DE3044353C2

DE3044353C2 - Vorrichtung zur Feststellung des Erreichens eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter

Info

Publication number: DE3044353C2
Application number: DE19803044353
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. 7860 Schopfheim Kompa
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1980-11-25
Filing date: 1980-11-25
Publication date: 1986-01-09
Also published as: DE3044353A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung ge-

55

60

maß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer aus der DE-AS 12 45 159 bekannten Vorrichtung dieser Art ist der Metallstab der Innenleiter eines koaxialen Resonanzhohlraums, der den frequenzbestimmenden Schwingkreis eines Oszillators bildet. Der Resonanzhohlraum entspricht einem ICoaxialleitungsstück, das am einen Ende kurzgeschlossen ist. Die Länge des Außenleiters beträgt eine gerade Anzahl von Viertelwellenlängen der gewünschten Frequenz. Der Innenleiter ist um eine Viertelwellenlängc länger als der Außenleiter und ragt aus dem elektrisch offenen, mit einer isolierenden Abdeckung versehenen anderen Ende des Resonanzhohlraums hervor, so daß dev überstehende Abschnitt des Innenleiters als Antenne wirkt. Der Oszillator ist über Leiter, die durch Öffnungen im Außenleiter hindurchgeführt sind, im Innern des Resonanzhohlraums mit dem Innenleiter galvanisch gekoppelt, wie dies für Leitungsresonatoren auch aus Meinke-Gundlach »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik«, 3. Auflage, 1968, Seiten 460-468, bekannt ist. Bei Annäherung des Füllguts an die Antenne wird der Resonanzhohlraum belastet, so daß schließlich die HF-Schwingungen des Oszillators aussetzen. Die Aus*, ertungsschaltung spricht auf das Aussetzen der Schwingungen an und zeigt dadurch das Erreichen des vorbestimmten Füllstands an. Bei einer Vorrichtung dieser Art kann das Füllgut nicht das ganze, im Innern des Resonanzhohlraums bestehende Feld beeinflussen, sondern nur den über den Antennenabschnitt des Innenleiters ausgekoppelten Feldanteil. Es besteht daher die Gefahr von Fehlmeldungen. Wenn das Füllgut so beschaffen ist, daß es bei Annäherung an die Antenne nur eine Verstimmung des Resonators verursacht, ändert sich lediglich die Schwingungsfrequenz des Oszillators, so daß die Auswertungsschaltung keinen Schwingungsabriß feststellt und somit das Erreichen des vorbestimmten Füllstands nicht anzeigt Bei Füllgut, das zur Ansatzbildung neigt, kann andrerseits das an der Sonde haftende Füllgut den Schwingungsabriß verursachen und dadurch das Vorhandensein des vorbestimmten Füllstands vortäuschen, obwohl der Behalte.* bereits wieder ganz oder teilweise entleert ist

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, die bei kostengünstigem und raumsparendem Aufbau bei den verschiedensten Arten von Füllgütern einsetzbar ist und keine Ansatzempfindlichkeit zeigt

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung hat die Sonde einen sehr einfachen, raumsparenden und betriebssicheren Aufbau, da der an der Stirnfläche des Trägerkörpers befestigte Metallstab zugleich als Antenne und als Resonator wirkt. Im Vergleich zu dei bekannten Vorrichtung entfällt der durch den Außenleiter gebildete Hohlraumresonator und das Problem seiner Unterbringung. Als Trägerkörper kann daher beispielsweise ein in die Wand des Behälters einschraubbares Einschraubstück verwendet werden, an dessen Stirnfläche der Metallstab zentrisch angebracht ist Die Funktion der Sonde ist weitgehend unabhängig von der Art des Füllguts und insbesondere unempfindlich gegenüber Ansatzbildungen. Andrerseits ergibt sich eine gute Ansprechempfindlichkeit, weil das gesamte elektromagnetische Feid des Resonators zu Meßzwecken ausgenutzt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt

F i g. 1 e>ne Frinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

F i g. 2 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Sonde.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung zur Feststellung des Erreichens eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter enthält einen HF-Generator 1, eine Sonde 2 und eine Auswertungsschaltung 3. Die vom HF-Generator 1 erzeugte Energie wird dem Eingang 4 der Sonde 2 über eine HF-Leitung 5, beispielsweise eine Leitung mit dem Wellenwiderstand 50 Ohm, zugeführt.

