DE102015111595A1

DE102015111595A1 - Füllstandmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstands

Info

Publication number: DE102015111595A1
Application number: DE102015111595.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Blödt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2035-07-17
Also published as: DE102015111595B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Füllstandmessgerät zur Ermittlung eines Füllstands mittels Laufzeiten von EM-Wellen, mit einem Antennenelement, umfassend einen Hohlleiter (2), wobei eine erste Stirnfläche des Hohlleiters geschlossen und eine zweite Stirnfläche des Hohlleiters geöffnet ist, ein Koppelelement (P1) zum Aus- und Einkoppeln von EM-Wellen, wobei EM-Wellen, die über das Koppelelement (P1) auskoppeln, über die zweite Stirnfläche ausgesendet werden, einen Hornstrahler (8) zum Ausstrahlen und Fokussieren von EM-Wellen, wobei eine Eintrittsöffnung (9) des Hornstrahlers (8) in die zweite Stirnfläche (7) des Hohlleiters (5) mündet, so dass die von dem Hohlleiter (5) übertragenen EM-Wellen von dem Hornstrahler (8) ausgestrahlt werden, wobei der Hohlleiter und/oder der Hornstrahler mindestens eine Diskontinuität (14) zum Reflektieren der durch den Hohlleiter bzw. den Hornstrahler geführten EM-Wellen aufweisen, so dass die an der mindestens einen Diskontinuität (14) und der ersten Stirnfläche reflektierten EM-Wellen und die von dem Koppelelement ausgesendeten EM-Wellen überlagern und eine Gesamtwelle erzeugen, deren Hauptkeule begünstigt und deren Nebenkeulen unterdrückt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Füllstandmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter mittels Laufzeiten von elektromagnetischen Wellen (EM-Wellen).
Herkömmliche Pulsradar-Füllstandsmessgeräte weisen regelmäßig eine Sendeeinrichtung mit einer an eine Steuerung angeschlossenen Pulserzeugungseinrichtung auf. Die Pulserzeugungseinrichtung erzeugt für jede Messung ein Sendesignal, welches aus Mikrowellenpulsen einer fest vorgegebenen Mittenfrequenz besteht und eine vorgegebene Pulswiederhohlrate aufweist. Die Mikrowellenpulse weisen beispielsweise fest vorgegebene Mittenfrequenzen von 26 GHz oder 78 GHz auf. Die Antenne ist oberhalb des höchsten zu messenden Füllstands am Behälter montiert, in Richtung des Füllguts ausgerichtet und sendet die Sendesignale in den Behälter. Nachfolgend empfängt die Antenne die an dem Füllgut in Richtung des Füllstandsmessgeräts zurück reflektierten Signalanteile nach einer von der Entfernung des Füllguts abhängigen Laufzeit als Empfangssignale. Letztere werden einer an die Sendeeinrichtung und die Antenne angeschlossenen Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt, die anhand der Empfangssignale den Füllstand bestimmt.
Dabei werden regelmäßig Messkurven abgeleitet, die die Amplituden der Empfangssignale als Funktion von deren für den Weg zum Füllgut und zurück benötigten Laufzeit wiedergeben. Aus den Laufzeiten der Maxima dieser Messkurven kann nun anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellenpulse die Entfernung des Füllguts vom Füllstandsmessgerät bestimmt werden.
Zur Füllstandsmessung werden heute eine Vielzahl unterschiedlicher häufig als Echoerkennungsverfahren bezeichnete Auswertungsverfahren eingesetzt, mit denen anhand der Messkurven das jeweils darin enthaltene, auf die Reflektion an der Füllgutoberfläche zurückzuführende Maximum ermittelt wird. Dabei kann beispielsweise das erste auftretende Maximum oder das die größte Maximalamplitude aufweisende Maximum als das gesuchte auf die Reflektion an der Füllgutoberfläche zurückzuführende Maximum der jeweiligen Messkurve bestimmt werden. Aus der Laufzeit dieses Maximums wird anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellenpulse die Entfernung der Füllgutoberfläche vom Füllstandsmessgerät abgeleitet, die dann anhand der Einbauhöhe der Antenne in den Füllstand – also die Füllhöhe des Füllguts im Behälter – umrechenbar ist.
