ITMI981043A1 - Apparecchio di misura del livello di riempimento operante con microonde - Google Patents

Description

L'invenzione riguarda un apparecchio per la misura del livello di riempimento operante con microonde, disposto su un recipiente o sopra un deposito, con un contenitore, mezzi per il fissaggio dell'apparecchio di misura del livello di riempimento e un'antenna ad asta o a tromba, diretta nel vano interno del recipiente o sul materiale di riempimento di un deposito, per la misura del livello di riempimento in recipienti o su depositi. Per una tale misura del livello di riempimento, vengono trasmesse microonde mediante un'antenna verso la superficie di un materiale di riempimento, e vengono ricevute le onde d'eco riflesse sulla superficie del materiale di riempimento. A tale scopo viene formata una funzione d'eco rappresentante le ampiezze dell'eco in funzione della distanza, dalla quale poi vengono determinati l'eco utile probabile e il suo tempo di propagazione. Dal tempo di propagazione della microonda è poi possibile determinare la distanza fra la superficie del materiale di riempimento e l'antenna.

Possono venire adottati tutti i procedimenti noti che consentono di misurare distanze relativamente brevi mediante riflessione di microonde. Gli Esempi più noti sono il radar a impulsi e il radar a emissione -continua a modulazione di frequenza (Radar FMCW).

Coi radar a impulsi vengono emessi periodicamente brevi impulsi di trasmissione a microonde, spesso denominati pacchetti di onde, che vengono riflessi dalla superficie del materiale di riempimento e vengono nuovamente ricevuti dopo un tempo di propagazione dipendente dalla distanza.

Con il procedimento FMCW viene trasmessa una microonda continua, che periodicamente è modulata linearmente in frequenza, per esempio secondo una funzione a denti di sega. La frequenza del segnale d'eco ricevuto presenta quindi rispetto alla frequenza istantanea che ha il segnale di trasmissione all'istante della ricezione una differenza di frequenza, che dipende dal tempo di propagazione del segnale d'eco. La differenza di frequenza tra i segnali in trasmissione e ricezione, che può venire ricavata per miscelazione di entrambi i segnali e analisi dello spettro di Fourier del segnale miscelato, corrisponde quindi alla distanza della superficie riflessa dall'antenna.

Gli apparecchi di misura del livello di riempimento operanti con microonde vengono impiegati in molti rami dell'industria, per esempio nella chimica o nell'industria dei generi alimentari. Se deve essere misurato il livello di riempimento in recipienti, questi recipienti presentano una apertura alla quale sono collegati comunemente un bocchettone o una flangia per il fissaggio dell'apparecchio di misura del livello di riempimento al recipiente. Molto frequentemente, come antenne vengono impiegate antenne ad asta o radiatori a tromba. Le antenne ad asta vengono impiegate di preferenza ogni qualvolta l'apertura del recipiente presenti un piccolo diametro. Infatti, le antenne ad asta presentano a differenza dei radiatori a tromba un piccolo diametro esterno.

In DE-A 4405 855 è descritto un apparecchio di misura del livello di riempimento operante con microonde, fissato ad un recipiente, che presenta un contenitore e un'antenna ad asta, e mediante un collegamento a flangia è fissato al recipiente.

L'antenna ad asta sporge nel vano interno del recipiente ed è costituita da un dielettrico, in particolare da un politetrafluoroetilene (PTFE).

L'inconveniente di tale noto apparecchio di misura el livello di riempimento operante con microonde consiste nel fatto che, come per tutti gli apparecchi di misura del livello di riempimento di tale tipo finora noti, l'antenna ad asta emette una radiazione a microonde sia principalmente in avanti, ossia in direzione assiale come lobo principale nell'interno del contenitore, sia anche, per effetto della caratteristica direzionale, lateralmente ossia spostata di alcuni gradi dalla direzione assiale, sotto forma di lobi di radiazione secondari. La direzione dei lobi secondari presenta una netta componente perpendicolare all'asse dell'antenna.

