CN107257916A

CN107257916A - 确定和监测填充水平的、具有两个耦合元件的设备

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Publication number: CN107257916A
Application number: CN201680010136.8A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·布洛特
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-10-17
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: US10215610B2; DE102015102002A1; EP3256824B1; WO2016128216A1; EP3256824A1; US20180031406A1; CN107257916B

Abstract

本发明涉及一种用于发射和接收电磁波(EM波)的设备，该设备用于通过EM波的行进时间的方式来确定和监视容器中的介质的填充水平，该设备包括第一空心导体(2)，具有用于解耦和耦合EM波的第一耦合元件(P1)；至少一个第二空心导体(5)，具有用于解耦和耦合EM波的第二耦合元件(P2)；喇叭形辐射器(8)，用于发射和聚焦EM波，其中设计第一波导(2)和第二波导(5)的尺寸，使得从喇叭形辐射器(8)以分散地且以低强度方式发射从第一耦合元件(P1)和第二耦合元件(P2)解耦的EM波，或者使得由喇叭形辐射器(8)接收的分散且低强度EM波耦合到第一耦合元件(P1)和第二耦合元件(P2)上，并且使得从喇叭形辐射器(8)聚焦地并且以高强度的方式发射仅从第一耦合元件(P1)解耦的EM波，或者使得由喇叭形辐射器(8)接收的聚焦且高强度EM波仅耦合到第一耦合元件(P1)上。

Description

确定和监测填充水平的、具有两个耦合元件的设备

技术领域

本发明涉及一种用于发射和接收电磁波(EM波)，以用于通过EM波的行进时间的方式来确定和监测容器中的介质的填充水平的设备。

背景技术

常规脉冲雷达的、填充水平测量装置有规则地具有带有连接到控制单元的脉冲产生系统的发射系统。脉冲产生系统为每个测量产生发射信号，该发射信号由固定预定的中心频率和预定的脉冲重复频率的微波脉冲组成。微波脉冲具有例如26GHz或78GHz的固定预定中心频率。将天线安装在将要测量的最高填充水平之上的容器上，该天线被定向为朝向填充物质并且将发射信号发送到该容器中。随后，在根据到填充物质距离的行进时间之后，天线接收作为接收信号的、朝向填充水平测量装置在填充物质上反射回的信号部分。将接收的信号馈送到与发射系统连接的和与天线连接的信号处理系统中，以及信号处理系统基于所接收的信号来确定填充水平。

在这种情况下，有规则地得出测量曲线，该测量曲线根据对到填充物质的路径和返回需要的它们的行进时间将所接收的信号的幅度示出。从这些测量曲线的峰值的行进时间，然后，基于微波脉冲的传播速度，能够确定填充物质与填充水平测量装置的距离。

如今对于填充水平测量，应用了通常被称作为回波识别方法的大量不同的评估方法，利用上述方法，测量曲线被使用以确定那个峰值将会归因于填充物质的表面上的反射。例如，第一出现峰值或具有最大幅度的峰值能够被选择作为将会归因于填充物质的表面上的反射的特定测量曲线的峰值。根据与这个峰值相关联的行进时间，基于微波脉冲的传播速度，推导从填充水平测量装置到填充物质的表面的距离，然后基于天线的安装高度，将该距离转换成填充水平-因此在容器中的填充物质的填充水平。

这些填充水平测量装置在大量不同的应用中传递可靠的测量结果。然而，对于散装货物的填充水平测量，这种测量装置通常不是最佳适用的，因为散装货物规则地形成山形和谷形的散装货物锥体，其表面轮廓未注册到这些填充水平测量装置，使得表面轮廓不能够被考虑用于该填充水平确定。

同样，在给定情况下，有问题的是在应用中使用具有单一、刚性地安装的天线的常规填充水平测量装置，其中在容器中安装的对象(在下文中被称作为干扰件)横向突出到发射信号的波束路径中。因此，存在诸如其它测量装置或填充注嘴的物体。

