DE10049995A1

DE10049995A1 - Füllstandsmessgerät

Info

Publication number: DE10049995A1
Application number: DE10049995A
Authority: DE
Inventors: Roland Mueller; Wolfram Luetke
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2002-04-11
Also published as: WO2002031450A1; US20020040596A1; US6606904B2; AU2001285862A1; EP1325289A1

Abstract

Es ist ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes (5) in einem Behälter (1) angegeben, das mit einer einzigen möglichst einfach aufgebauten Antenne (7) auskommt und bei dem ein zur Messung erforderlicher Mindestabstand des Füllgutes (5) zur Antenne (7) möglichst gering ist, mit einem Mikrowellengenerator (39), und einer Antenne (7) mit planarer Antennenstruktur, die dazu dient die Mikrowellen in Richtung des Füllgutes (5) zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen, bei der die planare Antennenstruktur mindestens zwei Sende- und/oder empfangselemente (11, 13, 33, 35, 37, S, E) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mit einem Mikrowellengenerator und einer Antenne mit planarer Antennenstruktur, die dazu dient die Mikrowellen in Richtung des Füllgutes zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen. Bei diesen Füllstandsmeßgeräten wird üblicher Weise mittels einer Empfangs- und Auswerteschaltung eine Laufzeit der Mikrowellen vom Gerät zur Füllgutoberfläche und zurück ermittelt und daraus der momentane Füllstand bestimmt.

Bei der Füllstandsmessung werden Mikrowellen mittels einer Antenne zur Oberfläche eines Füllguts gesendet und an der Oberfläche reflektierte Echowellen empfangen. Es wird eine die Echoamplituden als Funktion der Entfernung darstellende Echofunktion gebildet, aus der das wahrscheinliche Nutzecho und dessen Laufzeit bestimmt werden. Aus der Laufzeit wird der Abstand zwischen der Füllgutoberfläche und der Antenne bestimmt.

In der am 7. 9. 99 angemeldeten Europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 99 11 7604.1 ist eine Antenne mit planarer Antennenstruktur beschrieben, die sich zur Füllstandsmessung eignet.

Solche Planarantennen sind auch in dem Buch "Einführung in die Theorie und Technik planarer Mikrowellenantennen in Mikrostreifenleitungstechnik" Gregor Gronau, Verlagsbuchhandlung Nellissen-Wolffoder in dem Zeitschriftenartikel "Impedance of radiation slot in the ground plane of a microstrip line", IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol AP-30, Seiten 922-926, Mai 1982 beschrieben.

Zur Bestimmung des Füllstandes können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Mikrowellen zu messen. Die bekanntesten Beispiele sind das Pulsradar und das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar).

Beim Pulsradar werden periodisch kurze Mikrowellen- Sendeimpulse, im folgenden als Wellenpakete bezeichnet, gesendet, die von der Füllgutoberfläche reflektiert und nach einer abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen werden. Die empfangene Signalamplitude als Funktion der Zeit stellt die Echofunktion dar. Jeder Wert dieser Echofunktion entspricht der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand von der Antenne reflektierten Echos.

Beim FMCW-Verfahren wird eine kontinuierliche Mikrowelle gesendet, die periodisch linear frequenzmoduliert ist, beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion. Die Frequenz des empfangenen Echosignals weist daher gegenüber der Augenblicksfrequenz, die das Sendesignal zum Zeitpunkt des Empfangs hat, eine Frequenzdifferenz auf, die von der Laufzeit des Echosignals abhängt. Die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal, die durch Mischung beider Signale und Auswertung des Fourierspektrums des Mischsignals gewonnen werden kann, entspricht somit dem Abstand der reflektierenden Fläche von der Antenne. Ferner entsprechen die Amplituden der Spektrallinien des durch Fouriertransformation gewonnenen Frequenzspektrums den Echoamplituden. Dieses Fourierspektrum stellt daher in diesem Fall die Echofunktion dar.

