Die Erfindung betrifft ein Radarbasiertes Füllstandsmessgerät zur Befestigung an einem Behälter mit einem Rundanschluss, wie einem Flansch-, Klemm- oder Schraubanschluss.

In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen werden Sensoren eingesetzt, die

beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten,

Leitfähigkeitsmessgeräten, oder vergleichbaren Geräten zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.

Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich

berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Dabei werden unter dem Begriff„Behälter" im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein weiterer Vorteil berührungsloser

Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher überwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung definiert sich„Radar" als Signale bzw.

elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Die beiden gängigen Messprinzipien bilden hierbei das Puls-Laufzeit- Prinzip (auch unter dem Begriff„Pulsradar" bekannt) sowie das FMCW-Prinzip („Frequency Modulated Continuous Wafe").

Füllstandsmessgeräte sind in der Regel in universellen Feldgeräte-Gehäusen, die für die Anforderungen verschiedenster Feldgeräte-Typen ausgelegt sind, untergebracht. Dementsprechend sind die Gehäuse so konzipiert, dass sie möglichst breiten Anforderungen genügen. Diese betreffen insbesondere die elektromagnetische Verträglichkeit („EMV"), Explosionssicherheit (wie beispielsweise in der Normenreihe EN 60079 definiert), Korrosions- Beständigkeit oder Schlagfestigkeit. Darüber hinaus umfassen die Gehäuse in der Regel zudem mehrere Interfaces wie Displays, Tastaturen oder diverse Kabel-Anschlüsse. Ein entsprechendes Gehäuse für Feldgeräte wird beispielsweise in der internationalen Offenlegungsschrift WO 2014037256 A1 gezeigt.

Aufgrund dieser umfangreichen Anforderungen an Feldgeräte-Gehäuse resultiert in der Praxis ein vergleichsweise platzintensives Gehäuse, das an engen Einbauorten aus Platzmangel nicht montierbar ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Füllstandsmessgerät

bereitzustellen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein radarbasiertes

Füllstandsmessgerät, das an einem Behälter mit einem Rundanschluss befestigbar ist, wobei der Rundanschluss eine vordefinierte Endkontur aufweist. Erfindungsgemäß umfasst das Füllstandsmessgerät:

- Einen Deckel mit

o einem Befestigungsmittel, mittels dem der Deckel am Behälter befestigbar ist.

Der Deckel ist dabei so ausgelegt, dass im befestigten Zustand zumindest eine Kontaktfläche des Deckels an die Endkontur des Rundanschlusses anschließt, wobei der Deckel in Bezug zur

Kontaktfläche eine Höhe von maximal 60 mm aufweist, und

- eine im Deckel angeordnete Sende-/Empfangs-Einheit, die ausgelegt ist, um radar-basierte Sendesignale in Richtung des Füllgutes auszusenden und nach Reflektion an der Füllgutoberfläche anhand von entsprechenden Empfangssignalen den Füllstand eines im Behälter befindlichen Füllgutes zu bestimmen.

Aufgrund der geringen Höhe des Deckels kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät also für Anwendungen eingesetzt werden, die vor allem hinsichtlich der Einbauhöhe über dem Behälter einen flachen Aufbau des Füllstandsmessgerätes erfordern. Dies betrifft beispielweise Füllstandsmessung an einer Gehäuseöffnung eines quadratischen IBC-Tanks, der trotz eines angebrachten Füllstandsmessgerätes nach wie vor stapelbar sein muss. Unbeschadet hiervon kann auf Basis des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes ein überdrucksicherer Verschluss des

Rundanschlusses erreicht werden, da der Deckel beispielsweise gemäß den Abmessungen eines Blindflansches konzipiert werden kann. Somit kann der Deckel potentiell ausgelegt werden, um das Innere des Behälters zumindest gemäß der Nenndruckstufe PN 2,5 überdruckfest abzudichten. Als Sende-/Empfangseinheit für das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät eignet es sich insbesondere, wenn die Sende-/Empfangs-Einheit ausgelegt ist, um die Sendesignale mit einer Frequenz von zumindest 75 GHz

auszusenden. In diesem Fall kann die Sende-Empfangseinheit sehr kompakt ausgelegt werden, da entsprechende elektronische Bausteine bei solchen Frequenzen (sowie gegebenenfalls auch der Empfang entsprechender

Empfangssignale) auf Basis einer integrierten Halbleiterschaltung realisiert werden können. Neben dem Vorteil der Kompaktheit bietet sich bei hohen Frequenzen außerdem der Vorteil, dass bei höheren Frequenzen eine größere absolute Bandbreite genutzt werden kann. Dadurch wird wiederum eine höhere Auflösung bzw. Genauigkeit der Füllstandsmessung erreicht.