DE 102012109101 A1描述了一种用于测量容器中填充物质的填充水平的填充水平测量装置。这种填充水平测量装置包括天线，该天线将具有不同中心频率的发射信号发送到容器中，并且在天线的方向上接收作为接收信号的、在容器中反射回的它们的信号部分。另外，根据发射信号的中心频率，天线对于不同的中心频率具有不同的空间辐射特征。信号处理系统基于相关联的发射信号的微波脉冲的中心频率和天线的空间辐射特征的中心频率相关性来评估所接收的信号。

在这种填充水平测量装置的情况下的缺点在于必须改变发射信号的中心频率，以便改变发射信号的微波脉冲的辐射特征。这意旨这种填充水平测量装置的发射信号是宽带信号。

具有宽带发射信号的填充水平测量装置不能够很好解决天线和填充物质之间的间隔，并且因此不能够如所希望的那样精确地确定填充水平。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够精确地确定容器中的介质的填充水平的设备。

通过本发明的主题来实现该目的。本发明的主题是一种发射和接收电磁波(EM波)，以用于通过EM波的行进时间的方式来确定和监测容器中的介质的填充水平的设备。该设备包括：第一空心导体，第一空心导体具有用于出耦合(out-coupling)和入耦合(in-coupling)EM波的第一耦合元件，其中，第一空心导体的第一端面闭合，第一空心导体的第二端面打开，使得经由第一耦合元件出耦合的EM波越过第二端面发射，并且越过第一空心导体的第二端面接收的EM波入耦合到第一耦合元件；至少一个第二空心导体，第二空心导体具有用于输出和入耦合EM波耦合的第二耦合元件，其中第二空心导体的第一和第二端面打开，以及其中，第二空心导体的第一端面与第一空心导体的第二端面相接，使得由第二空心导体传送从第一空心导体发射的EM波，并且由第一空心导体接收由第二空心导体传送的EM波；喇叭形辐射器，该喇叭形辐射器用于辐射和聚焦EM波，其中，喇叭形辐射器的引入口与第二空心导体的第二端面连通，使得从喇叭形辐射器辐射从第二空心导体发射的EM波，并且将由喇叭形辐射器接收的EM波聚焦到第二空心导体中，其中，以在第一空心导体中能够产生第一电磁波模式的方式实现第一空心导体，其中，第二空心导体以在第二空心导体中能够产生第二电磁波模式的方式实现，其中，以下述方式设计第一空心导体和第二空心导体的尺寸，使得从喇叭形辐射器分散地并以低强度地辐射从第一耦合元件和第二耦合元件出耦合的EM波，或者由喇叭形辐射器接收的分散且低强度的EM波耦合到第一耦合元件和第二耦合元件，并且使得仅从第一耦合元件出耦合的EM波从喇叭形辐射器聚焦地并且以高强度辐射，或者由喇叭形辐射器接收的聚焦且高强度的EM波仅耦合到第一耦合元件中。

通过第二、可选的添加模式实现较弱的聚焦，其通过在第一基本模式上叠加而导致扩展辐射波瓣。能够通过小的控制电压MS来添加这个第二波形模式。控制电压MS达几伏(例如，1...4V)，在这种情况下需要的电流汲取在微安或更低的范围内。

通过在窄波瓣和宽波瓣之间切换——尤其是在具有可调加宽的实施例的情况下——关于距离能够识别某些干扰，因为在窄波瓣的情况下，与宽波瓣情况进行比较，这些干扰较少强烈地出现或者甚至不出现。这个对于具有相当低的操作频率(例如6GHz或10GHz)的雷达系统的情况下尤其是有益的。在波表面的情况下、在低填充水平的情况下的干扰的安装对象以及倾斜的、圆柱管的情况下在产生强反射的拟真性计算的情况下——这些产生强反射——这种切换是有益的。此外，选项是定期使用宽波瓣，以及尤其是使用FMCW雷达系统记录完整的测量范围，然后利用窄波瓣仅精确记录仅预期存在填充水平的距离范围。

在有利的进一步发展中，第一空心导体至少部分地被填充有至少第一介电材料，和/或第二空心导体至少部分地被填充有至少第二介电材料。以这种方式，能够使用具有较小直径的空心导体。此外，因为由填充材料密封入耦合元件，所以能够省略喇叭的宽端上的保护盖。

在有利的进一步发展中，与至少第二材料相比，至少第一材料具有更小的介电常数。为了通过本发明的设备辐照大的区域，有利的是将第二空心导体的直径选择为大于第一空心导体的直径。如果第二空心导体被填充有介电材料，则其尺寸能够更小。以这种方式，第一空心导体和第二空心导体的直径能够被选择为相等，由此该设备更容易制造，并且第一耦合元件和第二耦合元件位于共享平面内。以这种方式，第一耦合元件和第二耦合元件能够被布置在单个电路卡上，在这种情况下，电路卡延伸到天线设备。

在有利的变型中，至少第二介电常数和至少第一介电常数之间的比率为约2.5。以这种方式，第一空心导体和第二空心导体的直径能够被选择为相等，其中能够扩大最小可能的辐射角与最大可能的辐射角之间的差。

在有利的变型中，第一耦合元件和第二耦合元件之间在EM波的发射方向上的间隔与相对应，在这种情况下，λ为EM波的波长，n为自然数0，1，2...。以这种方式，产生经由第一耦合元件和第二耦合元件出耦合或入耦合的波的构造性叠加。

在实施例的有利形式中，第一耦合元件的长度至多达到λ/4，并且第二耦合元件的长度至多达到λ/2。通过设定第一耦合元件和第二耦合元件的长度的上限，实现了在第一耦合元件中尽可能激发基本模式，并且在第二耦合元件中激发更高阶的模式。第一耦合元件和第二耦合元件的另一个尺寸设计将会在第一空心导体的第一端面处给出不太有利的反射。

在实施例的有利形式中，第一耦合元件包括用于传送在第一耦合元件处出耦合或入耦合的EM波的第一端子，其中，第二耦合元件具有用于传送在第二耦合元件处出耦合或入耦合的EM波的第二端子，其中，在第一端子和第二端子之间提供分压器，尤其是电容性分压器，使得分压器确定EM波在第一耦合元件和第二耦合元件之间的划分。

在优选的实施例中，分压器包括电容和带通滤波器。能够通过第二电容的阻抗与带通滤波器的阻抗的比率来设定功率在第一耦合元件和第二耦合元件之间的划分。

在优选的实施例中，分压器包括第二电容和半导体元件，优选地为二极管，尤其优选地为变容二极管。二极管有利地是电容二极管。二极管通常被构造为使得二极管的电容尤其地根据反向偏压的大小而变化。由于第二电容与带通滤波器的电容的比率决定了功率在一耦合元件和第二耦合元件之间的划分，因此，反向偏置电压的变化能够调谐功率在第一耦合元件和第二耦合元件之间的划分。第二电容用作高通滤波器，即其是反向偏置电压的势垒但让波信号通过。

在有利的变型中，分压器包括第二电容和振荡电路。代替带通滤波器，还能够使用振荡电路。在频率被选择为在包括谐振频率的范围内的情况下，振荡电路通过振幅根据频率的非常大的变化来区分。以这种方式，在电容变化小——并且因此在二极管上的最大反向偏置电压小——的情况下，能够实现功率在第一耦合元件和第二耦合元件之间的划分的大变化，并且因此能够实现EM波的辐射角的变化。为了在等电压变化下在二极管中带来更大的电容变化，还能够使用具有更高掺杂的二极管。

附图说明

现将会基于附图对本发明更详细地说明，其附图示出如下：

图1示出用于发射和接收EM波的本发明的设备1的示意图，该设备1包括用于操作设备1的电路，

图2a-2d在电路的不同设计的情况下示出来自如图1中的设备1的EM波的辐射的示意图，

图3在电路的分压器是电容性的情况下示出设备1的附加实施例的示意图，以及

图4在圆锥形实施喇叭形辐射器的情况下示出设备1的附加实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出本发明的用于发射和接收电磁波(EM波)，以通过EM波的行进时间来确定和监视容器(未示出)中的介质(未示出)的填充水平的设备1。设备1包括第一空心导体2，第一空心导体2具有用于出耦合(out-coupling)和入耦合(in-coupling)电磁波的第一耦合元件P1，其中第一空心导体2的第一端面3闭合并且第一空心导体2的第二端面4打开。以这种方式，能够经由第二端面发射经由第一耦合元件P1出耦合的EM波，并且能够在第一耦合元件P1处入耦合经由第一空心导体的第二端面4接收到的EM波。圆柱形地实施第一空心导体2，并且该第一空心导体2具有以仅激发基本模式的方式确定尺寸的直径。优选地，基本模式是具有非常低的截止频率的模式，尤其是TE01模式。然而，第一空心导体2还能够具有椭圆形、二次形、n边形或u形印迹(footprint)。

另外，设备1包括第二空心导体5，第二空心导体5具有用于出耦合和入耦合EM波的第二耦合元件P2，其中第二空心导体5的第一端面6和第二端面7打开。在这种情况下，第二空心导体5的第一端面6与第一空心导体2的第二端面4相接，使得由第二空心导体5传送从第一空心导体2发射的EM波，并且由第一空心导体2接收由第二空心导体5传送的EM波。能够圆柱形地实施第二空心导体5。第二空心导体5能够具有是正方形、椭圆形、n边形或u形的印迹。第二空心导体5以这种方式设计：与在第一空心导体2中的模式相比激发更高的模式。该更高的模式能够是例如TM11-、TE21-、TE11-或TM21模式。

另外，设备1包括用于辐射、接收和聚焦EM波的扩宽的喇叭形辐射器8。喇叭形辐射器8的引入口与第二空心导体5的第二端面7连通，使得从喇叭形辐射器8辐射从第二空心导体5传送的EM波，并且将由喇叭形辐射器8接收的EM波聚焦到第二空心导体2中。

以这种方式实施第一空心导体2：第一电磁波模式可产生在第一空心导体2中，以及以这种方式实施第二空心导体5：第二电磁波模式可在第二空心导体5中传送。

以这种方式尺寸上设计第一空心导体2和第二空心导体5：从第一耦合元件P1和第二耦合元件P2出耦合的EM波叠加并且从喇叭形辐射器8分散地并且以低强度地辐射，或者由喇叭形辐射器8接收的分散且弱强度的EM波耦合到第一耦合元件P1和第二耦合元件P2中。从第一耦合元件P1单独出耦合的EM波从喇叭形辐射器8聚焦地并且以高强度地辐射，以及由喇叭形辐射器8接收的聚焦且高强度EM波耦合到第一耦合元件P1。

另外，第一空心导体2被填充有第一介电材料，第二空心导体5被填充有第二介电材料。第一介电材料能够是来自环境的空气。可替选地，能够将第一空心导体抽真空。第二介电材料的介电常数是第一材料的介电常数的2.5倍。

第一耦合元件P1和第二耦合元件P2之间在EM波的发射方向上的间隔A等于其中λ为EM波的波长并且n为自然数0，1，2，……。第一耦合元件P1的长度等于λ/4，以及第二耦合元件P2的长度等于λ/2。

另外，设备1包括用于操作设备1的电路11。现将会更详细地描述电路11。从第二空心导体5的第一节点K1引导到第二节点K2是第一线路L1。第二线路L2将第二节点K2与第二耦合元件P2连接。第三线路L3将第二节点K2与第一电感JS连接，其中第一电感JS经由二极管DS连接到第三节点K3。将第一电容CS并联连接到第一电感JS和二极管DS。第一电容CS与第一电感JS和二极管DS一起形成带通滤波器L5。

