DE10023497A1 - Füllstandsmeßgerät - Google Patents
FüllstandsmeßgerätInfo
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Abstract
Es ist ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmessgerät mit einer geringen Blockdistanz vorgesehen, mit einer Antenne (15, 35) zum Senden oder zum Senden und Empfangen von Mikrowellen, einem unmittelbar an der Antenne (15, 35) angeordneten Mikrowellengenerator (23, 45, 59, 61, 91), und einem in die Antenne (15, 35) hinein weisenden unmittelbar mit dem Mikrowellengenerator (23, 45, 91) verbundenen Sende- oder Sende- und Empfangselement (25, 47, 60, 85, 93), bei dem das Sende- oder Sende- und Empfangselement (25, 47, 60, 85, 93) eine Verlängerung der Verbindung ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein mit Mikrowellen arbeitendes
Füllstandsmeßgerät.
Bei der Füllstandsmessung werden Mikrowellen mittels einer
Antenne zur Oberfläche eines Füllguts gesendet und die an
der Oberfläche reflektierten Echowellen empfangen. Es wird
eine die Echoamplituden als Funktion der Entfernung
darstellende Echofunktion gebildet, aus der das
wahrscheinliche Nutzecho und dessen Laufzeit bestimmt
werden. Aus der Laufzeit wird der Abstand zwischen der
Füllgutoberfläche und der Antenne bestimmt.
In der industriellen Meßtechnik werden regelmäßig
dielektrische Stabantennen und Hornantennen zum Senden
und/oder Empfangen eingesetzt. Typischerweise wird ein
Gehäuse verwendet, das einen Gehäuseabschnitt aufweist, der
die Geometrie eines kurzgeschlossenen Hohlleiters besitzt.
In den Gehäuseabschnitt mit der Hohlleitergeometrie ist ein
Erregerelement eingeführt, über das Mikrowellen durch den
Gehäuseabschnitt hindurch gesendet und/oder empfangen
werden. Die Mikrowellen werden beim Senden von einem
entfernt angeordneten Mikrowellengenerator erzeugt und über
Koaxialleitungen zu einem Sende- oder Sende- und
Empfangselement transportiert. In der Antenne erfolgt über
das Sende- oder Sende- und Empfangselement eine Umwandlung
von zugeführten leitungsgebundenen Mikrowellen in
Mikrowellen, die sich im freien Raum ausbreiten, und
umgekehrt.
Bei einer Hornantenne schließt sich an das Gehäuse ein
trichterförmiger in Behälter-zugewandter Richtung sich
aufweitender das Horn bildender Abschnitt an. Im Fall der
Stabantenne ist ein in den Behälter weisender Stab aus
einem Dielektrikum vorgesehen. Üblicherweise ist der
Innenraum des Gehäuses von einem Einsatz aus einem
Dielektrikum nahezu vollständig ausgefüllt. Im Fall der
Hornantenne weist der Einsatz ein kegelförmiges in den
Behälter weisendes Ende auf. Bei Stabantennen schließt sich
an den Einsatz die stabförmige Antenne an.
Zur Bestimmung des Füllstandes können alle bekannten
Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen,
verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter
Mikrowellen zu messen. Die bekanntesten Beispiele sind das
Pulsradar und das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar
(FMCW-Radar).
Beim Pulsradar werden periodisch kurze Mikrowellen-
Sendeimpulse, im folgenden als Wellenpakete bezeichnet,
gesendet, die von der Füllgutoberfläche reflektiert und
nach einer abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen
werden. Die empfangene Signalamplitude als Funktion der
Zeit stellt die Echofunktion dar. Jeder Wert dieser
Echofunktion entspricht der Amplitude eines in einem
bestimmten Abstand von der Antenne reflektierten Echos.
Beim FMCW-Verfahren wird eine kontinuierliche Mikrowelle
gesendet, die periodisch linear frequenzmoduliert ist,
beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion. Die Frequenz
des empfangenen Echosignals weist daher gegenüber der
Augenblicksfrequenz, 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 der reflektierenden Fläche von der Antenne. Ferner
entsprechen die Amplituden der Spektrallinien des durch
Fouriertransformation gewonnenen Frequenzspektrums den
Echoamplituden. Dieses Fourierspektrum stellt daher in
diesem Fall die Echofunktion dar.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines herkömmlichen mit
Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgeräts. Es weist eine
elektronische Schaltung 1 auf, die einen
Mikrowellengenerator 3 umfaßt. Der Mikrowellengenerator 3
ist über eine Anschlußbuchse 5 mit einer Koaxialleitung 7
verbunden, die im Betrieb Mikrowellen vom
Mikrowellengenerator 3 zu einer Antenne 9 führt. In der
Antenne 9 ist ein Erregerelement 11 angeordnet, das mit der
Koaxialleitung 7 über eine weitere Anschlußbuche 13
verbunden ist.
Bei den vorbeschriebenen mit Mikrowellen arbeitenden
Füllstandsmeßgeräten besteht das Problem, daß nicht der
gesamte an die Antenne angrenzende Bereich als Meßbereich
zur Verfügung steht. Der Grund hierfür sind Störsignale,
die sich Meßsignalen in diesem Bereich überlagern.
Ein wesentlicher Anteil der Störsignale entsteht durch auf
dem Weg vom Mikrowellengenerator zur Antenne und in der
Antenne auftretende Reflektionen sowie Mehrfachreflektionen
entlang des Wegs.
Durch eine geeignete Geometrie der Antenne können im
Antennenbereich entstehende Reflektionen gering gehalten
werden. Bei der Einkopplung, d. h. am Übergang von der
Koaxialleitung zur Antenne, von über eine Zuleitung
zugeführten Mikrowellen besteht jedoch immer ein deutlicher
Impedanzsprung der zu Reflektionen und Mehrfachreflektionen
führt. Bei diesen Mehrfachreflektionen werden vom
Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowellen an der
Einkopplung in das Füllstandsmeßgerät zurück reflektiert
und im Gerät erneut in Richtung Einkopplung reflektiert.
Über die Einkopplung gelangen diese Mikrowellen dann
entweder in die Antenne oder sie werden ganz oder zumindest
teilweise erneut reflektiert. Diese Reflexionen oder
Mehrfachreflexionen führen insb. zu einer künstlichen
Verlängerung von kurzen zu sendenden Mikrowellenimpulsen.
Einkopplungen können zwar innerhalb gewisser Grenzen
dahingehend ausgelegt werden, daß möglichst wenig
Reflektionen oder Mehrfachreflektionen auftreten. Diese
Auslegung ist jedoch in der Regel nur für einen
Frequenzbereich mit einer geringen Bandbreite wirksam. Bei
Mikrowellensignalen mit einer relativ großen
Frequenzbandbreite, wie sie bei der Füllstandsmessung
verwendet werden, stößt man hier sehr schnell an Grenzen,
so daß der Anteil von Ein- und Mehrfachreflektionen
erheblich ist. Diese Störsignale überlagern sich mit dem
eigentlichen Meßsignal. Eine Füllstandsmessung nach dem
Pulsradar-Verfahren ist nur dann durchführbar, wenn die
Laufzeit des Meßsignal größer ist als die Dauer des
Sendepulses und die Zeit, in der die letztgenannten
Störsignale abgeklungen sind. Für das FMCW-Verfahren gilt
analog, daß die Frequenzverschiebung des Meßsignals größer
sein muß als die Frequenzverschiebung der Störsignale.
Der dem Bereich, in dem die Störsignale noch nicht
abgeklungen sind, zugeordnete Abstand vor der Einkopplung
bzw. vor der Antenne, in dem eine Messung nicht möglich
ist, wird üblicherweise als Blockdistanz bezeichnet.
In der US-A 5,610,611 ist ein Füllstandsmeßgerät
beschrieben, bei dem elektromagnetische Signale in einer
elektronischen Schaltung erzeugt und auf einen Wellenleiter
übertragen werden. Der Wellenleiter führt die
elektromagnetischen Signale in einen mit einem Füllgut,
dessen Füllstand zu messen ist, gefüllten Behälter hinein
und an einer Oberfläche des Füllgutes reflektierte Signale
wieder heraus.
Um Reflektionen und/oder Mehrfachreflektionen, die von der
Einspeisung verursacht werden und eine vergrößerte
Blockdistanz zur Folge haben, zu vermeiden, ist es
beschrieben, die elektronische Schaltung direkt mit dem
Wellenleiter zu verbinden. Dies ist möglich, da das
Füllstandsmeßgerät ausschließlich, insb. auch im Behälter,
leitungsgebundene elektromagnetische Signale verwendet.
Bei einem Füllstandsmeßgerät, bei dem Mikrowellen mittels
einer Antenne in den freien Raum ausgesendet werden, ist
dagegen immer eine gesonderte Verbindung zwischen dem
Mikrowellengenerator und dem Sende- oder Sende- und
Empfangselement vorgesehen. Typischerweise ist dies eine
Koaxialleitung. Es ist jeweils ein Ende der Verbindung
mittels eines Verbindungsgliedes, z. B. einer
Steckverbindung, mit dem Mikrowellengenerator und ein
weiteres Ende ebenfalls mittels eines Verbindungsgliedes
mit dem Sende- oder Sende- und Empfangselement zu
verbinden, was zu den zuvor beschriebenen Problemen führt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein mit Mikrowellen
arbeitendes Füllstandsmeßgerät mit einer Antenne zum Senden
oder zum Senden und Empfangen von Mikrowellen anzugeben,
das eine geringe Blockdistanz aufweist.
Hierzu besteht die Erfindung in einem mit Mikrowellen
arbeitenden Füllstandsmeßgerät mit
- - einer Antenne zum Senden oder zum Senden und Empfangen von Mikrowellen,
- - einem unmittelbar an der Antenne angeordneten Mikrowellengenerator, und
- - einem in die Antenne hineinweisenden mittels einer Verbindung unmittelbar mit dem Mikrowellengenerator verbundenen Sende- oder Sende- und Empfangselement,
- - bei dem das Sende- oder Sende- und Empfangselement eine Verlängerung der Verbindung ist.
Gemäß einer Weiterbildung weist das Füllstandsmeßgerät eine
Platine auf, auf der sich der Mikrowellengenerator
befindet, und die einen in die Antenne hineinragenden
Abschnitt aufweist, auf dem das Sende- oder Sende- und
Empfangselement angeordnet ist.
Gemäß einer Weiterbildung dient mindestens eine
Mikrostreifenleitung als Sende- oder Sende- und
Empfangselement.
Gemäß einer Ausgestaltung umfaßt die Antenne einen
einseitig endseitig mittels einer Rückwand
kurzgeschlossenen zylindrischen Hohlleiter und der
Abschnitt der Platine ist seitlich in den Hohlleiter
eingeführt und von der Rückwand beabstandet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorgenannten
Ausgestaltung umfaßt das Sende- oder Sende- und
Empfangselement eine gerade Mikrostreifenleitung, die auf
einer in Senderichtung weisenden Fläche des Abschnitt der
Platine verläuft und im Inneren des Hohlleiters endet.
Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltung
ist auf die Mikrostreifenleitung endseitig im Inneren des
Hohlleiters ein in Senderichtung weisender elektrisch
leitfähiger Körper aufgebracht.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der letztgenannten
Ausgestaltung ist das Sende- oder Sende- und
Empfangselement eine gerade Mikrostreifenleitung, die auf
einer senkrecht zur Senderichtung weisenden Fläche des
Abschnitts der Platine verläuft und im Inneren des
Hohlleiters endet.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der zuerst genannten
Ausgestaltung umfaßt das Sende- oder Sende- und
Empfangselement zwei gerade Mikrostreifenleitungen, die
senkrecht zueinander auf in Senderichtung weisenden Flächen
der Platine verlaufen und im Inneren des Hohlleiters (39)
enden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung umfaßt die Antenne einen
einseitig endseitig kurzgeschlossenen zylindrischen
Hohlleiter und der Abschnitt der Platine ist parallel zu
einer Längsachse des Hohleiters in die Antenne hinein
geführt.
Gemäß einer Weiterbildung der zweiten Ausgestaltung umfaßt
das Sende- oder Sende- und Empfangselement eine erste auf
einer ersten Oberfläche des Abschnitts und eine zweite auf
einer zweiten Oberfläche des Abschnitts verlaufende
Mikrostreifenleitung.
Gemäß einer Ausgestaltung der letztgenannten Weiterbildung
weisen die erste und die zweite Mikrostreifenleitung
jeweils ein gerades Segment auf, dessen erstes Ende mit dem
Mikrowellengenerator verbunden ist und an dessen zweites
Ende sich ein gekrümmtes Segment anschließt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Verbindung eine
Mikrostreifenleitung und das Sende- oder Sende- und
Empfangselement ist ein auf der Mikrostreifenleitung
aufgebrachter, sich in die Antenne hinein erstreckender
Metallstift.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Antenne
eine Wärmeentkopplung auf.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei dem
erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgerät Mikrowellen im Betrieb
vom Mikrowellengenerator unmittelbar auf das Sende- oder
Sende- und Empfangselement geleitet sind. Das Sende- oder
Sende- und Empfangselement ist kein separates Bauteil
sondern eine Fortsetzung der Verbindung. Hierdurch werden
Impedanzsprünge, die zu Reflektionen oder sogar
Mehrfachreflektionen führen könnten deutlich reduziert.
Außerdem befindet sich der Mikrowellengenerator in
unmittelbarer Nähe des Sende- oder Sende- und
Empfangselements. Die Laufzeit eines reflektierten oder
sogar eines mehrfach reflektierten Mikrowellensignales ist
aufgrund des geringen Abstandes minimal. Entsprechend sind
solche Störsignale sehr schnell abgeklungen. Die
Blockdistanz, sofern sie aufgrund der geringen Amplitude
der Störsignale überhaupt existiert endet bei
erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräten im Inneren der
Antenne und stellt somit keine Einschränkung des
Meßbereichs dar.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der
Figuren der Zeichnung, in denen fünf Ausführungsbeispiele
dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Teile sind in
den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines
herkömmlichen Füllstandsmeßgeräts;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem
das Sende- oder Sende- und Empfangselement zwei
in Senderichtung weisende Mikrostreifenleitungen
umfaßt;
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Antenne von Fig. 1;
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem
das Sende- oder Sende- und Empfangselement eine
senkrecht zur Senderichtung verlaufende
Mikrostreifenleitung aufweist;
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine in Senderichtung
weisende Seite der Platine von Fig. 4;
Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf eine von der
Senderichtung abgewandte Seite der Platine von
Fig. 4;
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem
das Sende- oder Sende- und Empfangselement zwei
senkrecht zueinander und senkrecht zur
Senderichtung verlaufende
Mikrostreifenleitungen aufweist;
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf eine in Senderichtung
weisende Seite der Platine von Fig. 7;
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts, bei dem
das Sende- oder Sende- und Empfangselement eine
senkrecht zur Senderichtung verlaufende
Mikrostreifenleitung aufweist, deren Oberfläche
senkrecht zur Senderichtung orientiert ist; und
Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen
Füllstandsmeßgeräts, bei dem
das Sende- oder Sende- und Empfangselement ein
mit einer Mikrostreifenleitung verbundener
Metallstift ist; und
Fig. 11 zeigt eine Ansicht des in Fig. 10 dargestellten
Füllstandsmeßgeräts.
In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen
Füllstandsmeßgeräts dargestellt.
Es umfaßt eine Antenne 15 zum Senden oder zum Senden und
Empfangen von Mikrowellen. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel ist die Antenne 15 eine Hornantenne und
weist einen einseitig endseitig durch eine Rückwand 16
kurzgeschlossenen zylindrischen Hohlleiter 17 und ein sich
daran in Senderichtung anschließendes trichterförmiges Horn
19 auf. Die Senderichtung ist in Fig. 2 durch einen Pfeil S
symbolisiert. Ein Durchmesser des Horns 19 nimmt in
Senderichtung zu. Der Hohlleiter 17 und das Horn 19
bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B.
einem Edelstahl. Im Inneren des Hohlleiters 17 ist ein
Einsatz 21 aus einem Dielektrikum, z. B. aus
Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet, der im
wesentlichen zylindrisch ist und den Hohlleiter 17
ausfüllt. Der Einsatz 21 weist eine konische in das Horn 19
hineinragende Spitze auf.
Der Einsatz 21 dient hauptsächlich zum Schutz vor
chemischen und/oder mechanischen Einwirkungen. In einer
Meßumgebung, in der ein solcher Schutz nicht erforderlich
ist, kann das Füllstandsmeßgerät auch ohne Einsatz 21
eingesetzt werden.
Unmittelbar an der Antenne 15 ist ein Mikrowellengenerator
23 zur Erzeugung von Mikrowellen angeordnet. Der
Mikrowellengenerator 23 ist beispielsweise ein in planarer
Schaltungstechnik aufgebautes Pulsradar-Gerät, ein in
planarer Schaltungstechnik aufgebautes FMCW-Gerät oder ein
in planarer Schaltungstechnik aufgebauter kontinuierlich
schwingender Mikrowellen-Oszillator. Der
Mikrowellengenerator 23 ist erfindungsgemäß direkt mit
einem in die Antenne 15 hineinweisenden Sende- oder Sende-
und Empfangselement 25 verbunden.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das
Füllstandsmeßgerät eine Platine 27 auf, auf der sich der
Mikrowellengenerator 23 befindet. Auf der Platine 27 können
weitere, in Fig. 2 nicht dargestellte, elektronische
Schaltungselemente, die zur Aufnahme, Umwandlung und
Verarbeitung von Mikrowellensignale geeignet sind, z. B.
Filter, Richtkoppler, Mischer und dergleichen, angeordnet
sein. Diese Bauteile sind ebenfalls in planarer
Schaltungstechnik realisierbar, Dient die Antenne 15 zum
Senden und zum Empfangen, so ist beispielsweise ein
Richtkoppler vorzusehen, über den Mikrowellen vom
Mikrowellengenerator 23 zum Sende- und Empfangselement 25
gelangen und vom Sende- und Empfangselement 25 empfangene
Mikrowellen zu einer die Echosignale weiterverarbeitenden
Einheit gelangen.
Die Platine 27 weist einen Abschnitt 29 auf, der durch
einen in der Rückwand 16 des Hohleiters 17 diagonal
verlaufenden Spalt 30 parallel zu einer Längsachse des
Hohleiters 17 in die Antenne 15 hinein geführt ist. Fig. 3
zeigt eine Draufsicht auf die Antenne 15 in der der Spalt
31 und dessen Form ersichtlich sind.
Das Sende- oder Sende- und Empfangselement 25 befindet sich
auf dem Abschnitt 29 und ist auf der gleichen Platine 27
angeordnet, wie der Mikrowellengenerator 23. Der
Mikrowellengenerator 23 und das Sende- oder Sende- und
Empfangselement 25 sind mittels einer Verbindung
unmittelbar miteinander verbunden. Der Abstand zwischen
Sende- oder Sende- und Empfangselement 25 und
Mikrowellengenerator 23 ist somit minimal.
Erfindungsgemäß ist das Sende- oder Sende- und
Empfangselement 25 eine Verlängerung der Verbindung
zwischen Mikrowellengenerator 23 und Sende- oder Sende- und
Empfangselement 25. Als Verbindung und als Sende- oder
Sende- und Empfangselement 25 dient bei dem in Fig. 2
dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens eine
Mikrostreifenleitung. Eine Mikrostreifenleitung ist, wie
der Name schon sagt, geeignet Mikrowellen zu leiten. Der
Mikrowellengenerator 23 ist somit direkt, insb. ohne
Zwischenfügung einer Zuleitung, mit der
Mikrostreifenleitung und damit mit dem durch diese
gebildeten Sende- oder Sende- und Empfangselement 25
verbunden.
In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt
das Sende- oder Sende- und Empfangselement 25 eine auf
einer ersten Oberfläche des Abschnitts 29 verlaufende erste
Mikrostreifenleitung 31 und eine auf einer zweiten
Oberfläche des Abschnitts 29 verlaufende zweite
Mikrostreifenleitung 33. In Fig. 2 ist eine Schnittebene
gezeigt in der die erste Mikrostreifenleitung 31 liegt. Die
zweite Mikrostreifenleitung 33 liegt in einer anderen
Schnittebene und ist daher nur in Form einer gestrichelten
Linie dargestellt.
Die beiden Mikrostreifenleitungen 31, 33 sind formgleich
und weisen ein gerades Segment auf. Ein erstes Ende des
geraden Segments ist mit dem Mikrowellengenerator 23
verbunden und an ein zweites Ende des geraden Segments
schließt ein gekrümmtes Segment an.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Füllstandsmeßgeräts. Es weist eine Antenne 35, hier eine
Stabantenne, zum Senden oder zum Senden und Empfangen von
Mikrowellen auf. Die Antenne 35 umfaßt einen zylindrischen
mittels einer Rückwand 37 einseitig endseitig
kurzgeschlossenen Hohlleiter 39 in dem ein Einsatz 41 aus
einem Dielektrikum, z. B. aus Polytetrafluorethylen (PTFE),
angeordnet ist. An den Einsatz 41 ist ein in eine durch
eine Pfeil S dargestellte Senderichtung weisender
dielektrischer Stab 43 angeformt, dessen Durchmesser
endseitig in Senderichtung abnimmt. Auch hier gilt, daß das
Füllstandsmeßgerät prinzipiell auch ohne Einsatz 41
verwendbar ist, sofern die Meßumgebung dies erlaubt.
Unmittelbar an der Antenne 35 ist ein Mikrowellengenerator
45 zur Erzeugung von Mikrowellen angeordnet. Der
Mikrowellengenerator 45 ist in planarer Schaltungstechnik
aufgebaut und direkt mit einem in die Antenne 35
hineinweisenden Sende- oder Sende- und Empfangselement 47
verbunden. Erfindungsgemäß ist das Sende- oder Sende- und
Empfangselement 47 eine Verlängerung der Verbindung
zwischen Mikrowellengenerator 45 und Sende- oder Sende- und
Empfangselement 47.
Das Füllstandsmeßgerät weist eine Platine 49 auf, auf der
sich der Mikrowellengenerator 45 befindet. Die Platine 49
weist einen Abschnitt 51 auf, der durch eine Ausnehmung 52
in dem Hohlleiter 39 seitlich in die Antenne 35 eingeführt
ist. Der Abschnitt 51 ist parallel zu der Rückwand 37 und
von dieser beabstandet angeordnet und auf dem Abschnitt 51
ist das in die Antenne 35 hineinragenden Abschnitt 51 ist
das Sende- oder Sende- und Empfangselement 47 angeordnet.
Als Verbindung und als Sende- oder Sende- und
Empfangselement 47 dient bei dem in Fig. 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel mindestens eine auf dem Abschnitt 51
angeordnete Mikrostreifenleitung. Eine Mikrowellen
abstrahlende Oberfläche der Mikrostreifenleitung weist in
dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Senderichtung.
Andere Orientierungen der abstrahlenden Oberfläche, z. B. in
Richtung der Rückwand 37, sind prinzipiell auch möglich.
Der Mikrowellengenerator 45 ist direkt, insb, ohne
Zwischenfügung einer an deren beiden Enden anzuschließenden
Zuleitung, mit der Mikrostreifenleitung und damit mit dem
durch diese gebildeten Sende- oder Sende- und
Empfangselement 47 verbunden.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine in Senderichtung
weisende Seite der Platine 49 von Fig. 4 und Fig. 6 zeigt
eine Draufsicht auf eine von der Senderichtung abgewandten
Seite der Platine 49 von Fig. 4.
Wie aus Fig. 4 und Fig. 5 ersichtlich umfaßt das Sende-
oder Sende- und Empfangselement 47 in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel eine Mikrostreifenleitung 53, die
gerade ist. Sie verläuft auf einer in Senderichtung
weisenden Fläche des Abschnitt 53 der Platine und endet im
Inneren des Hohlleiters 39.
Zur Verbesserung der Sendeeigenschaften ist auf die
Mikrostreifenleitung 53 endseitig im Inneren des
Hohlleiters 39 ein in Senderichtung weisender elektrisch
leitfähiger Körper 55 aufgebracht.
Platinen mit Mikrostreifenleitungen weisen üblicherweise
auf deren der die Leitungsstruktur aufweisenden Oberfläche
gegenüberliegenden Oberfläche eine elektrisch leitfähige
Beschichtung auf, die mit Masse oder einem anderen
Bezugspotential verbunden ist. Wie in Fig. 6 dargestellt,
weist die Platine 49 ebenfalls eine mit einem
Bezugspotential U verbundene Beschichtung 57 auf.
Simulationsrechnungen und Versuche haben jedoch gezeigt,
daß sich die Sendeleistung verbessert, wenn zumindest der
in dem Hohleiter 39 befindliche Abschnitt 51
beschichtungsfrei ist.
Bei beiden Ausführungsbeispielen ist die Geometrie der
Sende- oder Sende- und Empfangselemente 25, 47 zur
Füllstandsmessung vorzugsweise für eine Anregung des in
Rundhohlleitern ausbreitungsfähigen transversal
elektrischen 11 Modes (TE-11) ausgelegt. Dieser Mode weist
eine Abstrahlcharakteristik mit einer ausgeprägten
Vorwärtskeule auf und ist daher zum gerichteten Senden von
Mikrowellen besonders geeignet. Durch Simulationsrechnungen
können dann die Abmessungen von Hohlleiter und
Mikrostreifenleitungen für eine gewünschte Frequenz
optimiert werden. Bei Mikrowellensignalen, die ein
Frequenzspektrum mit einer Bandbreite aufweisen kann eine
Mittenfrequenz oder eine Frequenz, die ein wesentlicher
Anteil der zu sendenden Mikrowellenleistung aufweist, bei
der Optimierung zugrunde gelegt werden.
Die Erfindung ist jedoch weder auf Rundhohlleiter noch auf
den TE-11 Mode beschränkt sondern kann analog auch bei
anderen Hohlleiterquerschnitten, z. B. Rechteckhohlleitern,
und anderen Ausbreitungsmoden eingesetzt werden.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Füllstands
meßgeräts. Es weist eine Antenne 35 zum Senden oder zum
Senden und Empfangen von Mikrowellen auf, die der in dem in
Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. Sie
ist nachfolgend daher nicht näher beschrieben. Unmittelbar
an der Antenne 35 sind ein erster Mikrowellengenerator 59
und ein in Fig. 8 dargestellter zweiter Mikrowellen
generator 61 angeordnet.
