DE19820839A1 - Füllstand-Meßvorrichtung - Google Patents
Füllstand-MeßvorrichtungInfo
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Abstract
Eine Füllstand-Meßvorrichtung hat eine Koaxialleitung (1) mit einem Innenleiter (10), einem Außenleiter (12) und einem zwischen dem Innenleiter (10) und dem Außenleiter (12) befindlichen Innenraum (14). Die Koaxialleitung (1) ist zum Einbau in einen Behälter für eine Flüssigkeit bestimmt und weist ein unteres Ende (2), das im Betriebszustand unterhalb des Flüssigkeitsspiegels (4) angeordnet ist, und ein oberes Ende (3), das im Betriebszustand oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (4) oder außerhalb des Behälters angeordnet ist, auf. Der Außenleiter (12) hat eine Eintrittsöffnung (18) für die Flüssigkeit zur Einstellung des Flüssigkeitsspiegels im Innenraum (14) der Koaxialleitung (1). Eine Hochfrequenzeinrichtung (8) zur Erzeugung und zum Empfang von Hochfrequenzstrahlung steht im Betriebszustand mit dem oberen Ende (3) der Koaxialleitung (1) in Verbindung, während eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (8) im Betriebszustand mit der Hochfrequenzeinrichtung (8) in Verbindung steht.
Description
Die Erfindung betrifft eine Füllstand-Meßvorrichtung sowie ein
Verfahren zum Messen des Füllstands einer Flüssigkeit in einem
Behälter unter Verwendung einer derartigen Füllstand-Meßvorrich
tung.
Zum Messen des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter
sind verschiedenartige Vorrichtungen und Verfahren bekannt. So
kann der Füllstand beispielsweise mit Hilfe einer Meßlatte, mit
Hilfe eines Schwimmers oder durch Ausnutzen des hydrostatischen
Druckes, den die Flüssigkeit ausübt, bestimmt werden. Neueren
Datums sind Systeme, bei denen elektromagnetische Hochfrequenz
strahlung eingesetzt wird, um aus dem an der Grenzfläche zwi
schen der Flüssigkeit und dem über der Flüssigkeit stehenden Gas
(d. h. an dem Flüssigkeitsspiegel) reflektierten Hochfrequenzsig
nal den Füllstand der Flüssigkeit in dem Behälter zu gewinnen.
So sind zum Beispiel Systeme mit Wellenleitung bekannt, bei
denen eine Eindrahtleitung oder eine Zweidrahtleitung in die
Flüssigkeit eintaucht. Wegen der unterschiedlichen Dielektrizi
tätskonstanten der Flüssigkeit und des über der Flüssigkeit
stehenden Gases wird das auf der Drahtleitung einlaufende Hoch
frequenzsignal am Flüssigkeitsspiegel reflektiert. Durch Aus
wertung des reflektierten Hochfrequenzsignals läßt sich der
Füllstand ermitteln. Dazu nutzen bekannte Systeme die Impuls
laufzeit oder das FMCW-Prinzip (Frequency Modulated Continuous
Wave) aus. Bei dem Impulslaufzeit-Prinzip wird ein Hochfrequenz
impuls in die Meßstrecke eingekoppelt (d. h. auf die Drahtleitung
gegeben), dessen Laufzeit dann bestimmt wird. Bei dem FMCW-Prin
zip wird die Hochfrequenz linear mit der Zeit moduliert. Durch
die Mischung des reflektierten Signals mit dem zum Empfangszeit
punkt ausgesendeten Signals entsteht eine Frequenzdifferenz, die
ein Maß für die Laufzeit und damit für den Füllstand ist.
Bei den bekannten Systemen ist die schwache Führung der elek
tromagnetischen Wellen (Abstrahlung) nachteilig. Es können nur
schwache Reflexe erhalten werden, so daß derartige Systeme für
Flüssigkeiten, deren Dielektrizitätskonstante ∈ kleiner als ca.
