DE10010713A1

DE10010713A1 - Vorrichtung zum Aussenden hochfrequenter Signale

Info

Publication number: DE10010713A1
Application number: DE10010713A
Authority: DE
Inventors: Stefan Burger
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2000-03-04
Filing date: 2000-03-04
Publication date: 2001-09-06
Anticipated expiration: 2020-03-05
Also published as: DE10010713B4; US6727845B2; WO2001067542A1; AU2001231725A1; US20030137447A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aussenden hochfrequenter Signale mit einer Signalerzeugungseinheit (6), einer Signalleitung (12), einem Sendedraht (16) und einer als Rundhohlleiter ausgebildeten Antenne (10), die in einem Endbereich durch eine Rückwand (15) abgeschlossen ist, wobei die Signalerzeugungseinheit (6) die hochfrequenten Signale erzeugt, wobei die Signalleitung (12) die hochfrequenten Signale auf den Sendedraht (16) leitet, und wobei der Sendedraht (16) in den Innenraum der Antenne (10) hineinragt und näherungsweise parallel zu der Rückwand (15) angeordnet ist. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Aussenden von elektromagnetischen Wellen vorzuschlagen, die sich durch optimierte Übertragungseigenschaften auszeichnet. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Abstand (Z) zwischen dem Sendedraht (16) und der Rückwand (15) der Antenne (10) näherungsweise lambda/6 beträgt, wobei lambda die Wellenlänge der in der Antenne (10) geführten hochfrequenten Signale ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aussenden hoch frequenter Signale mit einer Signalerzeugungseinheit, einer Signalleitung, einem Sendedraht und einer als Rundhohlleiter ausgebildeten Antenne, die in einem Endbereich durch eine Rückwand abgeschlossen ist, wobei die Signalerzeugungseinheit die hochfrequenten Signale erzeugt, wobei die Signalleitung die hochfrequenten Signale auf den Sendedraht der Antenne führt, und wobei der Sendedraht in den Rundhohlleiter hineinragt und näherungsweise parallel zu der Rückwand angeordnet ist. Eine derartige Vorrichtung ist bereits aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 93 12 251.9 bekannt geworden.

Eine Vorrichtung der zuvor beschriebenen Art kommt beispielsweise in Meßgeräten zum Einsatz, die den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter über die Laufzeit hochfrequenter Signale bestimmen. Laufzeitverfahren nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit ist. Im Falle der Füllstandsmessung entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen Antenne und Oberfläche des Füllguts. Das Nutzechosignal, also das an der Oberfläche des Füllguts reflektierte Signal, und dessen Laufzeit werden anhand der sog. Echofunktion bzw. anhand der digitalisierten Hüllkurve bestimmt, wobei die Hüllkurve die Amplituden der Echosignale als Funkton des Abstandes "Antenne - Oberfläche des Füllguts" wiedergibt. Der Füllstand selbst ergibt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der Antenne vom Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllguts zur Antenne.

Übliche Verfahren zur Entfernungsbestimmung über die Laufzeit von elektro magnetischen Signalen sind das Pulsradar-Verfahren und das Frequenz modulations-Dauerstrichradar-Verfahren (FMCW-Verfahren). Beim Pulsradar- Verfahren werden periodisch kurze Mikrowellenpulse gesendet. Beim FMCW- Verfahren wird eine kontinuierliche Mikrowelle gesendet, die periodisch linear, beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion, frequenzmoduliert ist. Die Frequenz des empfangenen Echosignals weist gegenüber der Frequenz, die das Sendesignal zum Zeitpunkt des Empfangs hat, eine Frequenzdifferenz auf, die von der Laufzeit des Echosignals abhängt. Die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal, die durch Mischung beider Signale und Auswertung des Fourierspektrums des Mischsignals gewonnen werden kann, entspricht somit dem Abstand des Reflektors, z. B. der Oberfläche des Füllguts, von der Antenne. Ferner entsprechen die Amplituden der Spektrallinien des durch Fouriertransformation gewonnenen Frequenz spektrums den Echoamplituden, so daß das Fourierspektrum die Echofunktion darstellt.

