Die Erfindung betrifft ein temperaturstabiles und kompakt auslegbares Füllstandsmessgerät.

In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der jeweiligen Prozessparameter sind in den entsprechenden Feldgeräten 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). Dabei ist prinzipiell eine umso höhere Mess-Auflösung erreichbar, je höher die Frequenz ist. Als Messverfahren haben sich das Pulslaufzeit-Verfahren und FMCW („Frequency Modulated Continuous l/l/ave“) etabliert. Näher beschrieben wird Radarbasierte 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. Im Inneren des Behälters herrschen jedoch je nach Anwendung hohe Temperaturen, hoher Druck oder gefährliche Gase vor. Daher wird die Sende-/Empfangs-Einheit im entsprechenden Bedarfsfall thermisch durch einen Messgeräte-Hals von der Antenne gekapselt. Insbesondere bei Radar-basierten Füllstandsmessgeräten, in deren Sende-/Empfangs-Einheit Radar- Frequenzen von 60 GHz oder höher implementiert sind, muss das Radar- Signal über einen zentrisch im Messgeräte-Hals verlaufenden Hohlleiter zur Antenne geführt werden. Da der Innendurchmesser des Hohlleiters mit zunehmenden Frequenzen, insbesondere ab 60 GHz, sehr klein dimensioniert sein muss, ist die Wandstärke des Hohlleiters entsprechend groß auszulegen, um eine ausreichende mechanische Stabilität bzw. Vibrationsfestigkeit zu gewährleisten. Daher ist es notwendig, den Hohlleiter bzw. den Messgerätehals entsprechend lang zu konzipieren, um den thermischen Widerstand des Hohlleiters groß zu halten, so dass der Wärmefluss minimiert wird und die Sende-/Empfangs-Einheit thermisch entkoppelt wird. Dies widerspricht allerdings der häufigen Anforderung, das Füllstandsmessgerät kompakt auszulegen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes und gleichzeitig thermisch gut isolierendes Füllstandsmessgerät auf Radar-Basis bereitzustellen.

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

- Ein Gehäuse,

- eine im Gehäuse angeordnete Sende-/Empfangs-Einheit, die ausgelegt ist, Radar-Signale zu erzeugen und anhand entsprechender Empfangs- Signale den Füllstand zu bestimmen,

- eine Antenne zum Aussenden der Radar-Signale gen Füllgut und/oder zum Empfang der Empfangs-Signale nach Reflektion an der Füllgut- Oberfläche, und

- einen zwischen der Antenne und dem Gehäuse angeordneten Messgeräte-Hals, mit einem im Messgeräte-Hals verlaufenden Hohlleiter, über weichen die Signale zwischen der Sende-ZEmpfangs- Einheit und der Antenne geführt werden. Dabei zeichnet sich das Füllstandsmessgerät durch ein thermisches Koppelelement aus, welches den im Inneren verlaufenden Hohlleiter thermisch mit dem Messgeräte-Hals koppelt. Dies entkoppelt die Sende- /Empfangs-Einheit thermisch stärker vom Behälter. Hierdurch kann eine besonders kompakte Bauweise des Messgeräte-Halses bzw. des Füllstandsmessgerätes erzielt werden, die sowohl den thermischen als auch den mechanischen Anforderungen gerecht wird.

Zur Realisierung des Koppelelementes kann prinzipiell jedes thermisch gut leitfähige Material, wie z.B. Metalle (Edelstahl, Aluminium, etc.), aber auch beispielsweise thermisch ausreichend leitfähige Keramiken (Aluminiumoxid- Keramik) oder mit thermisch leitfähigen Partikeln gefüllte Kunststoffe eingesetzt werden. Ausschlaggebend ist hierbei, dass das Koppelelement einen thermisch entsprechend geringen Widerstand aufweist, der vorzugsweise maximal 15 K/W beträgt. Auch die Position des Koppelelementes in Bezug zur Achse des Messgeräte-Halses ist prinzipiell frei wählbar. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Koppelelement demjenigen Endbereich des Hohlleiters bzw. des Gehäuse-Halses angeordnet ist, welcher der Sende-/Empfangs-Einheit zu- oder abgewandt ist, da es dort am wirkungsvollsten ist.