Insbesondere bei der Füllstandsmessung stellt dies eine wichtige Anforderung dar, da je nach Anwendung eine hochgenaue Kenntnis des Füllstandes erforderlich ist. Vor allem bei Radar-Frequenzen oberhalb von 75 GHz bietet es sich erfindungsgemäß an, wenn der Deckel eine quasi-optische Linse zur

Bündelung von zumindest den Sendesignalen umfasst. Dadurch kann auf platzintensive (Horn-)Antennen verzichtet werden. Dabei handelt es sich im Rahmen der Erfindung bei dem Begriff„quasioptische Linse" analog zu optischen Linsen um Materialien, mit denen elektromagnetische Wellen im Radar-Spektralbereich [0,3 bis 300 GHz] gebrochen werden, und durch die sich bei entsprechender Formgebung eine definierte Bündelung oder

Ablenkung des Strahlengangs erreichen lässt. Vor allem bei Implementierung einer quasi-optischen Linse (unter Verwendung entsprechend hoher Radar- Frequenzen) kann das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät so ausgelegt werden, dass es an einen Rundanschluss mit einem Innendurchmesser von maximal 200 mm, insbesondere weniger als 65 mm befestigbar ist. Besonders vorteilhaft ist die Anbringung an einem Rundanschluss mit einem

Innendurchmesser von 50 mm (DN50/2) oder 39 mm (DN40/1 V2)

Im Sinne der Erfindung kann der Deckel an verschiedene Arten von

Rundanschlüssen adaptiert werden: Denkbar sind unter anderem

Flanschanschlüsse, Schraubanschlüsse oder Klemmanschlüsse (besser bekannt unter dem englischen Begriff„Clamp-Anschluss", wie beispielsweise Tri-Clamp ®). In Abhängigkeit hiervon ist das Befestigungsmittel des Deckels als Flansch zu konzipieren, um das Füllstandsmessgerät an einem

entsprechendem Flansch- oder Klemmanschluss des Behälters zu befestigen. Um das Füllstandsmessgerät an einem entsprechendem Schraubanschluss des Behälters zu befestigen, ist das Befestigungsmittel entsprechend als Innengewinde oder Außengewinde auszulegen.

Der Begriff„Endkontur" bezieht sich im Zusammenhang mit der

Adaptierbarkeit des erfindungsgemäßen Deckels auf verschiedene

Rundanschlüsse allgemein auf diejenige Fläche oder planare Kontur des Rundanschlusses, die (in Bezug zur imaginären Achse des Rundanschlusses) der Behälter-Außenseite zugewandt ist. Dementsprechend handelt es sich im Fall eines Flansch- oder Klemmanschlusses bei der Endkontur des um diejenige Flanschfläche des Behälter-seitigen Flansches, die dem Deckel- seitigen Flansch zugewandt ist. Sofern der Rundanschluss als

Schraubanschluss realisiert ist, handelt es sich bei der Endkontur wiederum um diejenige planare Kontur des Rundanschlusses, die bei vollständigem Verschrauben des Deckels als dessen Endanschlag fungiert.

Eine vorteilhafte Umsetzung der Erfindung besteht darin, die Bemaßung der Höhe des Deckels (unter Berücksichtigung der maximalen Höhe von 60 mm) an den Innendurchmesser des Rundanschlusses zu koppeln. Eine mögliche Kopplung kann sich dabei nach der Art des Rundanschlusses richten. Im Fall eines Flanschanschlusses kann die Höhe beispielsweise gemäß der Norm EN 1092-01/01 A für Flanschanschlüsse an den Innendurchmesser des

Flansches gekoppelt werden. Die nachfolgende Tabelle stellt hierbei einen Auszug aus der Norm dar und veranschaulicht die dortige Kopplung der (Flansch-) Höhe an den Flansch-Innendurchmesser:

Es versteht sich von selbst, dass der Deckel erfindungsgemäß auch in jeglicher anderen gekoppelten Bemaßung von Innendurchmesser zu Höhe, die in dieser Norm gezeigt ist, konzipiert werden kann. Bei der Auslegung des Deckels auf einen Klemmanschluss gilt die gekoppelte Bemaßung

gleichermaßen für die Normen DIN 32676.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine schematische Darstellung der Anordnung von Radar-basierten Füllstandsmessgeräten an einem Behälter,

Fig. 2: eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen

Füllstandsmessgerätes für Flanschanschlüsse,

Fig. 3: eine zweite Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen

Füllstandsmessgerätes für Schraubanschlüsse mit Innengewinde, und

Fig. 4: eine dritte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen

Füllstandsmessgerätes für Schraubanschlüsse mit einem Außengewinde.

