Beschreibung

Vorrichtung zur Ermittlung und überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung und überwachung des

Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mittels einer Laufzeitmessmethode von hochfrequenten Messsignalen, mit einer Antenne, bestehend aus einem Antenneneinkoppelbereich und einem Antennenbereich, oder mit einem Wellenleiter bestehend aus einem Sondeneinkoppelbereich und einem sich in den Behälter hinein erstreckenden Messsondenbereich, wobei in dem Antenneneinkoppelbereich, im Antennenbereich, in dem Sondeneinkoppelbereich und/oder im Messsondenbereich vorhandene Hohlräume zumindest teilweise mit einem dielektrischen Füllkörper ausgefüllt sind.

[0002] Entsprechende Vorrichtungen zur Ermittlung und überwachung des Füllstandes in einem Behälter werden häufig in den Messgeräten der Automations- und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt. Von der Anmelderin werden beispielsweise Messgeräte unter dem Namen Levelflex und Micropilot produziert und vertrieben, welche nach dem Lauf zeit-Mess verfahren arbeiten und dazu dienen, einen Füllstand eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen. Nach der Methode der geführten Mikrowelle bzw. der Zeitbereichsreflektormetrie oder der TDR-Messmethode (Time Domain Reflection) wird ein Hochfrequenzimpuls entlang eines Sommerfeldschen oder Goubauschen Wellenleiters oder entlang eines Koaxialwellenleiters ausgesendet, welcher bei einem Sprung in der Dielektrizitätskonstanten des den Wellenleiter umgebenden Mediums, so genannter DK- Wert teilweise zurückreflektiert wird. Ferner werden nach der freistrahlenden Laufzeitmessmethode beispielsweise Mikrowellen über eine Hornantenne in einen Freiraum bzw. Prozessraum ausgesendet, und die an der Mediumsoberfläche reflektierten Echowellen werden nach der abstandsabhängigen Laufzeit des Messsignals wieder von der Hornantenne empfangen. Anhand der Zeitdauer zwischen dem Aussenden der Hochfrequenzimpulse und dem Empfang der reflektierten Echosignale lässt sich der Abstand des Messgerätes zu der Mediumsoberfläche ermitteln. Unter Berücksichtigung der Geometrie des Behälterinnern wird dann der Füllstand des Mediums als relative oder absolute Größe ermittelt. Die Laufzeit- Messmethode lässt sich im wesentlichen in zwei Ermittlungsverfahren einteilen: Das erste Ermittlungsverfahren beruht auf einer Laufzeitmessung, die ein Impulsfo^en

moduliertes Signal für die zurückgelegte Wegstrecke erfordert; ein zweites weit verbreitetes Ermittlungsverfahren beruht auf der Bestimmung der Frequenzdifferenz des aktuell ausgesendeten, kontinuierlich frequenzmodulierten Hochfrequenzsignals zum empfangenen, reflektierten Hochfrequenzsignal (FMCW - Frequency-Modulated Continuous Wave). Im Allgemeinen wird in den folgenden Ausführungen keine Beschränkung auf ein bestimmtes Ermittlungsverfahren vorgenommen.

[0003] Diese Messgeräte der Automations- und Prozesssteuerungstechnik zur Ermittlung des Füllstandes werden oft in Prozessen mit aggressiven Medien eingesetzt. Um die im Prozess befindlichen Sensoreinheiten der Messgeräte, wie z.B. ein Wellenleiter, eine Hornantenne oder eine Gruppenstrahlerantenne vor den hochfrequenztechnischen, thermischen und chemischen Einflüssen des Mediums zu schützen, sind die Sensoreinheiten durch Schutzelemente aus einem resistenten, dielektrischen Material, wie z.B. einem Radom oder einem Füllkörper, vor den aggressiven Medien geschützt. Der Grund für den Schutz der Sensoreinheit durch solche Schutzelemente ist einerseits, der Korrosion von Teilen der Sensoreinheit durch das Medium vorzubeugen und andererseits die Bildung von Feststoffablagerungen und Kondensatentwicklungen beispielsweise in den Hohlräume einer freiabstrahlenden Antenne oder in den Hohlräumen einer Einkopplungseinheit des Wellenleiters zu verhindern. Die Bildung von Feststoffablagerungen und Kondensatentwicklungen in den Hohlräumen von freiabstrahlenden Antennen und Wellenleitern, im allgemeinen als Ansatzbildung bezeichnet, hat direkten Einfluss auf die Ausbreitungscharakteristik und das Reflexionsverhalten der hochfrequenten Messsignale. Durch die Ansatzbildung treten Störsignale im Messsignal auf, die das Reflexionssignal des Füllstandes überdecken können, wodurch das Messgerät zur Füllstandsermittlung nicht mehre geeignet ist. Um Ansatz in diesen messtechnisch hochempfindlichen Bereichen der Sensoreinheit zu vermeiden, werden diese durch ein mikrowellendurchlässiges, dielektrisches Material vollständig ausgefüllt.

[0004] Eine mit einem dielektrischen Material vollständig gefüllte Hornantenne zur Verbesserung der Beständigkeit gegen hochfrequenztechnische, thermische und chemische Einflüsse des Mediums wird in fönenden Patentschriften dargestellt.

[0005] In der DE 100 40 943 Al wird eine Hornantenne zur Füllstandsmessung vorgestellt, die zumindest teilweise mit einem dielektrischen Material gefüllt ist.

[0006] In der DE 100 57 441 Al wird eine Hornantenne für ein Radar-Gerät aufgezeigt, dessen Antenne zumindest teilweise mit einer Füllung mit einem dielektrischen Material gefüllt ist und/oder die gesamte Hornantenne mit einem dielektrischen

Material gefüllt und vollständig umschlossen ist. Des Weiteren ist die Füllung prozessseitig so ausgestaltet, dass diese eine Flanschplattierung als Dichtelement ausbildet.

[0007] Des weitern sind Einkopplungseinheiten eines Wellenleiters, die mit einen

Füllkörper aus einem dielektrischen Material zumindest teilweise gefüllt sind, aus den fönenden Patentschriften bekannt.