2 ist, nicht eingesetzt werden können. (Der Reflexionskoeffi
zient wächst mit ∈; für Treibstoff liegt ∈ im Bereich von ca.
1,8 bis 2,2).
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Füllstand-Meßvorrichtung
hoher Genauigkeit zu schaffen, die auch noch bei Flüssigkeiten
mit einer Dielektrizitätskonstanten ∈ von kleiner als 2 einge
setzt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Füllstand-Meßvorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen. Der Anspruch 15 betrifft
ein Verfahren zum Messen des Füllstands einer Flüssigkeit in
einem Behälter unter Verwendung einer derartigen Füllstand-Meß
vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Füllstand-Meßvorrichtung hat eine Koaxial
leitung mit einem Innenleiter, einem Außenleiter und einem zwi
schen dem Innenleiter und dem Außenleiter befindlichen Innen
raum. Die Koaxialleitung ist zum Einbau in einen Behälter für
eine Flüssigkeit bestimmt und weist ein unteres Ende, das im
Betriebszustand unterhalb des Flüssigkeitsspiegels angeordnet
ist, und ein oberes Ende, das im Betriebszustand oberhalb des
Flüssigkeitsspiegels oder außerhalb des Behälters angeordnet
ist, auf. Der Außenleiter hat eine Eintrittsöffnung für die
Flüssigkeit zur Einstellung des Flüssigkeitsspiegels im Innen
raum der Koaxialleitung. Im Betriebszustand steht eine Hochfre
quenzeinrichtung zur Erzeugung und zum Empfang von Hochfrequenz
strahlung mit dem oberen Ende der Koaxialleitung in Verbindung.
Eine Steuer- und Auswerteeinrichtung steht im Betriebszustand
mit der Hochfrequenzeinrichtung in Verbindung.
Bei der erfindungsgemäßen Füllstand-Meßvorrichtung werden durch
Anwendung der Koaxialleitung Abstrahlungen vermieden, so daß die
physikalisch maximal mögliche Signalamplitude für die Auswertung
zur Verfügung steht. Ferner führt eine Koaxialleitung nicht zur
Dispersion der sich auf der Koaxialleitung ausbreitenden elek
tromagnetischen Wellen. Das heißt, es ergibt sich keine Phasen
verschmierung, und eine Auswertung der Hochfrequenzsignale ist
mit hoher Genauigkeit möglich. So erlaubt die erfindungsgemäße
Füllstand-Meßvorrichtung zum Beispiel die Bestimmung des Füll
stands in Treibstofftanks auf Tankstellen mit einer Genauigkeit
von etwa ± 1 mm, was zum Beispiel für eine laufende Überwachung
des Treibstoffvorrats oder zur Kontrolle einer von einem Tankwa
gen angelieferten Treibstoffmenge völlig ausreichend ist.
Vorzugsweise weist die Eintrittsöffnung einen Längsschlitz im
Außenleiter auf. Durch eine derartige Eintrittsöffnung kann die
Flüssigkeit problemlos in den Innenraum der Koaxialleitung ein
treten, so daß sich im Innenraum derselbe Flüssigkeitsspiegel
(also derselbe Flüssigkeitsstand) einstellt wie in dem Behälter.
Um den Innenleiter der Koaxialleitung in definierter Geometrie
zu dem Außenleiter zu halten, ist es vorteilhaft, wenn ein Teil
des Innenraums der Koaxialleitung von einer Halteeinrichtung für
den Innenleiter eingenommen ist. Die Halteeinrichtung kann bei
spielsweise eine Helix aus einem dielektrischen Material auf
weisen. Der Einfluß der Halteeinrichtung auf die Ausbreitungs
geschwindigkeit der Hochfrequenzstrahlung auf der Koaxialleitung
läßt sich rechnerisch über den Füllfaktor erfassen. Wenn die
Helix mit großer Steigung gewickelt ist, nimmt sie nur einen
geringen Bruchteil des Innenraums ein, so daß die korrekte Ein
stellung des Flüssigkeitsspiegels im Innenraum der Koaxiallei
tung nicht behindert wird.