Das Maximum resultiert aus einer Hauptkeule des Antennendiagramms. Neben der Hauptkeule weist das Antennendiagramm mehrere Nebenkeulen auf, die sich mit Nebenamplituden in der Messkurve bemerkbar machen. Liegen die Nebenamplituden zeitlich nah an der Hauptamplitude, die von der Hauptkeule herrühren, wird die Hauptamplitude verfälscht, wodurch der Messwert des Füllstands ebenfalls verfälscht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Füllstandmessgerät vorzuschlagen, welches in der Lage ist den Füllstand genauer zu bestimmen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein Füllstandmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter mittels Laufzeiten von elektromagnetischen Wellen (EM-Wellen), mit einem Antennenelement, umfassend einen Hohlleiter, wobei eine erste Stirnfläche des Hohlleiters geschlossen und eine zweite Stirnfläche des Hohlleiters geöffnet ist, ein Koppelelement zum Aus- und Einkoppeln von EM-Wellen, wobei das Koppelelement in einen Innenraum des Hohlleiters hineinragt, so dass EM-Wellen, die über das Koppelelement auskoppeln, über die zweite Stirnfläche ausgesendet werden und EM-Wellen, die über die zweite Stirnfläche des Hohlleiters empfangen werden, an das Koppelelement einkoppeln, einen Hornstrahler zum Ausstrahlen und Fokussieren von EM-Wellen, wobei eine Eintrittsöffnung des Hornstrahlers in die zweite Stirnfläche des Hohlleiters mündet, so dass die von dem Hohlleiter übertragenen EM-Wellen von dem Hornstrahler ausgestrahlt und die von dem Hornstrahler empfangenen EM-Wellen in den Hohlleiter fokussiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter und/oder der Hornstrahler mindestens eine Diskontinuität zum Reflektieren der durch den Hohlleiter bzw. den Hornstrahler geführten EM-Wellen aufweisen, so dass die an der mindestens einen Diskontinuität (14) und der ersten Stirnfläche reflektierten EM-Wellen und die von dem Koppelelement direkt ausgesendeten EM-Wellen überlagern und eine Gesamtwelle erzeugen, deren Hauptkeule begünstigt und deren Nebenkeulen unterdrückt sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine in den Innenraum des Hohlleiters hineinragende Länge des Koppelelements dermaßen gewählt, dass die Hauptkeule begünstigt und die Nebenkeulen unterdrückt sind. Ferner wird dadurch weniger Energie zurückreflektiert, weshalb eine gute Antennenanpassung erreicht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Variante weist der Hornstrahler eine Bündelungseinrichtung zum Begünstigen der Hauptkeule auf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Hornstrahler eine Parallelisierungseinrichtung zum Unterdrücken der Nebenkeulen auf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Hornstrahler eine Linse, insbesondere eine dielektrische Linse zum Begünstigen der Hauptkeule und zum Unterdrücken der Nebenkeulen auf.
Gemäß einer günstigen Weiterbildung ist das Koppelelement als eine Leiterbahn auf einer Leiterkarte ausgestaltet.
Gemäß einer günstigen Variante ist der Hohlleiter als eine kreisförmige Leiterbahn auf der Leiterkarte ausgestaltet, dessen Durchmesser mindestens einer halben Wellenlänge der EM-Wellen entspricht.
Gemäß einer günstigen Ausführungsform ist der Hohlleiter an der Stelle, an dem das Koppelelement in den Hohlleiter hineinragt, und an einer dem Koppelelement gegenüberliegenden Stelle unterbrochen.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung ist die mindestens eine Diskontinuität als eine Änderung des Durchmessers des Hohlleiters und/oder des Hornstrahlers ausgestaltet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die mindestens eine Diskontinuität als ein Material mit einer anderen Dielektrizitätszahl ausgestaltet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Hohlleiter mit einem Dielektrikum, insbesondere Kunststoff gefüllt, wobei das Dielektrikum eine Dielektrizitätszahl aufweist, der annähernd eine Dielektrizitätszahl einer Leiterkarte entspricht, auf der das Koppelelement angeordnet ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: einen Längsschnitt eines Antennenelements nach dem Stand der Technik,
2: einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Antennenelements,
3: eine Draufsicht auf eine Leiterkarte eines erfindungsgemäßen Antennenelements entsprechend 2, und
4: eine Draufsicht auf eine Leiterkarte entsprechend 3, bei dem die kreisförmige Leiterbahn zwei Unterbrechungen aufweist.