[0008] In der DE 100 19 129 Al wird eine Ausgestaltung von einer mit einem dielektrischen Material gefüllten Einkoppeleinheiten aufgezeigt, die in der Lage ist, den Einfluss, den ein Konstruktionsteil und/oder Ansatzbildung am Sensor auf die Messgenauigkeit und die Messempfindlichkeit des Sensors haben, weitgehend zu eliminieren. Dies wird durch die erfindungsgemäße Verlängerung des dielektrischen Füllkörpers der Einkoppeleinheit erreicht, wodurch die Konstruktionsteile außerhalb des Bereichs liegen, in den elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden.

[0009] In der EP 1 069 649 Al wird eine weitere Ausgestaltung eines Wellenleiters mit einem einfachen Aufbau aufgezeigt, der die Vorteile von einem Eindraht- und einem Mehrdraht- Wellenleiter vereint, indem er keine Wechselwirkung mit Behältereinbauten zeigt, und der auf einfache Weise von An- bzw. Ablagerungen zu reinigen ist. Dies wurde erreicht, indem der Mehrdraht- Wellenleiter im Prozess zumindest teilweise von einem dielektrischen Medium umgeben ist, wodurch sich kein Ansatz zwischen den einzelnen Wellenleitern ausbilden kann.

[0010] Nachteilig bei allen Ausführungsformen der Schutzelemente der Sensoreinheiten nach dem Stand der Technik ist, dass die elektromagnetischen Wellen eines hochfrequenten Messsignals durch das dielektrische Material des Schutzelements stark beeinflusst werden.

[0011] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die eine minimale Beeinflussung der erzeugten elektromagnetischen Messsignale aufweist und die somit den Wirkungsgrad und die Messgenauigkeit der Vorrichtung erhöht.

[0012] Diese Aufgabe wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch gelöst, dass der dielektrische Füllkörper im Inneren zumindest ein hermetisch dichtes Aussparungsvolumen aufweist und dass das hermetisch dichte Aussparungsvolumen so ausgestaltet ist, dass der dielektrische Füllkörper einen vorgegebenen Wellenwiderstand aufweist und/oder dass die hochfrequenten Messsignale eine vorgegebene Ausbreitungscharakteristik aufweisen. Aus dem Stand der Technik sind Füllstandsmessgeräte mit Hornantennen oder Wellenleitern bekannt, deren Hohlräume

im Antenneneinkoppelbereich, im Antennenbereich, im Sondeneinkoppelbereich und/ oder im Messsondenbereich mit einem vollständig gefüllten Füllkörper aus einem dielektrischen Material ausgefüllt sind. Durch diese Verfüllung der Hohlräume kann sich kein Medium oder Umgebungsluft des Prozesses in diesen Bereichen ansammeln, wodurch es auch zu keiner Mediums anlagerung oder Kondensatbildung in den Hohlräumen kommen kann. Ein Nachteil ist jedoch, dass das dielektrische Material des dielektrischen Füllkörpers den Wellenwiderstand der elektromagnetischen Wellen des hochfrequenten Messsignals und somit auch auf die Effizienz der Einkopplung der erzeugten elektromagnetischen Wellen in den Wellenleiter oder in die Hornantenne beeinflusst. Beispielsweise sollte der Einkoppelbereich des Wellenleiters so ausgestaltet sein, dass die in der Sende-/Empfangseinheit erzeugten elektromagnetischen Wellen des Messsignals nahezu verlustfrei geführt und ohne Signaleinbußen in das Stab-/Seilelement eingekoppelt werden. Dasselbe gilt bei einer Hornantenne, bei der die elektromagnetischen Wellen des in der Sende- /Empfangseinheit erzeugten Messsignals so wenig wie möglich von dem dielektrischen Füllkörper gedämpft und in ihrer Abstrahlcharakteristik verändert werden sollen. In einem mit Luft oder mit einem speziellen Gas gefüllten Bereich erfahren die elektromagnetischen Wellen nahezu keine Beeinflussung. Um die Vorteile der Vermeidung der Ansatzbildung in den Hohlräumen von mit elektromagnetischen Wellen arbeitenden Füllstandsmessgeräten durch einen dielektrischen Füllkörper und der geringen Beeinflussung der elektromagnetischen Wellen bei einer übertragung durch Luft oder ein spezielles Gas zu vereinen, wird erfindungsgemäß ein dielektrischer Füllkörper vorgeschlagen, der die Hohlräume vollständig ausfüllt und zur Anpassung des Wellenwiderstandes zumindest ein hermetisch dichtes Aussparungsvolumen aufweist. Als dielektrische Materialien kommen hier beispielsweise technische Keramiken und/oder Kunststoffe zum Einsatz.

[0013] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der dielektrische Füllkörper mit zumindest einem Aussparungsvolumen aus einem Kunststoff gefertigt ist. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den dielektrischen Füllkörper aus chemisch resistentem Kunststoff mittels eines Spritzguss- Verfahrens oder nach dem Verfahren des isostatischen Pressens herzustellen.

[0014] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der dielektrische Füllkörper aus mehren Einzelteilen besteht. Im Spritzguss- Verfahren von Kunststoffen ist es sehr schwierig, einen dielektrischen Füllkörper mit

einem genau definierten Aussparungsvolumen herzustellen. Dasselbe gilt für einen dielektrischen Füllkörper aus einem keramischen Material, der nach einem beliebigen Verfahren hergestellt wurde. Aus diesem Grund ist es meist notwendig, den dielektrischen Füllkörper zumindest aus zwei Einzelteilen auszuführen.

[0015] Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist, dass die Einzelteile des dielektrischen Füllkörpers mittels einer Stoff schlüssigen Verbindungstechnik hermetisch dicht zusammengefügt sind. Der mehrteilig ausgeführte dielektrische Füllkörper wird mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, wie z.B. Schweißen und Kleben zusammengefügt, so dass sich im Inneren zumindest ein hermetisch dichtes Aussparungsvolumen ausbildet. Die Ultraschall-Schweißtechnik ist hier besonders geeignet, indem die Auflageflächen bzw. Verbindungsstellen des mehrteilig ausgestalteten dielektrischen Füllkörpers durch entstehende Reibungswärme miteinander verschmelzen.