Bei der Füllstandsmessung mit nur einer Antenne tritt das Problem auf, daß eine sinnvolle Füllstandsmessung nur dann möglich ist, wenn der Füllstand eine Mindestentfernung zur Antenne nicht unterschreitet. Diese Mindestentfernung, die häufig auch als Blockdistanz bezeichnet wird, ist dadurch bedingt, daß ein durch das Senden bedingtes Empfangssignal erst auf eine unterhalb der Echoamplitude liegende Amplitude abgeklungen sein muß, bevor das von der Füllgutoberfläche reflektierte Echosignal zuverlässig erkannt und ausgewertet werden kann.

Dieses Problem läßt sich weitestgehend lösen, indem zwei getrennte Antennen eingesetzt werden, von denen eine zum Senden und eine zum Empfangen von Mikrowellen dient. Diese Lösung setzt aber voraus, daß am Behälter zwei Öffnungen in passendem Abstand vorhanden sind, durch die die beiden Antenne eingeführt werden können. Dies ist jedoch bei den meisten Anwendungen nicht der Fall.

In der EP-B 592 584 ist ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät beschrieben mit

- einem Mikrowellengenerator und
- einer Antenne
- die dazu dient die Mikrowellen in Richtung des Füllgutes zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen,
- in der ein Sendeelement und ein Empfangselement angeordnet sind.

Ein Übersprechen vom Sender auf den Empfänger wird hier reduziert, indem in einer ersten Polarisationsebene linear polarisierte Mikrowellen erzeugt und durch einen Phasenschieber geleitet werden. Der Phasenschieber ist so dimensioniert, daß die austretenden Mikrowellen z. B. links-zirkular polarisiert sind. Durch die Reflektion an der Füllgutoberfläche werden dann entsprechend rechts-zirkular polarisierte Mikrowellen empfangen und mittels des Phasenschiebers in linear polarisierte Mikrowellen umgewandelt. Die Polarisationsebene dieser Mikrowellen liegt senkrecht zur ersten Polarisationsebene. Der Empfänger ist so ausgebildet, daß er nur Mikrowellen mit dieser Polarisation empfängt, entlang der ersten Polarisationsebene polarisierte Mikrowellen jedoch nicht aufnimmt.

Eine solche Antenne ist jedoch sehr aufwendig in der Herstellung, da sie entsprechende Filter und Phasenschieber benötigt. Außerdem ist sie hierdurch verhältnismäßig groß und es geht durch jeden Durchgang der Mikrowellen durch einen Filter oder Phasenschieber Leistung verloren.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät anzugeben, das mit einer einzigen möglichst einfach aufgebauten Antenne auskommt und bei dem ein zur Messung erforderlicher Mindestabstand des Füllgutes zur Antenne möglichst gering ist.

Hierzu besteht die Erfindung in einem mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mit

- einem Mikrowellengenerator,
- einer Antenne mit planarer Antennenstruktur,
- - die dazu dient die Mikrowellen in Richtung des Füllgutes zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen,
- - bei der die planare Antennenstruktur mindestens zwei Sende- und/oder Empfangselemente aufweist.

Gemäß einer Ausgestaltung befinden sich die Sende- und/oder Empfangselemente jeweils in einem Teilbereich der Antenne.

Gemäß einer Ausgestaltung sind die Sende- und/oder Empfangselemente ineinander verschachtelt angeordnet.

Gemäß einer Ausgestaltung dient zur Messung eines Füllstandes in einem Nahbereich vor der Antenne mindestens eines der Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Empfänger.

Gemäß einer Weiterbildung dienen zur Messung eines Füllstandes in einem Fernbereich vor der Antenne alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger.

