the surface of the medium, and its duration are based on the so-called echo function or the digitized envelope certainly. The envelope represents the amplitudes of the echo signals as a function of the distance 'antenna surface of the Filling material '. The level itself is calculated from the difference between the known distance of Antenna to the bottom of the container and the distance of the surface determined by the measurement filling material calculated to the antenna.
In der Füllstandsmeßtechnik werden neben Horn-, Stab- und Parabolantennen auch Planarantennen eingesetzt. Ausgestaltungen von Planarantennenn sind beispielsweise in dem Buch 'Einführung in die Theorie und Technik planarer Mikrowellenantennen in Mikrostreifenleitungstechnik', Gregor Gronau, Verlagsbuchhandlung Nellissen-Wolff oder in dem Zeitschriftenartikel 'Impedance of a radiating slot in the ground plane of a microstrip line', IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-30, 9.922–926, 1982 beschrieben.In the level measurement technique In addition to horn, bar and parabolic antennas also planar antennas used. Embodiments of planar antennas are, for example in the book 'Introduction to The Theory and Technology of Planar Microwave Antennas in Microstrip Line Technology, Gregor Gronau, Verlagsbuchhandlung Nellissen-Wolff or in the journal article 'Impedance of a radiating slot in the ground plane of a microstrip line, IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. AP-30, 9,922-926, 1982 described.
Eine
Planarantenne besteht üblicherweise aus
einem dielektrischen Substrat, auf dessen einer Seite die Antennenstruktur
und auf dessen anderer Seite eine leitfähige Beschichtung vorgesehen
ist. Eine unsymmetrische Streifenleitung ist die Basis der am weitesten
verbreiteten planaren Antennenstruktur. In der leitfähigen Beschichtung
sind Ausnehmungen vorgesehen. Diese Ausnehmungen sind z. B. derart
ausgestaltet und angeordnet, daß die
Antenne bevorzugt nur elektromagnetische Wellen eines gewünschten
Modes abstrahlt. Eine Planarantenne für den Einsatz in einer explosiven
Umgebung ist aus der
Planarantennen zeichnen sich gegenüber anderen Antennenarten in der Füllstandsmeßtechnik durch eine geringe Blockdistanz aus. Unter Blockdistanz versteht man den Nahbereich der Antenne, in dem die Störstrahlung so groß ist, daß das eigentliche Nutzechosignal, das den Füllstand charakterisiert, nicht mehr detektierbar ist. Verursacht wird die Störstrahlung im wesentlichen durch Reflexionen der Meßsignale beim Übergang von einem Material/Medium mit einem ersten Dielektrizitätskoeffizienten in ein Material/Medium mit einem zweiten Dielektrizitätskoeffizienten. Folglich läßt sich der Füllstand nur solange korrekt bestimmen, wie die Oberfläche des Füllguts außerhalb der Blockdistanz liegt. Die Blockdistanz, die durchaus in der Größenordnung von einem Meter liegen kann, schränkt den Meßbereich einer Antenne ganz erheblich ein. Dies ist natürlich um so störender, je kleiner die Behälterabmessungen sind.Planar stand out over others Antenna types in the level measurement by a small blocking distance. Under block distance one understands the Close range of the antenna in which the interference is so great that the actual Useful echo signal indicating the level characterized, is no longer detectable. The interfering radiation is caused essentially by reflections of the measuring signals during the transition of a material / medium having a first dielectric coefficient in a material / medium having a second dielectric coefficient. Consequently, can be the level determine correctly only as long as the surface of the medium is outside the blocking distance. The block distance, which is quite in the order of one meter can rest, limits the measuring range an antenna quite considerably. Of course, this is all the more disturbing the smaller the container dimensions are.
Als Meßsignale für die Füllstandsmessung über ein Laufzeitverfahren werden üblicherweise (gaußförmige) delta- oder pulsförmige Impulse oder aber frequenzmodulierte kontinuierliche Signale benutzt. Beide Arten von Meßsignalen sind relativ breitbandig. Beispielsweise haben die pulsförmigen Meßsignale eine Bandbreite von einigen hundert Megahertz.When measuring signals for the Level measurement via a Runtime methods are usually (Gaussian) delta or pulsed Pulses or frequency-modulated continuous signals used. Both types of measuring signals are relatively broadband. For example, the pulse-shaped measuring signals a bandwidth of a few hundred megahertz.