Inoltre, tipicamente l’ampiezza di un primo lobo secondario è soltanto di 15 dB - 25 dB al disotto dell'ampiezza del lobo principale. Tutta questa radiazione influenza negativamente la misura.

Inoltre, la parte trasmessa radialmente della radiazione a microonde viene almeno in parte riflessa dal bordo dell'apertura, del recipiente e dal dispositivo di fissaggio dell'apparecchio di misura rappresenta quindi un altro disturbo, che può ostacolare considerevolmente la misura. La parte radiazione disturbante dipende dal modo di montaggio dell'apparecchio di misura ed è particolarmente grande per apparecchi di misura fissati su bocchettoni tubolari. D’altro canto, è desiderio di molti utenti di tali apparecchi di misura sfruttare fino al limite superiore il vano riempibile a disposizione. Ciò richiede che gli apparecchi di misura vengano disposti di regola su un bocchettone tubolare al di sopra del coperchio del recipiente.

Questa radiazione disturbante ultima citata si crea in quanto una parte dell'energia a microonde emessa viene direttamente riflessa dal bocchettone e successivamente viene ancora ricevuta dall'antenna, senza giungere nel recipiente, oppure per il fatto che nel bocchettone si creano riflessioni multiple. Queste riflessioni o riflessioni multiple danno luogo ad un prolungamento artificiale di brevi impulsi a microonde.

Una misura del livello di riempimento con il procedimento del radar a impulsi è però eseguibile soltanto qualora il segnale d’eco giunga nuovamente all'antenna dopo che i segnali di disturbo si siano estinti .

Per il procedimento FMCW si ha analogamente che lo spostamento di frequenza del segnale di misura deve essere maggiore dello spostamento di frequenza dei segnali di disturbo.

Quanto più corta è la distanza in direzione radiale tra il dispositivo di fissaggio dell'apparecchio di misura, per esempio bocchettone, e antenna, tanto maggiori sono le ripercussioni sulla propagazione delle microonde nel campo vicino

dell'antenna.

Così, la radiazione di disturbo, che accanto alla radiazione a microonde utilizzata per la misura del livello di riempimento, trasmessa direttamente dall'antenna al materiale di riempimento e ivi direttamente riflessa all'antenna, ha ripercorso la via indiretta con una riflessione nel dispositivo di fissaggio dell'apparecchio di misura, dà luogo ad una determinazione erronea del tempo di propagazione e quindi a risultati di misura erronei.

E' quindi scopo dell'invenzione indicare un apparecchio di misura del livello di riempimento operante con microonde, nel quale gli inconvenienti della tecnica nota siano evitati e non avvenga alcuna alterazione nella potenza di trasmissione. Inoltre, la potenza di trasmissione rimane del tutto inalterata da condensa o altra umidità.

Questo scopo viene raggiunto mediante gli accorgimenti caratterizzati nella rivendicazione principale 1.

Sviluppi dell'invenzione sono caratterizzati nelle rivendicazioni dipendenti.

L'invenzione verrà meglio descritta con riferimento al disegno.

Mostrano: la Figura 1, la rappresentazione di un apparecchio di misura del livello di riempimento operante con microonde nel quale è adottata l'invenzione, allo stato montato;

la Figura 2, una vista parzialmente sezionata dell'antenna dell'apparecchio di misura del livello di riempimento di Figura 1, come primo esempio di esecuzione dell'invenzione, e

la Figura 3, una vista sezionata di una parte dell'antenna dell'apparecchio di misura del livello di riempimento di Figura 1, come secondo Esempio di esecuzione dell'invenzione .

In Figura 1 è rappresentato con 1 un apparecchio dimisura del livello di riempimento operante con microonde, fissato con un recipiente. , L'apparecchio di misura del livello di riempimento può essere un apparecchio radar a impulsi un apparecchio FMCW oppure un oscillatore a microonde oscillante in continuazione. Nel recipiente 2 si trova un materiale di riempimento, e l'apparecchio di misura del livello di riempimento 1 serve per determinare l'altezza di riempimento di questo materiale di riempimento. A tale scopo vengono trasmesse microonde nel recipiente 2 attraverso una antenna adatta 3 rivolta nel recipiente e vengono ricevute le onde d'eco di ritorno flesse dalla superficie del materiale di riempimento. L'antenna ad asta 3 è costituita da un dielettrico, preferibilmente da politetrafluoroetilene (PTFE).