Die Auswertungsschaltung 3 ist über eine ebensolche HF-Leitung 6 mit dem Ausgang 7 der Sonde 2 verbunden.

Die Sonde 2 enthält einen Oberflächenwellenresonator 8, der so ausgebildet ist, daß seine Resonanzfrequenz gleich der Betriebsfrequenz des HF-Generators 1 ist. Zur eingangsseitigen Impedanzanpassung ist zwischen den Eingang 4 der Sonde und den Oberflächenwellenresonator 8 eine Impedanz-Anpassungsschaltung 9 eingefügt, und zur ausgangsseitigen Impedanzanpassung ist zwischen den Oberflächenwellenresonator 8 und den Ausgang 7 eine Impedanz-Anpassungsschaltung 10 eingefügt

Der Aufbau der Sonde 2 geht aus F i g. 2 hervor. Die Sonde 2 ist als Einschraubstück 11 ausgebildet, das einen Sechskantkopf 12 und einen mit einem Außengewinde 13 versehenen Schaft 14 aufweist Mit Hilfe des Außengewindes 13 kann die Sonde 2 in eine Öffnung in der Wand 15 eines Behälters geschraubt werden, in dem das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes festgestellt werden soIL

An der in F i g. 2 rechts liegenden Stirnfläche 16 des Schafts 14 des Einschraubstücks 11 ist zentrisch ein mit einer dielektrischen Schicht 17 überzogener Metallstab 18 angebracht, der elektrisch leitend mit der als Kurzschlußebene wirkenden Stirnfläche 16 des Schafts 14 verbunden ist. Der mit der dielektrischen Schicht 17 überzogene Metallstab 18 bildet den Oberflächenwellenresonator 8.

Im Sechskantkopf 12 des Einschraubstücks 11 ist eine Ausnehmung 29 angebracht, in der die Anpassungsschaltungen 9 und 10 untergebracht sind. Diese Anpassungsschaltungen 9 und 10 sind in Dünnschichttechnik auf einem Substrat 19 gebildet. Sie haben die Aufgabe, eine möglichst reflexionsfreie Energieübertragung vom HF-Generator 1 zum Metallstab 18 und von diesem zur Auswertungsschaltung 3 zu gewährleisten.

Zur Ankopplung der dem Eingang 4 zugeführten HF-Energie an den Metallstab 18 wird ein Leiter 20 verwendet, der sich ausgehend von der Anpassungsschaltung 9 durch eine Bohrung 21 im Schaft 14 erstreckt und vor der Stirnfläche 16 zur Bildung einer induktiven Koppelschieife 22 mit dem Metallstab 18 verbunden ist Zum Auskoppeln von Energie vom Metallstab 18 wird ebenfalls ein eine induktive Koppelschleife 23 bildender Leiter 24 verwendet, der sich durch eine Bohrung 25 im Schaft 14 erstreckt und mit der Anpassungsschaltung 10 verbunden ist. Zur elektrischen Isolation sind die Leiter 20 und 24 in Glasdurchführungen 26 bzw. 27 aus einem Silikatglas in den Bohrungen 21 bzw. 25 eingeschmolzen. Die Koppelschleifen 22 und 23 können in einen dielektrischen Schutzüberzug 28 eingebettet sein.

Der Metallstab 18 hat eine Länge, die gleich einem Viertel der Wellenlänge A₅ der sich auf ihm bildenden Oberflächenwellen ist. Er bildet daher einen sogenannten /2/4-Resonator. Es ist auch eine andere Länge möglich, wobei jedoch die Bedingung erfüllt sein muß, daß die Länge gleich (2n-\)AJA \s\.(n = 1,2, ...).