Es ist ein in die Antenne 35 hinein weisendes Sende- oder
Sende- und Empfangselement 60 vorgesehen. Als Sende- oder
Sende- und Empfangselement 60 dienen hier zwei
Mikrostreifenleitungen 63, 65. Die Mikrostreifenleitung 63
ist mittels einer Verbindung unmittelbar mit dem
Mikrowellengenerator 59, und die Mikrostreifenleitung 65
ist mittels einer Verbindung unmittelbar mit dem
Mikrowellengenerator 61 verbunden. Die Verbindung ist in
beiden Fällen eine Fortsetzung der Mikrostreifenleitungen
63, 65. Das Sende- oder Sende- und Empfangselemente 60 ist
somit eine Verlängerung der Verbindung zu den jeweiligen
Mikrowellengenerator 59, 61.
Das Füllstandsmeßgerät weist eine Platine 67 auf, auf der
sich die Mikrowellengeneratoren 59, 61 befinden. Die
Platine 67 weist zwei rechteckige in die Antenne 35 hinein
ragende Abschnitte 69, 71 auf, die im Inneren der Antenne
35 rechtwinklig aneinander angrenzen. Die beiden Abschnitte
69, 71 der Platine 67 sind seitlich durch eine Öffnung 73
von der Rückwand 37 beabstandet in den Hohlleiter 39
eingeführt. Zum besseren Verständnis ist eine
Querschnittsebene des Hohlleiters 39 in der sich die
Platine 67 befindet in Fig. 8 eingezeichnet. In dem
dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Rundhohlleiter
vorgesehen. Andere Hohlleiterquerschnitte, z. B.
Rechteckhohlleiter, sind ebenfalls einsetzbar. Auf den
Abschnitten 69, 71 der Platine 67 ist das Sende- oder
Sende- und Empfangselement 60 angeordnet.
Die beiden Mikrostreifenleitungen 63, 65 sind gerade und
verlaufen senkrecht zueinander auf in Senderichtung
weisenden Flächen der Abschnitte 69, 71 der Platine 67. Sie
enden im Inneren des Hohlleiters 39.
Auf der Platine 67 können weitere, in Fig. 8 nicht
dargestellte, elektronische Schaltungselemente, die zur
Aufnahme, Umwandlung und Verarbeitung von
Mikrowellensignale geeignet sind, z. B. Filter,
Richtkoppler, Mischer und dergleichen, angeordnet sein.
Diese Bauteile sind ebenfalls in planarer Schaltungstechnik
realisierbar. Dient die Antenne 35 zum Senden und zum
Empfangen, so sind beispielsweise ein Richtkoppler
vorzusehen, über die Mikrowellen von den
Mikrowellengeneratoren 59, 61 zum Sende- oder Sende- und
Empfangselement 60 gelangen und vom Sende- oder Sende- und
Empfangselement 60 empfangene Mikrowellen zu einer die
Echosignale weiterverarbeitenden Einheit gelangen.
Ein in den Fig. 7 und 8 dargestelltes Sende- oder Sende-
und Empfangselement 60 kann z. B. dazu verwendet werden
linear polarisierte Mikrowellen zu senden oder zu senden
und zu empfangen. Dabei werden von den Mikrowellen
generatoren 59, 61 erzeugte Mikrowellen jeweils durch
einen, ebenfalls in planarer Schaltungstechnik
realisierbaren, Polarisationsfilter 75, 77 geführt, an
dessen Ausgang linear polarisierte Mikrowellen zur
Verfügung stehen, deren Polarisationsrichtung parallel zur
Längsachse der jeweiligen Mikrostreifenleitung 63, 65
verläuft. Aufgrund der rechtwinkligen Anordnung der beiden
Mikrostreifenleitungen 63, 65 zueinander weisen die von der
Mikrostreifenleitung 63 gesendeten Mikrowellen eine
Polarisation auf, die um 90° gegenüber der Polarisation der
von der Mikrostreifenleitung 65 gesendeten Mikrowellen
gedreht ist.
Aufgrund der um 90° gegeneinander gedrehten Polarisationen
können von den Mikrostreifenleitungen 63 und 65 gesendete
und an einer Füllgutoberfläche reflektierte Mikrowellen
sauber voneinander getrennt empfangen und ausgewertet
werden. Ein Herausfiltern von Mikrowellen mit einer zuvor
gesendeten Polarisationsrichtung bietet den Vorteil, daß
Stör- und/oder Streureflexionen, die üblicherweise eine von
der gesendeten Polarisationsrichtung verschiedene
Polarisationsrichtung aufweisen eliminiert werden. Die
Verwendung von zwei zueinander senkrecht stehenden
Polarisationsrichtungen bietet eine erhöhte Meßsicherheit,
da zwei unabhängige Meßsignale gewonnen und ausgewertet
werden. So kann z. B. auch dann noch eine zuverlässige
Messung erfolgen, wenn eine der Polarisationsrichtungen
parallel zu einer diagonal durch den Behälter verlaufenden
Strebe oder einem anderen Mikrowellen reflektierenden
Element, z. B. einem Rührwerk, verläuft.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Füllstandsmeßgeräts. Es entspricht im wesentlichen dem in
Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel. Es werden daher
nachfolgend lediglich die Unterschiede näher beschrieben.