Gemäß einer Weiterbildung dient mindestens ein Sende- und/oder Empfangselement ausschließlich als Sender und die übrigen Sende- und/oder Empfangselemente dienen ausschließlich als Empfänger, und es wird ein Differenzsignal ermittelt, das der Differenz aus an den Sendern anliegenden Sendesignalen und von den Empfängern empfangenen Empfangssignalen entspricht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die zu sendenden Mikrowellen Frequenzen auf, die größer als 20 GHz sind.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Antenne durch die planare Antennenstruktur ein sehr hohes Maß an Flexibilität liefert. Die Antennenstruktur kann nach belieben in mehrere Sende- und/oder Empfangselemente aufgeteilt werden und jedes Sende- und/oder Empfangselement kann optimal genutzt werden. Hierdurch steht z. B. bei Messungen im Fernbereich eine hohe Sendeleistung zur Verfügung und bei Messungen im Nahbereich ist durch die Aufteilung der Sende- und/oder Empfangselemente in reine Sendeelemente und reine Empfangselemente ein Übersprechen vom Sender zum Empfänger deutlich reduziert. Der einzige zusätzliche Aufwand, der zur Nutzung dieser Vorteile erforderlich ist, ist eine entsprechende Beschaltung der einzelnen Sende- und/oder Empfangselemente. Diese ist einfach zu bewerkstelligen und hat keinerlei Leistungseinbußen zur Folge.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen vier Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Meßanordnung mit einem auf einem Behälter angeordneten mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgerät;

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer planaren Antennenstruktur, die ein erstes Sende- und/oder Empfangselement und ein in einem anderen Teil der Antennenstruktur angeordnetes zweites Sende- und/oder Empfangselement aufweist;

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer planaren Antennenstruktur, die zwei einander gegenüberliegend angeordnete Sende- und/oder Empfangselemente aufweist, die durch zwei weitere einander gegenüberliegend angeordnete Sende- und/oder Empfangselemente voneinander getrennt sind;

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer planaren Antennenstruktur, die eine Vielzahl von in einer ersten Antennenhälfte angeordneten Sende- und/oder Empfangselementen und eine Vielzahl von in einer zweite Antennenhälfte angeordneten Sende- und/oder Empfangselementen aufweist;

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer planaren Antennenstruktur, die eine Vielzahl von schachbrettartig ineinander verschachtelt angeordneten Sende- und/oder Empfangselementen aufweist;

Fig. 6 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem einige Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und einige Sende- und/oder Empfangselemente als Empfänger arbeiten;

Fig. 7 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem bei Messungen in Nahbereich ein Teil der Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Sender und die übrigen Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Empfänger dienen und bei der bei Messungen im Fernbereich alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger dienen; und

Fig. 8 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem einige Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und einige Sende- und/oder Empfangselemente als Empfänger arbeiten und eine Differenz aus einem Sendesignal und Empfangssignal gebildet wird, die zur Bestimmung des Füllstandes mit herangezogen wird.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Meßanordnung mit einem auf einem Behälter 1 angeordneten mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgerät 3. Das Füllstandsmeßgerät 3 ist z. B. mittels einer Flanschverbindung auf dem Behälter 1 befestigt. Der Behälter 1 ist mit einem Füllgut 5, dessen Füllstand zu messen ist, gefüllt.

Das Füllstandsmeßgerät 3 umfaßt eine Antenne 7, mit einer nachfolgend in Verbindung mit den in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschriebenen planaren Antennenstruktur. Die Antenne 7 ragt in den Behälter 1 hinein und dient dazu Mikrowellen in Richtung des Füllgutes 5 zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen. Hierzu weist die planare Antennenstruktur mindestens zwei Sende- und/oder Empfangselemente auf. Das Füllstandsmeßgerät 3 weist einen Mikrowellengenerator 9 auf. Als Mikrowellengenerator 9 eignet sich z. B. ein in planarer Schaltungstechnik aufgebautes Pulsradar-Gerät, ein in planarer Schaltungstechnik aufgebautes FMCW-Gerät oder ein in planarer Schaltungstechnik aufgebauter kontinuierlich schwingender Mikrowellen-Oszillator.