L'apparecchio di misura del livello di riempimento 1 è fissato su un bocchettone tubolare 22 del recipiente 2. Per il fissaggio dell'apparecchio di misura del livello di riempimento 1 al recipiente 2 è previsto un collegamento a flangia. Questo è formato dalla flangia 11 dell'apparecchio e dalla flangia 21 del recipiente. In luogo del collegamento a flangia 11, 21 l'apparecchio di misura del livello di riempimento può anche essere avvitato in una apertura della flangia 21 mediante un elemento di avvitamento 31 (Figura 2). La flangia 21 del recipiente e il bocchettone 22 tubolare sono collegati rigidamente mediante collegamenti saldati alla parete 23 del recipiente .

Nel caso di una radiazione radiale di energia a microonde da parte dell'antenna 3, questa viene riflessa dalla superficie perimetrale interna del bocchettone tubolare 22, provoca riflessioni multiple e influenza il risultato della misura.

L'apparecchio di misura del livello di riempimento 1 presenta un contenitore 4. Questo si compone delle parti contenitore dell'elettronica 41 e contenitore di accoppiamento 42. Il contenitore dell'elettronica 41 comprende gli elementi di allacciamento per le linee di collegamento, attraverso le quali l'apparecchio di misura del livello di riempimento 1 riceve l'energia elettrica necessaria per il suo funzionamento e il segnale di misura viene trasmesso ad una centrale di sorveglianza disposta a distanza oppure ad un attuatore. Inoltre, il contenitore dell'elettronica 41 comprende il generatore di microonde e il circuito elettrico, mediante il quale l'apparecchio a microonde 1 viene fatto operare. Il contenitore dell'elettronica 1 può anche presentare una unità visualizzatrice , dalla quale il risultato della misura può addizionalmente venire ‘letto direttamente nel sito di misura.

Il contenitore di accoppiamento 42 contiene le parti necessarie per l'accoppiamento delle microonde. A tale scopo un cavo coassiale 24 (nelle Figure 2 e 3) collega l'elemento di eccitazione 25 (nelle Figure 2 e 3) con il generatore di microonde non rappresentato, all'interno del contenitore dell'elettronica 41. Le parti di contenitore 41 e 42 formano una unità di un sol pezzo. Un collegamento a vite non rappresentato collega il contenitore 4 con un bocchettone tubolare 43. A tale scopo, il bocchettone tubolare 43 presenta una filettatura esterna e il contenitore 4 una filettatura interna.per cui il contenitore 4 può venire avvitato sul bocchettone 43. Il bocchettone tubolare 43 è collegato, mediante un collegamento a saldatura, con la flangia 11 dell'apparecchio. L'antenna ad asta 3 penetra attraverso la flangia 11 dell'apparecchio.

La Figura 2 mostra un primo esempio di esecuzione dell'invenzione. L'antenna ad asta è qui ancora indicata con 3 in una sezione parziale. Il corpo di sonda 3 è formato dalle due parti punta di sonda 32 e tratto cilindrico cavo 33. Il tratto 33 rappresenta il collegamento tra la punta di sonda 32 e l'elemento di avvitamento 31, mediante il quale l'apparecchio di misura del livello di riempimento 1 può venire fissato in una apertura della flangia 21. A tale scopo, sull'elemento di avvitamento 31 sono ricavate una filettatura esterna 34 e una superficie per chiave 35 per l'applicazione di una chiave per viti.

L'elemento di avvitamento 31 in questo esempio di esecuzione è direttamente collegato al contenitore di accoppiamento 42.

