Dievorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung und Überwachungdes Füllstands eines Füllguts in einem Behältergemäß einer Laufzeitmessmethode von ausgesendetenSignalen, bestehend aus einer Messumformereinheit und einer Sensoreinheit.TheThe present invention relates to a device for detection and monitoringthe level of a product in a containeraccording to a transit time measurement method of emittedSignals, consisting of a transmitter unit and a sensor unit.
DerartigeVorrichtungen zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandsin einem Behälter werden häufig in den Messgerätender Automations- und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt. Von derAnmelderin werden beispielsweise Messgeräte unter dem NamenProsonic, Micropilot oder Levelflex produziert und vertrieben, welchenach dem Laufzeit-Messverfahren arbeiten und dazu dienen, einen Füllstandeines Füllguts in einem Behälter zu bestimmenund/oder zu überwachen. Bei der Laufzeit-Messmethode werdenbeispielsweise Ultraschallwellen über einen Schallwandleroder Mikrowellen bzw. Radarwellen über eine Antenne ausgesendet;und die an der Mediumsoberfläche reflektierten Echosignalewerden nach der abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen.Aus der Laufzeit der Signale lässt sich mit Hilfe beispielsweiseeiner Echokurve, die die Amplituden aller reflektierten Echosignalanteilein Abhängigkeit von der Laufzeit darstellt, und der bekanntenAusbreitungsgeschwindigkeit der Signale der Füllstand desMediums in einem Behälter berechnen.suchDevices for detecting and monitoring the levelin a container are common in the measuring instrumentsused the automation and process control technology. Of theApplicants are for example measuring devices under the nameProsonic, Micropilot or Levelflex produced and distributed whichwork according to the transit time measurement method and serve a levelof a product in a containerand / or monitor. At the term measurement method will beFor example, ultrasonic waves via a transduceror radiated microwave or radar waves via an antenna;and the echo signals reflected at the medium surfaceare received again after the distance-dependent runtime.From the duration of the signals can be with the help, for examplean echo curve representing the amplitudes of all reflected echo signal componentsdepending on the running time, and the knownPropagation speed of the signals of the level of theCalculate medium in a container.
Beiallen bekannten physikalischen Messprinzipien muss meist ein Kompromisshinsichtlich der Genauigkeit der Messung und der Zuverlässigkeitder Messung eingegangen werden. Deshalb wird anhand der Umgebungsbedingungenund Mediumseigenschaften der entsprechenden Anwendung das zweckdienlichstephysikalische Messprinzip ausgewählt, dessen Vorteile gegenüberdessen Nachteilen überwiegen. Grundlegend werden in derProzessmesstechnik als frei abstrahlende Messverfahren unterschiedlichephysikalische Messprinzipien, wie die Mikrowellen- Laufzeitmessung,die Ultraschall-Laufzeitmessung und die Gammastrahlen-Absorbtionsmessung,sowie vereinzelt auch die Laserlicht-Laufzeitmessung, eingesetzt.Als Medium berührendes Messverfahren sind in der Prozessmesstechnikunter anderem das Lot-Messverfahren, das kapazitive Messverfahren,das konduktive Messverfahren und das Messverfahren mit der geführtenMikrowelle bekannt. Alle diese Messverfahren haben entsprechenddem Messprinzip, dem Messmedium, der Messsituation, den Prozessbedingungenund dem Messperformance bestimmte Vorteile gegenüber einemanderen Messverfahren.atAll known physical measuring principles usually have to be compromisedin terms of accuracy of measurement and reliabilitythe measurement will be received. Therefore, based on the environmental conditionsand medium properties of the corresponding application the most expedientselected physical measuring principle, its advantages overits disadvantages predominate. Become fundamental in theProcess measuring technology as freely radiating measuring methods differentphysical measuring principles, such as the microwave transit time measurement,the ultrasonic transit time measurement and the gamma ray absorbance measurement,and occasionally the laser light transit time measurement used.Medium-contacting measuring methods are in process measuring technologyincluding the solder measuring method, the capacitive measuring method,the conductive measuring method and the measuring method with the guidedMicrowave known. All of these measurement methods are appropriatethe measuring principle, the measuring medium, the measuring situation, the process conditionsand the measurement performance certain advantages over oneother measuring methods.
Derdirekte Vergleich der verschiedenen physikalischen Messprinzipienzeigt, dass die Auswahl des für die aktuelle Anwendunggeeigneten Messprinzips in den meisten Fällen sehr schwerist. Jedoch lassen sich heutzutage schon eine Vielzahl von Anwendungendurch die hoch entwickelten, frei abstrahlenden Messgeräteim Mikrowellen- und Ultraschallbereich abdecken.Of thedirect comparison of the different physical measuring principlesshows that the selection of the current applicationsuitable measuring principle in most cases very difficultis. However, a variety of applications can already be done todaydue to the highly developed, freely radiating measuring devicesin the microwave and ultrasound range.
Esist die Aufgabe der Erfindung, ein Füllstandsmessgerätmit einer kompakten, kostengünstigen Sensoreinheit anzugeben,das eine optimierte Messgenauigkeit und eine optimierte Zuverlässigkeit aufweist.ItThe object of the invention is a level gaugewith a compact, inexpensive sensor unit,which has optimized measurement accuracy and optimized reliability.
DieseAufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,dass die Sensoreinheit zumindest einen Ultraschallsensor zum Aussendenvon Ultraschallsignalen und zumindest einen Mikrowellensensor zumAussenden von Mikrowellensignalen umfasst, die in einem gemeinsamenSensorgehäuse eingebaut sind.TheseThe object is achieved according to the inventionthe sensor unit has at least one ultrasonic sensor for emittingof ultrasonic signals and at least one microwave sensor forEmission of microwave signals includes that in a commonSensor housing are installed.
Einevorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßenLösung ist darin zu sehen, dass der Mikrowellensensor undder Ultraschallsensor in dem Sensorgehäuse zueinander konzentrischund/oder rotationssymmetrisch zu einer Abstrahlrichtung der Signaleangeordnet sind.Aadvantageous embodiment of the inventionSolution is to see that the microwave sensor andthe ultrasonic sensor in the sensor housing concentric with each otherand / or rotationally symmetrical to a radiation direction of the signalsare arranged.
Eineweitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßenLösung ist darin zu sehen, dass der Ultraschallsensor einedurchgehende, zentrale Bohrung aufweist, in welche der Mikrowellensensorkonzentrisch in den Ultraschallsensor fest oder lösbareingefügt ist.Afurther advantageous embodiment of the inventionSolution is to be seen in that the ultrasonic sensor ahas continuous, central bore, in which the microwave sensorConcentric in the ultrasonic sensor fixed or detachableis inserted.
Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindungist vorgesehen, dass der Ultraschallsensor zumindest einen ringförmigenoder ringförmig angeordneten Ultraschallwandler umfasst.Ina particularly preferred embodiment of the inventionit is provided that the ultrasonic sensor at least one annularor annularly arranged ultrasonic transducer.
Gemäß einervorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßenVorrichtung ist vorgesehen, dass der Mikrowellensensor zumindesteinen Hohlleiter mit zumindest einem Einkoppelelement umfasst, derdie Mikrowellensignale erzeugt und/oder empfängt.According to oneadvantageous embodiment of the inventionDevice is provided that the microwave sensor at leastcomprises a waveguide with at least one coupling element, thegenerates and / or receives the microwave signals.
Einevorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßenVorrichtung ist darin zu sehen, dass der Hohlleiter als ein metallischerHohlzylinder mit einem Füllkörper aus einem dielektrischenMaterial ausgestaltet ist.Aadvantageous embodiment of the inventionDevice is to be seen in that the waveguide as a metallicHollow cylinder with a packing of a dielectricMaterial is designed.
Einesehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßenVorrichtung ist darin zu sehen, dass der Hohlleiter aus einem alsein zylindrisches Element ausgebildeten Füllkörperaufgebaut ist, der aus einem Mikrowellendurchlässigen,dielektrischen Material besteht und der auf der Außenflächezumindest teilweise eine elektrisch leitfähige Beschichtungaufweist.Avery advantageous variant of the inventionDevice is to be seen in that the waveguide of aa cylindrical element formed fillerconstructed of a microwave permeable,dielectric material and that on the outer surfaceat least partially an electrically conductive coatinghaving.
Gemäß einervorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtungist vorgesehen, dass eine kegelförmige, kegelstumpfförmigeoder pyramidenförmige Ausgestaltung des Füllkörpersin Abstrahlrichtung als ein Anpasselement vorgesehen ist.According to oneadvantageous variant of the device according to the inventionis provided that a conical, frusto-conicalor pyramidal configuration of the packingis provided in the emission direction as a matching element.
Eineweitere vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßenVorrichtung besteht darin, dass zumindest ein Entkopplungselementin einen Ringspalt der Bohrung zwischen dem Ultraschallsensor und demeingefügten Mikrowellensensor eingefügt ist.Afurther advantageous variant of the inventionDevice is that at least one decoupling elementin an annular gap of the bore between the ultrasonic sensor and theinserted microwave sensor is inserted.
Einevorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßenVorrichtung ist darin zu sehen, dass der ringförmige oderringförmig angeordnete Ultraschallwandler des Ultraschallsensorsin einzelne, separat ansteuerbare Segmente unterteilt ist.Aadvantageous embodiment of the inventionDevice is to be seen in that the annular orannularly arranged ultrasonic transducer of the ultrasonic sensoris divided into individual, separately controllable segments.
Ineiner besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßenVorrichtung ist vorgesehen, dass zwischen dem ringförmigenoder dem ringförmig angeordneten Ultraschallwandler und eineram Sensorgehäuse in Abstrahlrichtung ausgebildeten, ringförmigenoder ringförmig angeordneten Ultraschallmembran zumindesteine ringförmige oder ringförmig angeordnete Anpassschichtangeordnet ist.Ina particularly preferred embodiment of the inventionDevice is provided that between the annularor the annularly arranged ultrasonic transducer and aformed on the sensor housing in the direction of radiation, annularor annularly arranged ultrasound membrane at leastan annular or annular matching layeris arranged.
Einesehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßenVorrichtung ist darin zu sehen, dass der Ultraschallsensor und/oderder Mikrowellensensor durch einen die Ultraschallwellen dämpfenden Dämpfungsvergussim Sensorgehäuse vergossen sind.Avery advantageous variant of the inventionDevice is to be seen in that the ultrasonic sensor and / orthe microwave sensor by a damping casting attenuating the ultrasonic wavesare shed in the sensor housing.
Ineiner besonders vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßenVorrichtung ist angrenzend an das Sensorgehäuse des Ultraschallsensorsund/oder des Mikrowellensensors zumindest ein Antennenhorn in Abstrahlrichtungvorgesehen.Ina particularly advantageous variant of the inventionDevice is adjacent to the sensor housing of the ultrasonic sensorand / or the microwave sensor at least one antenna horn in the emission directionintended.
Eineerweiterte vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßenVorrichtung entsteht dadurch, dass das Antennenhorn durch Trennelementeunterteilt ist und/oder dass das Antennenhorn durch Trennelementeentsprechend der Segmente des ringförmigen oder ringförmigangeordneten Ultraschallwandlers des Ultraschallsensors unterteiltist.Aextended advantageous variant of the inventionDevice arises from the fact that the antenna horn by separating elementsis divided and / or that the antenna horn by separating elementsaccording to the segments of the annular or annularsubdivided arranged ultrasonic transducer of the ultrasonic sensoris.
Gegenstandder vorliegenden Erfindung ist ein Konzept für einen Multisensorbestehend aus einem Ultraschallsensor mit einem Mikrowellensensor anzugeben,das zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Genauigkeitder Distanzmessung des Messgerätes führt. Um eineerhöhte Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungdes Füllstands zu gewährleisten, werden in derProzessmesstechnik redundante Messgeräte zur Plausibilitätsbetrachtungund Kalibrierung der Messung verwendet. Dabei wird bei einer diveristärenRedundanzbetrachtung der Messung angestrebt, die redundanten Messgeräteso unterschiedlich wie möglich zu realisieren. Beispielsweisekann, um den Inhalt in einem großen Öltank zu bestimmen,ein Drucksensor im Tankbodenbereich, der den Füllstandanhand der hydrostatischen Füllstandsmessung bestimmt,und zusätzlich ein Radar im Tankdeckelbereich, das denFüllstand anhand der Laufzeitmessmethode ermittelt, benutztwerden. Durch die Verwendung von verschiedenen physikalischen Messverfahrenwird die Wahrscheinlichkeit, dass ein systematischer Fehler in denunterschiedlichen Messgeräten sich gleich und gleichzeitigauswirkt, extrem niedrig. Dabei wird die diversitäre Redundanzvon Ultraschall- und Mikrowellen-Signalen dahingehend genutzt, dasseinerseits die wesentlichen Störeinflüsse im Ausbreitungswegsich unterschiedlich auf elektromagnetische und Ultraschallwellenauswirken und andererseits dennoch die Nutzsignale obgleich desunterschiedlichen Wirkprinzips redundant sind. Die Nutzsignale könnensomit ohne aufwendige und in der Regel verlustbehaftete Merkmalstransformationenauf Signalebene verknüpft und insbesondere die Schwächender verschiedenen Einzelsensoren überwunden werden.objectThe present invention is a concept for a multi-sensorconsisting of an ultrasonic sensor with a microwave sensor,to improve reliability and accuracythe distance measurement of the meter leads. To oneincreased accuracy and reliability of the measurementto ensure the level in theProcess measuring technology redundant measuring instruments for plausibility analysisand calibration of the measurement used. This is when a multivariateRedundanzbetrachtung the measurement sought, the redundant measuring instrumentsto realize as different as possible. For examplecan to determine the content in a big oil tanka pressure sensor in the tank bottom area, which indicates the leveldetermined by hydrostatic level measurement,and in addition a radar in the tank lid area, theLevel determined using the transit time measurement methodbecome. By using different physical measuring methodsthe probability that a systematic error in thedifferent measuring devices are the same and at the same timeaffects, extremely low. This is the diversified redundancyused by ultrasonic and microwave signals in thaton the one hand the main disturbances in the propagation pathdifferent on electromagnetic and ultrasonic waveson the other hand, however, the useful signals although thedifferent principle of action are redundant. The useful signals canthus without complex and usually lossy feature transformationslinked at the signal level and in particular the weaknessesthe various individual sensors are overcome.
DieUltraschall- und Mikrowellensensoren arbeiten nahezu unabhängigvon schwierigen Umgebungsbedingungen, wie z. B. extreme Luftfeuchtigkeitund/oder starke Verschmutzung, mit einer hohen Linearitätund Langzeitstabilität. Die im Allgemeinen großeDynamik der Empfangssignale gewährleistet eine gute Unterscheidbarkeitvon Messobjekten, die verhältnismäßiggeringe Datenmenge ermöglicht eine einfache Datenaufnahmeund schnelle Signalverarbeitung. Mit ihrem einfachen Aufbau undgeringen Preis sind Ultraschallsensoren seit langem in der Prozessmesstechniketabliert. Durch die Fortschritte bei der Entwicklung von Mikrowellen-Komponenten undder Aufbautechnik sind auch Mikrowellensensoren zunehmend preiswertherstellbar. Nachteilig bei Messgeräten, die mit Ultraschallwellenarbeiten, ist, dass diese jedoch vielfältigen Einflüssenunterliegen: Temperaturgradienten, Luftbewegungen oder stofflicheVeränderungen des Mediums machen sich in Amplituden- undPhasenfluktuationen der Empfangssignale bemerkbar. Zusätzlichkönnen starke Störquellen, wie beispielsweiseEinbauten oder Rührwerke, im Erfassungsbereich Nutzechosignalemaskieren oder vortäuschen. Demgegenüber werdenFüllstandsmessgeräte, die mit Mikrowellen arbeiten,von Veränderungen der Prozessbedingungen der Luft überdem Messmedium kaum beeinflusst; und die Ausbreitungsdämpfungder Mikrowellen ist äußerst gering. Nachteiligbei Mikrowellenmessgeräten ist, dass die geringen Unterschiededes Wellenwiderstandes bei Reflexion an nicht leitenden Materialien zuviel kleineren Echoamplituden im Vergleich zu denen bei leitendenOberflächen führen. Bei ungeeigneter Auslegungdes Sensors können sich zudem elektrische Störfelderin der Umgebung bemerkbar machen. Hohe Zuverlässigkeitder Sensoraussage bei geringer Querempfindlichkeit und hoher Störfestigkeitgegenüber Umwelteinflüssen und Rauschen stehenim Vordergrund jeder Sensorentwicklung. Zur Plausibilitätskontrollevon Sensoraussagen und zur Senkung der Ausfallraten werden vielfachredundante Multisensorsysteme konstruiert, die mehrere gleichartigeEinzelsensoren in einer Parallelstruktur vereinen. Mit der Auswertungder Empfangssignale verschiedenartiger Einzelsensoren mit Ausgangssignalenvon komplementären Ereignissen wird eine Erweiterung desAnsprechverhaltens des Gesamtsensors angestrebt. Diese sog. diversitärenMultisensorsysteme haben in den letzten Jahren beständigan Attraktivität gewonnen und werden für vielfältigeAufgaben in der industriellen Prozessautomatisierungstechnik, wiebeispielsweise derDE100 37 715 A1 gezeigt, eingesetzt. In derDE 100 37 715 A1 wird eine Kombinationvon zwei Messverfahren zu Plausibilitätsbetrachtung derMessungen gezeigt, bei der der Füllstand abwechselnd odergleichzeitig nach einer Laufzeitmessmethode eines Hochfrequenzsignals odernach einer Kapazitätsmessung mittels einer das Medium berührendenMesssonde ermittelt wird. Die höhere Dimensionalitätdes Beobachtungsraumes führt zu Sensoraussagen, die miteinfachen Mehrelementenanordnungen identischer Sensorelemente nichterzielt werden können. Besondere Bedeutung fürdie Erweiterung der Möglichkeiten der Sensorik besitzendiversitäre Multisensorsysteme, die auf direkter Vergleichbarkeitder Nutzsignale beruhen, während Störsignale statistischnicht korreliert sind. Mit Auswertung dieser sog. diversitärenRedundanz weist das Fusionsergebnis eine signifikant erhöhte Robustheitgegenüber Störeinflüssen der Einzelsensorenauf, wodurch die Glaubwürdigkeit der Sensoraussage erhöhtwird. Diesen Anspruch erfüllen in geeigneter Weise Sensorsysteme,die zur Füllstandsmessung gleichzeitig akustische Wellenund Mikrowellen verwenden und die Redundanz der Empfangssignaleaus einem sich überdeckenden räumlichen Erfassungsbereichauswerten.The ultrasonic and microwave sensors work almost independently of difficult environmental conditions, such. As extreme humidity and / or heavy pollution, with