Der Mikrowellengenerator 9 speist jeweils diejenigen Sende- und/oder Empfangselemente, die entweder ausschließlich als Sender oder als Sender und als Empfänger dienen.

Vorzugsweise werden Mikrowellen mit Frequenzen oberhalb von 20 GHz, z. B. 24 GHz, erzeugt und gesendet. Oberhalb von 20 GHz ist die Wellenlänge der Mikrowellen ausreichend gering, um verhältnismäßig kleine planare Antennenstrukturen verwenden zu können. Bei 24 GHz können z. B. auf einer Antennenstruktur mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern bis zu ein bis zwei Dezimetern bequem mehrere Sende- und/oder Empfangselemente untergebracht sein. Diese geringen Abmessungen bieten den Vorteil, daß die Antenne 7 entsprechend klein ist und somit leicht auch durch Behälteröffnungen von geringer Nennweite eingeführt werden kann.

Die Mikrowellen werden von den als Sender dienenden Sende- und/oder Empfangselementen zur Füllgutoberfläche gesendet und die an der Füllgutoberfläche reflektierten Mikrowellen werden von den als Empfänger dienenden Sende- und/oder Empfangselementen empfangen. Die eingehenden Mikrowellen werden einer Empfangs- und Auswerteschaltung 41 zugeführt, die eine Laufzeit der Mikrowellen zur Füllgutoberfläche und zurück ermittelt und daraus den momentanen Füllstand bestimmt.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer planaren Antennenstruktur, die ein erstes, in Fig. 2 durch durchgezogenen Linien dargestelltes, und ein zweites, in Fig. 2 durch gepunktete Linien dargestelltes, Sende- und/oder Empfangselement 11, 13 aufweist. Die Sende- und/oder Empfangselemente 11, 13 sind metallische Strukturen, die auf einer vom Füllgut 5 abgewandten Seite eines dielektrischen Substrats 15 aufgebracht sind. Auf einer dem Füllgut zugewandten Seite des dielektrischen Substrats ist eine leitfähige Schicht 17, z. B. in Form einer Beschichtung des dielektrischen Substrats 15, vorgesehen, die Ausnehmungen 19 aufweist, deren Form und Anordnung vorzugsweise so gewählt ist, daß nur elektromagnetische Wellen eines gewünschten Modes abgestrahlt werden. In dem dargestellten Ausführungbeispiel sind die Ausnehmungen 19 sich radial nach außen erstreckende Schlitze, die zum Senden des TE-01 Modes besonders geeignet sind.

Auf einer von dem dielektrischen Substrat 15 abgewandten Seite der leitfähigen Schicht 17 ist eine Schutzschicht 21 vorgesehen, die aus einem Dielektrikum besteht. Diese Schutzschicht 21 bildet den Abschluß der Antenne in füllgut-zugewandter Richtung. Als Dielektrikum ist daher vorzugsweise ein chemisch beständiger Werkstoff, z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE) oder ein Verbundwerkstoff aus Polytetrafluorethylen und Keramik und/oder Glasfaser, einzusetzen.