Besondere Probleme zeigen sich, wenn die Frequenz der Meßsignale oberhalb von ca. 10 GHz, beispielsweise im sog. K-Band – im Frequenzbereich von 18–27 GHz – liegt. Vorrangig werden die Probleme dadurch verursacht, daß bei den bekannten Lösungen die Antenneneinheit und die Sende-/Empfangseinheit räumlich voneinander getrennt sind. Daher müssen die hochfrequenten Meßsignale über Signalleitungen, z. B. Kabel, von der Sende-/Empfangseinheit auf die Antenne bzw. von der Antenne zu der Sende-/Empfangseinheit übertragen werden. Die Einkopplung der Meßsignale auf die Antenne erfolgt üblicherweise über eine Steckverbindung. Abgesehen davon, daß Steckverbindungen aufwendig und teuer sind, führt ihr Einsatz dazu, daß stets ein gewisser Signalanteil der Meßsignale in den Übergangsbereichen reflektiert wird. Dieser reflektierte Signalanteil überlagert sich als Störechosignal dem eigentlichen Nutzechosignal und führt zu einer Verschlechterung des Signal-/Rauschverhältnisses und damit zu einer Reduzierung der Meßgenauigkeit des Füllstandsmeßgeräts.Special Problems arise when the frequency of the measuring signals above about 10 GHz, for example in the so-called K-band - in the frequency range of 18-27 GHz. The problems are primarily caused by the fact that in the known solutions the antenna unit and the transmitting / receiving unit spatially separated are. Therefore, must the high-frequency measuring signals via signal lines, z. As cable, from the transmitting / receiving unit to the antenna or be transmitted from the antenna to the transmitting / receiving unit. The coupling the measuring signals to the antenna is usually done via a Plug connection. Apart from the fact that connectors costly and are expensive leads their commitment to always a certain signal portion of the measuring signals in the transition areas is reflected. This reflected signal component is superimposed itself as a false echo signal the actual useful echo signal and leads to a deterioration the signal-to-noise ratio and thus to a reduction of the measurement accuracy of the level.
Problematisch ist darüber hinaus der Einfluß, den die elektromagnetische Umgebungsstrahlung auf die Übertragungsleitungen hat. Besonders störend ist dieser Einfluß bei der Übertragung von hochfrequenten Meßsignalen, die z. B. im bereits erwähnten K-Band liegen. Eine bekannte Lösung dieses Problems besteht darin, störsichere Spezialkabel zu verwenden. Der Nachteil dieser Lösung liegt auf der Hand: Spezialkabel sind teuer.Problematic is about it addition, the influence that the electromagnetic ambient radiation on the transmission lines Has. Especially disturbing is this influence in the transmission of high-frequency measuring signals, the z. B. in the already mentioned K-band lie. A known solution This problem consists in using interference-free special cables. The disadvantage of this solution is obvious: special cables are expensive.
Als Fazit bleibt festzuhalten, daß Störsignale – wodurch Sie auch immer verursacht werden – die Meßgenauigkeit eines nach dem Laufzeitverfahren arbeitenden Füllstandsmeßgeräts mehr oder minder stark herabsetzen.When Conclusion it remains to note that interference - They always be caused - the measurement accuracy of one after the Runtime method working Füllstandsmeßgeräts more or lower it to a lesser degree.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung zur Messung des Füllstands mittels hochfrequenter Meßsignale vorzuschlagen, die sich durch eine hohe Meßgenauigkeit auszeichnet.Of the Invention is based on the object, a cost-effective device for measuring the level by means of high-frequency measuring signals to propose, which is characterized by a high measurement accuracy.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein dielektrisches Trägermaterial vorgesehen ist, auf dem die Antenneneinheit und zumindest eine der Schaltungskomponenten, die die hochfrequenten Meßsignale erzeugen, aussenden und/oder empfangen, angeordnet sind.The Task is solved by the existence dielectric carrier material is provided, on which the antenna unit and at least one of Circuit components that generate the high-frequency measurement signals emit and / or received, are arranged.