a high linearity and long-term stability. The generally high dynamics of the received signals ensure a good differentiation of DUTs, the relatively small amount of data enables easy data acquisition and fast signal processing. With their simple design and low price, ultrasonic sensors have long been established in process measurement technology. Due to advances in the development of microwave components and the construction technique and microwave sensors are increasingly inexpensive to produce. A disadvantage of measuring devices that work with ultrasonic waves, but that they are subject to various influences: temperature gradients, air movements or material changes of the medium are reflected in amplitude and phase fluctuations of the received signals noticeable. In addition, strong interference sources, such as internals or agitators, can mask or simulate useful echo signals in the detection area. In contrast, level measuring devices that work with microwaves are hardly affected by changes in the process conditions of the air above the measuring medium; and the propagation loss of microwaves is extremely low. A disadvantage of microwave measuring devices is that the small differences in the characteristic impedance when reflecting on non-conductive materials lead to much smaller echo amplitudes compared to those in the case of conductive surfaces. Inappropriate design of the sensor can also be noticeable electrical interference in the environment do. High reliability of the sensor statement with low cross sensitivity and high immunity against environmental influences and noise are in the foreground of every sensor development. In order to check the plausibility of sensor statements and to reduce failure rates, redundant multi-sensor systems are often designed that combine several identical single sensors in a parallel structure. With the evaluation of the received signals of different types of individual sensors with output signals of complementary events, an extension of the response of the total sensor is sought. These so-called diversified multi-sensor systems have steadily become more attractive in recent years and are used for a variety of tasks in industrial process automation technology, such as the DE 100 37 715 A1 shown used. In the DE 100 37 715 A1 a combination of two measurement methods for plausibility of the measurements is shown, in which the level is determined alternately or simultaneously by a transit time measurement method of a high-frequency signal or by a capacitance measurement by means of a measuring probe touching the medium. The higher dimensionality of the observation space leads to sensor statements that can not be achieved with simple multi-element arrangements of identical sensor elements. Particular importance for the expansion of the possibilities of sensors have diverse multi-sensor systems, which are based on direct comparability of the useful signals, while noise signals are statistically uncorrelated. By evaluating this so-called diverse redundancy, the fusion result has a significantly increased robustness against interference influences of the individual sensors, whereby the credibility of the sensor statement is increased. Sensor systems that simultaneously use acoustic waves and microwaves for level measurement and evaluate the redundancy of the received signals from a covering spatial detection area suitably meet this requirement.
Einweiterer Vorteil der Kombination beider Messverfahren ist, dassdie Ultraschall-Messung stärkere Echo-Signale liefert.Insbesondere bei organischen Lösungsmitteln wird zudemein großer Teil der Mikrowellenstrahlung gar nicht an derFüllgutoberfläche reflektiert, sondern dringtin das Füllgut ein und wird stattdessen am Boden des Tanksreflektiert. Bei niedrigem Füllstand kann dann das kleineFüllstandecho schlecht von dem großen Tankbodenecho unterschiedenwerden. Bei einer Ultraschall-Messung tritt dieses Problem nichtauf. Nachteilig ist jedoch, dass die Ultraschall-Messung ungenauwird, sobald die Schallgeschwindigkeit im Behälter aufgrundvom Temperatur- und Gasschichtungen schwankt und/oder nicht ermittelbarist. Dagegen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellennahezu unabhängig von diesen Umgebungseinflüssen desProzesses. In den Fällen, in denen die Ultraschall- unddie Mikrowellen-Messung gleichzeitig eindeutige Ergebnisse liefern,ist es beispielsweise möglich, die Ultraschall-Messungmittels den Ergebnissen der Mikrowellen- Messung zu kalibrieren.Die beschrieben Störeinflüsse, wie z. B. Temperaturschwankungenoder Reflektionsunterschiede, wirken sich unterschiedlich auf Mikrowellenoder auf Ultraschallwellen aus, jedoch sind die Nutzsignale trotz desunterschiedlichen Wirkprinzips redundant und somit miteinander vergleichbar.OneAnother advantage of combining both measuring methods is thatthe ultrasound measurement delivers stronger echo signals.In particular, with organic solvents is alsoa large part of the microwave radiation is not at theThe product surface reflects, but penetratesin the contents and is instead at the bottom of the tankreflected. At low level, then the smallLevel echoes poorly distinguished from the large tank bottom echobecome. In an ultrasound measurement, this problem does not occuron. The disadvantage, however, is that the ultrasonic measurement is inaccuratewill, as soon as the speed of sound in the container duefrom the temperature and gas stratifications fluctuates and / or can not be determinedis. In contrast, the propagation velocity of the microwavesalmost independent of these environmental influences of theProcess. In cases where the ultrasound andthe microwave measurement at the same time provide clear results,For example, it is possible to use the ultrasound measurementto calibrate using the results of the microwave measurement.The described interference, such. B. temperature fluctuationsor reflection differences, have different effects on microwavesor on ultrasonic waves, but the useful signals are despite thedifferent operating principle redundant and thus comparable with each other.
WeitereEinzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindungergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den zugehörigenZeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele derErfindung dargestellt sind. In den Figuren dargestellte Ausführungsbeispieleder Erfindung sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung dieElemente, die sich in ihrem Aufbau und/oder in ihrer Funktion entsprechen,mit gleichen Bezugszeichen versehen.FurtherDetails, features and advantages of the subject matter of the inventionresult from the following description with the associatedDrawings in which preferred embodiments of theInvention are shown. Embodiments illustrated in the figuresthe invention are for better clarity and simplification theElements that correspond in their structure and / or functionprovided with the same reference numerals.
Eszeigt:Itshows:
1 eineschematische Darstellung eines Ausführungsbeispiel dererfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung desFüllstandes in einem Behälter, 1 a schematic representation of an embodiment of the inventive device for determining the level in a container,
2 eineschematische Darstellung einer Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispielsder erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Multisensoreinheit, 2 1 is a schematic representation of a top view of a first exemplary embodiment of the device according to the invention with the multi-sensor unit,
3 eineSchnittdarstellung einer Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispielsder erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechenddem Schnitt A-B aus2, 3 a sectional view of a side view of the first embodiment of the device according to the invention according to the section AB 2 .
4 eineschematische Schnittdarstellung des ersten Ausführungsbeispielsder erfindungsgemäßen Vorrichtung mit angesetztemAntennenhorn aus3, 4 a schematic sectional view of the first embodiment of the device according to the invention with attached antenna horn 3 .
5 eineschematische Darstellung einer Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispielsder erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Multisensoreinheit,und 5 a schematic representation of a plan view of a second embodiment of the device according to the invention with the multi-sensor unit, and
6 eineSchnittdarstellung einer Seitenansicht des zweiten Ausführungsbeispielsder erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechenddem Schnitt C-D aus5. 6 a sectional view of a side view of the second embodiment of the device according to the invention according to the section CD 5 ,
In1 wirdeine Vorrichtung1 zur Ermittlung des Füllstandesf eines Füllguts5 in einem Behälter7 nacheiner Laufzeitmessmethode von Signalen S gezeigt. Die Vorrichtung1 istbeispielsweise über einen Flansch an einem Stutzen bzw.Prozessanschluss am Behälter7 befestigt, so dasssich die Sensoreinheit3, im Prozessraum6 befindetwährend sich der Messumformer2 mit der Sende-/Empfangseinheit24,25 mitder Regel-/Auswerteeinheit26 und mit der Schnittstelleneinheit27 außerhalbdes Prozessraums6 befindet.In 1 becomes a device 1 for determining the filling level f of a product 5 in a container 7 according to a transit time measurement method of signals S shown. The device 1 is for example a flange on a nozzle or process connection to the container 7 attached, so that the sensor unit 3 , in the process room 6 is located while the transmitter 2 with the transmitting / receiving unit 24 . 25 with the control / evaluation unit 26 and with the interface unit 27 outside the process room 6 located.