Auf einer von der leitfähigen Schicht 17 und im Betrieb vom Füllgut 5 abgewandten Seite des Substrats 15 ist eine weitere dielektrische Scheibe 23 vorgesehen. Die Scheibe 23 weist eine Ausnehmung 25 auf, durch die ein in Fig. 2 nicht dargestelltes Anschlußelement eingeführt werden kann. Das Anschlußelement ist so auszubilden, daß es eine Verbindung zu jedem Sende- und/oder Empfangselement 11, 13 herstellt. Vorzugsweise erfolgt der elektrische Anschluß der leitfähigen Schicht 17 an Masse oder an ein festes Bezugspotential ebenfalls über dieses Anschlußelement. Hierzu können entweder in dem Substrat durchgehende Bohrungen 27 vorgesehen sein, durch die entsprechend geformte und angeordnete Stifte des Anschlußelements hindurch zu der leitfähigen Schicht 17 geführt werden können, oder es können an der gleichen Stelle mit der leitfähigen Schicht 17 Verbundene Kontaktstifte durch das Substrat 15 hindurch geführt sein.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erste Sende- und/oder Empfangselement 11 in einem ersten Teil der Antennenstruktur und das zweite Sende- und/oder Empfangselement 13 in einem zweiten Teil der Antennenstruktur angeordnet. Jedes der Sende- und/oder Empfangselemente 11, 13 ist eine sich astartig radial nach außen erstreckende Struktur, die jeweils einen Halbkreis des Substrats 15 füllt. Die Äste des ersten Sende- und/oder Empfangselements 11 laufen in einem Punkt 29 in der Mitte des Substrats zusammen, an dem der Anschluß des ersten Sende- und/oder Empfangselements 11 mit dem Anschlußelement erfolgt. Die Äste des zweiten Sende- und/oder Empfangselments 13 laufen in einem Kreissegment 31 nahe der Mitte des Substrats zusammen, an dem der Anschluß des zweiten Sende- und/oder Empfangselements 13 mit dem Anschlußelement erfolgt.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren planaren Antennenstruktur. Es ist hier der Einfachheit halber nur das Substrat 15 mit der darauf aufgebrachten Struktur dargestellt. Die anderen Komponenten können identisch aus dem vorherigen Ausführungsbeispiel übernommen werden. Die planare Antennestruktur weist zwei einander gegenüberliegend angeordnete Sende- und/oder Empfangselemente 33 auf, die durch zwei weitere einander gegenüberliegend angeordnete Sende- und/oder Empfangselemente 35 voneinander getrennt sind. Die kreisförmige Oberfläche des Substrats 15 wird hierdurch in vier Viertelkreise aufgeteilt. Durch entsprechende Ausbildung des Anschlußelements können die vier Sende- und/oder Empfangselemente 33, 35 entweder jeweils einzeln oder paarweise angeschlossen werden.

In den Fig. 4 und 5 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele von planaren Antennenstrukturen dargestellt, die jeweils eine Vielzahl von Sende- und/oder Empfangselementen 37 aufweisen. Es ist auch bei diesen Ausführungsbeispielen der Einfachheit halber nur das Substrat 15 mit der darauf aufgebrachten Struktur dargestellt. Die anderen Komponenten können identisch aus dem vorherigen Ausführungsbeispiel übernommen werden.

Jedes Sende- und/oder Empfangselement 37 nimmt eine im Vergleich zur Substratoberfläche kleine Fläche ein und ist symbolisch durch ein Kästchen dargestellt. Natürlich kann auch hier jedes Sende- und/oder Empfangselement 37 einzeln angeschlossen werden, indem z. B. in der dielektrischen Schicht 23 entsprechend viele Bohrungen vorgesehen werden, durch die der Anschluß erfolgt.

Vorzugsweise erfolgt jedoch der Zusammenschluß mehrer Sende- und/oder Empfangselemente 37, z. B. nach deren Funktion. So können z. B. wie in Fig. 4 dargestellt, alle im rechten Teil des Substrats angeordneten Sende- und/oder Empfangselemente 37 und alle im linken Teil angeordneten Sende- und/oder Empfangselemente 37 zu einem Funktionsblock zusammengeschaltet sein. Die Zuordnung ist in Fig. 4 symbolisch eingetragen, indem die eine Hälfte der Sende- und/oder Empfangselemente 37 mit einem Kreuz markiert wurde.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ebenfalls eine solche Zuordnung zu Funktionsblöcken durch Kreuze markiert. Hier sind zwei Funktionsblöcke vorgesehen und die zugehörigen Sende- und/oder Empfangselemente 37 sind schachbrettartig ineinander verschachtelt angeordnet.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Antenne mit einer planaren Antennenstruktur, die mindestens zwei Sende- und/oder Empfangselemente aufweist bietet ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich der Nutzung der einzelnen Sende- und/oder Empfangselemente.