Besonders effizient wird die Sende-/Empfangs-Einheit thermisch entkoppelt, wenn das Koppelelement und die Oberfläche des Gehäuses jeweils einen thermischen Widerstand aufweisen, welche in Summe maximal ein Fünftel des thermischen Widerstandes der Sende-/Empfangs-Einheit zum Gehäuse hin betragen. Hierzu sind außerhalb des Koppelelements die Summe der beiden Querschnittsflächen des Gerätehals und des Hohlleiters möglichst klein auszulegen, damit deren thermische Widerstände in Summe bzw. die entsprechende thermische Isolation zur Sende-/Empfangs-Einheit hin möglichst groß sind. Dementsprechend kann der Hohlleiter so ausgelegt sein, dass er außerhalb des Koppelelementes thermisch vom Messgeräte-Hals isoliert ist. Da auch der thermische Widerstand des Gehäuses die Temperatur im Gehäuse-Inneren beeinflusst, ist es außerdem vorteilhaft, wenn das Gehäuse einen thermischen Widerstand aufweist, der maximal 5 K/W beträgt. Die erfindungsgemäße Idee kann zudem weiterentwickelt werden, indem dass das Koppelelement nicht nur eine thermische Verbindung zum Messgerät- Hals herstellt, sondern wenn mittels des Koppelelementes außerdem der Hohlleiter im Messgeräte-Hals fixiert werden kann. Hierzu können das Koppelelement und der Messgeräte-Hals beispielsweise ein korrespondierendes Schraubgewinde umfassen, mittels dem der Hohlleiter im Messgeräte-Hals befestigbar ist.

Aufgrund der filigranen Auslegung des Hohlleiters ist das erfindungsgemäße Konzept hinsichtlich kompakter Bauweise besonders vorteilhaft, wenn die Sende-/Empfangs-Einheit die Radar-Signale mit einer Frequenz von 60 GHz oder höher erzeugt, bzw. entsprechende Empfangs-Signale verarbeitet. Dabei versteht sich unter dem Begriff „Einheit“ im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen, 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 des Moduls auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.

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

Fig. 1 : Ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät an einem Behälter, Fig. 2: eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen

Füllstandsmessgerätes, und

Fig. 3: ein vergrößerter Ausschnitt der Querschnittsansicht im Bereich des Messgeräte-Halses.

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.

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 gegebenenfalls Zuoder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.

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 eine Antenne 13 des Füllstandsmessgerätes 1 in den Behälter 3 hinein vertikal nach unten gen Füllgut 2 gerichtet ist, während die weiteren Komponenten 11 , 14 des Füllstandsmessgerätes 1 außerhalb des Behälters 3 angeordnet sind. Über die Antenne 13 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 13. 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 der Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit, das heißt der Lichtgeschwindigkeit entspricht. 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. Zur Bestimmung der Signallaufzeit t bzw. des Füllstandes L anhand des eingehenden Empfangs-Signals RHF dient eine entsprechend ausgelegte Sende-/Empfangs-Einheit 12 des Füllstandsmessgerätes 1 , in welcher beispielsweise das FMCW- oder das Pulslaufzeit-Messprinzip implementiert ist. Außerdem dient die Sende- /Empfangs-Einheit 12 zur Erzeugung der auszusendenden Radar-Signale SHF. Bei der in Fig. 2 bzw. Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante ist die Sende- /Empfangs-Einheit 11 innerhalb des Geräte-Gehäuses 14 bspw. als monolithisch gekapseltes SMD-Bauteil auf einer der Antenne 13 zugewandten Seite einer Leiterplatte angeordnet.