ImMessumformer2 wird von der Sende-/Empfangseinheit24,25 einErregersignal erzeugt, das in der Sensoreinheit3 ein SendesignalSTX bewirkt. Die Sensoreinheit3 strahltdieses Sendesignal STX in Richtung des Füllguts5 inden Prozessraum6 ab. Das an der Oberfläche4 desFüllguts5 reflektierte Reflexionssignal SRX wird von der Sensoreinheit3 wiederempfangen und in der Sende-/Empfangseinheit24,25 imMessumformer2 signaltechnisch weiterverarbeitet. Die Regel-/Auswerteeinheit26 indem Messumformer2 wertet die Sendesignale STX undReflexionssignale SRX aus, indem beispielsweiseeine zeit- oder distanzabhängige Echosignalkurve und/oderHüllkurve ermittelt wird, die einer weiteren signaltechnischenVerarbeitung und/oder Auswertung im Messumformer2 zurVerfügung steht. Die Bezeichnung Signale S fassen die SendesignaleSTX und die Reflexionssignale SRX untereinem Begriff zusammen. Die Regel-/Auswerteeinheit26 hatdie Aufgabe, ein Nutzecho in den Reflexionssignalen SRX auszuwerten,indem die Reflexionssignale SRX durch eineSignalverarbeitung und spezielle Signalauswertungsalgorithmen weiterverarbeitet und ausgewertet werden, und folglich die Laufzeit dereinzelnen Echosignale bestimmt wird. Aus der Laufzeit der SignaleS lässt sich beispielsweise mit Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeitder Signale S im Prozessraum6 die Distanz d und somitbei Kenntnis der Höhe h eines Behälters7 derFüllstand f eines Füllguts5 bestimmen.Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden der Sendesignale STX und dem Empfang der ReflexionssignaleSRX lässt sich der Abstand desVorrichtung1 zu der Oberfläche4 desFüllguts5 ermitteln.In the transmitter 2 is from the send / receive unit 24 . 25 generates an excitation signal in the sensor unit 3 a transmission signal STX causes. The sensor unit 3 emits this transmission signal STX in the direction of the medium 5 in the process room 6 from. The on the surface 4 of the contents 5 Reflected reflection signal SRX is from the sensor unit 3 received again and in the sender / receiver unit 24 . 25 in the transmitter 2 signal processing further processed. The control / evaluation unit 26 in the transmitter 2 evaluates the transmission signals STX and reflection signals SRX , for example, by determining a time-dependent or distance-dependent echo signal curve and / or envelope, which is a further signal processing and / or evaluation in the transmitter 2 is available. The term signals S summarize the transmission signals STX and the reflection signals SRX together under one term. The control / evaluation unit 26 has the task of evaluating a useful echo in the reflection signals SRX by the reflection signals SRX by signal processing and special signal processing algorithms are processed and evaluated, and hence the term of the individual echo signals is determined. From the duration of the signals S can be, for example, with knowledge of the propagation speed of the signals S in the process space 6 the distance d and thus with knowledge of the height h of a container 7 the level f of a product 5 determine. From the time difference between the transmission of the transmission signals STX and the reception of the reflection signals SRX can be the distance of the device 1 to the surface 4 of the contents 5 determine.
In2 isteine Draufsicht des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßenVorrichtung1 bestehend aus dem Messumformer2 undaus der Sensoreinheit3 mit einer konzentrischen, ringförmigenund/oder ringförmig angeordneten Ultraschallmembran20 desUltraschallsensors10 in dem Sensorgehäuse12 undmit dem Anpasselement30 an dem Hohlleiters13 desMikrowellensensors11 gezeigt. In diesem ersten Ausführungsbeispielist das Sensorgehäuse12 der Sensoreinheit3 einteiligund hermetisch dicht ausgeführt. Hierzu ist der Boden desSensorgehäuses12 im Bereich des Ultraschallsensors10 zueiner ringförmigen Ultraschallmembran20 ausgebildet,indem beispielsweise in diesem Bereich eine Verringerung der Materialstärkedes Bodens des Sensorgehäuses12 vorgesehen ist.Im Bereich des Mikrowellensensors (11) sind das Material desBodens des Sensorgehäuses (12) und dessen Stärkeso ausgelegt, dass das Mikrowellensignal SμW nichtgedämpft wird. Der Multisensor aus Ultraschallsensor10 undMikrowellensensor11 ist aus diesen Gründen ineinem Sensorgehäuse12 aus einem prozessbeständigen,mikrowellendurchlässigem Material, z. B. einem Kunststoffaus Polytetrafluorethylen-PTFE- oder Polyvinylidenfluorid-PVDF-,eingebettet. Da das Sensorgehäuse12 zumindestprozessseitig einteilig ausgeführt ist, ist die Sensoreinheit3 hermetischdicht gegenüber dem Medium5 und den Prozessbedingungenim Prozessraum6 abgeschlossen.In 2 is a plan view of the first embodiment of the device according to the invention 1 consisting of the transmitter 2 and from the sensor unit 3 with a concentric, annular and / or annular ultrasound membrane 20 of the ultrasonic sensor 10 in the sensor housing 12 and with the fitting element 30 on the waveguide 13 of the microwave sensor 11 shown. In this first embodiment, the sensor housing 12 the sensor unit 3 one-piece and hermetically sealed. This is the bottom of the sensor housing 12 in the range of the ultrasonic sensor 10 to an annular ultrasonic membrane 20 formed by, for example, in this area, a reduction in the material thickness of the bottom of the sensor housing 12 is provided. In the area of the microwave sensor ( 11 ) are the material of the bottom of the sensor housing ( 12 ) and its strength designed so that the microwave signal SμW is not attenuated. The multisensor from ultrasonic sensor 10 and microwave sensor 11 is for these reasons in a sensor housing 12 from a process resistant, microwave transparent material, e.g. As a plastic of polytetrafluoroethylene PTFE or polyvinylidene fluoride PVDF embedded. Because the sensor housing 12 at least on the process side is made in one piece, is the sensor unit 3 hermetically sealed against the medium 5 and the process conditions in the process room 6 completed.
In3 isteine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispielsder erfindungsgemäßen Vorrichtung1 zurBestimmung des Füllstands f in einem Behälter7 gemäß demSchnitt A-B in2 gezeigt. Die Vorrichtung1 istim wesentlichen aus einer Sensoreinheit3 und einem Messumformer2 aufgebaut.Die Sensoreinheit3 ist erfindungsgemäß alsein Multisensor ausgestaltet. Das Sensorelement3 weist einendie Mikrowellen abstrahlenden und empfangenden, als Hohlleiter13 ausgebildetenMikrowellensensor11 auf, der konzentrisch, ringförmigund/oder ringförmig angeordnet von einem Ultraschallsensor10 umgebenist. Dieser Mikrowellensensor11 ist in eine Bohrung33 inden ringförmig ausgebildeten Ultraschallsensor10,der aus zumindest einen ringförmigen Ultraschallwandler19,einer ringförmigen Anpassschicht21 und einerringförmigen Ultraschallmembran20 besteht, festoder reversibel lösbar eingefügt. Der Ultraschallsensor10 bestehtgrundlegend aus zumindest einem ringförmigen Ultraschallwandler19,der die Ultraschallsignale SU übereine ringförmige Anpassschicht21 durch eine ringförmige Ultraschallmembran20 alsSendesignale STX in den Prozessraum6 aussendetund die Reflexionssignale SRX wieder empfängt.Hierzu wird der Ultraschallwandler19 kurzzeitig zum Schwingenim Resonanzbereich des Ultraschallsensors10 angeregt.Die Schwingungen des Ultraschallwandlers19 sind nach Aussendender Ultra-/Schallsignale SU erst nach einigerZeit abgeklungen. Während dieser Zeit ist der Ultraschallsensor10 alsEmpfangselement blockiert, weil das Ausschwingen schwache Reflexionssignale SRX überdeckt. Entsprechend könnenReflektoren nicht erkannt werden, die zu nahe am Ultraschallsensor10 angebrachtsind und deren Reflexionssignale SRX daherschon innerhalb dieser blockierten Zeitspanne zum Ultraschallsensor10 zurückkommen. Manspricht daher auch von der 'Blockdistanz' des Ultraschallsensors10.In 3 is a sectional view of a first embodiment of the device according to the invention 1 for determining the filling level f in a container 7 according to the section AB in 2 shown. The device 1 is essentially a sensor unit 3 and a transmitter 2 built up. The sensor unit 3 is designed according to the invention as a multi-sensor. The sensor element 3 has a microwave radiating and receiving, as a waveguide 13 trained microwave sensor 11 concentric, annular and / or annularly arranged by an ultrasonic sensor 10 is surrounded. This microwave sensor 11 is in a hole 33 in the ring-shaped ultrasonic sensor 10 which consists of at least one annular ultrasonic transducer 19 , an annular matching layer 21 and an annular ultrasonic membrane 20 exists, permanently or reversibly releasably inserted. The ultrasonic sensor 10 basically consists of at least one annular ultrasonic transducer 19 receiving the ultrasonic signals SU via an annular matching layer 21 through an annular ultrasonic membrane 20 as transmission signals STX in the process space 6 emits and receives the reflection signals SRX again. For this purpose, the ultrasonic transducer 19 briefly to vibrate in the resonance range of the ultrasonic sensor 10 stimulated. The vibrations of the ultrasonic transducer 19 are decayed after sending the ultra / sound signals SU after some time. During this time is the ultrasonic sensor 10 blocked as a receiving element, because the decay covers weak reflection signals SRX . Accordingly, reflectors that are too close to the ultrasonic sensor can not be detected 10 are mounted and their reflection signals SRX therefore already within this blocked period of time to the ultrasonic sensor 10 Come back. One therefore speaks of the 'blocking distance' of the ultrasonic sensor 10 ,
DieAbklingzeit und/oder die Blockdistanz lassen sich durch mechanischeDämpfung des Verbundschwingsystems aus Ultraschallwandler19,aus Anpassschicht21 und aus Ultraschallmembran20 verkürzen.Diese mechanische Dämpfung wird beispielsweise durch einenDämpfungsverguss22, der einige Teile des Verbundschwingsystemsumgibt, erreicht. Je stärker die mechanische Dämpfungdurch diesen Dämpfungsverguss22 ist, umso schneller schwingtdas Verbundschwingsystem aus.The decay time and / or the blocking distance can be achieved by mechanical damping of the composite oscillating system made of ultrasonic transducers 19 , made of matching layer 21 and ultrasound membrane 20 shorten. This mechanical damping is achieved, for example, by a damping casting 22 that surrounds some parts of the compound vibration system, he said enough. The stronger the mechanical damping due to this damping compound 22 is, the faster the composite vibration system swings out.
