Die Erfindung betrifft ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes, wobei das Füllstandsmessgerät auch bei hohen im Behälter herrschenden Temperaturen eingesetzt werden kann.

In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisie- rungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/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, usw. zum Einsatz kommen. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck,

Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.

Zur Füllstandsmessung bei Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in ihrer Fähigkeit, den

Füllstand quasi kontinuierlich, also mit einer hohen Auflösung messen zu können. Aus diesem Grund werden hierzu vorwiegend Radar-basierte

Messverfahren eingesetzt. Etablierte Messprinzipien bilden hierbei das

FMCW-Messprinzip („Frequency Modulated Continuos Wave") oder auch das so genannte Puls-Laufzeit-Verfahren. In beiden Fällen wird das hochfrequente elektromagnetische Signal über eine Antenne, die am Behälter befestigt ist und in das Innere des Behälters gerichtet ist, in Richtung des Füllgutes gesendet. Dabei liegen die Frequenzen der ausgesendeten

elektromagnetischen Wellen im Bereich einer standardisierten Mittenfrequenz. Bedingt durch behördliche Zulassungsvorschriften werden hier in der Regel Frequenzen bei 6 GHz, 26 GHz, oder 79 GHz verwendet. Das

Funktionsprinzip des Puls-Laufzeit-Verfahrens wird beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift DE 10 2010 063 430 A1 genannt. Zum

Funktionsprinzip des FMCW-Messprinzips sei exemplarisch auf die Veröffentlichungsschrift WO 2012/139852 A1 hingewiesen. Unabhängig vom Messp nzip sind jedoch höhere Frequenzen vorteilhaft, da mit steigender Frequenz potentiell auch die Auflösung der Füllstandsmessung steigt. Je nach Einsatzgebiet des Behälters können im Behälter-Inneren

Temperaturen von bis zu 200 °C vorherrschen. In diesem Fall besteht eine besondere Herausforderung darin, das Füllstandsmessgerät thermisch vom Behälter-Inneren zu isolieren, da die elektronischen Komponenten des

Feldgerätes üblicherweise lediglich bis zu ungefähr einer Temperatur von 80 °C ausgelegt sind. Die thermische Isolation der elektronischen

Komponenten erfolgt daher oftmals über einen thermisch isolierenden

Gehäusehals mit hohem thermischem Widerstand, der zwischen der Antenne und dem Gehäuse, welches sich außerhalb des Behälters befindet, angeordnet ist. Dabei befinden sich die elektronischen Komponenten in dem Gehäuse. Entsprechend diesem Zweck ist der Gehäusehals mit einer gewissen Mindestlänge sowie einer entsprechend geringen Querschnittsfläche bemessen, damit sich ein möglichst hoher thermischer Widerstand zwischen der Antenne und dem Gehäuse einstellt. Als weitere Maßnahmen zur

Erhöhung des thermischen Widerstandes ist außerdem bekannt, ein thermisch isolierendes Element, beispielsweise einen Keramik-Körper in das Innere des Gehäusehalses einzusetzen.

Hin zu hohen Radar-Frequenzen (wobei unter hoch im Sinne der Erfindung bereits Frequenzen unterhalb von 79 GHz zu verstehen sind) ist es aus Gründen einer ausreichenden Signalübertragung zur Antenne hin jedoch nicht mehr möglich, die elektronischen Baugruppen für die Hochfrequenz- Signalerzeugung entfernt von der Antenne anzuordnen: Daher muss in diesen Fällen von einem (langen) Gehäusehals abgesehen werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Füllstandsmessgerät bereitzustellen, welches bei hohen im Behälter herrschenden Temperaturen eingesetzt werden kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Radar-basiertes

Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstandes (L) eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes. Hierzu umfasst es: - Ein Gehäuse,

- eine Antenne, die derart ausgestaltet und am Behälter angeordnet ist, um elektromagnetische Wellen (SHF) in Richtung des Füllgutes auszusenden und/oder um im Behälter reflektierte elektromagnetische Wellen (EHF) ZU empfangen,

- einen Gehäusehals, der zwischen dem Gehäuse und der Antenne

angeordnet ist, wobei der Gehäusehals zwischen dem Gehäuse und der Antenne einen vordefinierten thermischen Widerstand (RÜI.G) aufweist,

- zumindest eine teilweise im Gehäusehals angeordnete Elektronik- Baugruppe.

Der Gehäusehals zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der thermische Widerstand (RÜI.G) des Gehäusehalses so bemessen ist, um bei einer Temperatur (TB) nahe der Antenne im Behälter (bzw.) von

mindestens 200° C die Temperatur (TE) an der Elektronik-Baugruppe auf höchstens 80° C zu begrenzen. Dementsprechend ist der thermische

Widerstand (Rth.G) vorzugsweise mit kleiner als 15 Kelvin pro Watt,

insbesondere kleiner als 10 Kelvin pro Watt zu bemessen. Hierzu ist der Gehäusehals vorzugsweise aus einem thermisch leitfähigen Material, insbesondere aus Edelstahl, Aluminium oder Kupfer gefertigt. Von diesen

Materialien weist Kupfer den größten Wärmeleitkoeffizient auf. Dadurch kann eine sehr kompakte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gehäusehalses erreicht werden. Edelstahl hingegen weist unter den genannten Materialien die höchste mechanische und chemische Beständigkeit auf und kann daher vorzugsweise verwendet werden, wenn das Füllstandsmessgerät aggressiven Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist.

Im Rahmen der Erfindung ist der thermische Widerstand (Rth.G) definiert als: ^th,G ÄQ AQ ^'

Dabei ist IG die Länge des Gehäusehalses und AG dessen Querschnittsfläche. G ist der Wärmeleitkoeffizient des verwendeten Gehäusematehals mit der Einheit f— 1.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Elektronik-Baugruppe im

Gehäusehals wird somit ein temperaturbeständiges Füllstandsmessgerät bereitgestellt, welches auch im Bereich hoher Radar-Frequenzen eingesetzt werden kann. Dadurch kann eine verbesserte Genauigkeit bei der

Füllstandsmessung erzielt werden, als es mit vergleichbaren

Füllstandsmessgeräten nach dem Stand der Technik möglich ist. Die

Temperatur-Beständigkeit des Füllstandsmessgerätes wird erfindungsgemäß bewirkt, indem entgegen dem allgemeinen Fachwissen der Gehäusehals mit einem verringerten thermischen Widerstand (RÜI.G) ausgelegt wird und dadurch die Temperatur (TE) an der Elektronik-Baugruppe auf deutlich unter 80 °C reduziert werden kann. Durch die erhöhte Wärmeleitfähigkeit im

Gehäusehals werden die unterhalb der Elektronik-Baugruppe befindlichen Gehäusehals- und Antennen-Komponenten thermisch gut an das als

Kühlkörper wirkende eigentliche Gehäuse angekoppelt und dadurch die Konvektionsströme von der gegebenenfalls heißen Antenne über die

Elektronik-Baugruppe zum Gehäuse minimiert. Eine geringe Erhöhung der Temperatur im eigentlichen Gehäuse ist hierbei unkritisch. Neben dem verwendeten Gehäusematerial kann der thermische Widerstand des Gehäusehalses entsprechend der oben genannten Formel durch seine geometrische Auslegung, insbesondere die Querschnittsgeometrie, die Länge (IG), den mittleren Außendurchmesser (DG) und die mittlere Wandstärke (dG) beeinflusst werden. In einer vorteilhaften Form der Erfindung weist der Gehäusehals daher vorzugsweise einen in etwa runden Querschnitt mit einem entsprechenden Außendurchmesser (DG) und einer Wandstärke (dG) auf. Die Querschnittsfläche AG bemisst sich in diesem Fall zu

A _G = n{D _G d _G - d ² _G ) . Hierbei sieht eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen

Füllstandsmessgerätes vor, dass der Gehäusehals für den Fall, dass dieser aus Edelstahl (λο = gefertigt ist, eine mittlere minimale Wandstärke (dG) von 4 mm aufweist. Des Weiteren ist es bezüglich des Außendurchmessers (DG) vorteilhaft, wenn der Gehäusehals im Fall von Edelstahl einen maximalen mittleren Außendurchmesser (DG) von 80 mm aufweist. Darüber hinaus ist es möglich, einen erfindungsgemäß geringen thermischen Widerstand (Rth.G) zu erreichen, indem der Gehäusehals für den Fall, dass der Gehäusehals aus Edelstahl gefertigt ist, eine maximale Länge (IG) von 140 mm aufweist. Im Falle solch einer Auslegung (dG = 4 mm, DG = 80 mm, IG = 140 mm, λο = 15 bei runder Querschnittsfläche AG) resultiert nach den zuvor genannten Formeln ein thermischer Widerstand (Rth.G) von ca. 9.78 Kelvin pro Watt.

Dieses Dimensionierungsbeispiel verdeutlicht einen zusätzlichen Vorteil:

Durch die erfindungsgemäße Idee kann der Gehäusehals, und somit das gesamte Füllstandsmessgerät, wesentlich kompakter realisiert werden, als es nach dem Stand der Technik möglich ist.

Zu einer weiterhin verbesserten thermischen Entkopplung der elektronischen Baugruppe vom Gehäusehals und einer damit verbundenen weiteren

Temperatursenkung an der elektronischen Baugruppe weist der Gehäusehals in einer Weiterbildung der Erfindung eine Innenwand mit einer thermisch isolierenden Schicht auf. Hierbei kann es sich um eine Wand-Beschichtung handeln. Möglich ist jedoch auch die Verwendung eines Kunststoff- oder Keramik-Einsatzes. Im Falle von Kunststoff kann insbesondere PPS

(Polyphenylensulfid) verwendet werden. Zum gleichen Zweck ist es außerdem von Vorteil, wenn im Gehäusehals zwischen der Elektronik-Baugruppe und der Antenne ein thermisches Isolationselement angeordnet ist. Die Verbindung des Gehäusehalses zur Antenne bzw. zum Gehäuse ist im einfachsten Fall unlösbar und dementsprechend einteilig ausgestaltet.

Alternativ ist es jedoch vorzugsweise möglich, dass die Antenne und/oder das Gehäuse über zumindest eine lösbare Verbindung mit dem Gehäusehals verbunden sind/ist. In diesem Fall ist es zwecks weiterer Verringerung des thermischen Widerstandes (RÜI.G) von Vorteil, eine Wärmeleitpaste an der zumindest einen lösbaren Verbindung vorzusehen.

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

Fig. 1 : Eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen

Füllstandsmessgerätes an einem Behälter, Fig. 2: eine detaillierte Darstellung eines erfindungsgemäßen

Füllstandsmessgerätes, und

Fig. 3: ein Diagramm der Temperatur der elektronischen Komponente in Abhängigkeit der Temperatur im Behälter.

Zu einem verbesserten Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Radar-basierten Füllstandsmessgerätes 1 an einem Behälter 2 gezeigt. Im Inneren des Behälters 2 befindet sich ein Füllgut 3, dessen Füllstand L zu bestimmen ist.

Zur Bestimmung des Füllstands L ist das Füllstandsmessgerät 1 in Bezug zum Behälterboden in einer vorbekannten Einbauhöhe h, die je nach

Behältergröße bis zu mehr als 30 m hoch sein kann, oberhalb des Füllgutes 5 am Behälter 2 angebracht. Hierzu ist das Füllstandsmessgerät 1 derart mittels einer Flanschverbindung an der Oberseite des Behälters 2 angeordnet, dass es elektromagnetische Wellen SHF, die durch eine elektronische Baugruppe 131 erzeugt werden, über eine Antenne 12 in Richtung des Füllgutes 3 aussendet. Dies kann gemäß dem FMCW- oder auch dem Puls-Laufzeit- Verfahren, beispielsweise bei einer Frequenz von 79 GHz oder höher, erfolgen.

Nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten elektromagnetischen Wellen EHF wieder über die Antenne 12. Dabei ist die vom Füllstandsmessgerät 1 gemessene Laufzeit zwischen Aussenden und Empfangen der hochfrequenten Elektromagnetischen Wellen SHF, EHF abhängig von der Entfernung a zur Füllgut-Oberfläche. Die anschließende Berechnung des Füllstandes L aus der Laufzeit bzw. der Entfernung a zur Füllgut-Oberfläche erfolgt durch das Füllstandsmessgerät 3 unter Kenntnis von dessen Einbauhöhe h: L = h - a. Die Berechnung erfolgt durch eine entsprechende Geräte-Elektronik 1 1 1 des Feldgerätes 1 , die durch ein Gehäuse 1 1 gekapselt ist.

Das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät 3 kann, wie in Fig. 1 dargestellt, über die Geräte-Elektronik 1 1 1 mittels eines Bussystems, etwa„PROFIBUS", „HART" oder„Wireless HART" mit einer übergeordneten Einheit 4,

beispielsweise einem Prozessleitsystem, verbunden sein. Hierüber können zum einen Informationen über den Füllstand L übermittelt werden, um gegebenenfalls am Behälter 2 vorhandene Zu- oder Abflüsse zu steuern. Es können aber auch etwaige Informationen über den Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.

Innerhalb der Antenne 12 ist eine Prozessdichtung 121 , beispielsweise aus einem chemisch inerten Kunststoff, angeordnet, um das Füllstandsmessgerät 1 fluiddicht gegenüber dem Inneren des Behälters 2 abzudichten. Neben der Notwendigkeit einer fluidischen Abdichtung ist es jedoch zudem nötig, das Füllstandsmessgerät 1 vor Temperatureinflüssen aus dem Inneren des Behälters 2 zu schützen:

Je nach Einsatzzweck kann im Inneren des Behälters 2 eine Temperatur TB von bis zu mehr als 200 °C vorherrschen, beispielsweise aufgrund einer chemischen Reaktion, die das Füllgut 3 momentan durchläuft. Da die elektronischen Komponenten 1 1 1 , 131 des Feldgerätes 1 in der Regel jedoch nur bis zu einer Temperatur TE bis ca. 80 ° C ausgelegt sind, umfasst das Feldgerät 1 zu ihrem Schutz vor der thermischen Belastung einen

Gehäusehals 13, der zwischen der Antenne 12 und dem Gehäuse 1 1 angeordnet ist.

Zur Erzielung einer möglichst hohen Auflösung bei der Füllstandsmessung muss die Elektronik-Baugruppe 131 für die Hochfrequenz-Signalerzeugung nahe der Antenne 12 angeordnet sein. Der Grund dafür ist, dass die Einkopplung der elektromagnetischen Wellen SHF im Falle von hohen Sende- /Empfangs-Frequenzen, bspw. bei 79 GHz, die Einkopplung in die Antenne 12 bei einer weiten Entfernung sehr verlustbehaftet ist. Daher ist die Elektronik- Baugruppe 131 nicht im weiter entfernten Gehäuse 1 1 , sondern im näher an der Antenne 12 befindlichen Gehäusehals 13 angeordnet. Um die Elektronik- Baugruppe 131 dennoch vor etwaiger thermischen Belastung aus dem

Inneren des Behälters 2 zu schützen, weist der Gehäusehals 13 daher erfindungsgemäß einen derart geringen thermischen Widerstand Rth.G auf, dass bei einer Temperatur von mindestens 200 °C im Behälter 2 (bzw. am Ort der Antenne 12) die Temperatur TE der elektronischen Komponente 131 auf höchstens 80 °C ansteigt.

Eine detaillierte Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen

Füllstandsmessgerätes 1 ist in Fig. 2 gezeigt. In dieser Darstellung werden die Einflussgrößen des thermischen Widerstandes Rth.G genauer ersichtlich:

Neben dem Material, aus dem der Gehäusehals 13 gefertigt ist, sind dies vor allem die geometrischen Bemessungen des Gehäusehalses 13: Die Länge IG, der Außendurchmesser DG sowie die Wandstärke dG des Gehäusehalses 13 (in der gezeigten Darstellung weist der Gehäusehals 13 einen in etwa runden Querschnitt auf).

Wie sich beispielsweise eine Änderung der Wandstärke dG auf den

thermischen Widerstand Rth.G des Gehäusehalses 13 auswirkt, wird aus dem in Fig. 3 dargestellten Diagramm ersichtlich: Im Falle einer Temperatur von 200 °C im Behälter 2 und einer Erhöhung der Wandstärke dG von 2 mm auf 5.6 mm (dies entspricht einer Reduktion des thermischen Widerstandes Rth.G von ca. 19.04 Kelvin/Watt auf ungefähr 7.13 Kelvin/Watt, die sonstigen

Bemessungen bleiben unverändert bei DG = 80 mm, IG = 140 mm, λο = ^ ^ ~) verringert sich die Temperatur TE an der Elektronik-Baugruppe 131 von ca. 83 °C auf ungefähr 63 °C, welches nunmehr eine unkritische Temperatur für die Elektronik-Baugruppe 131 darstellt. Diesen Simulationswerten liegt die Annahme zugrunde, dass der Gehäusehals 13 bei einer Wandstärke dG von 5.6 mm zur thermischen Entkopplung der elektronischen Baugruppe 131 zusätzlichen einen 1 mm dicken thermisch isolierenden Einsatz 132 aus PPS an der Innenwand des Gehäusehalses 13 aufweist (siehe Fig. 2). Wie in Fig. 2 dargestellt, wäre es zu diesem Zweck außerdem möglich, im Gehäusehals 13 ein thermisches Isolationselement 135 (bspw. eine entsprechend

ausgestaltete Keramik mit einem hohen thermischem Widerstand) zwischen der elektronischen Komponente 131 und der Antenne 12 anzuordnen.

Aus dem Diagramm, das in Fig. 3 dargestellt ist, geht zudem hervor, dass mit der Verringerung des thermischen Widerstandes Rth.G eine leichte Erhöhung der Temperatur an der Geräte-Elektronik 1 1 1 im Gehäuse 1 1 einhergeht. Im Sinne der Erfindung kann dies allerdings in Kauf genommen werden, da die Temperatur der Geräte-Elektronik 1 1 1 weiterhin deutlich unterhalb von 80 °C verbleibt. Vielmehr wird erfindungsgemäß bewirkt, dass auch die im

Gehäusehals 13 befindliche Elektronik-Komponente 131 thermisch vom Behälter derart vom Behälter 2 entkoppelt wird, dass auch bei einer

Temperatur von 200 °C im Behälter 2 die Temperatur TE an der elektronischen Komponente 131 im Gehäusehals 13 unterhalb von 80 ° C verbleibt.

Bezugszeichenliste

1 Füllstandsmessgerät

2 Behälter

3 Füllgut

4 Übergeordnete Einheit

1 1 Gehäuse

12 Antenne

13 Gehäusehals

1 1 1 Geräte-Elektronik

121 Prozessdichtung

131 Elektronik-Baugruppe

132 Thermisch isolierende Schicht

133 Lösbare Verbindung

134 Lösbare Verbindung

135 Thermisches Isolationselement

AG Querschnittsfläche des Gehäusehalses a Abstand zum Füllgut

DG Außendurchmesser des Gehäusehalses dG Wandstärke des Gehäusehalses

EHF Elektromagnetische Wellen

H Einbauhöhe des Füllstandsmessgerätes

L Füllstand

IG Länge des Gehäusehalses

Rth.G Thermischer Widerstand des Gehäusehalses

TB Temperatur im Behälter

TE Temperatur an der Elektronik-Baugruppe G Wärmeleitkoeffizient des Gehäusematerials