Vorzugsweise ist die Koaxialleitung für einen vertikalen Einbau
in einen Behälter für eine Flüssigkeit eingerichtet. Im Prinzip
ist es jedoch auch denkbar, daß die Koaxialleitung gekrümmt
verlegt wird; in diesem Fall ist der von der Hochfrequenzstrah
lung auf der Koaxialleitung bis zum Flüssigkeitsspiegel zurück
gelegte Weg allerdings kein direktes Maß für den Füllstand,
sondern es ist eine Umrechnung auf die jeweilige Geometrie er
forderlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuer- und Aus
werteeinrichtung einen heterodynen oder einen homodynen Netz
werkanalysator (oder Vektormesser) auf. Derartige Netzwerkana
lysatoren sind aus der Hochfrequenz-Meßtechnik bekannt und wer
den zum Beispiel von Hewlett Packard, Rhode & Schwarz, Anritsu
Wiltron Advantest, Marconi u. a. hergestellt. Eine ausführliche
Beschreibung davon findet sich in dem Buch von B. Schiek, "Meß
systeme der Hochfrequenztechnik", Hüthig Verlag (1984). Grund
sätzlich sind Netzwerkanalysatoren aufwendig und teuer. Durch
die Anwendung einer Koaxialleitung bei der erfindungsgemäßen
Füllstand-Meßvorrichtung läßt sich jedoch ein relativ niedriger
Frequenzbereich auswählen, was sich in preisgünstiger Weise
auswirkt.
Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung mit dem
heterodynen oder dem homodynen Netzwerkanalysator zur Bestimmung
des Füllstands aus der Phaseninformation des am Flüssigkeits
spiegel reflektierten Hochfrequenzsignals eingerichtet. Dabei
kann die Phaseninformation über den Streuparameter S11 bestimmt
werden. Der Streuparameter S11 ist der aus der Theorie der Netz
werkanalysatoren bekannte Eingangsreflexionsfaktor. Er ist eine
komplexe Größe, wobei sich die gesuchte Phase des am Flüssig
keitsspiegel reflektierten Hochfrequenzsignals, die ein Maß für
den Füllstand ist, aus dem Realteil und dem Imaginärteil von S11
ergibt.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise dazu einge
richtet, die von der Hochfrequenzeinrichtung erzeugte Hochfre
quenzstrahlung über einen Frequenzbereich zu variieren, dessen
untere Grenze mindestens 0,5 GHz (vorzugsweise mindestens 1,5 GHz)
beträgt und dessen obere Grenze höchstens 8,0 GHz (vorzugs
weise höchstens 4,0 GHz) beträgt. Dabei sollte ein Frequenzbe
reich verwendet werden, in dem die Koaxialleitung monomodig ar
beitet. Beispielsweise kann die Hochfrequenzstrahlung über einen
Frequenzbereich von 2,0 GHz bis 2,6 GHz durchgefahren werden.
Dann läßt sich bei der Auswertung des reflektierten Hochfre
quenzsignals die Phase als Funktion der Frequenz bestimmen.
Durch Anpassung an den Verlauf der Meßkurve kann daraus die von
der Hochfrequenzstrahlung auf der Koaxialleitung bis zum Flüs
sigkeitsspiegel zurückgelegte Weglänge ermittelt werden, aus der
sich unmittelbar der gesuchte Füllstand ergibt.