Zum allgemeinen Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 eine typische

Anordnung eines Radar-basierten Füllstandsmessgerätes 1 an einem

Flanschanschluss 21 eines Behälters 2 gezeigt. Im Inneren des Behälters 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L durch das Füllstandsmessgerät 1 zu bestimmen ist. Hierzu ist das Füllstandsmessgerät 1 in einer bekannten Einbauhöhe h oberhalb des Füllgutes 3 am Behälter 2 angebracht. Dabei kann der Behälter 2 je nach Anwendung mehr als 100 m hoch sein.

Das Füllstandsmessgerät 1 ist so am Behälter 2 ausgerichtet und befestigt, dass es Radar-basierte Sendesignale SHF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 3 aussendet. Infolge der Reflektion des Sendesignals SHF an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 ein entsprechendes Empfangssignal EHF in Abhängigkeit der Entfernung d = h - L zur Füllgut- Oberfläche nach einer entsprechenden Laufzeit. Bei Füllstandsmessgeräten nach dem Pulsradar-Prinzip handelt es sich bei dem Sendesignal SHF um ggf. periodisch ausgesendete Radar-Pulse, so dass anhand der Pulslaufzeit zwischen Aussenden des pulsförmigen Sendesignals SHF und Empfang des ebenfalls pulsförmigen Empfangssignals EHF unmittelbar die Entfernung und somit der Füllstand L bestimmt werden kann.

Im Fall von FMCW Radar handelt es sich bei dem Sendesignal SHF um ein kontinuierliches Radar-Signal, allerdings mit zeitlich definiert modulierter Frequenz. Dementsprechend kann die Laufzeit und somit die Entfernung bzw. der Füllstand L bei Implementierung des FMCW Verfahrens auf Basis der momentanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen

Empfangssignal EHF und dem gleichzeitig ausgesendeten Sendesignal SHF bestimmt werden.

In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über ein Interface, etwa

„PROFIBUS",„HART" oder„Wireless HART" mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber kann der

Füllstandswert L übermittelt werden, beispielsweise um gegebenenfalls am Behälter 2 vorhandene Zu- oder Abflüsse zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.

Das in Fig. 1 dargestellte Füllstandsmessgerät 1 ist in einem für Feldgeräte typischen Gehäuse 11* untergebracht. Aufgrund der universellen Auslegung des Gehäuses 1 1 ^* für verschiedenste Feldgeräte-Typen hat es daher vergleichsweise massive Abmessungen. Aus diesem Grund ragt das Gehäuse 1 1 * in der Praxis mindestens 30 cm über den Flanschanschluss 21 des Behälters 2 hinaus. Der entsprechende Raum oberhalb des Behälters 2 ist am Einsatzort für das Füllstandsmessgerät 1 freizuhalten. Bei bestimmten

Anwendungen, wie beispielsweise stapelbaren IBC-Tanks, kann dieser Platz jedoch nicht vorgehalten werden, so dass ein Füllstandsmessgerät 1 mit einem konventionellen Gehäuse 1 1* hier nicht zum Einsatz kommen kann.

Dies kann durch das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 , dessen prinzipieller Aufbau in Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt ist, überwunden werden. Dabei wird das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 am

Behälter 2 auf gleiche Weise angeordnet, wie es nach dem Stand der Technik erfolgt.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 1 in Form eines Deckels 1 1 ausgelegt, der den Rundanschluss 21 , 21 ^' des Behälters 2, gegebenenfalls überdruckfest, schließt. Charakteristisch ist hierbei, dass der Deckel 1 1 in Bezug zu derjenigen Kontaktfläche des Deckels 1 1 , die im befestigten Zustand an der entsprechenden Endkontur 210 des Rundanschlusses 21 , 21 ^' anliegt, mit einer maximalen Höhe Wmax von 60 mm bemaßt ist. Sofern der Rundanschluss als Flanschanschluss 21 ausgelegt ist (Fig. 2), entspricht die Endkontur 210 der planaren Flanschfläche des

Behälter-seitigen Flansches, die dem Deckel-seitigen Flansch zugewandt ist. Somit kann das Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise der Form eines

Blindflansches nachempfunden werden. Dazu ist die Höhe Wmax des Deckels 1 1 je nach Flanschgröße an den jeweiligen Innendurchmesser Di bzw. zu koppeln, wie es zumindest im europäischen Raum in der Norm EN 1092-01/01 A definiert ist. Um insbesondere bei dieser Geometrie eine entsprechende Überdruckbeständigkeit des Deckels 11 zu bewirken, ist der Deckel 1 1 aus einem hierzu geeigneten Material, wie bspw. Edelstahl, zu fertigen.