Die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen folgt in der Signalleitung und in der Antenne den physikalischen Gesetzen der Ausbreitung elektro magnetischer Wellen. Üblicherweise handelt es sich bei der Signalleitung um eine Koaxleitung. Über eine Einkopplung werden die elektromagnetischen Wellen von dem Innenleiter des Koaxialkabels auf den Sendedraht der Antenne geführt. Die Antenne ist entweder als Rechteckhohlleiter oder als Rundhohlleiter ausgebildet, wobei im Bereich der Füllstandsmessung bevorzugt Antennen mit kreisförmigem Querschnitt eingesetzt werden, da sie für den Einbau in z. B. den Stutzen eines Behälters (Tank, Silo, usw.) besser geeignet sind als Antennen mit rechteckförmigem Querschnitt.

In einer Koaxleitung breitet sich der transversal-elektromagnetische Mode (TEM-Mode) im Idealfall dispersionsfrei aus. Dieser TEM-Mode eignet sich daher besonders gut zum Transport von Wellenpaketen oder elektromagnetischen Wellen, die eine gewisse Bandbreite aufweisen. Wellenpakete, die sich im TEM-Mode ausbreiten, erfahren also keine Verbreiterung; ebenso wird bei linear frequenzmodulierten Mikrowellen eine Linearitätsabweichung weitgehend vermieden.

Zum gerichteten Aussenden von elektromagnetischen Wellen mittels einer Antenne wird bevorzugt ein Mode eingesetzt, dessen Abstrahlcharakteristik eine ausgeprägte Vorwärtskeule aufweist. Diese Eigenschaft weist der in Rundhohlleitern ausbreitungsfähige transversal-elektrische Grundmode, der TE₁₁-Mode, auf. In einem Rechteckhohlleiter ist der entsprechende Grundmode der TE₁₀-Mode. In Abhängigkeit von den Abmessungen der als Hohlleiter ausgebildeten Antenne gibt es jeweils einen definierten Frequenz bereich, in dem ausschließlich dieser Grundmode ausbreitungsfähig ist. Ober halb dieses Frequenzbereichs breiten sich auch höhere, für das gerichtete Senden von Mikrowellen weniger gut geeignete Moden aus, beispielsweise der TM₀₁-Mode beim Rundhohlleiter bzw. der TE₂₀-Mode beim Rechteckhohl leiter. Während bei einem Rechteckhohlleiter der Eindeutigkeitsbereich, also der Bereich, in dem jeweils nur der Grundmode ausbreitungsfähig ist, relativ groß ist, ist der Eindeutigkeitsbereich bei einem Rundhohlleiters relativ eng bemessen. Die Wahrscheinlichkeit, daß bei der Einkopplung breitbandiger Signale neben dem Grundmode auch unerwünschte höhere Moden angeregt werden, ist daher bei einem Rundhohlleiter wesentlich größer als bei einem Rechteckhohlleiter. Eine unerwünschte Folge der Ausbildung von unter schiedlichen Moden ist das sog. Klingeln. Verursacht wird das Klingeln dadurch, daß die einzelnen, in einem Hohlleiter ausbreitungsfähigen Moden unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten aufweisen. Dies zeigt sich darin, daß der Sendepuls nicht abrupt abfällt, sondern langsam an Amplitude verliert. Diese Klingelflanke kann das Echosignal im Meßbereich überdecken oder sich mit dem Echosignal so überlagern, daß es zu großen Meßwertfehlern kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Aussenden von elektromagnetischen Wellen vorzuschlagen, die sich durch eine optimierte Abstrahlcharakteristik auszeichnet.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Abstand zwischen dem Sendedraht und der Rückwand der Antenne näherungsweise λ/6 beträgt, wobei λ die Wellenlänge der im Hohlleiter geführten hochfrequenten Signale ist. Während bislang in der Literatur durchweg die Meinung vertreten wird, daß der Sende draht von der Rückwand der Antenne ungefähr λ/4 beabstandet sein muß, um eine optimale Anpassung und Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im Grundmode zu gewährleisten, hat es sich nun herausgestellt, daß sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung des Sendedrahtes im Rundhohlleiter die Feldkomponenten des TM₀₁-Mode weitgehend gegenseitig kompensieren. Es hat sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Vorrichtung der Frequenz bereich, in dem nur der TE₁₁-Mode angeregt wird, um mehrere 100 MHz vergrößert wird. Dadurch ist es möglich, Sendesignale mit einer Bandbreite, die größer als 2 GHz ist, in einen Rundhohlleiter einzuspeisen, ohne das störende Klingeln zu erzeugen. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich darüber hinaus die Impedanzanpassung zwischen Signalleitung und Antenne über einen großen Frequenzbereich optimieren, wobei optimierte Anpassung bedeutet, daß möglichst viel Energie von der Signalleitung auf die Antenne übertragen wird; der Anteil der elektromagnetischen Signale, die aufgrund von Impedanzsprüngen im Übertragungsweg reflektiert werden, ist folglich minimal.

