-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
des Füllstands
eines Füllguts
in einem Behälter
mit einer Signalerzeugungs-/Sendeeinheit, die hochfrequente Meßsignale
erzeugt, mit einer Antenneneinheit, die die hochfrequenten Meßsignale
in Richtung auf das Füllgut
abstrahlt bzw. die die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Meßsignale
empfängt,
und mit einer Empfangs-/Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeit
der hochfrequenten Meßsignale
den Füllstand
des Füllguts
in dem Behälter
bestimmt.
-
Laufzeitverfahren,
beispielsweise das Pulsradarverfahren und das Frequenzmodulations-Dauerstrichradarverfahren
(FMCW-Radar), nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke
gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit
ist. Im Falle der Füllstandsmessung
entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen Antenne
und Oberfläche des
Füllguts.
Das Nutzechosignal, also das an der Oberfläche des Füllguts reflektierte Signal,
und dessen Laufzeit werden anhand der sog. Echofunktion bzw. der
digitalisierten Hüllkurve
bestimmt. Die Hüllkurve
repräsentiert
die Amplituden der Echosignale als Funkton des Abstandes 'Antenne – Oberfläche des
Füllguts'. Der Füllstand
selbst wird aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der
Antenne zum Boden des Behälters
und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des
Füllguts
zur Antenne berechnet.
-
In
der Füllstandsmeßtechnik
werden neben Horn-, Stab- und Parabolantennen auch Planarantennen
eingesetzt. Ausgestaltungen von Planarantennenn sind beispielsweise
in dem Buch 'Einführung in
die Theorie und Technik planarer Mikrowellenantennen in Mikrostreifenleitungstechnik', Gregor Gronau,
Verlagsbuchhandlung Nellissen-Wolff oder in dem Zeitschriftenartikel 'Impedance of a radiating
slot in the ground plane of a microstrip line', IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol.
AP-30, 9.922–926,
1982 beschrieben.
-
Eine
Planarantenne besteht üblicherweise aus
einem dielektrischen Substrat, auf dessen einer Seite die Antennenstruktur
und auf dessen anderer Seite eine leitfähige Beschichtung vorgesehen
ist. Eine unsymmetrische Streifenleitung ist die Basis der am weitesten
verbreiteten planaren Antennenstruktur. In der leitfähigen Beschichtung
sind Ausnehmungen vorgesehen. Diese Ausnehmungen sind z. B. derart
ausgestaltet und angeordnet, daß die
Antenne bevorzugt nur elektromagnetische Wellen eines gewünschten
Modes abstrahlt. Eine Planarantenne für den Einsatz in einer explosiven
Umgebung ist aus der
EP
1 083 413 A1 bekannt geworden. Die in dieser Europäischen Patentanmeldung
beschriebene Ausgestaltung der Antenneneinheit kann ohne weiteres in
Verbindung mit der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Der Inhalt
dieser Europäischen
Patentanmeldung ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung
zuzurechnen.
-
Planarantennen
zeichnen sich gegenüber anderen
Antennenarten in der Füllstandsmeßtechnik durch
eine geringe Blockdistanz aus. Unter Blockdistanz versteht man den
Nahbereich der Antenne, in dem die Störstrahlung so groß ist, daß das eigentliche
Nutzechosignal, das den Füllstand
charakterisiert, nicht mehr detektierbar ist. Verursacht wird die Störstrahlung
im wesentlichen durch Reflexionen der Meßsignale beim Übergang
von einem Material/Medium mit einem ersten Dielektrizitätskoeffizienten
in ein Material/Medium mit einem zweiten Dielektrizitätskoeffizienten.
Folglich läßt sich
der Füllstand
nur solange korrekt bestimmen, wie die Oberfläche des Füllguts außerhalb der Blockdistanz liegt.
Die Blockdistanz, die durchaus in der Größenordnung von einem Meter
liegen kann, schränkt
den Meßbereich
einer Antenne ganz erheblich ein. Dies ist natürlich um so störender,
je kleiner die Behälterabmessungen sind.
-
Als
Meßsignale
für die
Füllstandsmessung über ein
Laufzeitverfahren werden üblicherweise (gaußförmige) delta-
oder pulsförmige
Impulse oder aber frequenzmodulierte kontinuierliche Signale benutzt.