Vorzugsweise dient bei einer Messung eines Füllstandes in einem Nahbereich vor der Antenne 7 mindestens eines der Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Empfänger. Hierdurch wird erreicht, das ein durch das Senden verursachtes Störsignal am Empfänger sehr viel schneller Abgeklungen ist und eine sehr viel geringere Amplitude aufweist, als dies der Fall wäre, wenn dieses Sende- und/oder Empfangssignal auch zum Senden dienen würde. Entsprechend ist die Blockdistanz des so ausgebildeten Füllstandsmeßgeräts geringer.

Die einfachste Form, in der dies realisiert werden kann ist in Fig. 6 in Form eines Prinzipschaltbildes dargestellt. Es sind alle vorhandenen Sende- und/oder Empfangselemente eingeteilt in solche, die ausschließlich als in Fig. 6 mit S bezeichnete Sender dienen und solche die ausschließlich als in Fig. 6 mit E bezeichnete Empfänger dienen. Die Sender 5 werden von dem Mikrowellengenerator 9 gespeist und die Empfänger E leiten von Ihnen empfangene Empfangssignale an die Empfangs- und Auswerteschaltung 41 weiter. Die Empfangs- und Auswerteschaltung 41 ermittelt die Laufzeit der Mikrowellen vom Füllstandsmeßgerät zur Füllgutoberfläche und zurück und bestimmt daraus den momentanen Füllstand. Hierzu ist ein Zeitbezug erforderlich, der in Fig. 6 lediglich symbolisch durch eine Referenzzeit t_o dargestellt ist. Die Referenzzeit t_o ist beispielsweise ein Triggerimpuls, der gleichzeitig das Senden eines Mikrowellenpulses auslöst und eine interne Zeitmessung in der Empfangs- und Auswerteschaltung 41 startet.

Es kann z. B. bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel das erste Sende- und/oder Empfangselement 11 ausschließlich als Sender und das zweite Sende- und/oder Empfangselement 13 ausschließlich als Empfänger dienen. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel können die beiden Sende- und/oder Empfangselement 33 ausschließlich als Sender und die beiden Sende- und/oder Empfangselement 35 ausschließlich als Empfänger dienen. Bei dem in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen können die mit einem Kreuz versehenen Sende- und/oder Empfangselemente 37 ausschließlich als Sender und die Sende- und/oder Empfangselemente 37 ohne Kreuz ausschließlich als Empfänger dienen. Die Trennung in Sender und Empfänger bewirkt eine deutliche Reduzierung der Blockdistanz.

Bei einer Messung im Fernbereich vor der Antenne 7 steht allerdings in diesem Fall weniger Sendeleistung zur Verfügung. Während die Trennung in Sender und Empfänger im Nahbereich sehr wichtig ist, ist sie bei einer Messung im Fernbereich unerheblich, da die Laufzeit der Mikrowellen bei diesen Messungen groß ist im Vergleich zu der Zeit, in der ein durch das Senden Verursachtes Störsignal abgeklungen ist. Vorzugsweise werden daher bei einer Messung eines Füllstandes in einem Fernbereich vor der Antenne 7 alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger dienen. Ein Maß dafür, ob ein Messergebnis im Nahbereich oder im Fernbereich liegt ist z. B. die Blockdistanz, die das Füllstandsmeßgerät aufweist, wenn alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger dienen. Es kann daher bei der Inbetriebnahme eine Testmessung vorgenommen werden, die dazu dient festzustellen, in welchem Meßbereich sich der Füllstand befindet. Anschließend kann im normalen Meßbetrieb z. B. der zuletzt gemessene Füllstand herangezogen werden, um dies festzustellen. Sobald der Füllstand in die Nähe des Nahbereichs gelangt, wird mindestens ein Sende- und/oder Empfangselement ausschließlich als Empfänger eingesetzt. Im Fernbereich werden alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger eingesetzt.