将第三节点K3经由第二电感JB和限流电阻器RV连接到第一端子P3。

第四线路L4将第一耦合元件P1与第四节点K4连接，其中将第四节点K4连接到第二端子P4。

经由第二电容CB，将第三节点K3与第四节点K4连接。

带通滤波器L5与第二电容CB形成电容性分压器12。第二电容CB的大小决定发送到第一耦合元件P1和第二耦合元件P2的功率。由于第二空心导体5的较大直径，与在第一空心导体2相比在空心导体5中激发更高的模式。第二空心导体5的更高模式在喇叭形天线8的输出处扩展到宽波瓣。

带通滤波器L5用作带阻滤波器，由此没有功率到达第二耦合元件P2。限流电阻器RV是高电阻，因此没有功率能够经由第二端子P4汲取。第一线路L1至第四线路L4的长度被列于下面的表中。

为了产生聚焦的和高强度的EM波，将高频信号HF施加到第二端子P4。将高频信号HF经由第四线路L4传送到第一耦合元件P1并且经由喇叭形辐射器8单模辐射(在辐射中仅一种模式为主)。

置于设备1的第一端子P3上的是控制电压MS，其经由限流电阻器RV和第二电感JB影响二极管DS的阴极。由于二极管DS的阳极经由第一电感JS和第一线路L1与第二空心导体5连接，并且从那里与第三端子P5(信号接地电位)连接，所以控制电压MS影响二极管DS。因为控制电压作用在二极管DS的反向方向上，所以仅非常小的电流流过第一线路L1。在具有反向方向上施加的电压的情况下，二极管DS用作电容，由此带通滤波器L5为设备1的操作频率确定通过频率。

图2a示出了EM辐射，其仅从第一耦合元件P1(一种模式操作)出耦合并且从喇叭形辐射器8聚焦地和以高强度辐射。

图2b、图2c和图2d各自示出表示由分压器的设计以及由从第一耦合元件P1和第二耦合元件P2出耦合的EM波的叠加产生的EM波的辐射(见图1和图1的描述)。能够通过模拟或数字控制电压MS的方式发生图2a的辐射与图2b、图2c和图2d的辐射之间的切换。

图3示出在分压器12是电容性的并且仅由CB和D1形成情况下的另一个实施例。以这种方式，能够根据控制电压MS产生从图2a的辐射到图2b-d的辐射的无阶跃过渡，其中，在不具有所施加的控制电压MS的情况下，实现图2a的辐射，并且随着控制电压MS增加，辐射在图2d的辐射方向上越来越多地变化。由于二极管D1是非常高的电阻，并且还为了使得能够从d)快速切换回到a)，提供可选的非常高欧姆(10...100兆欧姆或更多)的电阻器RU，通过电阻器RU能够对利用二极管D1形成的电容(在几pF的范围内)放电。

图4通过简化的电路11示出与图3的设备不同的本发明的设备的另一个实施例。代替基于阻抗的电容性分压器和带通滤波器或电容和谐振电路，这里的基于阻抗的分压器由二极管D1和第二电容CB组成。第二电容CB表示用于与由二极管D1提供的势垒等效的控制电压MS的势垒。电感JD将二极管D1与端子P5上的信号接地电位相连。具有电路11的本发明的设备作为整体实现成本有效。

在图1至图4所示的实施例的全部示例中，已经描述了设备1的EM波的发射。由设备1接收EM波类似于EM波的发射。

1 设备

2 第一空心导体

3 第一空心导体的第一端面

4 第一空心导体的第二端面

5 第二空心导体

6 第二空心导体的第一端面

7 第二空心导体的第二端面

8 喇叭形辐射器

9 第一直径

10 第二直径

11 电路

12 分压器

A 间隔

P1 第一耦合元件

P2 第二耦合元件

λ EM波的波长

n 自然数0，1，2，...