Im Betriebszustand wird die Sonde 2 aus dem HF-Generator 1 mit einer Frequenz gespeist, die gleich der Resonanzfrequenz des Oberflächenwellenresonators 8 ist. In diesem Resonanzfall nimmt der Resonator die maximale Energie auf, und mittels der Induktionsschleife 23 kann ein maximaler Energiewert ausgekoppelt und über die Anpassungsschaltung 10 an den Ausgang 7 übertragen werden. Wenn nun das Füllgut im Behälter in die Nähe des Oberflächenwellenresonators 8 kommt, wirkt sich dies wie eine kapazitive Belastung des Oberflächenwellenresonators 8 aus, die zu einer Verstimmung des Resonators führt. Wegen dieser Verstimmung liegt keine reflexionsfreie Ankopplung zwischen Generator und Resonator mehr vor, so daß nicht mehr die gleiche Energie wie im Resonanzfall zum Resonator übertragen werden kann. Demzufolge kann auch die Koppelschleife 23 nicht mehr so viel Energie auskoppeln und dem Ausgang 7 zuführen. Mit fortschreitender Annäherung des Füllguts an den Oberflächenwellenresonator 8 läßt sich ein sehr scharfer Abfall der von der Koppelschleife 23 ausgekoppelten Energie feststellen. Die am Ausgang 7 angeschlossene Auswertungsschaltung kann das Abfallen der ausgekoppelten Energie unter einen vorbestimmten Schwellenwert feststellen und als Reaktion darauf ein Signal erzeugen, das beispielsweise das Erreichen des vorbestimmten Füllstandes anzeigt oder auch einen Schaltvorgang auslöst.

Die Sonde 2 ist gegen Füllgutansatz weitgehend unempfindlich, da die Oberflächenwellen, mit denen am Oberflächenwellenresonator 8 gearbeitet wird, von einem auf der Oberfläche des Metallstab- 28 befindlichen Ansatz nicht beeinflußt werden; bei OberflLchenwellen · erfolgt der Leistungstransport ja im wesentlichen außerhalb des Leiters in dem den Resonator umgebenden Luftraum.

Die besuiriebene Sonde kann auch in explosionsgefährdeter Umgebung eingesetzt werden, da die Glasdurchführungen 26,27, in die die Leiter 20 und 24 eingeschmolzen sind, sehr dicht sind. Die Glasdurchführungen 26,27 sind auch sehr druck- und temperaturfest, was die Einsatzmöglichkeiten der Sonde auf schwierigste Anwendungsgebiete erweitert.

Der Oberflächenwellenresonator 8 kann auch durch einen Metallstab mit gerippter Oberfläche oder auch durch jede andere bekannte Art eines Oberflächenwellenleiters gebildet sein, beispielsweise einen unbeschichteten Metallstab mit glatter Oberfläche.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Feststellung des Erreichens eines vorbestimmten Füllstandes in einem Behälter, mit einer in den Behälter ragenden Sonde, die einen am einen Ende mit einer Kurzschlußebene verbundenen Metallstab aufweist und als Resonator ausgebildet ist, der bei Annäherung durch das Füllgut bedämpft und/oder verstimmt wird, einem mit dem Metallstab gekoppelten HF-Generator zur Erregung einer HF-Welle auf dem Metallstab, wobei die Länge des Metallstabs ein Viertel der Wellenlänge der auf ihm erregten H F-Welle oder ein ganzzahliges Vielfaches davon beträgt, und mit einer mit dem Metallstab gekoppelten Auswerteschaltung, die auf die Amplitude der H F-Welle auf dem Metallstab anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstab (18) von der die Kurzschlußebene bildenden Stirnfiiche (16) eines Trägerkörpers (11) in den Behälter rsgt und daß der HF-Generator (1) und die Auswerteschaltung (3) an den Metallstab (18) über Leiter (20, 24) angekoppelt sind, die durch Bohrungen (21,25) in dem Trägerkörper (11) geführt und an der Stirnfläche (16) unter Bildung von induktiven Koppelschleifen (22,23) mit dem Metallstab (18) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstab (18) mit einer dielektrischen Schicht (17) überzogen ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallstab (18) eine gerippte Oberfläche hat

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzt.chnet, daß der Trägerkörper ein in die Wand (15) des Behälters einschraubbares Einschraubstück (11) ist, an dessen zum Inneren des Behälters gerichteter Stirnfläche (16) der Metallstab (18) zentrisch angebracht ist und das mit einer Ausnehmung (29) versehen ist, in der Impedanz-Anpassungsschaltungen (9, 10) angebracht sind, die zwischen die mit dem Metallstab (18) verbundenen Leiter (20, 24) und den Ausgang des HF-Generators (1) bzw. den Eingang der Auswerteschaltung (3) eingefügt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (20,24) durch in den Bohrungen (21,25) angebrachte Glasdurchführungen (26,27) verlaufen.

so