Beide Arten von Meßsignalen
sind relativ breitbandig. Beispielsweise haben die pulsförmigen Meßsignale
eine Bandbreite von einigen hundert Megahertz.
-
Besondere
Probleme zeigen sich, wenn die Frequenz der Meßsignale oberhalb von ca. 10
GHz, beispielsweise im sog. K-Band – im Frequenzbereich von 18–27 GHz – liegt.
Vorrangig werden die Probleme dadurch verursacht, daß bei den
bekannten Lösungen
die Antenneneinheit und die Sende-/Empfangseinheit räumlich voneinander getrennt
sind. Daher müssen
die hochfrequenten Meßsignale über Signalleitungen,
z. B. Kabel, von der Sende-/Empfangseinheit auf die Antenne bzw.
von der Antenne zu der Sende-/Empfangseinheit übertragen werden. Die Einkopplung
der Meßsignale
auf die Antenne erfolgt üblicherweise über eine
Steckverbindung. Abgesehen davon, daß Steckverbindungen aufwendig und
teuer sind, führt
ihr Einsatz dazu, daß stets
ein gewisser Signalanteil der Meßsignale in den Übergangsbereichen
reflektiert wird. Dieser reflektierte Signalanteil überlagert
sich als Störechosignal
dem eigentlichen Nutzechosignal und führt zu einer Verschlechterung
des Signal-/Rauschverhältnisses
und damit zu einer Reduzierung der Meßgenauigkeit des Füllstandsmeßgeräts.
-
Problematisch
ist darüber
hinaus der Einfluß, den
die elektromagnetische Umgebungsstrahlung auf die Übertragungsleitungen
hat. Besonders störend
ist dieser Einfluß bei
der Übertragung
von hochfrequenten Meßsignalen,
die z. B. im bereits erwähnten
K-Band liegen. Eine bekannte Lösung
dieses Problems besteht darin, störsichere Spezialkabel zu verwenden.
Der Nachteil dieser Lösung
liegt auf der Hand: Spezialkabel sind teuer.
-
Als
Fazit bleibt festzuhalten, daß Störsignale – wodurch
Sie auch immer verursacht werden – die Meßgenauigkeit eines nach dem
Laufzeitverfahren arbeitenden Füllstandsmeßgeräts mehr
oder minder stark herabsetzen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung
zur Messung des Füllstands
mittels hochfrequenter Meßsignale
vorzuschlagen, die sich durch eine hohe Meßgenauigkeit auszeichnet.
-
Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß ein
dielektrisches Trägermaterial
vorgesehen ist, auf dem die Antenneneinheit und zumindest eine der
Schaltungskomponenten, die die hochfrequenten Meßsignale erzeugen, aussenden
und/oder empfangen, angeordnet sind.
-
Schlagwortartig
ausgedrückt,
handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung um eine integrale
Einheit mit Direkteinkopplung der Meßsignale auf die Antenne. Da
die Sende-/Empfangseinheit und die Antenneneinheit in unmittelbarer
Nachbarschaft zueinander angeordnet sind, müssen die hochfrequenten Meßsignale
nicht mehr über
relativ lange und damit störanfällige Verbindungsleitungen
und reflektierende Steckverbindungen geführt werden. Hierdurch wird
einerseits der Störstrahlungsanteil, der
infolge von Reflexionen bei der Ein- und Auskopplung von hochfrequenten
Meßsignalen
zwangsläufig
auftritt, minimiert; andererseits wird der Störstrahlungsanteil, der durch
den Einfluß der
Umgebungsstrahlung auf die Verbindungsleitungen hervorgerufen wird,
in erheblichem Maße
reduziert.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auf dem
dielektrischen Trägermaterial
auch die Verzögerungsschaltung
vorgesehen, die die hochfrequenten Meßsignale in den Niederfrequenzbereich
transformiert. Die Verzögerungsschaltung,
die üblicherweise
ein fester Bestandteil der im Mikrowellenbereich arbeitenden Radarmeßgeräte ist,
ermöglicht
den Einsatz von langsameren und folglich kostengünstigeren Elektronikbausteinen.