Schlagwortartig ausgedrückt, handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung um eine integrale Einheit mit Direkteinkopplung der Meßsignale auf die Antenne. Da die Sende-/Empfangseinheit und die Antenneneinheit in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet sind, müssen die hochfrequenten Meßsignale nicht mehr über relativ lange und damit störanfällige Verbindungsleitungen und reflektierende Steckverbindungen geführt werden. Hierdurch wird einerseits der Störstrahlungsanteil, der infolge von Reflexionen bei der Ein- und Auskopplung von hochfrequenten Meßsignalen zwangsläufig auftritt, minimiert; andererseits wird der Störstrahlungsanteil, der durch den Einfluß der Umgebungsstrahlung auf die Verbindungsleitungen hervorgerufen wird, in erheblichem Maße reduziert.Keyword-like expressed the device according to the invention is an integral one Unit with direct coupling of the measuring signals to the antenna. There the transmitting / receiving unit and the antenna unit in the immediate Are arranged adjacent to each other, the high-frequency measurement signals not over relatively long and thus fault-prone connecting lines and reflective connectors are routed. This will on the one hand the Störstrahlungsanteil, the as a result of reflections in the coupling and decoupling of high-frequency measuring signals inevitably occurs, minimized; On the other hand, the spurious radiation component passing through the influence of Ambient radiation is caused on the connecting lines, to a considerable extent reduced.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auf dem dielektrischen Trägermaterial auch die Verzögerungsschaltung vorgesehen, die die hochfrequenten Meßsignale in den Niederfrequenzbereich transformiert. Die Verzögerungsschaltung, die üblicherweise ein fester Bestandteil der im Mikrowellenbereich arbeitenden Radarmeßgeräte ist, ermöglicht den Einsatz von langsameren und folglich kostengünstigeren Elektronikbausteinen.According to one advantageous development of the device according to the invention is on the dielectric carrier material also the delay circuit provided that the high frequency measurement signals in the low frequency range transformed. The delay circuit, the usual is an integral part of microwave radar radars, allows the use of slower and therefore cheaper electronic components.
Die Erfindung ermöglicht es, daß wenig störänfällige, niederfrequente Signale, die beispielsweise den aktuellen Meßwert darstellen, über eine Daten- und/oder Versorgungsleitung an eine entfernte Kontrollstelle übertragen werden können. Selbstverständlich kann die Übertragung der Daten auch unter Verwendung eines der üblichen Kommunikationsstandards erfolgen. Beispielhaft seien an dieser Stelle das HART Protokoll, der Fieldbus Foundation Standard oder der Profibus PA-Standard genannt.The Invention allows it, that little disturbing, low-frequency Signals that represent, for example, the current measured value, via a data and / or supply line to a remote control point can be. Of course can the transmission the data also using one of the common communication standards respectively. Exemplary at this point are the HART protocol, called the Fieldbus Foundation Standard or the Profibus PA standard.
Bevorzugt besitzt das dielektrische Trägermaterial die Form einer Scheibe. Die Scheibe kann jede beliebige Form aufweisen, ist aber vorteilhafterweise als runde Scheibe ausgebildet.Prefers owns the dielectric carrier material the shape of a disk. The disc can have any shape, but is advantageously designed as a round disc.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Schaltungskomponenten des Hochfrequenzmoduls auf der dem Füllgut abgewandten Seite des dielektrischen Trägermaterials angeordnet, und die Antenneneinheit ist auf der dem Füllgut zugewandten Seite des dielektrischen Trägermaterials angeordnet.According to one Great Embodiment of the device according to the invention are the circuit components of the high frequency module facing away from the contents Side of the dielectric support material arranged, and the antenna unit is facing on the contents Side of the dielectric support material arranged.
In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn es sich bei der Antenneneinheit um eine Antennenstruktur handelt, die in Planartechnik, beispielsweise in Mikrostreifenleitungstechnik oder in koplanarer Leitungstechnik auf das dielektrische Trägermaterial aufgebracht ist.In In this context, it has proved to be particularly advantageous if the antenna unit is an antenna structure, in planar technology, for example in microstrip line technology or applied to the dielectric substrate in coplanar line technology is.
Ebenso können die Schaltungskomponenten des Hochfrequenzmoduls in der bereits zuvor erwähnten Planartechnik auf das dielektrische Trägermaterial aufgebracht werden.As well can the circuit components of the high-frequency module in the already previously mentioned Planar technology are applied to the dielectric substrate.
Die Antenneneinheit weist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit auf. Entweder handelt es sich bei der Sendeeinheit und der Empfangseinheit um voneinander getrennte Einheiten, oder die Meßsignale werden von derselben Einheit ausgesendet und empfangen.The Antenna unit has according to a advantageous development of the device according to the invention at least one Sending unit and a receiving unit. Either it is at the transmitting unit and the receiving unit to each other Units, or the measuring signals are sent and received by the same unit.