[0016] Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Einzelteile des dielektrischen Füllkörpers mittels einer kraftschlüssigen Verbindungstechnik hermetisch dicht zusammengefügt sind.

[0017] Eine weitere Verbindungstechnik ist eine kraftschlüssige Verbindung, die den mehrteiligen dielektrischen Füllkörper durch beispielsweise Schrauben, Nieten oder eine Verschraubung zusammenfügt, so dass sich im Inneren zumindest ein hermetisch dichtes Aussparungsvolumen ausbildet.

[0018] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Aussparungsvolumen des dielektrischen Füllkörpers ein Gas oder eine Gasmischung eingebracht ist. Um die Dichtigkeit des hermetisch dichten Aussparungsvolumens zu überprüfen, wird beim Herstellungsprozess im hermetisch dichten Aussparungsvolumen des Füllkörpers ein spezielles Gas, wie z.B. Helium eingeschlossen und mit einem Leckagemessgerät bzw. einem Gasmessgerät eventuell austretendes Gas gemessen. Durch diesen Test kann die Dichtigkeit des Aussparungsvolumens bei mehrteiliger Ausgestaltung überprüft werden. Ein weiterer Vorteil des Einbringens eines speziellen Gases ist, dass die mit Feuchtigkeit gesättigte Luft durch das getrocknete und/oder hydrophobe Gas aus dem Aussparungsvolumen verdrängt wird und wodurch sich kein Kondensat bei auftretenden Temperaturänderungen bilden kann. Desweiteren kann durch den Einsatz spezieller Gase in dem Aussparungsvolumen der Wellenwiderstand angepasst werden.

[0019] Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, dass in dem Aussparungsvolumen des dielektrischen Füllkörpers ein dielektrisches

Füllmaterial mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante vorgesehen ist, die die Ausbreitungscharakteristik der hochfrequenten Messsignale nicht beeinflusst.

[0020] Eine andere Variante, den Wellenwiderstand des Füllkörpers über die

Ausgestaltung des Aussparungsvolumens anzupassen, ist es, das Aussparungsvolumen mit einem dielektrischen Feststoff oder einer dielektrischen Flüssigkeit mit einer geringeren Dielektrizitätskonstanten als das Material des dielektrischen Füllkörpers auszufüllen. In diesem Fall wird die hermetische Dichtigkeit des Aussparungsvolumens des dielektrischen Füllkörpers auch durch die vollständige Verfüllung mit einem dielektrischen Füllmaterial erreicht. Durch das Einbringen eines bestimmten dielektrischen Füllmaterials in zumindest einen Aussparungsvolumen ist es möglich, darüber hinaus auch die Abstrahlcharakteristik bzw. Ausbreitungscharakteristik beispielsweise der Hornantenne oder die Kopplungseigenschaften der Einkoppeleinheit des Wellenleiters entsprechend anzupassen.

[0021] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung schlägt vor, dass in dem

Aussparungsvolumen des dielektrischen Füllkörpers zumindest ein Stützelement vorgesehen ist. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und der Druckfestigkeit des dielektrischen Füllkörpers mit zumindest einem Aussparungsvolumen sind Stützelemente in dem Aussparungsvolumen eingebracht, die von Außen auf den dielektrischen Füllkörpers einwirkende mechanische Kräfte gleichmäßig verteilen. Die Kräfteverteilung durch die Stützelemente ist so ausgestaltet, dass sich die Form des dielektrischen Füllkörpers bei einwirkenden mechanischen Kräften in einem gewissen Grenzbereich kaum verändert.

[0022] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Sondenbefestigungselement vorgesehen ist, das in dem dielektrischen Füllkörper verdrehsicher und zentriert angeordnet ist. Das Stab-/Seilelement des Wellenleiters wird von dem dielektrischen Füllkörper gehalten. Die Befestigung des Stab-/Seilelements erfo^t beispielsweise über ein formschlüssig in den dielektrischen Füllkörper eingelassenes Sondenbefestigungselement, wie z.B. eine Sechskantschraube, wodurch das Stab-/Seilelement austauschbar ist. Aufgrund der formschlüssigen Einpassung des Sondenbefestigungselements in dem dielektrischen Füllkörper, und des dielektrischen Füllkörpers in dem Prozessanschlussgehäuse ist es möglich, einen Austausch des Stab-/Seilelements durch eine einfache konträre Drehbewegung des Prozessanschlussgehäuse zum Stab-/Seilelement zu bewirken.

[0023] Eine sehr vorteilhafte Variante der Erfindung ist darin zu sehen, dass auf der

Oberfläche des dielektrischen Füllkörpers eine dielektrische, gasdichte und/oder hydrophobe Beschichtung angebracht ist. Durch die Beschichtung des dielektrischen Füllkörpers mit einem dielektrischen, gasdichten und/oder hydrophoben Material wird verhindert, dass ein flüssiges Medium oder Kondensat durch Kapillarwirkung an einem möglichen Spalt zwischen dem dielektrischen Füllkörper und dem Hornantennengehäuse oder dem Prozessanschlussgehäuse entlang kriecht. Andererseits soll dadurch eine Diffusionssperre zur Verhinderung der Diffusion des Mediums durch das Material des dielektrischen Füllkörpers in den Aussparungsvolumen geschaffen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den dielektrischen Füllkörper in den Bereichen, in denen die elektromagnetischen Wellen der Messsignale geführt und deren Abstrahlcharakteristik bzw. Wellenwiderstand angepasst werden, mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung zu versehen. Durch diese leitende Beschichtung kann sich in den Spalt eingedrungenes Medium oder Kondensat nicht auf den Wellenwiderstand und die Reflexionseigenschaften der elektromagnetischen Wellen auswirken. Diese elektrisch leitende Beschichtung muss an das Hornantennengehäuse oder das Prozessanschlussgehäuse elektrisch leitend kontaktiert sein.