Das Füllstandsmeßgerät weist eine Platine 81 auf, auf der
sich der Mikrowellengenerator 45 befindet. Die Platine 81
weist einen Abschnitt 83 auf, der durch eine Ausnehmung 52
in dem Hohlleiter 39 seitlich in die Antenne 35 eingeführt
ist. Der Abschnitt 83 verläuft senkrecht zur Senderichtung
S und endet im Inneren des Hohlleiters 39. Er ist senkrecht
zu der Rückwand 37 und von dieser beabstandet angeordnet
und auf dem in die Antenne 35 hineinragenden Abschnitt 83
ist ein Sende- oder Sende- und Empfangselement 85
angeordnet.
Als Verbindung und als Sende- oder Sende- und
Empfangselement 85 dient bei dem in Fig. 9 dargestellten
Ausführungsbeispiel mindestens eine auf dem Abschnitt 83
angeordnete Mikrostreifenleitung 87. Eine Mikrowellen
abstrahlende Oberfläche der Mikrostreifenleitung 87 weist
senkrecht zur Senderichtung. Der Mikrowellengenerator 45
ist direkt, insb. ohne Zwischenfügung einer an deren beiden
Enden anzuschließenden Zuleitung, mit der
Mikrostreifenleitung und damit mit dem durch diese
gebildeten Sende- oder Sende- und Empfangselement 85
verbunden.
Für den Fall, daß ein erfindungsgemäßes Füllstandsmeßgerät
an einem Meßort eingesetzt werden soll, an dem höhere
Temperaturen auftreten, weist die Antenne 15, 35 zum Schutz
des Mikrowellengenerators 23, 45 vorzugsweise eine
Wärmeentkopplung 79 auf. Dies kann z. B. ein Abschnitt des
Hohlleiter 17, 39 sein, in dem ein Ring eingearbeitet ist,
der aus einem Material besteht, das ein schlechter
Wärmeleiter ist. Alternativ kann ein ringförmiger Abschnitt
des Hohlleiters 17, 39 hohl und evakuiert sein oder es kann
der Hohlleiter 17, 39 aus zwei Zylindern bestehen, die
lediglich an einigen wenigen Punkten miteinander verbunden
sind. Es ist eine Vielzahl verschiedener Wärmeentkopplungen
einsetzbar. Auch Unterbrechungen der leitfähigen inneren
Oberfläche des Hohlleiters 17, 39 sind möglich solange die
Abmessungen dieser Unterbrechungen klein sind gegenüber der
Wellenlänge der Mikrowellen im Hohlleiter 17, 39.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist jeweils die
Platine 27, 49, 69, 71, 81 in den Hohleiter 17, 39 der
Antenne 15, 35 hinein geführt. Selbstverständlich kann
anstelle dieser offenen Bauweise auch in dem Bereich, in
dem die Platine 27, 49, 69, 71, 81 die Hohlleiterwand 16,
52, 73 durchdringt rings um die Platine 27, 49, 60, 71, 81
eine Abdichtung vorgesehen sein. So kann z. B. in die
entsprechenden Öffnungen eine Durchführung, z. B. eine
Glasdurchführung oder eine mit einem Kunststoff, wie z. B.
Polytetrafluorethylen (PTFE), gefüllte Durchführung
vorgesehen sein. Alternativ können die Platinen 27, 49, 69,
71, 81 jeweils im Bereich der Hohlleiterwand 16, 53, 73
eine Unterbrechung aufweisen, und es kann eine herkömmliche
handelsübliche Durchführung mit endseitig heraus geführten
Leitungsenden an dieser Stelle in die Hohlleiterwand 16,
53, 73 eingesetzt sein. Die Leitungsenden sind in diesem
Fall direkt mit den Mikrostreifenleitungen 31, 33, 63, 65,
53, 87 zu verbinden.
Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch weiteres
Ausführungsbeispiel eines mit Mikrowellen arbeitendes
Füllstandsmeßgerät. Fig. 11 zeigt eine Ansicht desselben.
Das Füllstandsmeßgerät weist eine Antenne 15 auf, die im
wesentlichen der in Fig. 2 dargestellten Hornantenne
entspricht. Sie dient zum Senden oder zum Senden und
Empfangen von Mikrowellen und weist einen endseitig durch
eine Rückwand 16 kurzgeschlossenen zylindrischen Hohlleiter
17 und ein daran in Senderichtung anschließendes
trichterförmiges Horn 19 auf. Die Erfindung ist jedoch
nicht auf Rundhohlleiter beschränkt. Andere
Hohlleitergeometrien sind ebenfalls einsetzbar.
Außen an dem Hohlleiter 17 ist eine Platine 89 angebracht,
auf der unmittelbar an der Antenne 15 ein
Mikrowellengenerator 91 angeordnet ist. Der
Mikrowellengenerator 91 ist, genau wie bei den zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispielen, z. B. ein in planarer
Schaltungstechnik aufgebautes Pulsradar-Gerät, ein in
planarer Schaltungstechnik aufgebautes FMCW-Gerät oder ein
in planarer Schaltungstechnik aufgebauter kontinuierlich
schwingender Mikrowellen-Oszillator.
Das Füllstandsmeßgerät weist ein in die Antenne 15 hinein
weisendes mittels einer Verbindung unmittelbar mit dem
Mikrowellengenerator 91 verbundenes Sende- oder Sende- und
Empfangselement 93 auf.
In dem in den Fig. 10 und 11 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Verbindung eine
Mikrostreifenleitung 95, die auf einer antennen-abgewandten
Seite der Platine 89 verläuft. Als Sende- oder Sende- und
Empfangselement 93 dient ein Metallstift 97. Der
Metallstift 97 führt durch die Platine 89 und den
Hohlleiter 17 hindurch und erstreckt sich in die Antenne 15
hinein.