Die Antenneneinheit ist beispielsweise als Patch-Antenne oder als Spiralantenne ausgebildet. Seide Antennenformen lassen sich in der o. g. Planartechnik herstellen. Jede andere bekannte Antennenform ist natürlich genau so gut einsetzbar.The Antenna unit is for example as a patch antenna or as a spiral antenna educated. Silk antenna forms can be in the o. G. Planartechnik produce. Any other known antenna form is of course accurate so good use.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die Schaltungskomponenten des Hochfrequenzmoduls und die Antenneneinheit über zumindest ein Kopplungselement bzw. über zumindest eine Durchkontaktierung miteinander verbunden sind. Die Signalübertragung zwischen den Schaltungskomponenten auf der einen Seite der dielektrischen Scheibe und der Antenneneinheit, die auf der anderen Seite der dielektrischen Scheibe zu finden ist, erfolgt also entweder galvanisch oder nicht galvanisch. Beispielsweise kann die Ankopplung durchaus auch kapazitiv ausgebildet sein.A particularly preferred embodiment of the device according to the invention provides that the circuit components of the high-frequency module and the antenna unit are connected to each other via at least one coupling element or via at least one via. The signal transmission between the circuit components on the one side of the dielectric disk and the antenna unit, which can be found on the other side of the dielectric disk, thus takes place either galvanic or not galvanic. For example, the coupling may well be formed capacitively.
Sind die Schaltungskomponenten und die Antenneneinheit auf gegenüberliegenden Seitenflächen des dielektrischen Trägermaterials angeordnet, so wirkt das Kopplungselement durch das dielektrische Trägermaterial hindurch bzw. ist die Durchkontaktierung durch das dielektrische Trägermaterial hindurchgeführt. Insbesondere ist vorgesehen, daß das Kopplungselement bzw. die Durchkontaktierung aus einer Leitungsstruktur besteht, die aus miteinander verkoppelten Leitungen aufgebaut ist.are the circuit components and the antenna unit on opposite faces of the dielectric support material arranged, the coupling element acts through the dielectric support material through or is the via through the dielectric support material passed. In particular, it is provided that the coupling element or the through-connection consists of a line structure, which is composed of interconnected lines.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.The The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings.
Es zeigt:It shows:
In
den Figuren
Jedes
Sende- und/oder Empfangselement
Vorzugsweise
erfolgt jedoch der Zusammenschluß mehrerer Sende- und/oder
Empfangselemente
Bei
dem in
Die
Ausführungsform
der Antenneneinheit
Die
Einkopplung der von dem Hochfrequenzmodul
In
- 11
- Behältercontainer
- 22
- Füllgutfilling
- 33
- Oberfläche des FüllgutsSurface of the filling material
- 44
- Deckel des Behälterscover of the container
- 55
- Öffnungopening
- 66
- Antenneantenna
- 77
- Verbindungsleitungconnecting line
- 88th
- Verbindungsleitungconnecting line
- 99
- Auswerteeinheitevaluation
- 1010
- Anzeigeeinheitdisplay unit
- 1111
- Dielektrisches Trägermaterialdielectric support material
- 1212
- Durchkontaktierungvia
- 1313
- HochfrequenzseiteHigh-frequency side
- 1414
- Antennenseiteantenna side
- 1515
- Schaltungskomponentecircuit component
- 1616
- Patchantennepatch antenna
- 1717
- Patch der Sendeeinheitpatch the transmitting unit
- 1818
- Patch der Empfangseinheitpatch the receiving unit
- 1919
- Spiralantennespiral antenna
- 2020
- HochfrequenzmodulRF module
- 2121
- Oszillatoroscillator
- 2222
- MonopulsgeneratorMonopulse generator
- 2323
- MonopulsgeneratorMonopulse generator
- 2424
- Verzögerungsschaltungdelay circuit
- 2525
- FrequenzerzeugungsschaltungFrequency generating circuit
- 2626
- FrequenzerzeugungsschaltungFrequency generating circuit
- 2727
- Verstärkeramplifier
- 2828
- Mischermixer
- 2929
- Tiefpaßfilterlow pass filter
- 3030
- Verstärkeramplifier
- 3131
- Sendeeinheittransmission unit
- 3232
- Empfangseinheitreceiver unit
- 3333
- Antenneneinheitantenna unit
- 3434
- Koppler/ZirkulatorCoupler / circulator
- 3535
- Verbindungsleitungconnecting line
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |