CN111463538B - 物位测量装置的用于高温高频的高电导率波导 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传输微波的波导组件、特别是用于测量极限物位或填充物位的波导组件、用于制造波导组件的方法及用途。用于传输微波的所述波导组件(10)包括波导管(20)和外壁(29)，所述波导管(20)具有矩形或椭圆形内空腔(24)。此外，所述波导组件(10)还包括壳体(30)，所述壳体(30)的内壁(31)至少部分地对应于所述波导管(20)的所述外壁(29)的形状。
Description
技术领域
本发明涉及用于传输微波的波导组件、制造波导组件的方法及用途。
背景技术
例如，使用测量装置来测量物位或确定极限物位，所述测量装置使用用于高频前端以借助微波(特别是借助雷达波)来测量物位。可以使用波导将微波从发生器传输到测量装置的天线系统。因为这些装置的至少一部分在高温环境和/或具有温度波动的环境中使用，所以不仅需要提供具有高电导率的波导，而且需要针对高温和/或温度波动确保波导的高稳健性。例如，由此，可以构建经由波导组件与产生雷达信号的高频发生器发生器耦合的耐高温雷达天线系统。在此，可以以能够将波导组件可暴露于不同的温度或温度范围的方式而将发生器的电子器件指定到更窄的温度范围。例如，为此原因，这些测量装置的一部分使用长波导，所述波导的制造由于长度而成为问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种对微波具有高电导率的高耐热性波导组件。
本发明的第一方面涉及一种用于传输微波的波导组件。波导组件具有波导管，波导管具有矩形或椭圆内空腔和外壁。此外，波导组件还具有壳体，壳体的内壁至少部分地对应于波导管的外壁的形状，并且壳体至少部分地容纳波导管。
例如，波导组件被配置为用于传输1GHz和300GHz之间(例如，30GHz和100GHz之间)的频率范围内的微波。在此，波导管被构造为使得根据要传输的频率范围受到调整和/或优化。在此，(特别是在波导管内壁的光滑度和/或机械尺寸方面)高精度地成形波导管的用于传输微波的内部区域(即内部空腔)。在一些波导管中，内壁可以被特定处理和/或被特定地回火处理和/或涂覆。内壁的形状可以是矩形或椭圆形；例如，内壁的形状也包括正方形或圆形形状。对于波导管的由于特定的优化或模拟而导致的特定构造，有利的是，通过有效的圆角处理和/或将它们转换成多边形来实现矩形形状的变形。波导管可以由高电导率材料组成。在此，波导管的材料可以具有高度同质性。
波导管的外壁可以与壳体的内壁具有相近的轮廓。外壁的形状或轮廓的重要标准可以是其与壳体内壁的形状或轮廓相对应。在此，例如，该标准是波导管和/或壳体的特别简单、低成本和/或精确的加工。例如，如果也可以特别简单和低成本地加工具有正方形内轮廓的壳体，那么使用具有正方形外轮廓的波导管对于波导组件可以是有利的。在波导组件中，壳体的内壁至少部分地对应于波导管的外壁形状。在此，壳体至少部分地容纳波导管。在壳体的容纳波导管的部分中，壳体的内壁和波导管的外壁之间的距离很小。在一些实施例中，该距离小于100μm，特别地小于10μm，例如小于1μm。在一实施例中，距离基本上是零。
在一实施例中，壳体的材料不同于波导管的材料。由此，有利地，可以从多个方面最优地选择材料以及其他特征。例如，这些方面可以是电导率、费用、稳健性、可加工性等。特别地，壳体的最优材料可以不同于波导管的最优材料。例如，高电导率是波导管的重要性能，但波导管的稳健性可以不太重要，对于壳体来说，这种要求可相反。由此，可以低成本地制造具有最优性能的波导组件。例如，可以使用常规技术高精度地制造与频率相对应的具有矩形或椭圆形内轮廓的波导管，并且随后借助由此优化的接合技术将波导管布置在保护壳体中。由此，一方面可以得到波导组件优良的电导率，并且同时具有很高的稳健性，例如针对机械负荷、化学负荷和/或热负荷的稳健性。此外，因为保护壳体的缘故，可以使用薄壁波导管；例如，这对于波导组件的重量和/或成本来说是有利的。
在此，有利的是，壳体和波导管的材料兼容。例如，兼容性可以例如指它们在所谓的电化学应力范围内的位置、它们的热膨胀系数和/或其他方面或标准；为了实现兼容性，这些材料可能在这些方面相近。
在一实施例中，波导管的外壁具有矩形或椭圆形的外轮廓。例如，波导管的外壁可以包括圆形或正方形的外轮廓。在角形外轮廓的情况下，波导管的外壁可以包括边缘圆角。当然，在本实施例中，波导管的外壁也对应于壳体的内壁。
在一实施例中，波导管的外壁具有圆形外轮廓。特别有利地是，壳体的相应内壁可以特别精确地和/或低成本地制造为圆形内壁。在这种情况下，波导管的圆形外轮廓可以方便在保护壳体中的固定和定位。
在一实施例中，波导管具有大于20m/Ohm mm2的电导率，特别地大于50m/Ohm mm2的电导率。在此，壳体与波导管具有相近的热膨胀系数，其中，壳体和波导管的热膨胀系数的差别特别地小于3％，例如小于1.5％。由此，在宽的温度范围内可以保持壳体和波导管之间的低的热应力或甚至避免壳体和波导管之间的热应力。由此，可以在安装时最小化机械问题。
在一实施例中，波导管包括铜、铜合金、黄铜、银和/或金或者由这些材料中的至少一者组成。在此，壳体包括钢、不锈钢、陶瓷、塑料或碳纤维塑料或者由这些材料中的至少一者组成。在此，这些材料的不同组合是有利的。例如，不锈钢作为壳体的材料并且铜作为波导管的材料的组合是有利的，因为铜具有特别好的电导率和16.5·10–6/K的热膨胀系数，并且不锈钢的热膨胀系数是16.0·10–6/K。
在一实施例中，波导管的内壁涂覆有黄铜和/或高电导率材料，或者由抛光的黄铜和/或抛光的高电导率材料制成。这可以有助于进一步改善波导组件的电导率。
在一实施例中，壳体的内侧和/或波导管的外壁被涂覆和/或回火处理(Vergütung)。涂层可以包括塑料、涂漆和/或诸如石墨和/或油等润滑剂。回火处理可以包括阳极氧化(Eloxieren)、烧蓝处理(Brünieren)等。涂覆和/或回火处理可以有助于进一步减少壳体和波导管之间的热应力。
在一实施例中，壳体的内侧在壳体的端部区域中具有变宽部，特别地具有锥形变宽部，变宽部被配置为用于在安装波导组件时压入并固定波导管。在矩形波导管的情况下，圆柱形或锥形变宽部可以被相应地构造为楔形。这些构造可以方便波导组件的安装。
在一实施例中，波导管借助锥形环固定在壳体中。特别地，环可以被构造为被开槽。环可以用作安装元件，并且具有环形内孔或容纳孔并具有用于容纳波导管的锥形外环形状。安装元件或环可以被配置为在壳体的内侧接合在锥形变宽部中，并且以此方式将波导管压入壳体中并以此方式固定波导管。
本发明的另一方面涉及一种用于制造如上或如下所述的波导组件的方法，所述方法包括下述步骤：
-提供壳体，壳体具有用于容纳波导管的内壁。例如，壳体的提供可以包括波导管的无缝制造、钻孔、铣削、其他的研磨处理、涂覆和/或回火处理。也可以只在端部区域精确地加工壳体，使得端部区域适合插入波导管。这可以保持特别低成本地加工。
-利用下述方法中的一种将波导管布置在壳体中：粘合、挤压、收缩、钎焊熔焊(Schweiβen)、夹紧和/或螺接。
由此，将波导管固定在壳体中。在此，在波导组件中，壳体的内壁至少部分地对应于波导管的外壁的形状。在此，壳体至少部分地容纳波导管。在壳体的容纳波导管的部分中，壳体内壁和波导管外壁之间的距离非常小。
在一实施例中，该方法包括如下其它步骤：
-在壳体和波导管之间布置锥形环，特别是被开槽的环。由此，简单有效地固定壳体和波导管。环可以被构造为自锁簧环(Sicherungsring)。