1 zeigt einen Längsschnitt eines Antennenelements 1 eines Füllstandsmessgeräts (nicht dargestellt) nach dem Stand der Technik. Das Füllstandmessgerät dient der Ermittlung und Überwachung eines Füllstands eines Mediums (nicht dargestellt) in einem Behälter (nicht dargestellt) mittels Laufzeiten von elektromagnetischen Wellen (EM-Wellen). Das Antennenelement 1 umfasst einen Hohlleiter 2, wobei eine erste Stirnfläche 3 des Hohlleiters 2 geschlossen und eine zweite Stirnfläche 4 des Hohlleiters 2 geöffnet ist. Ein Koppelelement 5 ragt in einen Innenraum 6 des Hohlleiters 2, und dient zum Aus- und Einkoppeln von EM-Wellen. EM-Wellen, die über das Koppelelement 5 auskoppeln werden über die zweite Stirnfläche 4 ausgesendet und EM-Wellen, die über die zweite Stirnfläche 4 des Hohlleiters 2 empfangen werden, koppeln an das Koppelelement 5 ein.
Ferner umfasst das Antennenelement 1 einen Hornstrahler 7 zum Ausstrahlen und Fokussieren von EM-Wellen, wobei eine Eintrittsöffnung 8 des Hornstrahlers 7 in die zweite Stirnfläche 4 des Hohlleiters 2 mündet. Die von dem Hohlleiter 2 übertragenen EM-Wellen werden von dem Hornstrahler 7 ausgestrahlt und die von dem Hornstrahler 7 empfangenen EM-Wellen werden in den Hohlleiter 2 fokussiert.
2 zeigt einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Antennenelements 1. Das Koppelelement (nicht dargestellt) ist als eine Leiterbahn auf einer Leiterkarte 12 ausgestaltet. Die Leiterkarte 12 ist dermaßen in dem Hohlleiter 2 angeordnet, dass EM-Wellen des Koppelelements in den Hohlleiter 2 ein und auskoppeln können.
Ferner weist der Hornstrahler 7 drei Diskontinuitäten 14 auf. Eine an dem Koppelement erzeugt EM-Welle breitet sich in Richtung des Hornstrahlers 7 aus. Diese EM-Wellen werden an den drei Diskontinuitäten 14 zurück in Richtung der ersten Stirnfläche 3 reflektiert. Nach einer nochmaligen Reflektion an der ersten Stirnfläche 3 breiten sich die EM-Wellen wieder in Richtung des Hornstrahlers 7 und überlagern sich mit den EM-Wellen, die in dem Augenblick von dem Koppelelement 5 auskoppeln zu einer Gesamtwelle, wobei die Gesamtwelle von dem Hornstrahler 7 ausgestrahlt wird.
Der Abstand zwischen der ersten Stirnfläche 3 und den Diskontinuitäten 14 ist dermaßen gewählt, dass ein Antennendiagramm der Gesamtwelle eine ausgeprägte Hauptkeule und so gut wie gar keine Nebenkeulen aufweist.
Ferner weist der Hornstrahler 7 eine Bündelungseinrichtung 9 zum Bündeln der Gesamtwelle und eine Parallelisierungseinrichtung 10 zu Parallelisieren der Gesamtwelle, und eine dielektrische Linse 11 zum Fokussieren der Gesamtwelle auf. Die Bündelungseinrichtung 9, die Parallelisierungseinrichtung 10, und die dielektrische Linse 11 dienen dazu die Hauptkeule des Antennendiagramms des Antennenelements 1 zu verstärken und die Nebenkeulen des Antennendiagramms zu unterdrücken.