Die Messung des Streuparameters S11 ermöglicht auch die Auswer
tung von Hochfrequenzsignalen, die an mehreren Grenzschichten
reflektiert werden. Mehrere Grenzschichten sind zum Beispiel bei
einer Schichtung von Flüssigkeiten vorhanden. So lassen sich zum
Beispiel bei zwei Flüssigkeiten, die sich nicht mischen, die
Höhe der Trennschicht und die Höhe des Flüssigkeitsspiegels
(also die Höhe der Grenzfläche zwischen der oberen Flüssigkeit
und dem darüberstehenden Gas) bestimmen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist im unteren Endbereich
der Koaxialleitung eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen. Am Ende
einer Koaxialleitung entsteht immer ein Reflex. Falls die Flüs
sigkeit in dem Bereich der Koaxialleitung zwischen dem Flüssig
keitsspiegel und dem Ende der Koaxialleitung nur wenig dämpft,
überlagert sich dieser Reflex mit dem von dem Flüssigkeitsspie
gel reflektierten Hochfrequenzsignal und kann dieses sogar domi
nieren. In diesem Fall wäre eine rechenzeitaufwendige Auswertung
erforderlich, um den Füllstand zu bestimmen. Mit Hilfe der Dämp
fungseinrichtung im unteren Endbereich der Koaxialleitung läßt
sich dieser unerwünschte Reflex selbst bei einem niedrigen Füll
stand weitgehend unterdrücken, was die Signalauswertung erheb
lich erleichtert.
Vorzugsweise weist die Dämpfungseinrichtung einen vorzugsweise
an seiner Basis in einen Zylinder übergehenden Kegelstumpf aus
mikrowellenabsorbierendem Material auf, dessen Basis zum unteren
Ende der Koaxialleitung weist und der den unteren Endbereich des
Innenleiters umgibt. Als mikrowellenabsorbierendes Material
kommen zum Beispiel in Epoxidharz eingebettete Eisencarbonyle in
Frage. Mit einer derartigen Dämpfungseinrichtung lassen sich
Dämpfungen von ca. -15 dB bis -20 dB erzielen. Dabei ist vor
zugsweise der Innenleiter an seinem unteren Ende mit dem Außen
leiter kurzgeschlossen.
Eine weitere Verbesserung der Dämpfung wird erreicht, wenn der
Durchmesser des Innenleiters im Bereich des Kegelstumpfes auf
einen größeren Wert übergeht. Dabei geht vorzugsweise der Durch
messer des Innenleiters an einer Sprungstelle auf einen größeren
Wert über, deren Abstand vom oberen Ende des Kegelstumpfes in
Beziehung zu einem Viertel einer mittleren Wellenlänge der von
der Hochfrequenzeinrichtung erzeugten Hochfrequenzstrahlung in
der Flüssigkeit steht. Man kann sich die Wirkungsweise einer
derartigen Dämpfungseinrichtung so vorstellen, daß ein erster
Reflex am oberen Ende des Kegelstumpfes und ein zweiter Reflex
an der Sprungstelle auftritt. Wenn der Abstand dieser beiden
Stellen etwa einem Viertel der Wellenlänge in der Flüssigkeit
entspricht (die von der Dielektrizitätskonstanten der Flüssig
keit abhängt) ergibt sich ein Laufunterschied der Reflexe von
etwa einer halben Wellenlänge, was zu destruktiver Interferenz
führt. Diese Vorstellung gibt aber nur einen groben Anhaltspunkt
zu der tatsächlichen Wirkungsweise der Dämpfungseinrichtung.
Eine optimale Geometrie läßt sich nur empirisch durch Messungen
ermitteln. Die weitere Dämpfung, die mit Hilfe des Durchmesser
übergangs des Innenleiters erreicht werden kann, beträgt ca. -15 dB.
Der verbleibende Reflex ist dann so klein, daß eine einfache
Auswertung unter Annahme eines einzigen Reflektors (nämlich des
Flüssigkeitsspiegels) ermöglicht wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei
spiels näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 in Teil (a) eine schematische Ansicht einer erfindungs
gemäßen Füllstand-Meßvorrichtung mit einem Längsschnitt
durch eine Koaxialleitung und einer Vorderansicht einer
Hochfrequenzeinrichtung und Steuer- und Auswerteein
richtung, die mit dem oberen Ende der Koaxialleitung in
Verbindung steht, und in Teil (b) einen Querschnitt
durch die Koaxialleitung in Höhe der Achse I-I und
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den unteren Bereich der Koaxi
alleitung mit einer Dämpfungseinrichtung.