DerMikrowellensensor11 ist als ein Hohlleiter13 ausgebildetder achsensymmetrisch in die durchgehende, zentrale Bohrung33 desringförmigen Ultraschallsensors10 eingebrachtist. Der Hohlleiter13 besteht entweder aus einem metallischen Hohlzylinder16 oderaus einem als ein zylindrisches Element17 ausgebildetendielektrischer Füllkörper15 aus Kunststoff,z. B. Perfluoralkoxy-Copolymer-PFA- oder Polytetrafluorethylen-PTFE-,der zumindest teilweise auf der Außenfläche miteiner elektrisch leitfähigen Beschichtung18 versehenist und somit einen mit einem dielektrischen Material gefülltenHohlleiter13 erzeugt. In diesen Hohlleitern13 wirddas Mikrowellensignal SμW mittelszumindest eines Einkoppelelements14, das beispielsweiseals Stift-, Stufen-, oder Gruppenstrahlereinkopplung ausgebildetist, eingekoppelt. Bei einer kreis-polarisierten oder einer elliptisch-polarisiertenPC Abstrahlcharakteristik der SendesignaleSTX sind in dem Hohlleiter13 zumindestzwei Einkoppelelemente14 ausgestaltet, die beispielsweisein einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Hingegenist bei einer eine linear-polarisierte PL elektromagnetischeWelle als Abstrahlcharakteristik des Sendesignals STX in demHohlleiter13 nur ein Einkoppelelement14 ausgebildet.In Abstrahlrichtung Z ist an dem Hohlleiter13 ein kegelförmigesAnpasselement30 ausgebildet, das den Wellenwiderstandbeim Übergang des Mikrowellensignals SμW vomHohlleiter13 auf den Prozessraum6 entsprechendanpasst.The microwave sensor 11 is as a waveguide 13 formed the axisymmetric in the continuous, central bore 33 of the annular ultrasonic sensor 10 is introduced. The waveguide 13 consists of either a metallic hollow cylinder 16 or one as a cylindrical element 17 formed dielectric filling body 15 made of plastic, z. As perfluoroalkoxy copolymer PFA or polytetrafluoroethylene PTFE, at least partially on the outer surface with an electrically conductive coating 18 is provided and thus filled with a dielectric material waveguide 13 generated. In these waveguides 13 is the microwave signal SμW by means of at least one coupling element 14 , which is designed for example as a pin, stage, or group radiator coupling, coupled. In a circular-polarized or an elliptically-polarized PC radiation characteristic of the transmission signals STX are in the waveguide 13 at least two coupling elements 14 configured, which are arranged for example at an angle of 90 ° to each other. On the other hand, in a linear-polarized PL electromagnetic wave as a radiation characteristic of the transmission signal STX in the waveguide 13 only one coupling element 14 educated. In the emission direction Z is at the waveguide 13 a conical fitting element 30 formed, the wave impedance at the transition of the microwave signal SμW from the waveguide 13 on the process room 6 adapts accordingly.
Verfahrenzur Bestimmung des Füllstandes über die Laufzeitvon Ultraschallsignalen sowie auch von anderen Messsignalen, wiez. B. Radar nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeitaus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus der Laufzeitt und der Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Um die Ausbreitungsgeschwindigkeitder Signale S genau bestimmen zu können ist in der Sensoreinheit3 ein Temperatursensor34 integriert,der die Prozesstemperatur ermittelt. Dieser Temperatursensor34 istbeispielsweise über eine zusätzliche dritte Anschlussleitung29 undeine Anschlussleitung29 des Ultraschallwandlers19 mitder Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit24 elektrisch verbunden.Mittels dieser aktuellen Prozesstemperatur wird in der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit24 dieangepasste Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale S ermittelt undmit dieser die Laufstrecke der Signale errechnet. Unter Berücksichtigungder Geometrie des Behälterinnern und des Behälters7 wirddann, wie schon zuvor beschrieben, der Füllstand f desFüllguts5 als eine relative und/oder eine absoluteGröße ermittelt.Method for determining the level over the duration of ultrasonic signals as well as other measurement signals, such. B. Radar exploit the physical law, according to which the running distance is equal to the product of the time t and the propagation speed. In order to determine the propagation speed of the signals S accurately is in the sensor unit 3 a temperature sensor 34 integrated, which determines the process temperature. This temperature sensor 34 is for example via an additional third connection line 29 and a connecting cable 29 of the ultrasonic transducer 19 with the ultrasonic transmitting / receiving unit 24 electrically connected. By means of this current process temperature is in the ultrasonic transmitting / receiving unit 24 determines the adapted propagation speed of the signals S and calculates with this the running distance of the signals. Taking into account the geometry of the container interior and the container 7 Then, as already described, the filling level f of the medium 5 is determined as a relative and / or an absolute variable.
Speziellwird in den folgenden Ausführungen primär nurder Messaufbau des konzentrischen, ringförmigen und/oderringförmig angeordneten Ultraschallwandlers19 alsein kombiniertes Sende-/Empfangselement bzw. des Ultraschall-Transceiverszum Senden und Empfangen von Signalen S näher betrachtet,jedoch ist auch eine getrennte Ausführungsform des Sendeelementsund des Empfangselements des Ultraschallsensors10 in derSensoreinheit3 denkbar. Der Ausdruck „Transceiver"entstand durch das Zusammenfassen der Bezeichnungen „Transmitter"-Sender-und „Receiver"-Empfänger- und ist ein allgemeingebräuchlicher Begriff in diesen technischen Gebieten derProzessmesstechnik. Der Antrieb des Ultraschallsensors10 istin der Regel als ein elektromechanischer Ultraschallwandler19 ausgebildet,der beispielsweise nach einem elektrostatischen, elektromagnetischenoder insbesondere nach einem piezoelektrischen Prinzip betriebenwird. Da der piezoelektrische Ultraschallwandler19 zumErzeugen und Messen von Ultraschallsignalen SU gegenüberden anderen Prinzipien einige Vorteile bietet, hat sich dieses piezoelektrischeWandlerprinzip als allgemeiner Standard durchgesetzt. Es sind jedochalle elektromechanischen Wandlerprinzipien als Antriebsmechanismenin den folgenden erfindungsgemäßen Ausführungenanwendbar.Specifically, in the following embodiments, primarily only the measurement setup of the concentric, annular and / or annularly arranged ultrasonic transducer will be described 19 as a combined transmitting / receiving element or the ultrasonic transceiver for transmitting and receiving signals S closer considered, but is also a separate embodiment of the transmitting element and the receiving element of the ultrasonic sensor 10 in the sensor unit 3 conceivable. The term "transceiver" was created by combining the terms "transmitter" transmitter and "receiver" receivers and is a commonly used term in these technical fields of process measurement technology 10 is usually considered an electromechanical ultrasonic transducer 19 formed, which is operated for example by an electrostatic, electromagnetic or in particular according to a piezoelectric principle. As the piezoelectric ultrasonic transducer 19 For generating and measuring ultrasonic signals SU over the other principles offers some advantages, this piezoelectric transducer principle has prevailed as a general standard. However, all electromechanical transducer principles are applicable as drive mechanisms in the following embodiments of the invention.