Die Bündelungseinrichtung 9 sorgt für eine gute Ausformung der Hauptkeule. Die Parallelisierungseinrichtung 10 sorgt für eine weitgehende Unterdrückung von Nebenkeulen. Die dielektrische Linse 11 ist mit einer scharfen „Spitze“ nach unten (nicht dargestellt) ausgestaltet, um Kondensat gut ablaufen zu lassen, da Wassertropfen die Radarwellen streuen und dämpfen.
Der Hohlleiter 2 weist einen konischen Bereich auf, der aufgeweitet ist, wodurch der Leistungsanteil höherer Moden begünstigt wird. Eine besonders effektive Unterdrückung der Nebenkeulen und Begünstigung der Hauptkeule wird durch ein Zusammenspiel aus den Diskontinuitäten 14, Bündelungseinrichtung 9, Parallelisierungseinrichtung 10 und der Linse 11 erreicht. Die Diskontinuitäten 14 sorgen für eine Wandlung der verschiedenen Moden zu einer stark ausgeprägten einzelnen Mode, beispielsweise einer TE11-Mode.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine Leiterkarte 12 eines erfindungsgemäßen Antennenelements entsprechend 2. Das Koppelelement 5 ist als eine Leiterbahn 16 auf der Leiterkarte 12 ausgestaltet. Eine kreisförmige Leiterbahn 16 umgibt das Koppelelement 5 ermaßen, dass eine Spitze des Koppelelements 5 in der Mitte der kreisförmigen Leiterbahn 16 angeordnet ist.
Eine Länge L des Koppelelements 5 beträgt ein Viertel der Wellenlänge der aus dem Koppelelement 5 ausgekoppelten EM-Wellen. Ein Durchmesser der kreisförmigen Leiterbahn 16 beträgt mindestens einer halben Wellenlänge der aus dem Koppelelement 5 ausgekoppelten Wellen. Ist der Hohlleiter (siehe 2) mit einem dielektrischen Material gefüllt, dann muss der Durchmesser der kreisförmigen Leiterbahn 16 mindestens λ / 2·1/√DK betragen, wobei DK die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials ist.
Hierdurch sind größere Bandbreiten bei der vorliegenden Erfindung möglich. Ferner werden einerseits die Erzeugung höherer Moden begünstigt und andererseits die Verluste vermindert. Im Stand der Technik beträgt der Durchmesser der kreisförmigen Leiterbahn höchstens einer Viertelwellenlänge der aus dem Koppelelement 5 ausgekoppelten Wellen. An das Koppelement 5 ist eine Zuleitung angeordnet, über die das Koppelelement 5 mit einer Radar- Sensorelektronik verbunden ist.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine Leiterkarte 12 eines Antennenelements entsprechend 3, bei dem die kreisförmige Leiterbahn zwei Unterbrechungen aufweist, welche die kreisförmige Leiterbahn in zwei Abschnitte 16a und 16b unterteilt ist. Das Koppelelement 5 ragt von einer ersten Unterbrechung in das Innere der kreisförmigen Leiterbahn. Die zweite Unterbrechung ist an einer dem Koppelelement 5 gegenüberliegende Stelle der kreisförmigen Leiterbahn angeordnet. Hierdurch wird die Grundmode fast vollständig unterdrückt und die Hauptkeule wird überwiegend aus höheren Moden zusammengesetzt. Da die höheren Moden geringere Unterscheide in der Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweisen, lassen sich die Diskontinuitäten derart dimensionieren, dass eine sehr kurze Antenne mit der gleichen Nebenkeulenunterdrückung einer langen Antenne nach dem Stand der Technik erreicht wird. Dies bewirkt, dass für ein Gerät ein kompaktes, handliches und billiges Gehäuse mit weniger Kunststoff und Metall konstruiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Antennenelement
2: Hohlleiter
3: Erste Stirnfläche
4: Zweite Stirnfläche
5: Koppelelement
6: Innenraum
7: Hornstrahler
8: Eintrittsöffnung
9: Bündelungseinrichtung
10: Parallelisierungseinrichtung
11: Linse
12: Leiterkarte
13: Durchmesser
14: Diskontinuität
15: Abstand
16: Kreisförmige Leiterbahn
16a: Erster Abschnitt