Nell'elemento di avvitamento 31 si estende lungo il suo asse di simmetria una apertura cilindrica passante 36. Una prima antenna 37 attraversa l'apertura 36 e, sul lato rivolto alla punta di sonda 32, è eseguita come un cono appuntito. Il tratto 33 è cosituito da un materiale conduttivo, per esempio alluminio, acciaio legato o una materia plastica. In quest'ultimo caso la superficie perimetrale interna del cilindro cavo 33 è rivestita di una materia plastica metallica, elettricamente conduttiva.

La punta conica della prima antenna 37 sporge nella cavità 38 della parte cilindrica 33. Nella cavità 38 si trova, sul prolungamento dell'asse di simmetria della prima antenna 37, ad una certa distanza da essa, una seconda antenna 39 di forma uguale, la cui punta conica è però rivolta alla punta conica della prima antenna. Entrambe le antenhe sono fatte di un dielettrico, preferibilmente di un politetraf luoroetilene (PTFE). La punta di sonda 32 è ricavata di un sol pezzo nella seconda antenna 39. La forma di esecuzione di un sol pezzo presenta il vantaggio che non si creano brusche variazioni di impe enza tra i due elementi strutturali, e quindi non possono crearsi perdite di energia.

La microonda generata dal generatore di microonde disposto nell'interno del contenitore 41 viene trasmessa attraverso la linea coassiale 24 all'elemento eccitatore 25. L'elemento di avvitamento 31 è fatto di un materiale metallico e forma una guida d'onda circolare cortocircuitata, nella quale si forma il modo della microonda da trasmettere.

Preferibilmente l'elemento di avvitamento è fatto di alluminio o acciaio legato. E' anche possibile l'esecuzione in materia plastica. In tal caso l'apertura cilindrica 36 deve essere rivestita di una materia plastica elettricamente conduttiva. La prima antenna 37 trasmette microonde alla seconda antenna 39. La trasmissione della microonda tra le antenne 37 e 39, ossia nella cavità 38, avviene attraverso l'aria. A tale scopo la superficie perimetrale della cavità 38 metallica o con rivestimento metallico agisce da schermatura elettrica con l'effetto di uno specchio e riflette la radiazione a microonde in modo che la regione del dispositivo di fissaggio dell'apparecchio o del recipiente circondante la cavità cilindrica 38 rimanga libera da energia a microonde incidente.

La trasmissione di microonde attraverso l'aria provoca poche perdite di energia e può quindi avvenire anche attraverso tratti abbastanza lunghi. Le perdite che si verificano nella trasmissione di microonde attraverso un dielettrico sono invece più volte maggiori. Per esempio, ad una frequenza di 6 GHz, le perdite in aria sono di circa 10-4 dB/m, mentre nel polifluoroetilene sono circa di 0,5 dB/m. Soltanto nelle transizioni fra la cavità 38 e le due antenne 37 e 39 si verificano perdite di energia per brusche variazioni di impedenza. Perciò, un altro vantaggio dell'invenzione consiste nel fatto di ottenere un miglioramento della potenza di trasmissione, dato che le perdite per la trasmissione in aria e le perdite nelle transizioni ad un dielettrico sono complessivamente inferiori alle perdite che si vericherebbero se le microonde venissero trasmesse per la stessa distanza attraverso un dielettrico.

La microonda diretta dall'antenna 3 sulla superficie del materiale di riempimento viene ivi riflessa e ricevuta come onda d'eco dall'antenna 3. L'antenna 39 disposta nella cavità 38 trasmette allora a sua volta l'onda d'eco attraverso l'aria all'antenna 37. Le due antenne 39 e 37 agiscono quindi vicendevolmente come trasmittente e ricevente. Un altro esempio di esecuzione dell'invenzione è rappresentato in Figura 3. E' qui mostrato un piccolo pezzo del bocchettone tubolare 43. Il bocchettone tubolare 43 circonda il contenitore e l'eccitatore 45. A differenza del dispositivo di Figura 1, in questo esempio di esecuzione la parete del contenitore dell'eccitatore 45 è attraversata radialmente dall'elemento di accoppiamento 25. Il collegamento elettrico fra l'elemento di accoppiamento 25 e il generatore di microonde non rappresentato è a sua volta formato dal cavo coassiale 24. Il bocchettone tubolare 43 e il contenitore dell'eccitatore 45 sono riuniti insieme mediante un collegamento saldato a costituire una sola unità con la flangia 11 dell'apparecchio.