[0024] Die Erfindung wird nachfo^end unter Bezugnahme auf verschiedene, in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele beschrieben und erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden. Es zeigt:

[0025] Fig. 1: eine schematische Gesamtdarstellung einer auf einen Behälter montierten Vorrichtung zur Ermittlung und überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mittels einer erfindungsgemäßen Hornantenne,

[0026] Fig. 2: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung mit Hornantenne,

[0027] Fig. 3: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mehrteiligen dielektrischen Füllkörpers der Hornantenne aus Fig. 2,

[0028] Fig. 4: eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform gemäß der Kennzeichnung A-A in Fig. 3,

[0029] Fig. 5: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mehrteiligen dielektrischen Füllkörpers der Hornantenne,

[0030] Fig. 6: eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform gemäß der Kennzeichnung B-B in Fig. 5,

[0031] Fig. 7: eine schematische Gesamtdarstellung einer auf einen Behälter montierten

Vorrichtung zur Ermittlung und überwachung des Füllstandes eines Mediums in einem Behälter mittels eines erfindungsgemäßen Wellenleiters,

[0032] Fig. 8: eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung mit Wellenleiter,

[0033] Fig. 9: eine perspektivische Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels des dielektrischen Füllkörpers aus Fig. 8,

[0034] Fig. 10: eine schematische Schnittdarstellung des dritten Ausführungsbeispiels des dielektrischen Füllkörpers aus Fig. 8.

[0035] Fig. 11: eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung mit dielektrischem Stielstrahler,

[0036] In Fig. 1 wird ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer Antenne 10, insbesondere eine Hornantenne 10.1, dargestellt. Die Vorrichtung 1 bzw. das Messgerät in der Fig. 1 ist über Befestigungselemente 16 an einem Flansch 15 in einem Stutzen 31 des Behälters 4 montiert. Die Antenne 10 lässt sich in zwei grundlegende Bereiche aufteilen: den Einkoppelbereich 7 und den Antennenbereich 8.

[0037] Die Vorrichtung bzw. das Messgerät 1 beinhaltet eine Sende-/Empfangseinheit 22 im Messumformer 23, in der die hochfrequenten Messsignale 6 erzeugt werden. über ein Einkoppelelement 24 werden die hochfrequenten Messsignale (6) in dem Einkoppelbereich 7 bzw. den Hohlleiter der Antenne 10 in einer bestimmten Mode, z.B. TE-Mode geführt. Die in die Antenne 10 eingekoppelten hochfrequenten Messsignale 6 werden durch das Material des dielektrischen Füllkörpers 12 hindurch von der Antenne 10 in den Prozessraum 5 mit einer vorbestimmten Abstrahlcharakteristik als Sendesignale S abgestrahlt. Meist wird eine Abstrahlcharakteristik der hochfrequenten Messsignale 6 mit einer ebenen Wellenfront angestrebt. Diese gewünschte Abstrahlcharakteristik der hochfrequenten Messsignale 6 wird dadurch erreicht, dass aufgrund der Ausgestaltung des dielektrischen Füllkörpers 12, beispielsweise durch die erfindungsgemäßen Aussparungsvolumen 13 und/oder durch Anpasselemente 12.4, der Wellenwiderstand und die Ausbreitungscharakteristik der hochfrequenten Messsignale 6 in der Antenne 10 entsprechend angepasst wird. Die in den Prozessraum 5 ausgesendeten hochfrequenten Messsignale 6 bzw. Sendesignale S werden an einer Oberfläche des Mediums 3 als Reflexionssignale R reflektiert und nach einer bestimmten Laufzeit wieder von der Sende -/Empfangseinheit 22 im Messumformer 23 empfangen. über die Laufzeit der hochfrequenten Messsignale 6 und mittels der Kenntnis der Geometrie des Behälters 4 wird der Füllstand 2 des Mediums 3 im Behälter 4 bestimmt.

[0038] Die Regel-/Auswerteeinheit 21 im Messumformer 23 hat die Aufgabe, das empfangene, reflektierte Echo bzw. die Reflexionssignale R der hochfrequenten Messsignale 6 auszuwerten, indem die hochfrequenten Messsignale 6 mit Hilfe einer Signalverarbeitung und spezieller Signalauswertungsa^orithmen weiter verarbeitet werden und aus diesem Ergebnis die Laufzeit bzw. der Füllstand 2 bestimmt wird.

[0039] über die Versorgungsleitung 19 wird die Vorrichtung 1 mit der benötigten Energie versorgt. Die Regel-/ Auswerteeinheit 21 kommuniziert über einen Busschnittstelle 20 und den Feldbus 18 mit einer entfernten Kontrollstelle und/oder mit weiteren Vorrichtungen 1 bzw. Feldgeräten, die nicht explizit gezeigt sind. Eine zusätzliche Versorgungsleitung 19 zur Energieversorgung der Vorrichtung 1 entfällt, wenn es sich bei der Vorrichtung 1 um ein so genanntes Zweileiter-Feldgerät handelt, dessen Kommunikation und Energieversorgung über den Feldbus 18 ausschließlich und gleichzeitig über eine Zweidrahtleitung erfo^t. Die Datenübertragung bzw. Kommunikation über den Feldbus 18 erfolgt beispielsweise nach dem CAN-, HART-, PROFIBUS DP-, PROFIBUS FMS-, PROFIBUS PA-, oder FOUNDATION FIELDBUS- Standard.