Mehrfach positiv wirkt sich natürlich die verkürzte Bauweise der Antenne aus. Diese wird dadurch möglich, daß sich der Sendedraht erfindungsgemäß in einem gegenüber dem Stand der Technik verkürzten Abstand zur Rückwand der Antenne befindet: Einerseits werden durch die Verkürzung die Material kosten verringert; andererseits wird durch die kürzere Bauweise aber auch das Klingeln reduziert, da sich die unterschiedlichen Ausbreitungs geschwindigkeiten der einzelnen Moden - falls sie überhaupt noch auftreten - über eine verkürzte Laufstrecke auswirken.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Sendedraht mindestens halb so groß wie den halben Durchmesser der als Rundhohlleiter ausge bildeten Antenne zu dimensionieren. Mathematisch läßt sich dies durch die folgende Formel ausdrücken: L ≧ D/2, wobei D den Durchmesser des Rundhohlleiters charakterisiert. Durch diese Dimensionierung des Sende drahtes läßt sich die Impedanzanpassung und die dispersionsfreie Übertragung der elektromagnetischen Wellen weiter optimieren.

Eine zusätzliche Verbesserung des Übertragungsverhaltens wird dadurch erreicht, daß gemäße einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungs gemäßen Vorrichtung im Bereich des freien Endes des Sendedrahtes ein Sendepilz angeordnet ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird vorgeschlagen, den Innenraum der Antenne zumindest teilweise mit einem dielektrischen Material auszufüllen. Hierdurch wird eine Trennung zum Prozeß erreicht. Eine Prozeßtrennung ist insbesondere dann notwendig, wenn die Gefahr besteht, daß die Antenne, insbesondere der Sendedraht, mit aggressiven Materialien in Berührung kommt. Auch wird natürlich verhindert, daß sich Ablagerungen an dem Sendedraht bilden, was zu einer Änderung der Übertragungscharakteristik der Antenne führen würde.

So sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dem dielektrischen Material eine Ausnehmung vor, in die der Sendedraht hineinragt.

Bevorzugt handelt es sich bei dem dielektrischen Material um Polytetra fluorethylen (PTFE) oder um Aluminiumtrioxid (Al₂O₃). Selbstverständlich können auch andere dielektrische Materialien eingesetzt werden.

Wie bereits mehrfach erwähnt, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt in Verbindung mit einem Meßgerät eingesetzt, das den Füllstand über die Laufzeit elektromagnetischer Wellen ermittelt.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Meßgeräts, das den Füllstand über die Laufzeit von elektromagnetischen Wellen bestimmt, und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aussenden von hochfrequenten Signalen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Füllstandsmeßgeräts 1, das den Füllstand F über die Laufzeit von elektromagnetischen Wellen bestimmt. Bevorzugt handelt es sich bei den elektromagnetischen Wellen um Mikrowellen.

In dem Behälter 4 ist ein festes oder flüssiges Füllgut 2 gelagert. Zur Bestimmung des Füllstandes F dient das Füllstandsmeßgerät 1, das in einer Öffnung 5 im Deckel des Behälters 4 montiert ist. Über die Antenne 10 werden in der Signalerzeugungs-/Sendeeinheit 6; 7 erzeugte Sendesignale in Richtung der Oberfläche 3 des Füllguts 2 abgestrahlt. An der Oberfläche 3 werden die gesendeten Signale als Echosignale teilweise reflektiert. Diese Echosignale werden in der Empfangs-/Auswerteeinheit 8; 11 empfangen und ausgewertet. Mittels der Sende-/Empfangsweiche 9 werden im gezeigten Beispiel die Sendeeinheit 6 und die Empfangseinheit 7 voneinander entkoppelt. Bei Verwendung einer Sendeeinheit 6 und einer separaten Empfangseinheit 7 kann die Sende-/Empfangsweiche 9 selbstverständlich entfallen. Anhand der Laufzeit der Mikrowellen ermittelt die Auswerteeinheit 11 den Füllstand F des Füllguts 2 in dem Behälter 4.