In direzione assiale il contenitore el l'eccitatore 45 è quasi completamente attraversato da una apertura 46. Nella apertura 46 è introdotta la prima antenna 37. La parte cilindrica dell'antenna 37 penetra completamente attraverso l'apertura 46. Il contenitore dell'eccitatore 45 è fatto di un metallo, come l'elemento di avvitamento 31.Può però essere anche fatto di una materia plastica, se la superficie perimetrale dell’apertura 46 è rivestita di una materia plastica elettricamente conduttiva. Sul lato della flangia di apparecchio 11 non rivolto al contenitore dell'eccitatore 45 è fissato mediante un collegamento a flangia 47 un tubo di antenna 48. Il tubo di antenna 48 costituisce il collegamento meccanico non rappresentato con la seconda antenna 39, parimenti non rappresentata. In questo esempio di esecuzione il contenitore di accoppiamento 45 rappresenta la guida d'onda circolare cortocircuitata, nella quale si forma il modo delle microonde da trasmettere. La prima antenna 37 trasmette anche qui microonde alla seconda antenna 39, ossia a sua volta attraverso una cavità 44. La superficie perimetrale metallica o con rivestimento metallico della cavità 44 agisce parimenti da specchio e riflette la radiazione a microonde, per cui anche in questa forma di esecuzione viene impedita una irradiazione di energia a microonde radialmente in direzione degli elementi di fissaggio.

Specularmente alla flangia 47 il tubo di antenna 48 termina in un collegamento a flangia, con il cui ausilio la seconda antenna è collegata alla punta di antenna 3.

Ovviamente, il cilindro cavo 33 e il tubo di antenna 48 possono avere una sezione trasversale totalmente diversa, che sia compatibile con il modo da trasmettere e con la frequenza di trasmissione. La geometria di una guida d'onda circolare cortocircuitata e di una sezione trasversale di antenna circolare presenta il vantaggio di poter propagare modi che forniscono una caratteristica di radiazione con un lobo anteriore marcato

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchio di misura del livello di riempimento operante con microonde, disposto su un recipiente o al disopra di un deposito, con un contenitore, mezzi per il fissaggio dell'apparecchio di misura del livello di riempimento, un'antenna astiforme rivolta nell'interno del recipiente o sul materiale di riempimento di un deposito, per la misura del livello di riempimento in recipienti o depositi, caratterizzato dal fatto che l'apparecchio di misura del livello di riempimento presenta un tratto (33, 48) dell'antenna (3) disposto fra l'elemento di accoppiamento (25) delle microonde e l'antenna ad asta o a tromba (32), dal quale l'irradiazione radiale di energia a microonde è intercettata.
2. 2. Apparecchio di misura del livello di riempimento operante con microonde, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il tratto (33, 48) è una cavità metallica o con rivestimento metallico.
3. 3. Apparecchio di misura del livello di riempimento operante con microonde secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il tratto cilindrico cavo (33, 48) è chiuso da due antenne (37, 39) rivolte l'una contro l'altra.
4. 4. Apparecchio di misura del livello di riempimento operante con microonde secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che le antenne (37,39) sono adatte sia per la trasmissione che per la ricezione di microonde.
5. 5. Apparecchio di misura del livello di riempimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che per l'intercettazione della radiazione radiale a microonde la radiazione a microonde trasmessa da una prima antenna (37) attraverso il tratto cilindrico cavo (33, 48) ad una seconda antenna (39) o viceversa è riflessa contro la superficie perimetrale interna del tratto cilindrico cavo (33, 48).