[0040] In Fig. 2 bis Fig. 5 ist eine erfindungsgemäße Hornantenne 10.1 bzw. eine hornförmige Antenne aus einem elektrisch leitfähigen Material, dessen Hohlraum 35 zumindest teilweise mit einem dielektrischen Füllkörper 12 ausgefüllt ist, gezeigt. In die Hohlräume 35 der Hornantenne 10.1 wird zur Vermeidung von Ansatzbildung und Korrosion ein dielektrischer Füllkörper 12 als ein Schutzelement bzw. ein Prozesstrennelement eingebracht. Die hier gezeigte Flanschplattierung 12.3 hat sich als vorteilhaftes Dichtmittel zum Prozessraum 5 hin herausgestellt. Der dielektrische Füllkörper 12 als passives Element der Hornantenne 10.1 separiert, abgedichtet durch die Flanschplattierung 12.3 zwischen den Flanschen 15 des Hornantennengehäuses 37 und des Stutzen 31 des Behälters 4, die aktiven Elemente, wie die Einkoppeleinheit 35 und den Messumformer 23, vom Medium 3 im Prozessraum 5. Dieser dielektrische Füllkörper 12 verhindert als Schutzelement bzw. als Prozesstrennelement, dass die Hornantenne 10.1 mit dem Medium 3 des Prozesses in direkten Kontakt kommt und dass sich gegebenenfalls Kondensat im Hohlraum 35 ausbildet. Die Hornantenne 10.1 besteht beispielsweise aus einem Metall, aus Edelstahl oder aus einem leitfähigem Kunststoff, Der dielektrischen Füllkörper 12 ist aus einem dielektrischen Material, insbesondere aus PoIy etherke tone (PEK, PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Perfluoralkoxy-Copolymer (PFA) hergestellt. Weitere geeignete Materialien und deren Derivate sind beispielsweise Polychlortrifluorethylen (PCTFE), Ethylen-

Chlortrifluor-Ethylen (ECTFE), Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyvinylfluorid (PVF), Fluorinatedethylenepropylen (FEP). Diese Kunststoffe besitzen gute chemische und physikalische Stoffeigenschaften, wie z.B. Beständigkeit gegen nahezu alle Chemikalien, sehr hohe Temperaturfestigkeit, gute Mikrowellendurchlässigkeit und gute HF-Performance, wodurch diese Materialien für die Verwendung als dielektrische Füllkörper 12 in Messgeräten der Prozessmesstechnik prädestinieren. Die Gestaltung des dielektrischen Füllkörpers 12 ist begrenzt durch die Machbarkeit in der Herstellung. In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des dielektrischen Füllkörpers 12 der Hornantenne 10.1 ist wegen der besseren HF-Performance bzw. der besseren Anpassung des Wellen Widerstandes zumindest ein Aussparungsvolumen 13 im dielektrischen Füllkörper 12 eingebracht. Die Herstellung des dielektrischen Füllkörpers 12 wird erfahrungsgemäß durch ein Span abhebendes Verfahren, einen Spritzguss oder ein isostatisches Pressen des dielektrischen Materials bzw. Kunststoffes bewerkstelligt. Als Herstellungsverfahren wird das Spritzgießen von Kunststoffen, wie beispielsweise von Polyetheretherketon, bevorzugt angewendet. Herstellungsbedingt können auch beim Spritzguss- Verfahren keine wohl definierten, geschlossenen Aussparungsvolumen 13 in dem Spritzgussteil des dielektrischen Füllkörpers 12 erzeugt werden. Aus diesen Gründen ist der dielektrische Füllkörper 12 aus mehren Einzelteilen, bestehend aus einem Grundkörper 12.1 mit einem Deckel 12.2, die eventuell aus unterschiedlichen Materialien bestehen, ausgeführt. Diese Einzelteile werden mit einer stoffschlüssigen Verbindungstechnik, die einen beständige, hermetisch dichte Verbindungsstelle 30 erzeugt, verbunden.

[0041] Es gibt verschiedene stoffschlüssige Verbindungstechniken, die für eine solche Anwendung in Frage kommen, wie z.B. Kleben oder Verschweißen der Verbindungsstellen 30. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Verbindungsstellen 30 der einzelnen Teile des dielektrischen Füllkörpers 12 mittels einer Ultraschall- Schweißtechnik zu verbinden. Hierzu werden die Einzelteile, bestehend aus dem Grundkörper 12.1 und dem Deckel 12.2, mit einem definierten Druck mit den Verbindungsstellen 30 in Kontakt gebracht. Darauf fönend wird zumindest ein Teil, z.B. der Deckel 12.2, über ein Vibrationselement in Vibrationsbewegung versetzt, wodurch durch die Reib wärme ein örtlich begrenzter Schmelzprozess des Materials hervorgerufen wird und eine Verschweißung der Teile an den Verbindungsstellen 30 stattfindet. Vorteilhafterweise wird die Schweißungsprozedur unter einer trockenen Schutzgas-Atmosphäre durchgeführt, so dass sich in den Aussparungsvolumen 13 des

verschweißten dielektrischen Füllkörpers 12 dieses trockene Gas unter einem bestimmten Druck befindet, oder es wird speziell in die Aussparungsvolumen 13 ein trockenes Gas, z.B. Stickstoff, Helium, Argon, eingebracht. Dieses Gas hat zwei Funktionen, einerseits wird durch dieses Gas die Wasserdampf gesättigte Luft aus den Aussparungsvolumen 13 verdrängt, so dass sich bei einer Temperaturänderung kein Kondensat darin bilden kann; und andererseits kann mittels dieses Gases die Dichtigkeit der Verschweißung an den Verbindungsstellen 30 überprüft werden. Hierzu wird in dem Produktionsprozess mit einem Gas-Sensor info^e von einer Diffusion oder einer Leckage aus dem verschweißten dielektrischen Füllkörper 12 tretendes Gas ermittelt. Es wird bei der Gasauswahl darauf geachtet, dass das hochfrequente Messsignal 6 möglichst wenig von diesem Gas beeinflusst wird. Als zusätzliches Füllmaterial des dielektrischen Füllkörpers 12 können auch spezielle Flüssigkeiten und Feststoffe mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten e _r , die das hochfrequente Messsignal 6 nicht oder nur gering beeinflussen, eingesetzt werden.