Diegeometrische Ausgestaltung eines piezoelektrischen Ultraschallwandlers19 sindkaum Einschränkungen unterworfen. Das piezoelektrische Ultraschallwandlers19 kannscheiben- oder ringförmig, rund oder eckig sein. Beispielsweisewerden erfindungsgemäß runde Scheiben, die zumindestzwei Stirnflächen mit einer oder mehreren Bohrungen33 inder Scheibe aufweisen verwendet. Diese durchgehende, zentrale Bohrung33 indem piezoelektrischen Ultraschallwandler19 kann erfindungsgemäß zur Aufnahmeeines weiteren Sensorelements, z. B. eines Mikrowellensensors11,zum Durchführen von Anschlussleitungen29 oderzum Befestigen des piezoelektrischen Ultraschallwandlers19 beispielsweise amSensorgehäuse12 verwendet werden. Es ist auchmöglich, dass der piezoelektrischen Ultraschallwandler19 inseiner gänzlichen Geometrie unterschiedliche Polarisationsrichtungenaufweist, wodurch gegensätzliche Kraftkomponenten in einempiezoelektrischen Ultraschallwandler19 erzeugt werdenkönnen. Hierdurch ist es möglich die Abstrahlcharakteristikder Ultraschallsignale SU und/oder das Richtdiagrammdes Ultraschallsensors10 auf die optimalen Messbedingungenangepasst und verändert werden kann.The geometric design of a piezoelectric ultrasonic transducer 19 are hardly subject to restrictions. The piezoelectric ultrasonic transducer 19 may be disc or ring, round or angular. For example, according to the invention round discs, the at least two end faces with one or more holes 33 used in the disc. This continuous, central bore 33 in the piezoelectric ultrasonic transducer 19 can according to the invention for receiving a further sensor element, for. B. a microwave sensor 11 , for connecting cables 29 or for fixing the piezoelectric ultrasonic transducer 19 for example, on the sensor housing 12 be used. It is also possible that the piezoelectric ultrasonic transducer 19 in its entire geometry has different polarization directions, whereby opposing force components in a piezoelectric ultrasonic transducer 19 can be generated. This makes it possible the radiation characteristic of the ultrasonic signals SU and / or the radiation pattern of the ultrasonic sensor 10 adapted to the optimal measurement conditions and can be changed.
Dererfindungsgemäße Messumformer2 umfasstzumindest eine Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit24, eineMikrowellen-Sende-/Empfangseinheit25, eine Regel-/Auswerteeinheit26 undeine Schnittstelleneinheit27. Der Ultraschallwandler19 ist überAnschlussleitungen29 mit der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit24 verbunden.Die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit24 erzeugt ein Anregungssignal,das den Ultraschallwandler kurzzeitig zum Schwingen anregt. Nacheiner konstruktionsbedingten, vorgegebenen Ausschwingzeit werdendie Reflexionssignale SRX wieder vom elektromechanischenUltraschallwandler19 empfangen und über die Anschlussleitungen29 alsein elektrische Echosignale an die Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit24 übermittelt.Diese elektrischen Echosignale werden in der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit24 signaltechnischvorverarbeitet und zur signaltechnischen Auswertung an die Regel-/Auswerteeinheit26 übermittelt.Zur Erzeugung der Mikrowellensignale SμW durchden Mikrowellensensor11 ist das im Hohlleiter13 eingebrachteEinkoppelelement14 über ein HF-Kabel mit derMikrowellen-Sende-/Empfangseinheit25 verbunden. Die Mikrowellen-Sende-/Empfangseinheit25 umfasstzumindest ein HF-Modul, indem beispielsweise hochfrequente, impulsförmige SendesignaleSTX im Gigahertz-Bereich erzeugt werdenund ein Homodyn- und Heterodyn-Empfänger, der die ReflexionssignaleSRX signaltechnisch vorverarbeitet. Übereine Kommunikationsleitung31 kommuniziert die Mikrowellen-Sende-/Empfangseinheit25 diesignaltechnisch aufbereiteten Echosignale an die Regel-/Auswerteeinheit26. ÜberVersorgungsleitungen32 werden die einzelnen Komponentendes Messumformers2, wie z. B. Sende-/Empfangseinheiten24,25 unddie Regelauswerteeinheit26, mit der notwendigen Energieversorgt.The transmitter according to the invention 2 comprises at least one ultrasonic transmitting / receiving unit 24 , a microwave transmitting / receiving unit 25 , a control / evaluation unit 26 and an interface unit 27 , The ultrasonic transducer 19 is via connection lines 29 with the ultrasonic transmitting / receiving unit 24 connected. The ultrasound transceiver 24 generates an incentive transmission signal, which briefly excites the ultrasonic transducer to vibrate. After a construction-related, predetermined settling time, the reflection signals SRX are again from the electromechanical ultrasonic transducer 19 received and over the connecting lines 29 as an electrical echo signal to the ultrasonic transmitting / receiving unit 24 transmitted. These electrical echo signals are in the ultrasonic transmitting / receiving unit 24 signal-technically preprocessed and for signaling evaluation to the control / evaluation unit 26 transmitted. For generating the microwave signals SμW by the microwave sensor 11 is that in the waveguide 13 introduced coupling element 14 via an RF cable to the microwave transmitter / receiver unit 25 connected. The microwave transmitter / receiver unit 25 comprises at least one RF module, for example by generating high-frequency, pulse-shaped transmission signals STX in the gigahertz range, and a homodyne and heterodyne receiver, which preprocesses the reflection signals SRX by signal technology. Via a communication line 31 communicates the microwave transmitting / receiving unit 25 the signal-technically processed echo signals to the control / evaluation unit 26 , About supply lines 32 become the individual components of the transmitter 2 , such as B. Transceiver units 24 . 25 and the rule evaluation unit 26 supplied with the necessary energy.
Überdie Energieversorgungsleitung8 und die Schnittstelleneinheit27 wirddie Vorrichtung1 mit der benötigten Energie versorgt.Die Regel-/Auswerteeinheit26 kommuniziert übereine Schnittstelleneinheit27 und den Feldbus9 miteiner entfernten Kontrollstelle und/oder mit weiteren Vorrichtungen,z. B. Feldgeräten, die nicht explizit gezeigt sind. Eine zusätzlicheEnergieversorgungsleitung8 zur Energieversorgung des Vorrichtung1 entfällt,wenn es sich bei der Vorrichtung1 bzw. dem Messgerätum ein so genanntes Zweileiter-Messgerät handelt, dessenKommunikation und Energieversorgung durch den Feldbus9 ausschließlichund gleichzeitig über eine Zweidrahtleitung stattfindet.Die Datenübertragung bzw. Kommunikation über denFeldbus9 erfolgt beispielsweise nach dem CAN-, HART-,PROFIBUS DP-, PROFIBUS FMS-, PROFIBUS PA-, oder FOUNDATION FIELDBUS-Standard.Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung1 alsein autarkes Feldgerät der Prozessautomatisierungstechnikbetrieben, kommuniziert die Vorrichtung1 beispielsweise übereine drahtlose Kommunikationseinheit und wird beispielsweise voneiner Energiespeichereinheit oder einer autonomen Energieversorgungseinheitmit der notwendigen Energie versorgt. Diese unabhängigeAusgestaltung der Energieversorgung und der drahtlosen Kommunikationseinheitist nicht explizit in den Figuren gezeigt. Die Vorrichtung1 kommuniziert über diedrahtlose Kommunikationseinheit mit der Leistelle oder weiterenFeldgeräten per Funk nach zumindest einem der bekanntenStandards, wie beispielsweise per Infrarot, Funk, GSM, ZigBee, Bluetooth, UMTS,WLAN. Als autonome Energieversorgungseinheit zur Energieversorgungder Vorrichtung sind beispielsweise zumindest ein Akkumulator, eine Brennstoffzelle,eine Solarzelle oder deren Hybridsysteme vorgesehen.About the power supply line 8th and the interface unit 27 becomes the device 1 supplied with the required energy. The control / evaluation unit 26 communicates via an interface unit 27 and the fieldbus 9 with a remote control point and / or with other devices, eg. B. field devices that are not explicitly shown. An additional power supply line 8th to power the device 1 does not apply if it is in the device 1 or the measuring device is a so-called two-wire measuring device, its communication and power supply through the fieldbus 9 takes place exclusively and simultaneously via a two-wire line. The data transmission or communication via the fieldbus 9 takes place, for example, according to the CAN, HART, PROFIBUS DP, PROFIBUS FMS, PROFIBUS PA, or FOUNDATION FIELDBUS standard. Will the device of the invention 1 operated as an autonomous field device of process automation technology, the device communicates 1 For example, via a wireless communication unit and is supplied for example by an energy storage unit or an autonomous power supply unit with the necessary energy. This independent embodiment of the power supply and the wireless communication unit is not explicitly shown in the figures. The device 1 communicates via the wireless communication unit with the feeder or other field devices by radio according to at least one of the known standards, such as by infrared, radio, GSM, ZigBee, Bluetooth, UMTS, WLAN. As an autonomous power supply unit for powering the device, for example, at least one accumulator, a fuel cell, a solar cell or their hybrid systems are provided.