Fig. 1 verdeutlicht, dass das Gehäuse 11 des Füllstandsmessgerätes 1 über einen Messgeräte-Hals 14 von der Antenne 13 bzw. vom Behälter 3 beabstandet ist, um die dort untergebrachte Sende-/Empfangs-Einheit 12 thermisch vom Behälter-Inneren zu entkoppeln. Daher wird die Antenne 13 über einen Hohlleiter 141 an die Sende-/Empfangs-Einheit 12 angekoppelt, welcher von der Sende-/Empfangs-Einheit 12 in Bezug zur Leiterplatte orthogonal ausgeht und entlang der Achse des Messgeräte-Halses 14 verläuft. Dabei ist der Hohlleiter 141 zwecks Hochfrequenz-Leitfähigkeit und mechanischer Stabilität aus einem Metall, wie bspw. Edelstahl gefertigt. Abgesehen von den Endbereichen des Hohlleiters 141 ist dieser so bemessen, dass der Hohlleiter 141 von der Wandung des Messgeräte-Halses 14 beabstandet ist. Durch den resultierenden Hohlraum wird der Hohlleiter 141 in diesem Bereich thermisch vom Messgeräte-Hals 14 isoliert.

Wie insbesondere in der vergrößerten Darstellung von Fig. 3 zu erkennen ist, umfasst der Hohlleiter 141 als monolithischen Bestandteil an demjenigen Endbereich, welcher der Sende-Empfangs-Einheit 12 zugewandt ist, ein thermisches Koppelelement 142 zur Innenwand des Messgeräte-Halses 14 hin. Vorteilhaft hieran ist, dass die Sende-/Empfangs-Einheit 12 hierdurch thermisch besser vom Behälter 3 entkoppelt wird. Hierdurch kann der Messgeräte-Hals 14 kürzer ausgelegt werden, ohne dass die Sende- /Empfangs-Einheit 12 im Zweifelsfall thermisch überlastet wird. Somit kann das Füllstandsmessgerät 1 insgesamt kompakter ausgelegt werden. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerätes 1 ist der Hohlleiter 142 außerdem über das Koppelelement 142 im Messgeräte-Hals 14 befestigt, indem das Koppelelement 142 außenseitig mit einem Außengewinde konzipiert ist. Dabei umfasst der Messgerätes-Hals 14 im Inneren ein korrespondierendes Innengewinde, um eine entsprechende Schraubverbindung 143 auszubilden. Somit entfällt eine zusätzliche Befestigung des Hohlleiters 141 im Messgeräte- Hals 14.

Anhand des Ersatzschaltbildes in Fig. 2 wird die Funktionsweise des thermischen Koppelelementes 142 besser verständlich, wobei die thermischen Widerstände folgender Komponenten in Kelvin/Watt berücksichtigt sind:

R1 : Thermischer Widerstand in der Antenne 13

R2: Thermischer Widerstand im Hohlleiter 141 R3: Thermischer Widerstand des Messgeräte-Halses 14

R4: Thermischer Widerstand des Koppelelementes 142

R5: Thermischer Widerstand Sende-/Empfangs-Einheit 12 - Gehäuse 11 R6: Thermischer Widerstand im Gehäuse 11

R7: Thermischer Übergangs-Widerstand vom Gehäuse 11 zur Umgebung

Das Ersatzschaltbild macht deutlich, dass es potenziell zwei parallele Pfade, R3 in Reihe mit R6 sowie R2 in Reihe mit R5, zur Ableitung von Wärme- Energie aus dem Behälter-Inneren gibt. Dabei wird davon ausgegangen, dass die gesamte Wärme-Energie über die Antenne 13 eingekoppelt und über das Gehäuse 11 ausgekoppelt wird, so dass sich deren thermische Widerstände R1 , R7 in Reihe vor bzw. nach den parallelen Pfaden anschließen. Zu einer optimalen Wärme-Ableitung sollte der thermische Übergangs-Widerstand R7 vom Gehäuse 11 zur Umgebung möglichst gering sein, um die Temperatur an der Sende-/Empfangs-Einheit 12 niedrig genug zu halten. Ausschlaggebend für den Wert des thermischen Widerstandes R7 ist die Gehäuse-Oberfläche und das Material des Gehäuses 11 , wobei ein Wert im Bereich von 2 K/W erreicht werden kann. Dadurch bedingt, dass die Antenne 11 zu ihrer Funktion eine definierte Größe aufweisen und aus einem metallischen Material gefertigt sein muss, ist ihr thermischer Widerstand R1 im Wesentlichen nicht beeinflussbar und weist mit Werten um ca. 4K/W eine vergleichsweise hohe thermische Leitfähigkeit auf.