Fig. 7 zeigt ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem bei Messungen in Nahbereich ein Teil der Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Sender und die übrigen Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Empfänger dienen und bei der bei Messungen im Fernbereich alle Sende- und/oder Empfangselemente als Sender und als Empfänger dienen.

Der Mikrowellengenerator 9 ist hier über einen Richtkoppler oder Zirkulator 43 mit denjenigen in Fig. 7 mit S bezeichneten Sende- und/oder Empfangselemten verbunden, die bei Messungen im Nahbereich ausschließlich als Sender dienen. Entsprechend ist die Empfangs- und Auswerteschaltung 41 bei Messungen im Nahbereich mit denjenigen in Fig. 7 mit E bezeichneten Sende- und/oder Empfangselemten verbunden, die bei Messungen im Nahbereich ausschließlich als Empfänger dienen.

Bei einer Messung im Nahbereich entspricht das Prinzipschaltbild also dem in Fig. 6 dargestellten Prinzipschaltbild. Bei einer Messung im Fernbereich werden dagegen alle Sende- und/oder Empfangselemente über eine die beiden Funktionsblöcke verbindende Leitung 45 zusammengeschaltet. Die Leitung 45 ist mit einem elektronischen Schalter 47 versehen, der bei einer Messung im Nahbereich geöffnet und bei einer Messung im Fernbereich geschlossen ist. Entsprechend ist in der Verbindung zwischen der Empfangs- und Auswerteschaltung 41 und den bei einer Messung im Nahbereich ausschließlich als Empfänger dienenden Sende- und/oder Empfangselementen E ein Schalter 49 vorgesehen, der bei Messungen im Nahbereich geschlossen ist und bei Messungen im Fernbereich geöffnet ist. Bei Messungen im Fernbereich werden die von den Sende- und/oder Empfangselementen E empfangenen Signale über die Leitung 45 mit den von den Sende- und/oder Empfangselementen S empfangenen Signalen zusammengeführt und über den Richtkoppler oder Zikulator 43 über eine mit einem Schalter 51 versehene Verbindung 53 zur Empfangs- und Auswerteschaltung 41 geführt. Der Schalter 51 ist bei einer Messung im Nahbereich geöffnet und bei einer Messung im Fernbereich geschlossen.