-
Die
Erfindung ermöglicht
es, daß wenig störänfällige, niederfrequente
Signale, die beispielsweise den aktuellen Meßwert darstellen, über eine Daten-
und/oder Versorgungsleitung an eine entfernte Kontrollstelle übertragen
werden können.
Selbstverständlich
kann die Übertragung
der Daten auch unter Verwendung eines der üblichen Kommunikationsstandards
erfolgen. Beispielhaft seien an dieser Stelle das HART Protokoll,
der Fieldbus Foundation Standard oder der Profibus PA-Standard genannt.
-
Bevorzugt
besitzt das dielektrische Trägermaterial
die Form einer Scheibe. Die Scheibe kann jede beliebige Form aufweisen,
ist aber vorteilhafterweise als runde Scheibe ausgebildet.
-
Gemäß einer
günstigen
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind die Schaltungskomponenten des Hochfrequenzmoduls auf der dem Füllgut abgewandten
Seite des dielektrischen Trägermaterials
angeordnet, und die Antenneneinheit ist auf der dem Füllgut zugewandten
Seite des dielektrischen Trägermaterials
angeordnet.
-
In
diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt,
wenn es sich bei der Antenneneinheit um eine Antennenstruktur handelt,
die in Planartechnik, beispielsweise in Mikrostreifenleitungstechnik
oder in koplanarer Leitungstechnik auf das dielektrische Trägermaterial aufgebracht
ist.
-
Ebenso
können
die Schaltungskomponenten des Hochfrequenzmoduls in der bereits
zuvor erwähnten
Planartechnik auf das dielektrische Trägermaterial aufgebracht werden.
-
Die
Antenneneinheit weist gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest eine
Sendeeinheit und eine Empfangseinheit auf. Entweder handelt es sich
bei der Sendeeinheit und der Empfangseinheit um voneinander getrennte
Einheiten, oder die Meßsignale
werden von derselben Einheit ausgesendet und empfangen.
-
Die
Antenneneinheit ist beispielsweise als Patch-Antenne oder als Spiralantenne
ausgebildet. Seide Antennenformen lassen sich in der o. g. Planartechnik
herstellen. Jede andere bekannte Antennenform ist natürlich genau
so gut einsetzbar.
-
Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, daß die
Schaltungskomponenten des Hochfrequenzmoduls und die Antenneneinheit über zumindest
ein Kopplungselement bzw. über
zumindest eine Durchkontaktierung miteinander verbunden sind. Die
Signalübertragung
zwischen den Schaltungskomponenten auf der einen Seite der dielektrischen
Scheibe und der Antenneneinheit, die auf der anderen Seite der dielektrischen
Scheibe zu finden ist, erfolgt also entweder galvanisch oder nicht
galvanisch. Beispielsweise kann die Ankopplung durchaus auch kapazitiv
ausgebildet sein.
-
Sind
die Schaltungskomponenten und die Antenneneinheit auf gegenüberliegenden
Seitenflächen
des dielektrischen Trägermaterials
angeordnet, so wirkt das Kopplungselement durch das dielektrische
Trägermaterial
hindurch bzw. ist die Durchkontaktierung durch das dielektrische
Trägermaterial
hindurchgeführt.
Insbesondere ist vorgesehen, daß das Kopplungselement
bzw. die Durchkontaktierung aus einer Leitungsstruktur besteht,
die aus miteinander verkoppelten Leitungen aufgebaut ist.
-
Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
-
Es
zeigt:
-
1:
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
-
2:
einen Längsschnitt
durch die in 1 gezeigte Antenne 6,
-
3:
eine Draufsicht auf die Antennenseite des dielektrischen Trägermaterials,
die eine erste Ausgestaltung der Antenneneinheit trägt,
-
4:
eine Draufsicht auf die Antennenseite des dielektrischen Trägermaterials,
die eine zweite Ausgestaltung der Antenneneinheit trägt,
-
5:
eine Draufsicht auf die Antennenseite des dielektrischen Trägermaterials,
die eine dritte Ausgestaltung der Antenneneinheit trägt, und
-
6:
eine Draufsicht auf die Hochfrequenzseite des dielektrischen Trägermaterials
mit einer bevorzugten Ausgestaltung des Hochfrequenzmoduls.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein festes
oder flüssiges
Füllgut 2 ist
in einem Behälter 1 gelagert. Zur
Bestimmung des Füllstandes
des Füllguts 2 in dem
Behälter 1 dient
das erfindungsgemäße Füllstandsmeßgerät 1,
das in einer Öffnung 5 im
Deckel 4 des Behälters 1 montiert
ist. Über
die Antenne 6 werden hochfrequente Meßsignale, insbesondere Mikrowellen,
in Richtung der Oberfläche 3 des
Füllguts 2 abgestrahlt.