例如，随后，环可以在外侧利用塑料闭合，使得由此气密地封闭壳体和波导管之间的区域。由此，可以进一步改善波导组件的耐腐蚀性。
在一实施例中，该方法还包括下述步骤：
-以预定锐角切割第一波导管的端部和第二波导管的端部，其中，第一波导管的端部和第二波导管的端部具有相同的角度；
-以Z形角接合第一波导管的端部和第二波导管的端部，其中，第一波导管和第二波导管布置在壳体中。
为了延长波导组件，可能需要使用多个波导管。然而，在许多情况下，两个波导管之间的过渡部分不是完全平滑的，并由此可以形成针对微波的干扰位置。实验表明，如果波导管不以90°角度，而是以锐角切割并接合在一起，那么可以显著减少由干扰位置造成的干扰。锐角可以在30°和60°之间，例如大约是50°。
本发明的另一方面涉及一种用于测量填充物位或确定极限物位的测量装置。在此，测量装置包括：
发生器，其被配置为用于产生微波范围内的高频测量信号；
天线系统，其被配置为用于发射高频测量信号；和
如上和/或如下所述的波导组件，其被配置为用于将测量信号从发生器传输到天线系统。
测量装置包括电子器件，电子器件包括用于产生高频测量信号或微波的发生器。天线系统在朝向介质或填料的方向上发射测量信号并接收反射信号。天线系统可以包括用于(例如容器上的)安装的紧固件和用于发射并接收测量信号的辐射元件或发射/接收元件。例如，电子器件可以评估所接收的测量信号并确定和/或显示介质的填充物位和/或极限物位。用于安装的紧固件和辐射元件可以彼此密封地连接，并且由耐化学腐蚀材料制成。为了实现来自及去往天线的充分信号传输，电子器件和天线系统可以布置成靠近彼此。电子器件可以比天线系统更加热敏感。例如，电子器件可以指定例如为100℃、80℃或70℃的最高温度。天线系统可以由针对更高温度设计的材料组成。在此，电子器件和天线系统可以空间分离并且可以借助波导组件连接。这需要波导组件的相应热设计，所述热设计通过所述的波导组件实现。
本发明的另一方面涉及如上或如下所述的波导组件或者如上或如下所述的方法的用于传输微波以测量极限物位或填充物位的用途。
为了进一步说明，借助附图所示的实施例说明本发明。这些实施例只是示例，但不应被视为限制。
附图说明
图1示出根据一实施例的测量装置的示意图；
图2a示出根据另一实施例的测量装置的示意图；
图2b和图2c示出图2a的细节；
图3a示出根据另一实施例的测量装置的示意图；
图3b和图3c示出图3a的细节；
图4a在立体图中示出根据另一实施例的波导组件的轮廓的示意图；
图4b在纵向剖视图中示出根据另一实施例的波导组件的示意图；
图4c在纵向剖视图中示出根据另一实施例的波导组件的示意图；
图5a示出根据另一实施例的波导组件的示意图；
图5b至图5e示出根据其他实施例的波导管的示意图；
图6示出根据实施例的方法。
具体实施方式
图1示出根据一实施例的用于测量物位或确定极限物位的测量装置40的示意图。测量装置40包括电子器件，电子器件包括发生器42。发生器42被配置为用于产生微波范围内的高频测量信号。发生器42产生高频测量信号，特别是微波，例如在1和300GHz之间的频率范围内，例如在30和100GHz之间的频率范围内。此外，测量装置40还包括天线系统44，天线系统44被配置为用于发射高频测量信号并接收反射的测量信号。发生器42和天线系统44借助波导组件10连接。连接是双向的。在本实施例中，天线系统44布置在容器46上方，容器46部分地填充有填料47。天线系统44被配置为用于借助由发生器42产生的测量信号来确定填料表面48的填充物位和/或极限物位。这通过发生器42产生高频测量信号、经由波导组件10将高频测量信号传输到天线系统44并借助天线系统44发射高频测量信号来完成。测量信号被填料上表面48反射，被天线系统44接收并经由波导组件10传输到电子器件。随后，电子器件评估反射的测量信号。