DieMessungen der Laufzeit mittels der erfindungsgemäßenVorrichtung1 erfolgt durch den Mikrowellensensor11 mitder Mikrowellen-Sende-/Empfangseinheit25 und dem Ultraschallsensor10 mitder Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit24 in einem alternierendenabwechselnden oder gleichzeitigen Messzyklus. Da die Messprinzipiender Laufzeitmessung der Mikrowellensignale SμW desMikrowellensensors11 und der Ultraschallsignale SU des Ultraschallsensors10 sichkaum beeinflussen, ist eine zeitgleiche Messung durch beide Messprinzipienmöglich. Eine weitere Durchführungsmöglichkeit derunterschiedlichen Messzyklen des Multisensors ist, dass nach einervorgegebenen Anzahl von Messungen der Laufzeit mit dem Ultraschallsensor10 eineVergleichsmessung der Laufzeit durch den Mikrowellensensor11 erfolgt,und umgekehrt. Mittels dieser Maßnahme kann eine Überprüfungund/oder Kalibrierung der Messung des Füllstands nach der Laufzeitmessmethodeerfolgen.The measurements of the transit time by means of the device according to the invention 1 done by the microwave sensor 11 with the microwave transmitting / receiving unit 25 and the ultrasonic sensor 10 with the ultrasonic transmitting / receiving unit 24 in an alternating alternating or simultaneous measuring cycle. Since the measuring principles of the transit time measurement of the microwave signals SμW of the microwave sensor 11 and the ultrasonic signal SU of the ultrasonic sensor 10 hardly affect themselves, a simultaneous measurement by both measuring principles is possible. Another possible implementation of the different measuring cycles of the multi-sensor is that after a predetermined number of measurements, the running time with the ultrasonic sensor 10 a comparison measurement of the transit time through the microwave sensor 11 done, and vice versa. By means of this measure, it is possible to check and / or calibrate the measurement of the fill level according to the transit time measurement method.
Durchdie Nutzung der konkurrierenden und komplementären Sensorintegrationist es möglich, die Messunsicherheit durch Nutzung derVerschiedenheit (Diversität) des Ultraschallsensors10 und desMikrowellensensors11 zu verringern und die Zuverlässigkeitder Sensoraussage bzw. Messergebnisse durch Nutzung der Gleichartigkeit(Redundanz) der Empfangssignale der Mikrowellensignale SμW und der Ultraschallsignale SU zu erhöhen.By utilizing the competing and complementary sensor integration, it is possible to increase the measurement uncertainty by utilizing the diversity of the ultrasonic sensor 10 and the microwave sensor 11 to reduce and increase the reliability of the sensor statement or measurement results by utilizing the similarity (redundancy) of the received signals of the microwave signals SμW and the ultrasonic signals SU.
Durchdie erfindungsgemäße Ausgestaltung des Multisensorsaus einem Mikrowellensensor11 in der durchgehende, zentraleBohrung33 des ringförmigen Ultraschallsensors10 wirdeine akzeptable Amplitudenverteilung des Sendesignals STX desUltraschallsignals SU erreicht. Das darausresultierende Richtdiagramm bzw. die Abstrahlcharakteristik der UltraschallsignaleSU ist dennoch schlechter als bei einemgewöhnlichen Ultraschallsensor10. Jedoch lässtsich diese Abstrahlcharakteristik dadurch noch verbessern, dassdas für die Mikrowellensignale SμW sowiesobenötigte Antennenhorn23 gleichzeitig zur Bündelungdes Ultraschallsignale SU verwendet wird. Hierzuwird an dem Sensorgehäuse12 ein in AbstrahlrichtungZ divergierende Trichter angebracht. Die Divergenz des Trichtersist so ausgestaltet, dass die Mikrowellensignale SμW unddie Ultraschallsignal SU gebündeltund fokussiert werden. Diese Ausgestaltung des Multisensors ausMikrowellensensor11 und Ultraschallsensor10 miteinem Antennenhorn23 ist in4 dargestellt.Due to the inventive design of the multi-sensor from a microwave sensor 11 in the through, central hole 33 of the annular ultrasonic sensor 10 an acceptable amplitude distribution of the transmission signal STX of the ultrasonic signal SU is achieved. The resulting directional diagram or the radiation characteristic of the ultrasonic signals SU is still worse than in a conventional ultrasonic sensor 10 , However, this emission characteristic can be improved even further by the fact that the antennahorn required for the microwave signals SμW anyway 23 used simultaneously to bundle the ultrasonic signal SU. This is done on the sensor housing 12 mounted in the direction of radiation Z diverging funnel. The divergence of the funnel is designed so that the microwave signals SμW and the ultrasonic signal SU are focused and focused. This embodiment of the multi-sensor microwave sensor 11 and ultrasonic sensor 10 with an antenna horn 23 is in 4 shown.
DesWeiteren ist es möglich, den Mikrowellensensor11 alsStabantenne auszuführen, indem das Anpasselement30 alsdielektrischer Stabstrahler erweitert wird. Diese Erweiterung desAnpasselements30 durch einen Stabstrahler erfolgt beispielsweisedadurch, dass im Bereich des Mikrowellensensors11 am Bodendes Sensorgehäuses12 ein entsprechender Stabstrahlerangeklebt oder angeschraubt wird. Hierbei muss darauf geachtet werden, dassdie die Fügestellen zwischen dem Füllkörper15,dem Boden des Sensorgehäuses12 und dem Stabstrahlerspaltfrei erfolgen und diese ähnliche Materialkonstantenhaben, da ansonsten Störreflexionen durch Wellenwiderstandsänderungendes Mikrowellensignals SμW entstehen.Ein weiterer Nachteil ist, dass aufgrund des Stabstrahlers Störsignaleder Ultraschallsignale SU erzeugt werdenund somit die Messperformance des Ultraschallsensors10 verschlechtertwird.Furthermore, it is possible to use the microwave sensor 11 as a rod antenna perform by the fitting element 30 is extended as a dielectric rod radiator. This extension of the fitting element 30 by a rod radiator, for example, by the fact that in the range of the microwave sensor 11 at the bottom of the sensor housing 12 a corresponding rod radiator is glued or screwed. It must be ensured that the joints between the filler 15 , the bottom of the sensor housing 12 and the rod radiator done gap-free and they have similar material constants, otherwise disturbing reflections caused by impedance changes of the microwave signal SμW . Another disadvantage is that due to the rod radiator noise signals of the ultrasonic signals SU are generated and thus the measurement performance of the ultrasonic sensor 10 is worsened.
Außerdemist ein TDR-Sensor, bei dem ein Mikrowellensignal SμW aneinem elektrischen Leiter, z. B. Stab oder Seil, geführtwird, in dem erfindungsgemäßer Multisensor alsMikrowellensensor11 mit einem ringförmigen Ultraschallsensor10 integrierbar. Jedochsind auch hier durch das Seil oder den Stab entsprechende Störreflexionender Ultraschallsignale SU und somit einerVerschlechterung der Messperformance des Ultraschallsensors10 zuerwarten. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel des Multisensors mussder elektrische Leiter des TDR-Sensors durch den Boden des Sensorgehäuses12 hindurchgeführt werden, wodurch eine Abdichtung des elektrischen Leiterszu dem Sensorgehäuse12, z. B. durch einen O-Ring,notwendig wird.In addition, a TDR sensor in which a microwave signal SμW to an electrical conductor, for. As rod or rope is guided in the inventive multi-sensor as a microwave sensor 11 with an annular ultrasonic sensor 10 integrated. However, here too by the cable or the rod corresponding spurious reflections of the ultrasonic signals SU and thus a deterioration of the measurement performance of the ultrasonic sensor 10 expected. In such an embodiment of the multi-sensor, the electrical conductor of the TDR sensor must pass through the bottom of the sensor housing 12 passed through, whereby a seal of the electrical conductor to the sensor housing 12 , z. B. by an O-ring, is necessary.
In5 und6 istein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßenMultisensors, bestehend aus Mikrowellensensor11 und Ultraschallsensor10,dargestellt.In 5 and 6 is a second embodiment of the multi-sensor according to the invention, consisting of microwave sensor 11 and ultrasonic sensor 10 represented.