In Fig. 2 ist ein Längsschnitt einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungs gemäßen Vorrichtung zum Aussenden von hochfrequenten Signalen dargestellt. Bei der erfindungsgemäßen Antenne 10 handelt es sich um einen Rundhohlleiter, dessen prozeßabgewandter Endbereich durch die Rückwand 15 abgeschlossen ist. Die hochfrequenten breitbandigen Signale, im Normalfall handelt es sich um Mikrowellen, werden über die Signalleitung 12 von der Signalerzeugungseinheit 6 auf den Sendedraht 16 der Antenne 10 geführt. Bei der Signalleitung 12 handelt es sich bevorzugt um ein Koaxial kabel mit einem Innenleiter 13 und einem Außenleiter 14. Der Innenleiter 13 ist mit dem Sendedraht 16 verbunden.

Erfindungsgemäß hat der Sendedraht 16 einen Abstand ca. λ/6 von der Rückwand 15, wobei λ die Wellenlänge der in der Antenne 10 geführten hochfrequenten Wellen kennzeichnet. Der Sendedraht 16 besitzt näherungs weise eine Länge L, die gleich oder größer ist als D/2, wobei D den Innendurchmesser der Antenne 10 charakterisiert. Am freien Ende 17 des Sendedrahts 16 kann ein Sendepilz 18 vorgesehen sein.

Zumindest ein Teilbereich des Innenraums der Antenne 10 ist mit einem dielektrischen Material 19 ausgefüllt. Der Sendedraht 16 ragt in eine Ausnehmung 20, bevorzugt eine Bohrung, die in dem dielektrischen Material vorgesehen ist.

Bezugszeichenliste

1

Füllstandsmeßgerät

2

Füllgut

3

Oberfläche des Füllguts

4

Behälterdeckel

5

Öffnung

6

Signalerzeugungseinheit

7

Sendeeinheit

8

Empfangseinheit

9

Sende-/Empfangsweiche

10

Antenne

11

Auswerteeinheit

12

Signalleitung, Koaxkabel

13

Innenleiter

14

Außenleiter

15

Rückwand

16

Sendedraht bzw. Erregerelement

17

freies Ende

18

Sendepilz

19

dielektrisches Material

20

Ausnehmung

Claims

1. Vorrichtung zum Aussenden hochfrequenter Signale mit einer Signal erzeugungseinheit, einer Signalleitung, einem Sendedraht und einer als Rundhohlleiter ausgebildeten Antenne, die in einem Endbereich durch eine Rückwand abgeschlossen ist, wobei die Signalerzeugungseinheit die hochfrequenten Signale erzeugt, wobei die Signalleitung die hochfrequenten Signale auf den Sendedraht der Antenne führt, und wobei der Sendedraht in den Rundhohlleiter hineinragt und näherungsweise parallel zu der Rückwand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Z) zwischen dem Sendedraht (16) und der Rückwand (15) der Antenne (10) näherungsweise λ/6 beträgt, wobei λ die Wellenlänge der in der Antenne (10) geführten hochfrequenten Signale ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Innenraum der Antenne (10) angeordnete Sendedraht (16) eine Länge (L) aufweist, wobei die Länge (L) des Sendedrahtes (16) die Bedingung L ≧ D/2 erfüllt und wobei D den Innendurchmesser der als Rundhohlleiter ausgebildeten Antenne (10) charakterisiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des freien Endes (17) des Sendedrahtes (16) ein Sendepilz (18) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrisches Material (19) vorgesehen ist, das zumindest den Innenraum der Antenne (10) im Bereich des Sendedrahtes (16) ausfüllt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem dielektrischen Material (19) eine Ausnehmung (20) vorgesehen ist, in die der Sendedraht (16) hineinragt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem dielektrischen Material (19) um Polytetrafluorethylen (PTFE) oder um Aluminiumtrioxid (Al₂O₃) handelt.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Teil eines Füllstandsmeßgeräts (1) ist.