Die in Fig. 1 dargestellte Füllstand-Meßvorrichtung weist eine
Koaxialleitung 1 auf, die in Fig. 1 unterbrochen eingezeichnet
ist, da ihre Länge viel größer ist als ihr Durchmesser. Die
Koaxialleitung 1 hat ein unteres Ende 2 und ein oberes Ende 3.
Sie ist zum vorzugsweise vertikalen Einbau in einen Behälter für
eine Flüssigkeit bestimmt und reicht mindestens bis in seinen
oberen Bereich. Vorzugsweise erstreckt sich die Koaxialleitung
1 über den Behälter hinaus, so daß ihr oberes Ende 3 außerhalb
des Behälters angeordnet ist. Wenn sich der Flüssigkeitsspiegel
in dem Behälter bei 4 befindet, wie in Fig. 1(a) schematisch
eingezeichnet, ist das untere Ende 2 der Koaxialleitung 1 (das
vorzugsweise direkt über dem Behälterboden plaziert ist) unter
halb des Flüssigkeitsspiegels 4 und das obere Ende 3 oberhalb
des Flüssigkeitsspiegels 4 angeordnet.
Die Koaxialleitung 1 steht über eine mit einer Überwurfmutter
versehene Kupplung 5 am oberen Ende 3 mit einer Kupferfestman
tel-Leitung 6 in Verbindung, die über einen Winkelstecker 7 zu
einem Gehäuse 8 führt. In dem Gehäuse 8 befindet sich eine Hoch
frequenzeinrichtung zur Erzeugung und zum Empfang von Hochfre
quenzstrahlung, die auf die Koaxialleitung 1 gegeben bzw. von
der Koaxialleitung 1 empfangen wird. Ferner enthält das Gehäuse
8 im Ausführungsbeispiel eine Steuer- und Auswerteeinrichtung
oder einen Teil einer Steuer- und Auswerteeinrichtung, die mit
der Hochfrequenzeinrichtung in Verbindung steht. Weitere Kom
ponenten der Steuer- und Auswerteeinrichtung, die zum Beispiel
auch einen Personal Computer aufweisen können, können außerhalb
des Gehäuses 8 plaziert und mit dem Gehäuse 8 beispielsweise
über eine Datenleitung verbunden werden. In Abhängigkeit von den
Umgebungsbedingungen kann es erforderlich sein, daß das Gehäuse
8 witterungsfest oder gasdicht ausgeführt ist.
Wie in Fig. 1(a) und (b) gezeigt, weist die Koaxialleitung 1
einen Innenleiter 10 und einen Außenleiter 12 auf, zwischen
denen sich ein Innenraum 14 befindet. Sowohl der Innenleiter 10
als auch der Außenleiter 12 bestehen aus Metall. Ein kleiner
Teil des Innenraums 14 wird von einer Helix aus einem dielek
trischen Material, zum Beispiel aus Polyethylen oder aus Polyte
trafluorethylen eingenommen. Die Helix 16 dient als Halteein
richtung, die den Innenleiter 10 auf Abstand zu dem Außenleiter
12 und in einer wohldefinierten Geometrie hält.
Der Außenleiter 12 ist mit einem längs verlaufenden Schlitz 18
versehen, siehe Fig. 1(b), der nahezu bis zum unteren Ende 2
und nahezu bis zum oberen Ende 3 der Koaxialleitung 1 reicht,
siehe Fig. 1(a). Durch den Schlitz 18 kann Flüssigkeit in den
Innenraum 14 der Koaxialleitung 1 eintreten. Dabei wird die
Flüssigkeit durch die Helix 16 praktisch nicht behindert, so daß
sich im Innenraum 14 der Koaxialleitung 1 ein Flüssigkeitsspie
gel einstellt, der dieselbe Höhe hat wie der Flüssigkeitsspiegel
4 in dem Behälter.