图2a示出根据另一实施例的测量装置40的示意图。功能与图1所述的功能相同。在本实施例中，同样，天线系统44布置在测量装置40的下部区域中。天线系统44借助波导组件10与具有发生器42的电子器件连接。波导组件10在两个端部上具有锥形环形式的紧固件36。热解耦部件43环绕波导组件10。热解耦部件43可以连接到波导组件10的壳体30，或者至少部分地形成壳体30。热解耦部件43可以具有如图所示的散热鳍片。热解耦部件43将天线系统44与具有发生器42的电子器件热隔离，天线系统44被设计为比电子器件用于更高的温度。
作为图2a的细节，图2b示出锥形环36，锥形环36在本实施例中作为紧固件布置在热解耦部件43(也可以用作壳体30)和波导组件10的波导管20之间。可清楚地看到，此处，壳体30的端部区域32如何夹紧在波导管20上，并以此方式固定波导管20。
图2c示出图2a的另一细节，即锥形环36的俯视图，锥形环36布置成围绕波导管20。在此，特别地，环36中的槽37的位置可见。
图3a示出根据另一实施例的测量装置40的示意图。此处，同样，功能和图1中说明的功能一样。在本实施例中，同样，天线系统44布置在测量装置40的下部区域中。天线系统44借助波导组件10与具有发生器42的电子器件连接。热解耦部件43环绕波导组件10。如图所示，热解耦部件43可以例如借助空腔41与波导组件10间隔开。例如，空腔41可以填充有空气和/或诸如保护气体或变压器油等另一流体。热解耦部件43和空腔41将天线系统44和具有发生器42的电子器件热隔离。
作为图3a的细节，图3b示出锥形环36的另一实施例，锥形环布置在壳体30和波导组件10的波导管20之间。在此，波导管20部分地布置在壳体30中。
可以清楚地看到，壳体30的端部区域32借助环36夹紧在波导管20上，并以此方式固定波导管20。环36被夹紧在另一环状结构中；所述环状结构是壳体30的一部分。
图3c示出图3a的另一细节，即图3b中的锥形环36的实施例的俯视图，锥形环36布置成环绕波导管20。环36不包括槽。环36被夹紧在另一环状结构中；所述环状结构是壳体30的一部分。
图4a在立体图中示出根据另一实施例的波导组件10的轮廓的示意图。在此，壳体30环绕波导管20。波导管20包括具有内壁21的圆角矩形内空腔24。波导管20的内壁21可以被特别精细地加工，例如平滑地构造、回火处理和/或涂覆黄铜。波导管20的外壁29至少部分地对应于壳体30的内壁31的形状。在本实施例中，波导管20的外壁29具有圆形外轮廓，并因此壳体30的内壁31具有圆形内轮廓。在此，壳体30的内壁31和波导管20的外壁29之间的距离可以小于100μm，特别地小于10μm。壳体30的材料不同于波导管20的材料。这也可导致壳体30和波导管20具有不同的性能。例如，中空波导管20可以具有高电导率，但至少与波导管20的电导率相比，保护壳体30可以具有低电导率。然而，壳体30和波导管20的其他特性可以相近；例如，壳体30可以和波导管20具有相近的热膨胀系数。因此，例如，波导管20可以由铜制成或包括铜，并且壳体30可以由不锈钢制成或包括不锈钢。壳体30的外壁39具有圆形形状。然而，外壁39也可以具有不同形状，特别是不同于壳体30的内壁31的形状。
图4b在纵向剖视图中示出根据一实施例的波导组件10的示意图。在此，与图4a相同的附图标记表示相同的部件。本实施例在壳体30的端部区域32中还包括锥形变宽部33，锥形环形式的紧固件36插入锥形变宽部33中，以在壳体30中固定波导管20。
图4c在纵向剖视图中示出根据一实施例的波导组件10的示意图。在此，与图4a相同的附图标记表示相同的部件。在本实施例中，示出接合位置25，在接合位置25处，第一波导管20a的端部22a接合到第二波导管20b的端部22b。在此，可以清楚地看到，端部22a和22b被以锐角w切割。在此，端部22a和22b的角度w相同。随后，端部22a和22b以Z形角接合在一起。与直切(w＝90°)相比，使用锐角w可以有利地降低接合位置25处的微波干扰。