Bei dem ersten parallelen Pfad zwischen R1 und R7 bzw. der Antenne 13 und dem Gehäuse 11 handelt es sich um die thermischen Widerstände R3, R6 des Messgeräte-Halses 14 und des anschließenden Gehäuses 11 , wobei beide Widerstände einen vergleichsweise geringen thermischen Widerstand von unter 10 K/W aufweisen.

Der zweite parallele Pfad bildet sich aus dem thermischen Widerstand R2 im Hohlleiter 141 zur Sende-ZEmpfangs-Einheit 12 und dem anschließenden Widerstand R5 von der Sende-ZEmpfangs-Einheit 12 über das Gehäuse- Innere zum Gehäuse 11 . Dabei weist der Hohlleiter 141 aufgrund seiner zwangsweise metallischen Auslegung und der erforderlichen Mindest- Querschnittsfläche einen relativ niedrigen thermischen Widerstand R2 von unter 100 K/W auf, während der thermische Widerstand der Sende- /Empfangs-Einheit 12 zum Gehäuse 11 mit Werten um 150 K/W im Vergleich hierzu sehr hoch ist.

Dadurch bedingt, dass der von der Sende-ZEmpfangs-Einheit 12 ausgehende thermische Widerstand R5 unter allen Widerständen R1-R7 den größten Wert aufweist, führt dies in Verbindung mit der thermischen Leitfähigkeit des Hohlleiters 141 zu einem entsprechenden Wärme-Stau im Gehäuse 11. Ohne das thermische Koppelelement 142 beträgt die Temperatur an der Sende- ZEmpfangs-Einheit 12 ca. 70° C, sofern im Behälter 3 eine Temperatur von 150° C und eine Außentemperatur von 20° C vorherrscht. Durch das Koppelelement 142 wird die Temperatur an der Sende-ZEmpfangs-Einheit 12 auf ca. 55° C reduziert. Im Ersatzschaltbild äußert sich dies dadurch, dass die zwei parallelen Pfade durch den thermischen Widerstand R4 des Koppelelementes 142 zwischen R2 und R5 bzw. R3 und R6 miteinander verbunden werden. Somit wird der hohe thermische Widerstand von R5 zu einem großen Anteil über den niedrigen thermischen Widerstand von R6 umgangen. Diesbezüglich ist es auslegungstechnisch sinnvoll, dass das Koppelelement 142 und die Oberfläche des Gehäuses 11 jeweils einen thermischen Widerstand R4, R6 aufweisen, der in Summe maximal ein Fünftel des thermischen Widerstandes R5 der Sende-ZEmpfangs-Einheit 12 zum Gehäuse 11 hin beträgt. Um ohne das Koppelelement 142 eine Temperatur von ca. 55° C zu erreichen, wäre es notwendig, die Länge des Messgeräte- Halses 14 entsprechend zu verlängern, so dass sich dessen thermischer Widerstand R3 sowie der Widerstand R2 des Hohlleiters 141 erhöhen. Dies verhindert jedoch eine kompakte Bauweise.

Bezugszeichenliste

1 Füllstandsmessgerät

2 Füllgut

3 Behälter

4 Übergeordnete Einheit

11 Gehäuse

12 Sende-/Empfangs-Einheit

13 Antenne

14 Messgeräte-Hals

141 Hohlleiter

142 Thermisches Koppelelement

143 Schraubgewinde

A Vergrößerter Ausschnitt d Entfernung h Einbauhöhe

L Füllstand

RHF Reflektiertes Radar-Signal

R1 : Thermischer Widerstand in der Antenne 13

R2: Thermischer Widerstand im Hohlleiter 141

R3: Thermischer Widerstand des Messgeräte-Halses 14

R4: Thermischer Widerstand des Koppelelementes 142

R5: Thermischer Widerstand Sende-/Empfangs-Einheit 12 - Gehäuse 11

R6: Thermischer Widerstand im Gehäuse 11

R7: Thermischer Übergangs-Widerstand vom Gehäuse 11 zur Umgebung

SHF Radar-Signal