Die Erfindung betrifft ein Füllstandsmessgerät.

In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der jeweiligen Prozessparameter sind im jeweiligen Feldgeräte-Typ daher geeignete Messprinzipien implementiert, um als Prozessparameter etwa einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, eine Temperatur, einen pH-Wert, ein Redoxpotential oder eine Leitfähigkeit zu erfassen. Verschiedenste Feldgeräte-Typen werden von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.

Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Als Messverfahren haben sich das Pulslaufzeit-Verfahren und FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“) etabliert. Näher beschrieben wird Radar-basierte Füllstandsmessung beispielsweise in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000“.

Prinzip-bedingt ist die Antenne von Radar-basierten Füllstandsmessgeräten mit direktem Kontakt zum Behälter-Inneren anzubringen, da zwischen der Antenne des Füllstandsmessgerätes und dem Füllgut keine für Radar-Signale undurchlässige Barriere im Wege stehen darf. Vor allem zu Explosionsschutz- Zwecken wird jedoch oftmals eine räumliche Trennung zwischen den aktiven, also mit Strom versorgten Sende-/Empfangs-Einheit Einheit zur Verarbeitung der Radar-Signale, und der passiven Antenne gefordert. Außerdem herrschen im Inneren des Behälters je nach Anwendung hohe Temperaturen, hoher Druck oder gefährliche Gase vor. Daher wird die Sende-/Empfangs-Einheit je nach Auslegung zumindest staubdicht oder sogar komplett fluiddicht von der freiliegenden Antenne gekapselt.

Aus Gründen des Explosionsschutzes sind außerdem die zulässigen Spannungen innerhalb der Sende-Empfangs-Einheit auf einen maximalen Wert beschränkt, um insbesondere Überschläge, die zu einer Zündung führen könnten, zu verhindern. Neben staubdichter Kapselung ist bei Radar-basierten Füllstandsmessgeräten daher des Weiteren eine galvanische Trennung der Sende-Empfangs-Einheit zur Antenne erforderlich. Hierdurch wird verhindert, dass entsprechende Spannungsgrenzwerte überschritten werden, wenn von außen unvermittelt hohe Spannungen anliegen sollten. Da insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 60 GHz die Sende-/Empfangs-Einheit als monolithisch integriertes Halbliterbauelement ausgelegt ist und dementsprechend unmittelbar über ein Hohlleiter-Segment mit der Antenne verbunden wird, kann eine galvanisch trennende Hülse zwischen die Antenne und das Hohlleiter-Segment eingesetzt werden. Insgesamt wird jedoch deutlich, dass der konstruktive Aufwand durch die steigende Anzahl an Anforderungen steigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein sicheres Füllstandsmessgerät mit konstruktiv verringerter Komplexität bereitzustellen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Füllstandsmessgerät zur Bestimmung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter, das folgende Komponenten umfasst:

- Eine Antenne zum Aussenden von Radar-Signalen gen Füllgut und/oder zum Empfang entsprechender Empfangs-Signale nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche, und

- Eine Sende-ZEmpfangs-Einheit, die ausgelegt ist, die Radar-Signale zu erzeugen und anhand der Empfangs-Signale den Füllstand zu bestimmen, mit o einem Hohlleiter-Segment, das derart angeordnet ist, so dass die Radar-Signale zur bzw. von der Antenne übertragbar sind. Das Füllstandsmessgerät zeichnet sich erfindungsgemäß durch em Trenn- Element aus, welches das Hohlleiter-Segment einerseits galvanisch von der Antenne trennt und andererseits das Hohlleiter-Segment gen Antenne (bspw. entsprechend der Richtlinie EN 60079 - 11 ) staubdicht abschließt. Dabei ist Trenn-Element so ausgelegt, dass es trotz Staub-Abdichtung durchlässig für die Radar-Signale ist. Im Falle der Richtlinie EN 60079 - 11 ist es erforderlich, dass das Trenn-Element eine Wandstärke von mindestens 0,5 mm aufweist.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät ist, dass das Trenn-Element neben der galvanischen Trennung zusätzlich Schutz vor Staub-bedingter Explosion bewirkt. Hierdurch kann die konstruktive Komplexität des Füllstandsmessgerätes verringert werden, da auf eine zusätzliche Glas-Trennung verzichtet werden kann. Vor allem Füllstandsmessgeräte, deren Sende-/Empfangs-Einheit die Radar-Signale mit einer Frequenz von 60 GHz oder mehr erzeugt bzw. entsprechende Empfangs-Signale verarbeitet, profitieren von der erfindungsgemäßen Auslegung. Denn aufgrund des entsprechend kleinen Hohlleiter-Querschnittes muss eine galvanische Trennung bzw. Staubdichtung mit zunehmender Frequenz allgemein filigraner ausgestaltet sein.

Unter dem Begriff „Einheit wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell eine separate Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen verstanden, die für einen konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Hochfrequenz- Signalverarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Das entsprechende Modul kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale umfassen. Das Modul kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGA’s, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Schaltungen des Moduls im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Dabei ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb der Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.

Das Material des Trenn-Elementes ist im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben. Sofern das Trenn-Element allgemein aus einem dielektrischen Material wie Glas, Keramik oder Kunststoff (insbesondere PTFE oder PFA) gefertigt wird, ist sichergestellt, dass die Radar-Signale durch das Trenn-Element nicht komplett absorbiert bzw. reflektiert werden. Insbesondere eine Reflektion kann effektiv unterdrückt werden, wenn das Trenn-Element eine Wandstärke aufweist, die einem Ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge der Radar-Signale entspricht. Die staubdichte Abgrenzung des Hohlleiter-Segmentes durch das Trenn-Element kann außerdem dadurch sichergestellt werden, dass die Sende-/Empfangs-Einheit beispielsweise über eine Feder derart im Gehäuse befestigt ist, so dass das Hohlleiter-Segment mit einer definierten Kraft gegen das Trenn-Element gepresst wird. Außerdem ist es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft, wenn das Gehäuse, in welchem die Sende-/Empfangs-Einheit angeordnet ist, galvanisch von der Sende- /Empfangs-Einheit getrennt angeordnet ist, da das Gehäuse gegebenenfalls galvanisch mit der Antenne verbunden sein muss.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät an einem Behälter, und

Fig. 2: eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes.

Zum prinzipiellen Verständnis des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 ist in Fig. 1 ein Behälter 3 mit einem Füllgut 2 gezeigt, dessen Füllstand L zu bestimmen ist. Dabei kann der Behälter 3 je nach Art des Füllgutes 2 und je nach Einsatzgebiet bis zu mehr als 100 m hoch sein. Von der Art des Füllgutes 2 und dem Einsatzgebiet hängen auch die Bedingungen im Behälter 3 ab. So kann es im Falle von exothermen Reaktionen beispielsweise zu hoher Temperatur- und Druckbelastung kommen. Bei staubhaltigen oder entzündlichen Stoffen sind im Behälter-Inneren entsprechende Explosionsschutzbedingungen einzuhalten.

Um den Füllstand L unabhängig von den vorherrschenden Bedingungen ermitteln zu können, ist das Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in einer bekannten Einbauhöhe h über der Sole des Behälter 3 angebracht. Dabei ist das Füllstandsmessgerät 1 derart Druck- und Mediendicht an einer entsprechenden Öffnung des Behälters 3 befestigt bzw. ausgerichtet, dass in den Behälter 3 hinein eine Antenne 11 des Füllstandsmessgerätes 1 vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist.