图5a示出根据另一实施例的波导组件10的示意图。在此，与图4a相同的附图标记表示相同的部件。本实施例与图4a的实施例的不同之处在于壳体30的外壁39的形状和波导管20的内空腔24或内壁21的形状。在本实施例中，壳体30的外壁39被构造为具有圆角边缘的矩形。波导管20的内壁21被构造为椭圆形。
图5b至图5e示出根据另一实施例的波导管20的示意图。在此，图5b包括圆形内空腔24和圆形外壁29。图5c包括矩形内空腔24和圆形外壁29。图5d包括椭圆形内空腔24和圆形外壁29并且与图5a的波导管20大致对应。图5e包括圆形内空腔24，并且包括作为矩形外壁的变形的多边形外壁29。
图6示出根据一实施例的方法的流程图50。在此，在步骤51中，提供壳体30。壳体30包括用于容纳波导管20的内壁31。例如，壳体的提供可以包括无缝制造、钻孔、铣削、其他研磨加工、涂覆和/或回火处理。也可以只在端部高精度加工壳体，使得壳体适于插入波导管。在步骤52中，将波导管20布置在壳体30中。例如，可以借助粘合、挤压、收缩、钎焊、熔焊、夹紧和/或其他方法执行波导管20在壳体30中的布置。
此外，应当指出，“包括”和“具有”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。还应当指出，参考上述实施例示例中的一者所述的特征或步骤也可以和其他上述实施例示例的其他特征或步骤组合。权利要求中的附图标记不应被视为限制。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年1月22日提交的欧洲专利申请19153117.7的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
附图标记列表
10 波导组件
20 波导管
20a、20b 第一和第二波导管
21 波导管内壁
22a、22b 波导管的第一端部或第二端部
24 波导管内空腔
25 波导管接合位置
29 波导管外壁
30 壳体
31 壳体内壁
32 壳体端部区域
33 变宽部
36 环、紧固件
37 槽
39 壳体外壁
40 测量装置
41 空腔
42 发生器(具有电子器件)
43 热解耦部件
44 天线系统
46 容器
47 填料
48 填料表面
50 流程图
51、52 步骤
Claims (21)
1.一种用于传输微波的波导组件(10)，包括：
波导管(20)，所述波导管具有矩形或椭圆形内空腔(24)和外壁(29)；
壳体(30)，所述壳体的内壁(31)对应于所述波导管(20)的所述外壁(29)的形状，并且所述壳体基本上完全容纳所述波导管(20)，
其中，所述壳体(30)的所述内壁(31)在所述壳体(30)的端部(32)的区域中具有锥形变宽部(33)，所述变宽部被配置为用于在安装所述波导组件(10)时压入并固定所述波导管(20)，
其中，所述波导管(20)在所述壳体(30)中借助锥形环(36)固定，
其中，所述壳体(30)的材料不同于所述波导管(20)的材料。
2.根据权利要求1所述的波导组件(10)，其中，
所述壳体(30)的所述内壁(31)和所述波导管(20)的所述外壁(29)之间的距离小于100μm。
3.根据权利要求1所述的波导组件(10)，其中，
所述波导管(20)的所述外壁(29)具有矩形或椭圆形外轮廓。
4.根据权利要求3所述的波导组件(10)，其中，
所述波导管(20)的所述外壁(29)具有圆形外轮廓。
5.根据权利要求1所述的波导组件(10)，其中，
所述波导管(20)具有大于20m/Ohm mm2的电导率，并且