Die Steuerung der Schalter 47, 49, 51 erfolgt durch eine Steuerschaltung 55, die an die Empfangs- und Auswerteschaltung 41 angegliedert ist. Es wird in der Empfangs- und Auswerteschaltung 41 der momentane Füllstand bestimmt und z. B. mit einem Referenzwert verglichen. Liegt der Füllstand oberhalb dieses Referenzwerts, so wird die nachfolgende Messung als eine Messung im Nahbereich durchgeführt indem die Steuerschaltung 55 die zugehörigen Schalterstellungen durch Steuersignale einstellt. Liegt der Füllstand unterhalb dieses Referenzwerts, so wird die nachfolgende Messung als eine Messung im Fernbereich durch geführt indem die Steuerschaltung 55 die zugehörigen Schalterstellungen durch Steuersignale einstellt. Um im Grenzbereich am Übergang vom Nahbereich zum Fernbereich einen ständigen Meßmoduswechsel zu verhindern kann hier eine Hysteresefunktion eingebaut sein, indem z. B. zwei unterschiedliche Referenzwerte eingesetzt werden, wobei erst ein Unterschreiten des unteren Referenzwertes einen Wechsel vom Nahbereichsmodus in den Fernbereichsmodus bewirkt und erst ein Überschreiten des oberen Referenzwertes einen Wechsel vom Fernbereichsmodus in den Nahbereichsmodus bewirkt.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Prinzipschaltbild für ein erfindungsgemäßes Füllstandsmeßgerät. Es dient bei diesem Füllstandsmeßgerät mindestens ein Sende- und/oder Empfangselement S ausschließlich als Sender. Diese Sende- und/oder Empfangselemente S sind mit dem Mikrowellengenerator 9 verbunden. Die übrigen Sende- und/oder Empfangselemente E dienen ausschließlich als Empfänger und sind mit einem Eingang der Empfangs- und Auswerteschaltung 41 verbunden. Zusätzlich ist eine Differenzbildungseinheit 57 vorgesehen, die ein Differenzsignal ermittelt, das der Differenz aus an den Sendern anliegenden Sendesignalen und von den Empfängern empfangenen Empfangssignalen entspricht. Hierzu ist ein Eingang der Differenzbildungseinheit 57 mit dem Mikrowellengenerator 9 und ein weiterer Eingang mit den Sende- und/oder Empfangselementen E verbunden. Die Differenzbildung kann entweder durch entsprechende direkte Überlagerung der Signale erfolgen oder indem die eingehenden Signale erfaßt und in digitaler Form aufgezeichnet werden. Die Differenzbildung der aufgezeichneten Daten erfolgt dann z. B. mittels eines Mikrocomputers. Vorzugsweise sind eine Verzögerungseinheit 59 und eine Dämpfungseinheit 61, die eine Verzögerung und eine Dämpfung des vom Mikrowellengenerator 9 eingehenden Signals um eine einstellbare Verzögerungszeit τ und einen Dämpfungsfaktor erlauben, vorgesehen. Diese Umskalierungen können entweder auf analogem Wege mittels entsprechender elektronischer Komponenten erfolgen oder an den abgespeicherten Daten rechnerisch vorgenommen werden.

Das Differenzsignal dient der Verbesserung der Messgenauigkeit und ist hierzu der Empfangs- und Auswerteinheit 41 zugeführt. Es kann z. B. ein trotz der Trennung von Sendern und Empfängern bestehendes geringes Übersprechen von den Sendern auf die Empfänger durch entsprechende Überlagerung der Empfangssignale mit den Differenzsignalen nahezu vollständig korrigiert werden. Die hierzu erforderlichen Kenndaten des Füllstandsmeßgeräts, z. B. die Verzögerungszeit τ und der Dämpfungsfaktor können mittels einer Werkskalibration ermittelt und fest im Gerät abgespeichert werden.

Claims

1. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes (5) in einem Behälter (1) mit
einem Mikrowellengenerator (39), und
einer Antenne (7) mit planarer Antennenstruktur,
die dazu dient die Mikrowellen in Richtung des Füllgutes (5) zu senden und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen zu empfangen,
bei der die planare Antennenstruktur mindestens zwei Sende- und/oder Empfangselemente (11, 13, 33, 35, 37, S, E) aufweist.

2. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem sich die Sende- und/oder Empfangselemente (11, 13, 33, 35, 37) jeweils in einem Teilbereich der Antenne (7) befinden.

3. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die Sende- und/oder Empfangselemente (37) ineinander verschachtelt angeordnet sind.

4. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem zur Messung eines Füllstandes in einem Nahbereich vor der Antenne mindestens eines der Sende- und/oder Empfangselemente (E) ausschließlich als Empfänger dient.

5. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 4, bei dem zur Messung eines Füllstandes in einem Fernbereich vor der Antenne alle Sende- und/oder Empfangselemente (S, E) als Sender und als Empfänger dienen.

6. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Sende- und/oder Empfangselement (S) ausschließlich als Sender dient und die übrigen Sende- und/oder Empfangselemente ausschließlich als Empfänger (E) dienen und bei dem ein Differenzsignal ermittelt wird, das der Differenz aus an den Sendern anliegenden Sendesignalen und von den Empfängern empfangenen Empfangssignalen entspricht.

7. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die zu sendenden Mikrowellen Frequenzen aufweisen, die größer als 20 GHz sind.