Über die Antenne 11 werden Radar-Signale SHF in Richtung der Oberfläche des Füllgutes 2 ausgesendet. Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Radar-Signale RHF wiederum über die Antenne 11 . Dabei ist die Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals SHF, RHF gemäß proportional zum Abstand d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und dem Füllgut 2, wobei c die Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit entsprechend Lichtgeschwindigkeit ist. Die Signallaufzeit t kann vom Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise mittels des FMCW- oder mittels des Pulslaufzeit-Verfahrens bestimmt werden. Hierdurch kann das Füllstandsmessgerät 1 beispielsweise auf Basis einer entsprechenden Kalibration die gemessene Laufzeit t dem jeweiligen Abstand d zuordnen. Hierüber kann das Füllstandsmessgerät 1 gemäß d = h — L wiederum den Füllstand L bestimmen, sofern die Einbauhöhe h im Füllstandsmessgerät 1 hinterlegt wird. In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine separate Schnittstellen- Einheit, wie etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden. Hierüber kann der gemessene Füllstandswert L übermittelt werden, beispielsweise um Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden. Die separate Unterbringung der Schnittstellen als separates Modul besitzt den Vorteil, dass es neben Füllstandsmessgeräten auch in anderen, modular aufgebauten Feldgeräte-Typen eingesetzt werden kann.

Wie in Fig. 2 skizziert ist, wird die Antenne 11 innerhalb des Füllstandsmessgerätes 1 hochfrequenztechnisch von einer Sende-/Empfangs- Einheit 12 angesteuert, in welcher zur Bestimmung der Signallaufzeit t anhand des eingehenden Empfangs-Signals RHF beispielsweise das FMCW- oder Pulslaufzeit-Messprinzip implementiert ist. Außerdem dient die Sende- /Empfangs-Einheit 12 zur Erzeugung des auszusendenden Radar-Signals SHF. Hierzu ist die Sende-/Empfangs-Einheit 11 in der gezeigten Ausführungsvariante innerhalb eines Geräte-Gehäuses 14 bspw. als monolithisch gekapseltes SMD-Bauteil auf einer der Antenne 11 zugewandten Seite einer Leiterplatte angeordnet.

Umschlossen wird die Leiterplatte mitsamt der Sende-/Empfangs-Einheit 12 innerhalb des Gehäuses 14 durch eine Kapselung 15, die beispielsweise aus einem Kunststoff, wie PC, PE, PP oder PA gefertigt ist. Dies ermöglicht es, die Leiterplatte mitsamt der Sende-/Empfangs-Einheit 12 zu Explosionsschutzzwecken zusätzlich mittels einer Vergussmasse zu kapseln (nicht explizit in Fig. 2 dargestellt). Als hochfrequenztechnische Ankopplung an die Hornantenne der Antenne 11 umfasst die Sende-/Empfangs-Einheit 12 ein geradliniges Hohlleiter-Segment 121 , welches von der Sende-/Empfangs- Einheit 12 in Bezug zur Leiterplatte orthogonal ausgeht. Dabei ist das Hohlleiter-Segment 121 bzw. die Leiterplatte derart in der Kapselung 15 befestigt, so dass das Hohlleiter-Segment 121 durch eine Durchführung 141 im Gehäuse 14 hindurch nach außen geführt wird, wo die Antenne 11 unter Ausbildung eines galvanischen Kontaktes am Gehäuse 14 befestigt ist. Dabei ist es sicherheitstechnisch nicht relevant, ob zwischen der Antenne 11 und dem Gehäuse 14 ein galvanischer Kontakt ausgebildet ist.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante ist die Antenne 11 auf Höhe eines galvanischen Trenn-Elementes 13 mittels eines Schraub-Gewindes am Gehäuse 14 befestigt, welches entlang der Achse des Hohlleiter-Segmentes 121 ausgerichtet ist. Unterhalb des Trenn-Elementes 13 ist an der Grenzfläche zwischen der Antenne 11 und dem Gehäuse eine radialsymmetrische Stufe ausgebildet, welche als Endanschlag für das Schraub-Gewinde dient und hierdurch zu Explosionsschutz-Zwecken einen etwaigen Kriechweg über die Antenne 11 in das Innere des Gehäuses 14 unterbindet.