[0042] Die Erfindung ist auch einsetzbar bei so genannten dielektrischen Stielstrahlern 10.2 oder Stabstrahler, was explizit in Fig. 11 dargestellt ist. Das die hochfrequenten Messsignale 6 in den Prozessraum 5 abstrahlende Antennenelement ist bei einem solchen dielektrischen Stielstrahler als Stab aus einem dielektrischen Material ausgeführt. Um die Abstrahlcharakteristik der hochfrequenten Messsignale der abstrahlenden Antennen 10 anzupassen, ist dieses abstrahlenden Element gewissermaßen als ein dielektrischer Füllkörper 12 mit einem entsprechenden hermetisch dichten Aussparungsvolumen 13 im Hohlraum 35 des Antenneneinkoppelbereichs 7.1 ausgeführt. Der Stielstrahlers 10.2 ist beispielsweise aus einem Grundkörper 12.1 und einem Deckel 12.2 aufgebaut, die miteinander hermetischdicht verbunden sind oder ist mittels einem Spritzguss- Verfahren einteilig hergestellt. Die Ausführungen der Verbindungstechnik des Grundkörper 12.1 mit dem Deckel 12.2 und die Ansteuerung durch den Messumformer, sowie dessen Aufbau, ist hier nicht mehr explizit aufgeführt und sind der restlichen Beschreibung zu entnehmen.

[0043] In Fig. 3 und Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des dielektrischen Füllkörpers 12 gezeigt, dessen Grundkörper 12.1 vollständig durch einen Aussparungsvolumen 13 ausgespart ist, so dass nur noch eine dünne Wand stehen bleibt. In dieser Ausführungsform ist die Anpassung des Wellenwiderstands der Hornantenne 10.1 in einer Ausgestaltung als Hornantenne optimiert, jedoch weist der dielektrische Füllkörper 12 keine allzu hohe mechanische Stabilität und Druckfestigkeit auf. Ein Messgerät mit einer Hornantenne 10.1, die einen solchen dielektrischen Füllkörper 12

aufweist, kann in einem Prozess, bei dem keine großen Drücke und Temperaturänderungen zu erwarten sind, eingesetzt werden. Um die Druckfestigkeit und die mechanische Stabilität des dielektrischen Füllkörpers 12 zu erhöhen, sind, wie in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt, Stützelemente 14 in den Aussparungsvolumen 13 eingefügt worden. Da es sich bei diesem Beispiel um eine kegelstumpfförmige Hornantenne handelt, sind die Stützelemente 14 zur mechanischen Stabilisierung in Speichenform radialsymmetrisch angeordnet. Es können jedoch auch andere Ausgestaltungen von Stützelementen 14 verwendet werden.

[0044] Eine weitere, nicht explizit in den Zeichnungen aufgeführte Ausführungsform der Erfindung ist, den z.B. durch Spritzguss hergestellten dielektrischen Füllkörper 12 mit zur Prozessatmosphäre teilweise offenen Aussparungsvolumen 13 mit einer entsprechenden selektiv permeablen Membran zu verschließen. Diese Membran ermöglicht einerseits einen Gasmolekülaustausch und andererseits lässt sie Wasser nicht in das Aussparungsvolumen 13 passieren.

[0045] Um einen reflexionsarmen, dem Wellenwiderstand angepassten übergang zwischen dem dielektrischen Füllkörper 12 und dem anschließendem Prozessraum 5 zu gewährleisten, ist die dem Prozessraum 5 zugewandte Seite des dielektrischen Füllkörpers 12 als Anpasselement 12.4 ausgebildet, das beispielsweise die Form eines stumpfen Kegels aufweist. Dadurch werden Phasenunterschiede zwischen einzelnen Wellenbereichen ausgeglichen, die beim Durchlaufen der Horngeometrie entstehen können, und die hochfrequenten Messsignale 6 werden als Sendesignal S in einer ebene Wellenfront abgestrahlt. Es sind jedoch auch plane, konvexe oder konkave übergangsgeometrien zur Ausbildung der gewünschten Abstrahlcharakteristik denkbar.

[0046] Das hochfrequente Messsignal 6 wird, wie in Fig. 1 dargestellt, über ein Einkoppelelement 24 in den Einkoppelbereich 7, der als Rund- oder Rechteckhohlleiter ausgebildet ist, eingebracht. Bevorzugt wird der Hohlleiter bzw. der Einkoppelbereich 7 so ausgestaltet, dass sich ein TE-Wellenmode ausbildet. In diesem Einkoppelbereich 7 ist der dielektrische Füllkörper 12 wiederum mit einem Anpasselement 12.4, z.B. einer Kegelspitze oder einer Stufenpyramide, ausgestattet, um eine gute Anpassung vom Luft gefüllten Hohlleiter zu dem mit dielektrischem Material gefüllten Hohlleiter zu gewährleisten. Durch die Anpassung im Einkoppelbereich 7 der Hornantenne 10.1 wird vermieden, dass schon in diesem Einkoppelbereich 7 das eingespeiste hochfrequente Messsignal 6 anteilig zurückreflektiert und somit gedämpft wird. Der Einkoppelbereich 7 der Hornantenne

10.1 kann auch vollständig von dem dielektrischen Material des dielektrischen Füllkörpers 12 ausgefüllt sein.

[0047] In Fig. 7 wird ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 als ein Zeitbereichsreflektormeter bzw. TDR-Messsystem zur Ermittlung des kontinuierlichen Füllstandes 2 eines Mediums 3 in einem Behälter 4 mit einem Wellenleiter 11 dargestellt. Die Vorrichtung 1 ermittelt nach der Laufzeit- Messmethode den Füllstand 2 eines Mediums 3 bzw. eines Fü%uts in diesem Behälter 4. Der Wellenleiter 11 lässt sich grundlegend in zwei Bereiche aufteilen: den Einkoppelbereich 7 und den Messsondenbereich 9. Diese Vorrichtung 1 ist beispielsweise über eine Einschraubung 17 in einer öffnung des Behälters 4 montiert. Die elektromagnetischen Wellen des hochfrequenten Messsignals 6 werden über einen koaxialartig ausgebildeten Einkoppelbereich 7 durch den Bereich des Stutzens 31 oder der Einschraubung 17 hindurch geführt und in dem stab- und seilförmigen Messsondenbereich 9 im Prozessraum 5 des Behälters 4 auf das Stab-/Seilelement 11.1 eingekoppelt. Durch die koaxiale Ausgestaltung des Einkoppelbereichs 7 bildet sich dort eine TEM-Mode der hochfrequenten Messsignale 6, welche eine bevorzugte Ausgestaltung zum nahezu verlustlosen und störungsfreien übermitteln der hochfrequenten Messsignale 6 darstellt. Im Messsondenbereich 9 des Wellenleiters 11 wird zur optimalen Messung des Füllstands 2 eines Mediums 3 in einem Behälter 4 eine Ausbildung einer als TM ₀₁ -Mode im Nahfeldbereich des Stab-/Seilelements 11.1 erzeugt.