P3 第一端子

P4 第二端子

P5 第三端子

DS 二极管

CS 第一电容

JS 第一电感

CB 第二电容

JB 第二电感

RV 限流电阻

K1 第一节点

K2 第二节点

K3 第三节点

K4 第四节点

L1 第一线路

L2 第二线路

L3 第三线路

L4 第四线路

L5 带通滤波器

RU 电阻器

JD 电感

Claims

1.一种发射和接收电磁波(EM波)的设备，所述设备用于通过EM波的行进时间的方式来确定和监视容器中的介质的填充水平，所述设备包括

第一空心导体(2)，所述第一空心导体(2)具有用于出耦合和入耦合EM波的第一耦合元件(P1)，其中，所述第一空心导体(2)的第一端面(3)闭合，所述第一空心导体的第二端面(4)打开，使得经由所述第二端面发射经由所述第一耦合元件(P1)出耦合的EM波，并且将经由所述第一空心导体的所述第二端面(4)接收的EM波入耦合到所述第一耦合元件(P1)，

至少一个第二空心导体(5)，所述第二空心导体(5)具有用于出耦合和入耦合EM电磁波的第二耦合元件(P2)，其中所述第二空心导体(5)的第一端面(6)和第二端面(7)打开，以及其中，所述第二空心导体(5)的所述第一端面(6)与所述第一空心导体(2)的所述第二端面(4)相接，使得由所述第二空心导体(5)传送从所述第一空心导体(2)发射的EM波，并且由所述第一空心导体(2)接收由所述第二空心导体(5)传送的EM波，

喇叭形辐射器(8)，所述喇叭形辐射器(8)用于辐射和聚焦EM波，其中，所述喇叭形辐射器(8)的引入口(9)与所述第二空心导体(5)的所述第二端面(7)连通，使得从所述喇叭形辐射器(8)辐射从所述第二空心导体(5)发射的EM波，并且将由所述喇叭形辐射器(8)接收的EM波聚焦到第二空心导体(2)中，

其中，以在所述第一空心导体(2)中能够产生第一电磁波模式的方式实施所述第一空心导体(2)，其中，以在第二空心导体(5)中能够产生第二电磁波模式的方式实施所述第二空心导体(5)，

其中，以下述方式设计所述第一空心导体(2)和所述第二空心导体(5)的尺寸，使得从所述第一耦合元件(P1)和所述第二耦合元件(P2)出耦合的EM波从所述喇叭形辐射器(8)分散地并且以低强度地辐射，或者从所述喇叭形辐射器(8)接收的分散且低强度的EM波耦合到所述第一耦合元件(P1)和所述第二耦合元件(P2)，并且使得仅从所述第一耦合元件(P1)出耦合的EM波从喇叭形辐射器(8)聚焦地并且以高强度地辐射，或者从所述喇叭形辐射器(8)接收的聚焦且高强度的EM波仅耦合到所述第一耦合元件(P1)中。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一空心导体(2)至少部分地被填充有至少第一介电材料，和/或所述第二空心导体(5)至少部分地被填充有至少第二介电材料。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，与所述至少第二材料相比所述至少第一材料具有更小的介电常数。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其中，所述至少第二介电常数和所述至少第一介电常数之间的比率为约2.5。

5.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其中，所述第一耦合元件和所述第二耦合元件之间在EM波的发射方向上的间隔(A)与相对应，在这种情况下，λ为EM波的波长，n为自然数0，1，2，...。

6.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其中，所述第一耦合元件(P1)的长度至多达到λ/4，所述第二耦合元件(P2)的长度至多达到λ/2。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的设备，其中，所述第一耦合元件(P1)具有用于传送在所述第一耦合元件(P1)处出耦合或入耦合的EM波的第一端子，其中，所述第二耦合元件(P2)具有用于传送在所述第二耦合元件(P2)处出耦合或入耦合的EM波的第二端子，其中，在所述第一端子和所述第二端子之间提供分压器，尤其是电容性分压器，使得所述分压器确定EM波在所述第一耦合元件(P1)和所述第二耦合元件(P2)之间的划分。

8.根据前一权利要求中所述的设备，其中，所述分压器包括电容CB和带通滤波器。

9.根据权利要求1-8中的至少一项所述的设备，其中，所述分压器包括电容CB和半导体元件，优选地包括二极管(D1)，尤其优选地包括变容二极管。

10.根据权利要求1-8中的至少一项所述的设备，其中，所述分压器包括电容CB和振荡电路。