Begünstigt wird die Integration der Sende-/Empfangseinheit 12 innerhalb des Deckels 1 1 dadurch, dass die Sende-/Empfangseinheit 12 ausgelegt wird, um die Radar-basierten Sendesignale SHF mit einer Frequenz von 75 GHz oder höher auszusenden. Zum einen kann die Sende-Empfangseinheit 12 in diesem Fall sehr klein dimensioniert werden, da die HF-Erzeugung bei solchen Frequenzen (sowie gegebenenfalls auch der Empfang

entsprechender Empfangssignale EHF) auf Basis eines einzigen

Halbleiterbausteins realisiert werden kann. Zum anderen ist insbesondere bei über 75 GHz keine platzintensive Horn-Antenne erforderlich, wie es bei tieferen Frequenzen von bspw. 26 GHz üblich ist. Anstelle einer Antenne kann, wie bei den in Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispielen gezeigt ist, der Deckel 1 1 mit einer quasi-optischen Linse 1 11 ausgelegt werden, mittels der die gewünschte Bündelung des Sendesignals SHF gen Füllgut 3 (sowie aufgrund der bidirektionalen Wirkweise auch die Bündelung des Empfangssignals EHF gen Sende-/Empfangseinheit 12) eingestellt wird. Als Material kann hierfür beispielsweise PTFE verwendet werden.

Eine reduzierte Bemaßung der Höhe Wmax kann zudem erreicht werden, wenn auf kabelgebundene Energieversorgung bzw. kabelgebundene

Kommunikation der Sende-/Empfangseinheit 12 verzichtet wird. Kompensiert werden kann dies beispielsweise durch Integration eines Funkmoduls, beispielsweise nach dem WLAN-Standard. Im kabellosen Fall kann die Energieversorgung bspw. auf Basis eines Akkumulators erfolgen, wobei zur Wiederbeladung eine induktive Kopplung vorgesehen werden kann.

Fig. 3 verdeutlicht, dass das erfindungsgenmäße Füllstandsmessgerät 1 nicht nur kompatibel zu einem Flanschanschluss 21 (bzw. einem baulich

verwandten Klemmanschluss), sondern beispielsweise auch kompatibel zu einem Schraubanschluss 21 ^' ausgelegt werden kann: In der dort gezeigten Ausführungsvariante umfasst der Deckel 11 ein Außengewinde 110 ^' , das zu einem Innengewinde am Behälter 2 korrespondiert. Dabei ist der Deckel 1 1 so konzipiert, dass er über das Innengewinde und somit über den

Innendurchmesser Di des Schraubanschlusses 21 ^' übersteht. Dadurch wird gewährleistet, dass der Deckel 1 1 auch bei dieser Ausführungsvariante eine geeignete Kontaktfläche aufweist, die beim Einschrauben des Deckels 1 1 einen Endanschlag gegenüber der Behälter-seitigen Endkontur 210 bildet.

Anstelle der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante ist es ebenso denkbar, den erfindungsgemäßen Deckel 1 1 passend zu einem Schraubanschluss 21 ^' mit einem Behälter-seitigen Außengewinde zu realisieren. Dies Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt. Solch eine Ausgestaltungsform kann beispielsweise genutzt werden, um das erfindungsgemäße

Füllstandsmessgerät 1 an einer Überwurf-Verschraubung für Lebensmittel und Chemie nach der DIN-Norm 11851 zu befestigen. Außerdem könnte das Füllstandsmessgerät 1 bei dieser Ausführungsvariante an einen IBC-Tank eingesetzt werden, da IBC Tanks auf der Oberseite des Behälters 2 eine entsprechende Öffnung mit einem Außengewinde aufweisen.

Bezugszeichenliste

1 Radar-basiertes Füllstandsmessgerät

2 Behälter

3 Füllgut

4 Übergeordnete Einheit

11 , Deckel

11* Gehäuse

12 Sende-/Empfangseinheit

21 Flanschanschluss

21 ^' Schraubanschluss

1 10 Flansch

1 10 ^' Gewinde

1 1 1 Quasi-optische Linse

210 Endkontur

Di Innendurchmesser

d Entfernung

EHF Empfangssignale

h Einbauhöhe

L Füllstand

SHF Sendesignal

Wmax Höhe des Gehäuses