CN103594760B - 微波窗和根据雷达原理工作的填充状态测量系统 - Google Patents

微波窗和根据雷达原理工作的填充状态测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微波窗和根据雷达原理工作的填充状态测量系统，具体而言，说明和示出了一种用于在空间上压力密封且防扩散地分隔且以微波来连接第一腔室(2)与第二腔室(3)的微波窗(1)，带有具有彼此相对而置的两个侧部(6,7)的、微波可至少部分地穿透的屏障物(8)。本发明的目的在于提出一种微波窗，其使得能够可靠地闭合工艺腔室且实现精确的测量。对于所讨论的微波窗(1)，该目的由此实现，即屏障物(8)设计成盘状，并且在屏障物(8)的至少一个侧部(6,7)上布置有包括基本上均匀的主体的、平凸的非传导性的至少一个透镜(9)。此外，本发明涉及一种根据雷达原理工作的填充状态测量系统。

Description

微波窗和根据雷达原理工作的填充状态测量系统
技术领域
本发明涉及一种用于在空间上压力密封和防扩散地分隔且以微波来连接第一腔室与第二腔室的微波窗(Mikrowellenfenster)，带有具有彼此相对而置的两个侧部的、微波可至少部分地穿透的屏障物(Barriere)。此外，本发明涉及一种根据雷达原理工作的填充状态测量系统(Füllstandmesssystem)，带有：产生电磁辐射的至少一个电子构件、发射电磁辐射和接收至少一种电磁辐射的至少一个天线以及至少一个微波窗。
背景技术
在工业测量技术中经常使用雷达式填充状态测量仪器，以便确定在容器(如箱或料仓)内部的介质(例如液体、松散物料或甚至泥浆)的填充状态。通过测量仪器转换的运行时间方法在此建立在物理的规律性之上，即例如电磁信号的运行距离等于运行时间与传播速度的乘积。在测量容器中的介质(例如液体或松散物料)的填充状态的情况中，运行距离相当于在发射且再次接收电磁信号的天线与介质的表面之间的双倍的距离。有用回波信号－即在介质的表面处经反射的信号－和其运行时间根据所谓的回波函数或数字化的包络线来确定。包络线将回波信号的幅度表现为“天线－介质的表面”的距离的函数。填充状态的值可随后由在天线至容器的底部的已知的距离与介质的表面至天线的通过测量确定的距离之间的差算出。所发送和接收的电磁信号主要为微波辐射。
根据介质的类型或所存在的工艺条件，在容器中可存在负压或非常高的超压、非常低或非常高的温度，此外，介质可为极其侵蚀性的和/或腐蚀性的。在大多数情况下还要求密封容器，使得介质不可泄漏到环境中。为了满足这种普遍的和甚至特定地对于测量仪器的也许敏感的组成部分(例如电子构件的温度敏感性)来说重要的安全性方面，在现有技术中已知开头所提到的微波窗。在存在高压的情况下，这种窗优选地包括玻璃或陶瓷(例如Metaglas、石英玻璃或硼硅玻璃)，或者在降低的所需要的抗压强度的情况下包括塑料，例如聚丙烯、聚四氟乙烯或聚醚醚酮(PEEK)。
文件DE 195 42 525 C2说明了一种微波窗，其布置在空心轴导体之内。这种空心轴导体通常用来在产生信号或处理所接收的信号的电子构件与发射或接收电磁信号的天线之间传递电磁信号。微波窗一方面在容器的内腔与外腔之间引起压力密封和防扩散的分隔，而另一方面引起微波在腔室之间进行传递。