Anstelle des Schlitzes 18 kann auch eine anders gestaltete Ein
trittsöffnung für die Flüssigkeit in den Innenraum 14 der Koaxi
alleitung 1 vorgesehen sein. Wichtig ist, daß der Flüssigkeits
spiegel im Innenraum 14 mit dem Flüssigkeitsspiegel 4 im Behäl
ter übereinstimmt oder dazu in einer wohldefinierten Beziehung
steht. Der Außenleiter 12 kann von einer Schutzhülle umgeben
sein, die jedoch die Eintrittsöffnung (zum Beispiel den Schlitz
18) oder die Eintrittsöffnungen für die Flüssigkeit in den In
nenraum 14 freilassen muß.
Im unteren Endbereich 19 der Koaxialleitung 1 ist eine Dämp
fungseinrichtung 20 vorgesehen, die im Detail in Fig. 2 darge
stellt ist.
Die Dämpfungseinrichtung 20 weist einen Kegelstumpf 22 mit einem
oberen Ende 24 und einem unteren Ende (Basis) 26 auf. An das
untere Ende 26 des Kegelstumpfes 22 schließt sich ein Zylinder
28 an, dessen Außendurchmesser auf den Innendurchmesser des
Außenleiters 12 abgestimmt ist. Der Kegelstumpf 22 und der Zy
linder 28 umgeben gemeinsam den unteren Endbereich des Innenlei
ters 10, wie in Fig. 2 dargestellt.
An einer Sprungstelle 30, die sich unterhalb des oberen Endes 24
des Kegelstumpfes 22 befindet, geht der Durchmesser des Innen
leiters 10 auf einen größeren Wert über. Dadurch ist in dem
Bereich zwischen dem oberen Ende 24 und der Sprungstelle 30
zwischen dem Innenleiter 10 und der Bohrung in dem Kegelstumpf
22 ein ringförmiger Zwischenraum 32 ausgebildet, siehe Fig. 2.
Im Ausführungsbeispiel hat der Innenleiter 10 oberhalb der
Sprungstelle 30 einen Durchmesser von 7,0 mm und unterhalb der
Sprungstelle 30 einen Durchmesser von 7,6 mm, so daß die Breite
des ringförmigen Zwischenraums 32 etwa 0,3 mm beträgt.
Am unteren Ende des Innenleiters 10 ist ein Flansch 34 ange
bracht, der von einem Sprengring 36 gehalten wird. Der Spreng
ring 36 ist in einer in dem Außenleiter 12 vorgesehenen Nut 38
gelagert.
Der Schlitz 18 erstreckt sich etwa bis zum unteren Ende 26 des
Kegelstumpfes 22. Daher taucht die Dämpfungseinrichtung 20 prak
tisch immer in die in dem Behälter befindliche Flüssigkeit ein,
und auch der ringförmige Zwischenraum 32 ist unter Betriebsbe
dingungen mit dieser Flüssigkeit gefüllt.