An der Oberfläche 3 werden
die Meßsignale
zumindest teilweise als Echosignale reflektiert. Diese Echosignale
werden empfangen und optional in den Niederfrequenzbereich transformiert. Die
niederfrequenten Empfangssignale werden im dargestellten Fall über die
Verbindungsleitungen 7, 8 an die Auswerteeinheit 9 weitergeleitet,
dort in den Füllstand repräsentierende
Meßdaten
umgewandelt und über
die Anzeigeeinheit 10 dem Bedienpersonal zur Kenntnis gebracht.
-
2 zeigt
einen Schnitt durch die in 1 dargestellte
Antenne 6. Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind die Antenneneinheit 33 und die Schaltungskomponenten 15 des
Hochfrequenzmoduls 20, die die hochfrequenten Signale erzeugen,
senden und empfangen, auf gegenüberliegenden
Oberflächen
des scheibenförmigen
dielektrischen Trägermaterials 11 positioniert.
Die Verbindung zwischen der die Schaltungskomponenten 15 tragenden
Hochfrequenzseite 13 und der die Antenneneinheit 33 tragenden
Antennenseite 14 erfolgt über die Durchkontaktierung 12. Selbstverständlich kann
auch eine nicht galvanische Ankopplung zwischen den Schaltungskomponenten 15 und
der Antenneneinheit 33 vorgesehen sein.
-
In
den Figuren 3–5 sind unterschiedliche
Antenneneinheiten 33 dargestellt, die auf der Antennenseite 14 des
dielektrischen Trägermaterials 11 angeordnet
sind. Die Figuren 3 und 4 zeigen
zwei Ausführungsformen
von sog. Patchantennen 16. Patchantennen 16 weisen
jeweils eine Vielzahl von Sende- und/oder Empfangselementen 17, 18 auf.
Es ist bei diesen Ausführungsbeispielen
der Einfachheit halber nur das dielektrische Trägermaterial 11 mit
der darauf aufgebrachten Antenneneinheit 33 dargestellt;
die Verbindung bzw. Kopplung zwischen den Patches 17, 18 auf
der Antennenseite 14 und den Schaltungskomponenten 15 auf
der Hochfrequenzseite 13 ist in den Figuren nicht gesondert
dargestellt.
-
Jedes
Sende- und/oder Empfangselement 17, 18 nimmt eine
im Vergleich zu der Oberfläche
des dielektrischen Trägermaterials 11 kleine
Fläche
ein und ist symbolisch durch ein viereckiges Kästchen dargestellt. Natürlich kann
auch jedes Sende- und/oder Empfangselement 17, 18 einzeln
an das Hochfrequenzmodul 20 angeschlossen werden, indem
z. B. in dem dielektrischen Trägermaterial 11 entsprechend
viele Durchkontaktierungen vorgesehen sind.
-
Vorzugsweise
erfolgt jedoch der Zusammenschluß mehrerer Sende- und/oder
Empfangselemente 17, 18 beispielsweise nach deren
Funktion. So können
wie in 4 dargestellt, alle im rechten Teil des dielektrischen
Trägermaterials 11 angeordneten Sende-
und/oder Empfangselemente 17, 18 und alle im linken
Teil angeordneten Sende- und/oder Empfangselemente 17, 18 zu
einem Funktionsblock zusammengeschaltet sein. Die Zuordnung ist
in 4 symbolisch eingetragen, indem die eine Hälfte der Sende-
und/oder Empfangselemente 17, 18 mit einem Kreuz
markiert wurde.