由电子构件产生通常呈球面波形式的电磁辐射，为了测量填充状态和因此为了发射到容器中(在该容器中存在待确定其填充状态的介质),将该电磁辐射转化成平面波。将在介质的表面处反射的波相反地重新转化成球面波。为此在现有技术中设置成使用透镜(例如参见文件WO 2011/110560 A1)。在公开文件DE 44 07 823 A1中说明了一种组件，在其中，在分隔天线与工艺腔室的板上布置有薄片作为非均匀的透镜。
发明内容
本发明的目的在于提出一种微波窗和设有该微波窗的填充状态测量系统，其使得能够可靠的闭合工艺腔室且实现精确的测量。
根据本发明，对于所讨论的微波窗，所呈现的目的首先且主要如此解决，即将屏障物设计成盘状，并且此外在屏障物的至少一个侧部上布置有非传导性的至少一个透镜，该透镜包括基本上均匀的主体且平凸地来设计。如果谈论屏障物设计成盘状，那么因此意指屏障物扁平状地配备有基本上面平行的两个主侧面。多件式的结构具有这样的优点，即接收压力和形成场的构件可彼此不相关地来制造，从而总体上在设计和生产微波窗时必须接受更少的妥协。
优选地，屏障物主要具有带有基本上圆形的基面的柱体的形状，这在相应地探测和加载压力时引起在周向上均匀的机械负荷；这相对于有棱角的或多边形地成边的基面是有利的。除了压力密封和防扩散地分隔开两个腔室(也就是说尤其使工艺腔室与环境分隔开)之外，此外，屏障物主要还用作电势隔离或热隔离。为了填充状态测量尤其如此地设计屏障物使得其具有对穿过其的电磁辐射的尽可能小的衰减。在一设计方案中，屏障物的高度取决于所需要的抗压强度。如果屏障物例如为带有大约45mm的直径的玻璃体，那么在高达最大40bar的抗压强度的情况下该高度例如为20mm，而在最大压力为16bar的情况下为15mm。
在屏障物的至少一个侧部上存在非传导性的－即包括绝缘材料的－透镜，其包括基本上均匀的主体。如果现有技术例如显示了用于实现非均匀的透镜的薄片结构(例如参见文件DE 44 07 823 A1)，那么在根据本发明的微波窗中透镜由具有匀质的－也就是说均匀的结构，其例如尤其不具有非连续性或空隙，如薄片－的主体形成。此外，透镜平凸地来设计且为此在一侧部上是平坦的而在相对而置的侧部上是凸状的。该透镜一般用来将球面波转化成平面波和将平面波转化成球面波。优选地，该透镜可将在介质处反射的波聚焦到天线中，从而提高测量精确性，因为避免了在工艺腔室之外的损失。
根据本发明的微波窗在此总地至少以两部分来设计，就此而言，屏障物和至少一个透镜为单独的两个组成部分。优选地，在此，透镜的波阻抗(Feldwellenwiderstand)依赖于屏障物的波阻抗且依赖于腔室的波阻抗来设计，其存在于透镜的背对屏障物的侧部上。
在一设计方案中设置成屏障物至少部分地包括玻璃。屏障物尤其为包围或熔合到金属环或其它的金属边缘(例如，作为法兰的部件)中的玻璃，其尤其实施为视孔玻璃。备选地，屏障物包括塑料或陶瓷。屏障物优选与所选取的材料无关地齐平地以起包围作用的元件(例如法兰)来封闭。
在一备选的或补充的设计方案中，至少一个透镜至少部分地包括塑料。用于相应的塑料的示例为：聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚酰胺(PA)。透镜在此尤其均匀地实施成单件。
在一设计方案中，至少一个透镜与屏障物粘在一起，而在一补充的或备选的设计方案中通过至少一个固定装置相对于屏障物夹紧。在一附加的设计方案中，在透镜与屏障物之间的连接通过螺栓连接来实现。
在一设计方案中设置有至少一层涂层，该涂层位于至少一个透镜与屏障物之间或者该涂层布置在至少一个透镜的背对屏障物的侧部上。在一设计方案中，在透镜的两个侧部上各存在至少一层涂层。涂层在此例如相对于环境影响或相对于污染提高了抵抗力。在一备选的或补充的设计方案中，涂层用来破坏性干涉在微波窗的边界层处反射的波。