Indiesem zweiten Ausführungsbeispiel wird das äußereAntennenhorn23a hauptsächlich nur zur Verbesserungder Abstrahlcharakteristik des Ultraschallsensors10 verwendetund ein kleineres, inneres Antennenhorn23b dient zur Verbesserungder Abstrahlcharakteristik des Mikrowellensensors11. Beihochfrequenten Mikrowellensensoren, z. B. bei Frequenzen von 26GHz, fällt dieses innere Antennenhorn23b rechtklein aus, z. B. Durchmesser der Hornöffnung von ca. 40Millimeter, so dass Störsignale der UltraschallsignaleSU durch dieses innere Antennenhorn23b kaumauftreten.In this second embodiment, the outer antenna horn 23a mainly only to improve the radiation characteristics of the ultrasonic sensor 10 used and a smaller, inner antenna horn 23b serves to improve the radiation characteristic of the microwave sensor 11 , For high-frequency microwave sensors, z. B. at frequencies of 26 GHz, this inner antenna horn falls 23b quite small, z. B. diameter of the horn opening of about 40 millimeters, so that interference signals of the ultrasonic signals SU through this inner antenna horn 23b hardly occur.
In6 isteine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispielsder erfindungsgemäßen Vorrichtung1 zurBestimmung des Füllstands f in einem Behälter7 gemäß demSchnitt C-D in5 gezeigt. Zur besseren Darstellbarkeitund Verständlichkeit der dreidimensionalen Zeichnung weistdie Schnittdarstellung eine leichte Neigung nach hinten auf. DieSchnittdarstellung des zweiten Ausführungsbeispiels dererfindungsgemäßen Vorrichtung1 zeigt denMultisensor mit dem äußeren Antennenhorn23a undinneren Antennehorn23b. Das äußere Antennenhorn23a bzw.Ultraschall-Fokusierhorn23a ist aus einem die UltraschallsignaleSU reflektierenden Material ausgestaltet.In 6 is a sectional view of a second embodiment of the device according to the invention 1 for determining the filling level f in a container 7 according to the section CD in 5 shown. For better presentation and clarity of the three-dimensional drawing, the sectional view has a slight inclination to the rear. The sectional view of the second embodiment of the device according to the invention 1 shows the multisensor with the outer antenna horn 23a and inner antenna horn 23b , The outer antenna horn 23a or ultrasonic focusing horn 23a is configured from a material reflecting the ultrasonic signals SU.
DerMikrowellensensor11 ist als gefüllter Hohlleiter13 mitzwei um 90° zueinander angeordneten Einkoppelelementen14 ausgeführt.Durch die Ausführung mit zwei um 90° versetztenEinkoppelelementen14 ist es möglich ein kreis-polarisiertes odereliptisch-polarisiertes PC MikrowellensignalS- zu erzeugen. Die beiden Einkoppelelementen14 sind überzwei HF-Kabel mit der Mikrowellen-Sende-/Empfangseinheit25 verbunden,welche durch eine phasengleiche Ansteuerung der Einkoppelelementen14 miteinem hochfrequenten Signal ein kreis-polarisiertes PC MikrowellensignalSμW oder durch phasenversetzteAnsteuerung der Einkoppelelementen14 mit einem hochfrequentenSignal ein elliptisch-polarisiertes PC MikrowellensignalSμW erzeugt.The microwave sensor 11 is as a filled waveguide 13 with two mutually arranged by 90 ° coupling elements 14 executed. Due to the version with two 90 ° offset coupling elements 14 it is possible to produce a circle-polarized or elliptically-polarized PC microwave signal S-. The two coupling elements 14 are via two RF cables with the microwave transmitting / receiving unit 25 connected, which by an in-phase control of the coupling elements 14 with a high-frequency signal a circular-polarized PC microwave signal SμW or by phase-offset control of the coupling elements 14 generates an elliptically-polarized PC microwave signal SμW with a high-frequency signal.
Derringförmig angeordnete Ultraschallwandler19 kannbeispielsweise aus mehreren Piezoelementen aufgebaut sein, die übermehrere Anschlussleitungen29 phasengleich oder phasenversetztvon der Ultraschall-Sende-/Empfangseinheit24 angesteuertwerden. Durch die ringförmige Anordnung der einzelnen Ultraschallwandler19 inder Form von Piezoelementen wird nahezu eine ähnliche Messperformance,wie mit einem ringförmig ausgestalteten Piezoelement erreicht. Übereine Anpassung an der Formgebung oder Dicke der Ultraschallmembran20 könnendiese Unterschiede der Messperformance zwischen mehreren, ringförmigangeordneten Ultraschallelementen19 und einem einzelnenringförmigen Ultraschallelement19 weiter angepasstwerden.The annularly arranged ultrasonic transducer 19 For example, it can be made up of a plurality of piezoelectric elements that are connected via a plurality of connection lines 29 In phase or out of phase of the ultrasonic transmitting / receiving unit 24 be controlled. Due to the annular arrangement of the individual ultrasonic transducers 19 In the form of piezoelectric elements, a similar measurement performance is achieved, as with a ring-shaped piezoelectric element. About an adaptation to the shape or thickness of the ultrasonic membrane 20 These differences in the measurement performance between a plurality of annularly arranged ultrasonic elements 19 and a single annular ultrasonic element 19 be further adapted.
Zurverbesserten Entkopplung der beiden Sensoreinheiten3 voneinanderist in den Ringkernspalt zwischen dem ringförmigen oderringförmig angeordneten Ultraschallsensor10 unddem Mikrowellensensor11 zumindest ein Entkopplungselement35 eingefügt,das vor allem den Hohlleiter13 des Mikrowellensensorsvon den mechanischen Schwingungen des Ultraschallwandlers19 abschirmt.For improved decoupling of the two sensor units 3 one another is in the annular core gap between the annular or annularly arranged ultrasonic sensor 10 and the microwave sensor 11 at least one decoupling element 35 inserted, especially the waveguide 13 of the microwave sensor from the mechanical vibrations of the ultrasonic transducer 19 shields.
- 11
- Vorrichtung;FüllstandsmessgerätContraption;level meter
- 22
- Messumformertransmitters
- 33
- Sensoreinheitsensor unit
- 44
- Oberflächesurface
- 55
- Füllgut,Mediumfilling,medium
- 66
- Prozessraumprocess space
- 77
- Behältercontainer
- 88th
- EnergieversorgungsleitungPower line
- 99
- Feldbusfieldbus
- 1010
- Ultraschallsensorultrasonic sensor
- 1111
- Mikrowellensensormicrowave sensor
- 1212
- Sensorgehäusesensor housing
- 1313
- Hohlleiterwaveguide
- 1414
- Einkoppelelementcoupling element
- 1515
- Füllkörperpacking
- 1616
- Hohlzylinderhollow cylinder
- 1717
- zylindrischesElementcylindricalelement
- 1818
- Beschichtungcoating
- 1919
- Ultraschallwandlerultrasound transducer
- 2020
- Ultraschallmembranultrasonic membrane
- 2121
- Anpassschichtmatching layer
- 2222
- DämpfungsvergussDämpfungsverguss
- 2323
- Antennenhornantenna horn
- 23a23a
- äußeresAntennenhorn, Ultraschall-FokusierhornouterAntenna horn, ultrasonic focusing horn
- 23b23b
- inneresAntennenhorn, Mikrowellen-AntennenhorninnerAntenna horn, microwave antenna horn
- 2424
- Ultraschall-Sende-/EmpfangseinheitUltrasonic transmitter / receiver unit
- 2525
- Mikrowellen-Sende-/EmpfangseinheitMicrowave transmitter / receiver unit
- 2626
- Regel-/AuswerteeinheitControl / evaluation unit
- 2727
- SchnittstelleneinheitInterface unit
- 2828
- HF-KabelRF cable
- 2929
- Anschlussleitungendes Ultraschallwandlersconnecting cablesof the ultrasonic transducer
- 3030
- Anpasselementmatching element
- 3131
- Kommunikationsleitungcommunication line
- 3232
- Versorgungsleitungsupply line
- 3333
- Bohrungdrilling
- 3434
- Temperatursensortemperature sensor
- 3535
- Entkopplungselementdecoupling element
- ZZ
- Abstrahlrichtungradiation direction
- SS
- Signalsignal
- STXSTX
- Sendesignalsend signal
- SRXSRX
- Reflexionssignalreflection signal
- SUSU
- Ultraschallsignalultrasonic signal
- SμWSμW
- Mikrowellensignalmicrowave signal
- dd
- Distanzdistance
- ff
- Füllstandlevel
- hH
- Höheheight
- PLPL
- linear-polarisiertlinear-polarized
- PCPC
- kreis-polarisiert,eleptisch-polarisiertcircular-polarized,eleptisch-polarized
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Listeder vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisierterzeugt und ist ausschließlich zur besseren Informationdes Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschenPatent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmtkeinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This listThe documents listed by the applicant have been automatedgenerated and is solely for better informationrecorded by the reader. The list is not part of the GermanPatent or utility model application. The DPMA takes overno liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 10037715A1[0021, 0021]- DE 10037715 A1[0021, 0021]