Um eine optimale Wirkung der Dämpfungseinrichtung 20 zu erzie
len, muß deren Geometrie empirisch ermittelt werden. Grundsätz
lich wäre zwar eine größere Länge des Kegelstumpfes 22 wün
schenswert, dann könnten aber keine niedrigen Flüssigkeitsspie
gel gemessen werden. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand
L zwischen dem oberen Ende 24 des Kegelstumpfes 22 und der
Sprungstelle 30 etwa 5 mm, die Länge des Kegelstumpfes 22 liegt
in der Größenordnung von 20 mm und die Länge des Zylinders 28 in
der Größenordnung von 10 mm. Wie bereits weiter oben erläutert,
bewirkt die Dämpfungseinrichtung 20 eine Reflexion der einlau
fenden Hochfrequenzstrahlung am oberen Ende 24 des Kegelstumpfes
22 und eine weitere Reflexion an der Sprungstelle 30. Diese
beiden Reflexe löschen sich weitgehend gegenseitig aus, da L
ungefähr einem Viertel der Wellenlänge in der Flüssigkeit ent
spricht. Der nicht reflektierte Anteil der Hochfrequenzstrahlung
wird durch die stark mikrowellenabsorbierenden Eigenschaften des
Materials, aus dem der Kegelstumpf 22 und der Zylinder 28 beste
hen, so stark gedämpft, daß von der Kurzschlußstelle an dem
Flansch 34 und dem Sprengring 36 nur ein schwaches Hochfrequenz
signal reflektiert werden kann. Dieses Hochfrequenzsignal wird
nach der Reflexion in dem Zylinder 28 und dem Kegelstumpf 22
weiter gedämpft, so daß es die Signalauswertung nicht stört.
Die Wirkungsweise der Füllstand-Meßvorrichtung und das Verfahren
zum Messen des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter
unter Verwendung einer derartigen Füllstand-Meßvorrichtung sind
bereits oben erläutert und daher im folgenden nur kurz zusammen
gefaßt. Über die von der Steuer- und Auswerteeinrichtung ange
steuerte Hochfrequenzeinrichtung wird über die Kupferfestmantel-
Leitung 6 Hochfrequenzstrahlung auf die Koaxialleitung 1 gege
ben. Dabei wird der Frequenzbereich im Ausführungsbeispiel zwi
schen 2,0 GHz und 2,6 GHz variiert. Am Flüssigkeitsspiegel 4
wird ein Teil der Hochfrequenzstrahlung reflektiert und als
reflektiertes Hochfrequenzsignal von der Hochfrequenzeinrichtung
empfangen und an die Steuer- und Auswerteeinrichtung weiterge
leitet. Der transmittierte Anteil der Hochfrequenzstrahlung wird
weitgehend von der Dämpfungseinrichtung 20 gedämpft.
In der Steuer- und Auswerteeinrichtung wird unter Anwendung von
im Zusammenhang mit Netzwerkanalysatoren bekannten Auswertever
fahren und Algorithmen über den Streuparameter S11 Phaseninforma
tion aus dem reflektierten Hochfrequenzsignal erhalten, woraus
sich der Füllstand, d. h. die Höhe des Flüssigkeitsspiegels 4 in
dem Behälter, ermitteln läßt. Die Meßgenauigkeit beträgt im
Ausführungsbeispiel etwa ± 1 mm.
Claims (15)
1. Füllstand-Meßvorrichtung,
- - mit einer Koaxialleitung (1) mit einem Innenleiter (10), einem Außenleiter (12) und einem zwischen dem Innenleiter (10) und dem Außenleiter (12) befindlichen Innenraum (14), die zum Einbau in einen Behälter für eine Flüssigkeit be stimmt ist und ein unteres Ende (2), das im Betriebszustand unterhalb des Flüssigkeitsspiegels (4) angeordnet ist, und ein oberes Ende (3), das im Betriebszustand oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (4) oder außerhalb des Behälters an geordnet ist, aufweist, wobei der Außenleiter (12) eine Eintrittsöffnung (18) für die Flüssigkeit zur Einstellung des Flüssigkeitsspiegels im Innenraum (14) der Koaxiallei tung (1) hat,
- - mit einer Hochfrequenzeinrichtung (8) zur Erzeugung und zum Empfang von Hochfrequenzstrahlung, die im Betriebs zu stand mit dem oberen Ende (3) der Koaxialleitung (1) in Verbindung steht, und
- - mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (8), die im Be triebszustand mit der Hochfrequenzeinrichtung (8) in Ver bindung steht.