在一设计方案中，在屏障物的两个侧部上各存在至少一个透镜。透镜在此是相同的或不同的，且至少一个透镜根据上述变型方案中的至少一种来设计。在一设计方案中，位于工艺腔室中－即在朝介质(其填充状态可确定)的方向上－的透镜具有滴落尖端(Abtropfspitze)。
在一设计方案中，微波窗的尺寸如下：屏障物抗压直至大致40bar且至少部分地包括硼硅玻璃。在基面的直径大致为45mm时，屏障物的高度大致为20mm。至少一个透镜在此至少部分地包括带有大致1.31g/立方厘米的密度的聚醚醚酮。均匀的透镜体在此建造成包括盘状的基面(其面向屏障物且具有大致65mm的直径和大致5mm的高度)和紧接到该基面处的凸状区段(其带有大致2.7mm的高度和大致95mm的半径)。
此外，在本发明的其它的教导中对于开头提到的根据雷达原理工作的且具有根据上述设计方案中的一种实施的微波窗的填充状态测量系统来说之前导出和呈现出的目的由此来解决，即设置有具有至少一个内腔的至少一个壳体。在此，在内腔中布置有天线的端部。内腔至少在天线的端部与微波窗之间没有材料(即例如仅以空气来填充或被抽空)和/或没有减弱电磁辐射的材料。此外，经由微波窗使以平面波的形式存在的电磁辐射至少部分地作为呈球面波的形式的电磁辐射聚焦到天线的相位中心中。相位中心通常理解成天线的电子参考点。从天线发射的辐射的接收地来观察，天线辐射从该中心发出。微波窗或更具体地讲至少一个透镜或两个透镜结合屏障物使在介质的表面处反射的波作为球面波聚集到天线上。此外，窗还相反地用来将由电子构件产生的呈球面波形式的电磁波转化成平面波。天线在此例如设计为喇叭状辐射器、带状传导天线等等。
为了降低在边界层处反射的辐射的效果，在一设计方案中，在壳体的内腔中设置有至少部分地吸收电磁辐射的至少一个吸收元件。在此，例如涉及泡沫式吸收器或可导电的塑料。在一备选的或补充的设计方案中，壳体至少部分地作为屏蔽部对电磁辐射起作用，或者在壳体中或在壳体处设置有相应的屏蔽部。如果壳体尤其部分地设计成可导电，那么在壳体的可导电的区段与天线之间存在起电绝缘作用的至少一个元件。
关于天线的设计，在一变型方案中，至少一个天线沿着微波窗的纵轴线布置。在另一设计方案中设置有多个天线。而在一种备选的或补充的变型方案中，至少一个天线设计成可在壳体之内运动。
在一设计方案中，为产生在频率范围80GHz中的电磁辐射的电子构件设置如下尺寸：至少一个天线占有具有大致2.6mm的内径的至少一个圆形波导管(Rundhohlleiter)和基本上锥状地扩张的端部。天线本身在此基本上沿着微波窗的纵轴线布置。在屏障物的侧部(其面向天线)与圆形波导管的端部(基本上锥状地扩张的端部联接到该端部处)之间的间距大致为50mm。大致锥状地扩张的端部从大致2.6mm的直径以3mm的长度扩张到大致4.8mm的直径。
附图说明
具体存在多种可能性来设计和改进根据本发明的微波窗和根据本发明的填充状态测量仪器。为此结合附图一方面参考从属于专利权利要求1或7的专利权利要求，另一方面参考实施例的随后的说明。其中：
图1显示了填充状态测量和根据本发明的填充状态测量系统的示意性的和未按比例的图示，
图2显示了通过图1的组件的未符合比例的部件的截面，以及
图3显示了填充状态测量系统的备选于图1和2的变型方案的设计方案的部件。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了测量组件。图2显示了通过该组件的部件的截面。在图3中示出了测量组件的备选的设计方案的部件。