[0048] Die TDR-Messmethode arbeitet nach fönenden Messprinzip: über den

Messsondenbereich 9 des Wellenleiters 11 werden die elektromagnetische Wellen des hochfrequenten Messsignals 6, die durch den Skin-Effekt im Nahfeldbereich des Stab- /Seilelements 11.1 des Wellenleiters 11, mit anderen Worten an der Oberfläche des Stab-/Seilelements 11.1 entlang geführt werden, in Richtung des Mediums 3 bzw. den Prozessraum 5 als Sendesignale S geführt. Die Energieanteile des hochfrequenten Sendesignals S bei einem Sprung der Dielektrizitätskonstanten e _r des umgebenden Mediums 3 und einer damit zusammenhängenden änderung des Wellenwiderstands zumindest teilweise als Reflexionssignale R zurückreflektiert. Die Reflexionssignale R laufen in entgegen gesetzter Richtung am Wellenleiter 11 zur Sende-/Empfangseinheit 22 zurück. Diese Diskontinuität liegt beispielsweise vor, wenn die erste Dielektrizitätskonstante e _rl der dem Medium 3 überlagerten Gasphase, insbesondere der Luft e _rl «l kleiner ist als die zweite Dielektrizitätskonstante e _r2 des Mediums 3. über die gemessene Laufzeit des hochfrequenten Messsignals 6 wird durch eine

Umrechnung über die Formel der Wellengeschwindigkeit die zurückgelegte Strecke ermittelt. Diese Differenzstrecke entspricht der Höhe des Behälters 4 minus der Höhe des Füllstands 2 des Mediums 3 im Behälter 4. Die Höhe des Behälters 4 bzw. die Position der Einkopplung des hochfrequenten Messsignals 6 ist als bekannt vorauszusetzen, wodurch sich der Füllstand 2 im Behälter 4 durch eine einfache Subtraktion der gemessen Laufstrecke des hochfrequenten Messsignals 6 von der Höhe des Behälters 4 ermitteln lässt.

[0049] Die elektromagnetischen Wellen des Messsignals 6 werden beispielsweise als Impulse mit einer Bandbreite von 0 - 1,5 GHz in der Sende -/Empfangseinheit 22 erzeugt und mittels eines Einkoppelelements 24 als ein Sendesignal S in einen Wellenleiter 11, z.B. einen Sommerfeldschen Wellenleiter, wie in Fig. 7 und Fig. 8 gezeigt, eingekoppelt. Es sind auch Goubau- Wellenleiter; Koaxialleitern, Mikrostreifenleiter oder koaxiale und parallele Anordnungen von mehreren Stab- /Seilelementen 11.1 einsetzbar, die jedoch hier in den Zeichnungen nicht explizit gezeigt sind. Die aufgrund der Diskontinuität der Dielektrizitätskonstanten e _r des umgebenden Mediums 3 zurücklaufenden Reflexionssignale R auf dem Stab- /Seilelement 11.1 des Wellenleiters 11 werden wiederum in der Sende- /Empfangseinheit 22 empfangen und vorverarbeitet. Diese vorverarbeiteten Reflexionssignale R werden in der Regel-/Auswerteeinheit 12 messtechnisch und signaltechnisch ausgewertet und so aufbereitet, dass der Messwert des Füllstands 2 oder ein Echokurvensignal, das die aufbereitete Hüllkurve der Reflexionssignale R darstellt, über eine Busschnittstelle 20 auf den Feldbus 18 an beispielsweise eine Leitstelle weitergeleitet wird.

[0050] In Fig. 8 ist der Wellenleiter 11 mit dem Einkoppelelement 24 und dem Stab-

/Seilelement 11.1 aus Fig. 7 vergrößert und auszugsweise in einer Schnittdarstellung dargestellt. Der Einkoppelbereich 7 des Wellenleiters 11 ist als koaxiales Leitergebilde beispielsweise aus einem leitfähigen Prozessanschlussgehäuse 36 als Außenleiter und einem leitfähigen Stab-/Seilelement 11.1 als Innenleiter ausgebildet. Das Stab- /Seilelement 11.1 ist im Einkoppelbereich 7 in einem dielektrischen Füllkörper 12 aus einem dielektrischen Material eingebettet, das das Stab-/Seilelement 11.1 in dem Hohlraum 35 des Prozessanschlussgehäuses 36 zentriert positioniert. Durch ein Sondebefestigungselement 28 wird das Stab-/Seilelement 11.1 verdrehsicher und austauschbar in dem Grundkörper 12.1 des dielektrischen Füllkörpers 12 gehalten. Bei dem Sondebefestigungselement 28 handelt es sich beispielsweise um eine gewöhnliche Sechskantschraube, die in der Stirnfläche des Schraubenkopfes eine Bohrung aufweist,