2. Füllstand-Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Eintrittsöffnung einen Längsschlitz (18)
im Außenleiter (12) aufweist.
3. Füllstand-Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Teil des Innenraums (14) der Koaxi
alleitung (1) von einer Halteeinrichtung (16) für den Innen
leiter (10) eingenommen ist.
4. Füllstand-Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Halteeinrichtung eine Helix (16) aus einem
dielektrischen Material aufweist.
5. Füllstand-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxialleitung (1) für einen
vertikalen Einbau in einen Behälter für eine Flüssigkeit
eingerichtet ist.
6. Füllstand-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrich
tung (8) einen heterodynen oder einen homodynen Netzwerkana
lysator aufweist.
7. Füllstand-Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (8) zur
Bestimmung des Füllstands aus der Phaseninformation des am
Flüssigkeitsspiegel reflektierten Hochfrequenzsignals einge
richtet ist.
8. Füllstand-Meßvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrichtung (8) zur
Bestimmung der Phaseninformation über den Streuparameter S11
eingerichtet ist.
9. Füllstand-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und Auswerteeinrich
tung (8) dazu eingerichtet ist, die von der Hochfrequenz
einrichtung erzeugte Hochfrequenzstrahlung über einen Fre
quenzbereich zu variieren, dessen untere Grenze mindestens
0,5 GHz, vorzugsweise mindestens 1,5 GHz, beträgt und dessen
obere Grenze höchstens 8,0 GHz, vorzugsweise höchstens 4,0 GHz,
beträgt.
10. Füllstand-Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß im unteren Endbereich (19) der
Koaxialleitung (1) eine Dämpfungseinrichtung (20) vorgesehen
ist.
11. Füllstand-Meßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung (20) einen vorzugs
weise an seiner Basis (26) in einen Zylinder (28) übergehen
den Kegelstumpf (22) aus mikrowellenabsorbierendem Material
aufweist, dessen Basis (26) zum unteren Ende (2) der Koaxi
alleitung (1) weist und der den unteren Endbereich des In
nenleiters (10) umgibt.
12. Füllstand-Meßvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Innenleiter (10) an seinem unteren Ende
mit dem Außenleiter (12) kurzgeschlossen ist.
13. Füllstand-Meßvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Innenleiters (10) im
Bereich des Kegelstumpfes (22) auf einen größeren Wert über
geht.
14. Füllstand-Meßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Durchmesser des Innenleiters (10) an einer
Sprungstelle (30) auf einen größeren Wert übergeht, deren
Abstand (L) vom oberen Ende (24) des Kegelstumpfes (22) in
Beziehung zu einem Viertel einer mittleren Wellenlänge der
von der Hochfrequenzeinrichtung erzeugten Hochfrequenzstrah
lung in der Flüssigkeit steht.
15. Verfahren zum Messen des Füllstands einer Flüssigkeit in
einem Behälter unter Verwendung einer Füllstand-Meßvorrich
tung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit den Schritten
- - Einleiten von Hochfrequenzstrahlung, die von der Hochfre quenzeinrichtung (8) erzeugt wird, am oberen Ende (3) der Koaxialleitung (1) in die Koaxialleitung (1),
- - Empfangen des am Flüssigkeitsspiegel (4) reflektierten Hochfrequenzsignals mit der Hochfrequenzeinrichtung,
- - Auswerten des empfangenen Hochfrequenzsignals und Bestim men des Füllstands mit der Steuer- und Auswerteeinrichtung (8).
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DE1998120839 DE19820839A1 (de) | 1998-05-04 | 1998-05-04 | Füllstand-Meßvorrichtung |
Publications (1)
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DE19820839A1 true DE19820839A1 (de) | 1999-11-11 |
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DE1998120839 Ceased DE19820839A1 (de) | 1998-05-04 | 1998-05-04 | Füllstand-Meßvorrichtung |
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