图1显示了如何将根据本发明的微波窗1布置在第一腔室2与第二腔室3之间。第二腔室3在此为内腔，其由容器4包围且在其中存在介质5。第一腔室2为围绕容器4的环境。微波窗1具有两个侧部6、7，其中，侧部6面向第一腔室2，即此处面向环境，而另一侧部7面向容器4的内腔，即面向第二腔室3。
用于使用来测量介质5的填充状态的微波(即测量信号)的通道通过屏障物8来提供，该屏障物例包括由玻璃、陶瓷或塑料并且对于微波是可穿透的。微波窗1为带有整个布置在容器4之外的真正的测量仪器(其在此处示出为带有电子构件16、天线17和壳体19)的填充状态测量系统15的部件。因此填充状态测量系统15总地包括单独的测量设备和引进到容器4中的窗1。由天线17作为测量信号发射的电磁辐射(其尤其为微波)穿过微波窗1到达到在容器4中的第二腔室3中。在介质5的表面处反射的微波信号返回地重新穿出通过微波窗1到围绕容器4的第一腔室2中，以便由天线17接收且由电子构件16评估或再处理。
在图2中示出了通过示意性的微波窗1和与该微波窗相连接的测量系统的截面。窗1使作为环境的第一腔室2与作为工艺腔室的第二腔室3彼此分开，并且在此同时承担微波的通路以用于测量填充状态。在该设计方案中，在屏障物8的面向外部区域的侧部6上和在屏障物8的面向容器的内腔的侧部7相应存在透镜9。两个透镜9在此相应设计为均匀的主体且经由固定装置10相对于屏障物8夹紧。在此处平凸的透镜9与屏障物8之间且相应在透镜9的背对屏障物8的侧部上相应存在涂层11。透镜9相应具有两个区域。相应地，圆的基面12直接邻接到屏障物8处，透镜的本来凸状区段13紧接在该基面处。
屏障物8尤其设计为熔合在法兰14的金属边缘中的玻璃。
在容器之外且在附图中在窗1的上方存在用于产生和处理待发送或待接收的电磁辐射的电子构件16。发射或接收在此通过天线17来进行，在其中，尤其锥状地放宽的端部20位于布置在窗1之上的壳体19的内腔18中。在壳体19的内壁处设置有吸收元件21，其例如至少部分地吸收在窗1的边界层处反射的或未最优地聚集的电磁辐射。由此尤其减少所谓的天线振铃(Anntennenklingeln)，其由由于在屏障物8处或在天线17处的反射的干扰信号引起。
壳体19在此导电地设计成用来对电磁辐射进行屏蔽。因此在壳体19与天线17之间存在起电绝缘作用的元件22。
总体上，天线17布置成沿着窗1的纵轴线23。尤其地，作为天线17的主要的部分，圆形波导管24的纵轴线沿着纵轴线23取向。
可识别出壳体19利用与之相连接的构件搁在容器的壁上且因此还可从窗1移开，而不必打开工艺腔室。因此可进行仪器的安装、可能的更换、天线17的取向等，而不必打开工艺腔室。
在图3中示出了一变型方案，在其中设置有三个天线17。相应地标识出相应的圆形波导管24的纵轴线，从而可识别出纵轴线相应地伸延通过在微波窗1中的相同的点。在未示出的另一设计方案中，至少一个天线设计成可在壳体之内运动，尤其设计成可摆动。

Claims (12)

1.一种用于在空间上压力密封且防扩散地分隔且以微波来连接第一腔室(2)与第二腔室(3)的微波窗(1)，带有具有彼此相对而置的两个侧部(6,7)的、微波可至少部分地穿透的屏障物(8)，其中，在所述屏障物(8)的至少一个侧部(6,7)上布置有包括均匀的主体的且至少部分地包含塑料的、平凸的非传导性的至少一个透镜(9)，其特征在于，所述屏障物(8)设计成盘状并且至少部分地包括玻璃。