-
Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ebenfalls
eine solche Zuordnung der Patches 17, 18 zu Funktionsblöcken durch
Kreuze markiert. Wiederum sind zwei Funktionsblöcke vorgesehen, wobei die Patches 17 zu
einer Sendeeinheit 31 und die Patches 18 zu einer
Empfangseinheit 32 zusammengeschlossen sind. Insbesondere
sind hier die Sende- und/oder die Empfangselemente 17, 18 schachbrettartig
angeordnet.
-
Die
Ausführungsform
der Antenneneinheit 33 als Patchantenne 16, die
mindestens zwei Sende- und/oder Empfangselemente 17, 18 aufweist,
bietet übrigens
ein hohes Maß an
Flexibilität
hinsichtlich der Nutzung der einzelnen Sende- und/oder Empfangselemente 17, 18.
-
5 zeigt
eine Draufsicht auf die Antennenseite 33 des dielektrischen
Trägermaterials 11, wobei
es sich bei der Antenneneinheit 33 um eine sog. Spiralantenne 19 handelt.
Korrekt besprochen, handelt es sich bei der Antenneneinheit 33 um
zwei Spiralantennen 19, die einen entgegengesetzten Drehsinn
aufweisen. Der Frequenzbereich der Meßsignale, die jeweils über eine
der beiden Spiralantennen 19 abgestrahlt/empfangen werden,
ist im wesentlichen durch den inneren Durchmesser Di, den äußeren Durchmesser
Da und die Anzahl n der Windungen der jeweiligen Spiralantenne 19 definiert.
So lassen sich über
die erfindungsgemäße Lösung auch problemlos
Antennen 6 schaffen, die Meßsignale in zwei unterschiedlichen
Frequenzbereichen, beispielsweise bei 6 GHz und bei 24 GHz, abstrahlen bzw.
empfangen.
-
Die
Einkopplung der von dem Hochfrequenzmodul 20 kommenden
Meßsignale
erfolgt wiederum über
eine Durchkontaktierung 12 – oder aber eine nicht galvanische
Kopplung. Diese sind in der 5 nicht
gesondert dargestellt.
-
In 6 ist
eine Draufsicht auf die Hochfrequenzseite 13 des dielektrischen
Trägermaterials 11 zu
sehen. Auf der Hochfrequenzseite 13 sind in dieser Ausgestaltung
alle Schaltungskomponenten 15 des Hochfrequenzmoduls 20 zu
finden. Ein entsprechendes Hochfrequenzmodul 20 wird beispielsweise in
den von der Anmelderin unter der Bezeichnung MICROPILOT vertriebenen
Mikrowellen-Meßgerät verwendet.
Eine vergleichbare Variante ist desweiteren in dem Deutschen Gebrauchsmuster
DE-GM 298 15 069.7 im Detail beschrieben, so daß an dieser Stelle auf eine
nochmalige Beschreibung des bekannten Hochfrequenzmoduls verzichtet
werden kann.
-
- 1
- Behälter
- 2
- Füllgut
- 3
- Oberfläche des
Füllguts
- 4
- Deckel
des Behälters
- 5
- Öffnung
- 6
- Antenne
- 7
- Verbindungsleitung
- 8
- Verbindungsleitung
- 9
- Auswerteeinheit
- 10
- Anzeigeeinheit
- 11
- Dielektrisches
Trägermaterial
- 12
- Durchkontaktierung
- 13
- Hochfrequenzseite
- 14
- Antennenseite
- 15
- Schaltungskomponente
- 16
- Patchantenne
- 17
- Patch
der Sendeeinheit
- 18
- Patch
der Empfangseinheit
- 19
- Spiralantenne
- 20
- Hochfrequenzmodul
- 21
- Oszillator
- 22
- Monopulsgenerator
- 23
- Monopulsgenerator
- 24
- Verzögerungsschaltung
- 25
- Frequenzerzeugungsschaltung
- 26
- Frequenzerzeugungsschaltung
- 27
- Verstärker
- 28
- Mischer
- 29
- Tiefpaßfilter
- 30
- Verstärker
- 31
- Sendeeinheit
- 32
- Empfangseinheit
- 33
- Antenneneinheit
- 34
- Koppler/Zirkulator
- 35
- Verbindungsleitung