DE19820839A1 - Füllstand-Meßvorrichtung - Google Patents

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).