in die die Sondeneinkopplung 27, beispielsweise in Form einer Feder gelagerten Stiftes, das hochfrequente Messsignal 6 einkoppelt. über ein. in den Zeichnungen nicht explizit gezeigtes, Außengewinde am Sondebefestigungselement 28 und einem entsprechenden Sacklochgewinde in dem Stab-/Seilelement 11.1 ist beides miteinander elektrisch leitend und mit dem Grundkörper 12.1 des dielektrischen Füllkörpers 12 kraftschlüssig verbunden. An dem Grundkörper 12.1 ist eine Verdrehsicherung 12.5 in Form einer Auswölbung oder Ausbuchtung ausgebildet, die formschlüssig in ein entsprechendes Gegenstück im Hohlraum 35 des Prozessanschlussgehäuses 36 passt und somit ein Verdrehen des dielektrischen Füllkörpers in dem Prozessanschlussgehäuse 36 verhindert. Der Grundkörper 12.1 des dielektrischen Füllkörpers 12 mit dem darin versenkten Sondebefestigungselement 28 wird beispielsweise über ein Ultraschall-Schweißverfahren mit einem Deckel 12.2 verschweißt, so dass die Aussparungsvolumen 13 im Grundkörper 12.1 hermetisch dicht verschlossen sind. Der dielektrische Füllkörper 12 kann natürlich auch einteilig ausgeführt sein. Diese Aussparungsvolumen 13 sind in den Grundkörper 12 des dielektrischen Füllkörpers 12 eingebracht, um die HF-Performance des Einkoppelelements 24 zu verbessern und somit Störreflexionen des hochfrequenten Messsignals 6 aufgrund des dielektrischen Materials des dielektrischen Füllkörpers 12 zu minimieren.

[0051] Die das Sondebefestigungselement 28 kontaktierende Sondeneinkopplung 27 ist in eine Glasdurchführung 26 eingebracht, die eine gasdichte Prozesstrennung zur Elektronik des Messumformers 23 ermöglicht. Zur Seite des Messumformers 23 hin ist die Sondeneinkopplung beispielsweise über einen Koax-Stecker 38 abgeschlossen. Prozessseitig ist vor dem Grundkörper 12.1 beispielsweise eine Blende 29 aus einem resistenten und temperaturstabilen Material, wie z.B. eine Keramik mit Dichtelementen 32, wie z.B. O-Ringe angebracht Diese Blende hat einerseits die Aufgabe, aggressive Medien 3 oder hohe Temperaturen angebracht. Die, die das Material des dielektrischen Füllkörpers 12 verändern, von dem dielektrischen Füllkörper 12 fernzuhalten und andererseits einen sauberen Prozessanschluss, der keine Verunreinigungen im Prozessraum 5 bzw. im Medium 3 durch das Material des dielektrischen Füllkörpers 12 zulässt, zu bilden.

[0052] Materialien für den dielektrischen Füllkörper 12 wurden schon in Zusammen hang mit Fig. 1 ausführlich beschrieben

[0053] In Fig. 9 und Fig. 10 ist der dielektrische Füllkörper 12 in zwei unterschiedlichen Ansichten dargestellt. Fig. 9 zeigt zwei dreidimensionale Explosionsansichten aus

verschieden Blickwinkeln, wodurch unterschiedliche Aspekte des erfindungsgemäßen Gegenstandes deutlicher gezeigt werden. Der Füllköper 12 besteht grundlegend aus einem Grundkörper 12.1 mit Aussparungsvolumen 13 und Stützelementen 14 sowie einem Deckel 12.2. Die beiden Teile sind wie schon zuvor beschrieben über ein stoffschlüssiges Verbindungsverfahren an den Verbindungsstellen 30 bzw. Auflagepunkten miteinander verbunden, oder sie sind als einteiliger dielektrischer Füllkörper 12 ausgeführt. Das Sondenbefestigungselement 28 wird mit einer Unterlegscheibe 33 zentriert in einer Aussparungsvolumen im Grundkörper 12.1 positioniert. über ein formschlüssiges Arretierungselement 34, das sich wie gezeigt am Deckel 12.2 oder aber auch im Grundkörper 12.1 selbst befindet, ist das Sondenbefestigungselement 28 bzw. die Sechskantschraube verdrehsicher platziert. Das Stab-/Seilelement 11.1 kann somit eingeschraubt werden, ohne dass direkt an dem Sondenbefestigungselement 28 ein Werkzeug angesetzt werden muss: es lässt sich durch ein entsprechendes Fixieren des gesamten Einkoppelelements 24 einschrauben.

[0054] Bezugszeichenliste

[0055] 1 Vorrichtung

[0056] 2 Füllstand

[0057] 3 Medium

[0058] 4 Behälter

[0059] 5 Prozessraum

[0060] 6 Messsignale

[0061] 7.1 Antenneneinkoppelbereich

[0062] 7.2 Sondeneinkoppelbereich

[0063] 8 Antennenbereich

[0064] 9 Messsondenbereich

[0065] 10 Antenne;

[0066] 10.1 Hornantenne

[0067] 10.2 dielektrischer Stielstrahler

[0068] 11 Wellenleiter

[0069] 11.1 Stab-/Seilelement

[0070] 12 Füllkörper

[0071] 12.1 Grundkörper

[0072] 12.2 Deckel

[0073] 12.3 Flanschplattierung

[0074] 12.4 Anpasselement

[0075] 12.5 Verdrehsicherung

[0076] 13 Aussparungsvolumen

[0077] 14 Stützelemente

[0078] 15 Flansch

[0079] 16 Befestigungselement

[0080] 17 Einschraubung

[0081] 18 Fekibus

[0082] 19 Versorgungsleitung

[0083] 20 Busschnittstelle

[0084] 21 Regel-/Auswerteeinheit

[0085] 22 Sende -/Empfangseinheit

[0086] 23 Messumformer

[0087] 24 Einkoppelelement

[0088] 25 Koaxialleitung

[0089] 26 Glasdurchführung

[0090] 27 Sondeneinkopplung

[0091] 28 Sondenbefestigungselement

[0092] 29 Blende

[0093] 30 Verbindungsstelle

[0094] 31 Stutzen

[0095] 32 Dichtelement

[0096] 33 Unterlegscheibe

[0097] 34 Arretierungselement

[0098] 35 Hohlraum

[0099] 36 Prozessanschlussgehäuse

[0100] 37 Hornantennengehäuse

[0101] 38 Koax-Stecker

[0102] S Sendesignal

[0103] R Reflexionssignal

[0104] e _r Dielektrizitätskonstante

[0105] e _rl erste Dielektrizitätskonstante

[0106] e _r2 zweite Dielektrizitätskonstante