16b: Zweiter Abschnitt
L: Länge

Claims

Füllstandmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter mittels Laufzeiten von elektromagnetischen Wellen (EM-Wellen), mit einem Antennenelement (1), umfassend einen Hohlleiter (2), wobei eine erste Stirnfläche (3) des Hohlleiters (2) geschlossen und eine zweite Stirnfläche (4) des Hohlleiters (2) geöffnet ist, ein Koppelelement (5) zum Aus- und Einkoppeln von EM-Wellen, wobei das Koppelelement (5) in einen Innenraum (6) des Hohlleiters (2) hineinragt, so dass EM-Wellen, die über das Koppelelement (5) auskoppeln, über die zweite Stirnfläche (4) ausgesendet werden und EM-Wellen, die über die zweite Stirnfläche (4) des Hohlleiters (2) empfangen werden, an das Koppelelement (5) einkoppeln, einen Hornstrahler (7) zum Ausstrahlen und Fokussieren von EM-Wellen, wobei eine Eintrittsöffnung (8) des Hornstrahlers (2) in die zweite Stirnfläche (4) des Hohlleiters (2) mündet, so dass die von dem Hohlleiter (2) übertragenen EM-Wellen von dem Hornstrahler (7) ausgestrahlt und die von dem Hornstrahler (7) empfangenen EM-Wellen in den Hohlleiter (2) fokussiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (2) und/oder der Hornstrahler (7) mindestens eine Diskontinuität (14) zum Reflektieren der durch den Hohlleiter (2) bzw. den Hornstrahler (7) geführten EM-Wellen aufweisen, so dass die an mindestens einen Diskontinuität (14) und der ersten Stirnfläche (3) reflektierten EM-Wellen und die von dem Koppelelement (5) ausgesendeten EM-Wellen überlagern und eine Gesamtwelle erzeugen, deren Hauptkeule begünstigt und deren Nebenkeulen unterdrückt sind.
Füllstandmessgerät nach Anspruch 1, wobei eine in den Innenraum (6) des Hohlleiters (2) hineinragende Länge des Koppelelements (5) dermaßen gewählt ist, dass die Hauptkeule begünstigt und die Nebenkeulen unterdrückt sind.
Füllstandmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hornstrahler (7) eine Bündelungseinrichtung (9) zum Begünstigen der Hauptkeule aufweist.
Füllstandmessgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hornstrahler (2) eine Parallelisierungseinrichtung (10) zum Unterdrücken der Nebenkeulen aufweist.
Füllstandmessgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hornstrahler (2) eine Linse (11), insbesondere eine dielektrische Linse zum Begünstigen der Hauptkeule und zum Unterdrücken der Nebenkeulen aufweist.
Füllstandmessgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Koppelelement (5) als eine Leiterbahn auf einer Leiterkarte (12) ausgestaltet ist.
Füllstandmessgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiter (2) als eine kreisförmige Leiterbahn (16) auf der Leiterkarte (12) ausgestaltet ist, dessen Durchmesser (13) mindestens einer halben Wellenlänge der EM-Wellen entspricht.
Füllstandmessgerät nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Hohlleiter (2) an der Stelle an dem das Koppelelement (5) in den Hohlleiter (2) hineinragt und an einer dem Koppelelement (5) gegenüberliegenden Stelle unterbrochen ist.
Füllstandmessgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Diskontinuität (14) als eine Änderung des Durchmessers des Hohlleiters (2) und/oder des Hornstrahlers (7) ausgestaltet ist.
Füllstandmessgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Diskontinuität (14) als ein Material mit einer anderen Dielektrizitätszahl ausgestaltet ist.
Füllstandmessgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiter mit einem Dielektrikum, insbesondere Kunststoff gefüllt ist, und wobei das Dielektrikum eine Dielektrizitätszahl aufweist, der annähernd eine Dielektrizitätszahl einer Leiterkarte entspricht, auf der das Koppelelement angeordnet ist.