所述壳体(30)与所述波导管(20)具有相近的热膨胀系数，其中，所述壳体(30)和所述波导管(20)的所述热膨胀系数的差别小于3％。
6.根据权利要求1所述的波导组件(10)，其中，
所述波导管(20)包括铜、铜合金、银和/或金，并且/或者
所述壳体(30)包括钢、陶瓷、或塑料。
7.根据权利要求1所述的波导组件(10)，
其中，所述波导管(20)的内壁(21)涂覆有高电导率材料，并且/或者
其中，所述壳体(30)的所述内壁(31)和/或所述波导管(20)的所述外壁(29)被涂覆处理。
8.根据权利要求1所述的波导组件(10)，其中，
所述壳体(30)的所述内壁(31)和所述波导管(20)的所述外壁(29)之间的距离小于10μm。
9.根据权利要求1所述的波导组件(10)，其中，
所述壳体(30)的所述内壁(31)和所述波导管(20)的所述外壁(29)之间的距离小于1μm。
10.根据权利要求5所述的波导组件(10)，其中，
所述波导管(20)具有大于50m/Ohm mm2的电导率。
11.根据权利要求5所述的波导组件(10)，其中，
所述壳体(30)与所述波导管(20)具有相近的热膨胀系数，其中，所述壳体(30)和所述波导管(20)的所述热膨胀系数的差别小于1.5％。
12.根据权利要求1所述的波导组件(10)，其中，
所述波导管(20)包括黄铜。
13.根据权利要求1所述的波导组件(10)，
所述壳体(30)包括不锈钢。
14.根据权利要求1所述的波导组件(10)，
所述壳体(30)包括具有碳纤维的塑料。
15.根据权利要求1所述的波导组件(10)，
其中，所述波导管(20)的内壁(21)涂覆有高电导率材料，并且/或者
其中，所述壳体(30)的所述内壁(31)和/或所述波导管(20)的所述外壁(29)被回火处理。
16.根据权利要求1所述的波导组件(10)，
所述波导管(20)在所述壳体(30)中借助被开槽的锥形环(36)固定。
17.一种用于制造根据权利要求1至16中任一项所述的波导组件(10)的方法，包括下述步骤：
提供壳体(30)，所述壳体包括用于容纳波导管(20)的内壁(31)；
借助下述方法中的一种将所述波导管(20)布置在所述壳体(30)中：粘合、挤压、收缩、钎焊、熔焊、夹紧和/或螺接；和
在所述壳体(30)和所述波导管(20)之间布置锥形环(36)。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括下述步骤：
以预定锐角(w)切割第一波导管(20a)的端部(22a)和第二波导管(20b)的端部(22b)，其中，所述第一波导管(20a)的所述端部(22a)和所述第二波导管(20b)的所述端部(22b)具有相同的角度(w)；
以Z形角(w)接合所述第一波导管(20a)的所述端部(22a)和所述第二波导管(20b)的所述端部(22b)，
其中，所述第一波导管(20a)和所述第二波导管(20b)布置在所述壳体(30)中。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括下述步骤：
在所述壳体(30)和所述波导管(20)之间布置被开槽的锥形环(36)。
20.一种用于测量填充物位或确定极限物位的测量装置(40)，包括：
发生器(42)，其被配置为用于产生微波范围内的高频测量信号；
天线系统(44)，其被配置为用于辐射所述高频测量信号；和
根据权利要求1至16中任一项所述的波导组件(10)，其被配置为用于将所述测量信号从所述发生器(42)传输到所述天线系统(44)。
21.根据权利要求1至16中任一项所述的波导组件(10)或者根据权利要求17至19中任一项所述的方法制造的波导组件(10)的用于传输微波以测量极限物位或填充物位的用途。
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