2.根据权利要求1所述的微波窗(1)，其特征在于，盘状的所述屏障物(8)设计成带有圆形的基面的柱体的形状。
3.根据权利要求1或2所述的微波窗(1)，其特征在于，所述至少一个透镜(9)至少部分地包括聚醚醚酮、聚四氟乙烯或聚酰胺。
4.根据权利要求1所述的微波窗(1)，其特征在于，所述至少一个透镜(9)通过至少一个固定装置(10)相对于所述屏障物(8)夹紧。
5.根据权利要求1所述的微波窗(1)，其特征在于，在所述至少一个透镜(9)与所述屏障物(8)之间布置有至少一层涂层(11)。
6.根据权利要求1所述的微波窗(1)，其特征在于，在所述屏障物(8)的两个侧部(6,7)中的任何一个上布置有至少一个透镜(9)。
7.根据权利要求1所述的微波窗(1)，其特征在于，抵抗高达40bar的压力的屏障物(8)至少部分地包括硼硅玻璃，所述屏障物(8)的高度为20mm，而所述屏障物(8)的基面的直径为45mm，所述至少一个透镜(9)至少部分地包括带有1.31g/立方厘米的密度的聚醚醚酮，所述至少一个透镜(9)具有面向所述屏障物(8)的盘状的基面(12)，所述透镜(9)的该基面带有65mm的直径和5mm的高度，并且所述透镜(9)具有紧接到所述透镜(9)的基面(12)处的凸状区段(13)，该区段带有2.7mm的高度和95mm的半径。
8.一种根据雷达原理工作的填充状态测量系统(15)，带有：产生电磁辐射的至少一个电子构件(16)、发射电磁辐射且接收至少一种电磁辐射的至少一个天线(17)以及根据权利要求1至6中任一项所述的至少一个微波窗(1)，其特征在于，设置有具有至少一个内腔(18)的至少一个壳体(19)，所述天线(17)的端部(20)布置在所述内腔(18)中，所述内腔(18)至少在所述天线(17)的端部(20)与所述微波窗(1)之间没有减弱电磁辐射的材料，并且所述微波窗(1)使以平面波的形式存在的电磁辐射至少部分地作为呈球面波的形式的电磁辐射聚集到所述天线(17)的相位中心中。
9.根据权利要求8所述的填充状态测量系统(15)，其特征在于，在所述内腔(18)中设置有至少部分地吸收电磁辐射的至少一个吸收元件(21)，和/或所述壳体(19)至少部分地作为屏蔽部对电磁辐射起作用和/或具有防止电磁辐射的屏蔽部，和/或在所述壳体(19)的设计成可导电的区段与所述天线(17)之间布置有起电绝缘的作用的至少一个元件(22)。
10.根据权利要求8或9所述的填充状态测量系统(15)，其特征在于，所述至少一个天线(17)沿着所述微波窗(1)的纵轴线(23)布置，或设置有多于一个天线(17)，或至少一个天线(17)设计成可在所述壳体(19)内部运动。
11.根据权利要求9所述的填充状态测量系统(15)，其特征在于，所述电子构件(16)产生在频率范围80GHz中的电磁辐射，至少一个天线(17)具有具有2.6mm的内径的至少一个圆形波导管(24)和锥状地扩张的端部(20)，其中，所述天线(17)沿着所述微波窗(1)的纵轴线(23)布置，其中，在所述屏障物(8)的面向所述天线(17)的侧部(6)与所述圆形波导管(24)的面向所述锥状地扩张的端部(20)的端部之间的间距为50mm，并且其中，所述锥状地扩张的端部(20)从2.6mm的直径以3mm的长度扩张到4.8mm的直径上。
12.根据权利要求8所述的填充状态测量系统(15)，其特征在于，所述内腔(18)至少在所述天线(17)的端部(20)与所述微波窗(1)之间没有材料。
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