Die galvanische Trennung 13 ist so konzipiert, dass das Hohlleiter-Segment 121 und die Antenne 11 im montierten Zustand des Füllstandsmessgerätes 1 elektrisch voneinander isoliert sind, wobei das Hohlleiter-Segment 121 und die Antenne 11 von der jeweils anderen Seite spaltfrei an die galvanische Trennung 13 angrenzen. Hierzu ist die galvanische Trennung 13 aus einem elektrisch isolierenden Material wie einem Kunststoff, einem Glas oder einer Keramik gefertigt. Somit kann eine etwaige Überspannung an der Sende- /Empfangs-Einheit 12 nicht in das Innere des Behälters 3 übertragen werden, wodurch entsprechender Explosionsschutz gewährleistet wird.

Damit das Hohlleiter-Segment 121 zu einer optimalen HF-Übertragung spaltfrei an das galvanische Trenn-Element 13 grenzt, wird die Kapselung 15 mit einer definierten Kraft gegen die galvanische Trennung 13 gepresst.

Hierzu ist ein Feder-Element 16 im Inneren des Gehäuses 14 auf derjenigen Außenseite der Kapselung 15, die dem Hohlleiter-Segment 121 abgewandt ist, eingespannt. Dabei dient das Innere des Gehäuses 14 als Führung für die Kapselung 15 bzw. das Hohlleiter-Segment 121.

Wie aus Fig. 2 deutlich wird, umfasst das galvanische Trenn-Element 13 erfindungsgemäß keine Durchführung zwischen dem Hohlleiter-Segment 121 und der Antenne 11 . Vielmehr ist das T renn-Element 13 so ausgelegt, dass das Hohlleiter-Segment 121 staubdicht gegenüber der Antenne 11 abgeschlossen wird. Damit die entsprechende EN-Richthnie bezüglich Staubdichtigkeit eingehalten wird, ist eine Wandstärke des Trenn-Elementes 13 von mindestens 0, 5 mm erforderlich. Um dennoch den Füllstand L bestimmen zu können, ist das Trenn-Element 13 aus einem Material gefertigt, welches für die Radar-Signale SHF, RHF transparent ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn als Kunststoff-Material für das Trenn- Element 13 PTFE oder PFA verwendet wird, und wenn die Wandstärke des Trenn-Elementes 13 mit einem Ganzen Vielfachen der halben Wellenlänge der Radar-Signale SHF, RHF bemaßt ist, so dass durch negative Interferenz etwaige Reflexionen der Radar-Signale SHF, RHF am Trenn-Element 13 vermieden werden. Damit eine hinreichende Fluiddichtigkeit gewährt wird, ist es im Falle von PTFE oder PFA vorteilhaft, wenn das Trenn-Element 13 eine Wandstärke von mehr als 0,5 mm aufweist. Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Auslegung des galvanischen Trenn-Elementes ist, dass hierdurch neben der galvanischen Trennung zusätzlich Schutz vor Staubbedingter Explosion erreicht wird. Insgesamt wird durch das galvanische trenn-Element 13 der konstruktive Aufwand des Füllstandsmessgerätes 1 verringert, da auf eine zusätzliche Glas-Trennung verzichtet werden kann.

Bezugszeichenhste

1 Füllstandsmessgerät

2 Füllgut

3 Behälter

4 Übergeordnete Einheit

11 Antenne

12 Sende-/Empfangs-Einheit

13 Trenn-Element

14 Gehäuse

15 Kapselung

16 Feder-Element

121 Hohlleiter-Segment

141 Durchführung d Entfernung h Einbauhöhe

L Füllstand

RHF Reflektiertes Radar-Signal SHF Radar-Signal