Der Metallstift 97 ist auf einer der Antenne 15 zugewandten
Seite der Mikrostreifenleitung 95 aufgebracht. In diesem
Bereich weist die Platine 89 eine Ausnehmung 99 auf, durch
die die antennen-zugewandte Seite der Mikrostreifenleitung
95 zugänglich ist. Unter der Ausnehmung 99 befindet sich
eine Öffnung in der Wand des Hohlleiters 17, durch die der
Metallstift 97 in die Antenne 15 hinein führt.
Der Metallstift 97 stellt eine Verlängerung der
Mikrostreifenleitung 95 dar. Das Sende- oder Sende- und
Empfangselement 93 ist also eine Verlängerung der
Verbindung zum Mikrowellengenerator.
In der Öffnung im Hohlleiter 17 ist eine Durchführung 101
vorgesehen, die einen zwischen dem Metallstift 97 und dem
Hohleiter 17 bestehenden ringzylindrischen Spalt ausfüllt.
Die Durchführung dient zur Abdichtung und kann z. B. auch
Glas oder aus einem Kunststoff, z. B. aus
Polytetrafluorethylen (PTFE), bestehen.
Wie auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist auch hier eine Wärmeentkopplung 79 vorgesehen.
Claims (13)
1. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
mit
einer Antenne (15, 35) zum Senden oder zum Senden und Empfangen von Mikrowellen,
einem unmittelbar an der Antenne (15, 35) angeordneten Mikrowellengenerator (23, 45, 59, 61, 91), und
einem in die Antenne (15, 35) hinein weisenden mittels einer Verbindung unmittelbar mit dem Mikrowellengenerator (23, 45, 59, 61, 91) verbundenen Sende- oder Sende- und Empfangselement (25, 47, 60, 85, 93),
bei dem das Sende- oder Sende- und Empfangselement (25, 47, 60, 85, 93) eine Verlängerung der Verbindung ist.
einer Antenne (15, 35) zum Senden oder zum Senden und Empfangen von Mikrowellen,
einem unmittelbar an der Antenne (15, 35) angeordneten Mikrowellengenerator (23, 45, 59, 61, 91), und
einem in die Antenne (15, 35) hinein weisenden mittels einer Verbindung unmittelbar mit dem Mikrowellengenerator (23, 45, 59, 61, 91) verbundenen Sende- oder Sende- und Empfangselement (25, 47, 60, 85, 93),
bei dem das Sende- oder Sende- und Empfangselement (25, 47, 60, 85, 93) eine Verlängerung der Verbindung ist.
2. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach Anspruch 1, bei dem das Füllstandsmeßgerät eine
Platine (27, 49, 67, 81)aufweist,
auf der sich der Mikrowellengenerator (23, 45, 59, 61) befindet, und
die einen in die Antenne (15, 35) hineinragenden Abschnitt (29, 51, 69, 71, 83) aufweist, auf dem das Sende- oder Sende- und Empfangselement (25, 47, 60, 85) angeordnet ist.
auf der sich der Mikrowellengenerator (23, 45, 59, 61) befindet, und
die einen in die Antenne (15, 35) hineinragenden Abschnitt (29, 51, 69, 71, 83) aufweist, auf dem das Sende- oder Sende- und Empfangselement (25, 47, 60, 85) angeordnet ist.
3. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach Anspruch 1, bei dem als Sende- oder Sende- und
Empfangselement (25, 47, 60, 85) mindestens eine
Mikrostreifenleitung (31, 33, 53, 63, 65, 87) dient.
4. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach Anspruch 2 und 3, bei dem die Antenne (35) einen
einseitig endseitig mittels einer Rückwand (37)
kurzgeschlossenen zylindrischen Hohlleiter (39) umfaßt
und der Abschnitt (51, 69, 71, 83) der Platine (49,
67, 81) seitlich in den Hohlleiter (39) eingeführt ist
und von der Rückwand (37) beabstandet ist.
5. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach Anspruch 4, bei der das Sende- oder Sende- und
Empfangselement (47) eine gerade Mikrostreifenleitung
(53) umfaßt, die auf einer in Senderichtung weisenden
Fläche des Abschnitts (51) der Platine (49) verläuft
und im Inneren des Hohlleiters (39) endet.
6. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach Anspruch 5, bei dem auf die Mikrostreifenleitung
(53) endseitig im Inneren des Hohlleiters (39) ein in
Senderichtung weisender elektrisch leitfähiger Körper
(55) aufgebracht ist.
7. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach Anspruch 4, bei der das Sende- oder Sende- und
Empfangselement (85) eine gerade Mikrostreifenleitung
(87) umfaßt, die auf einer senkrecht zur Senderichtung
weisenden Fläche des Abschnitts (83) der Platine (81)
verläuft und im Inneren des Hohlleiters (39) endet.
8. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach Anspruch 4, bei der das Sende- oder Sende- und
Empfangselement (60) zwei gerade
Mikrostreifenleitungen (63, 65) umfaßt, die senkrecht
zueinander auf in Senderichtung weisenden Flächen der
Platine (67) verlaufen und im Inneren des Hohlleiters
(39) enden.
9. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach Anspruch 2 und 3, bei dem die Antenne (15) einen
einseitig endseitig kurzgeschlossenen zylindrischen
Hohlleiter (17) umfaßt und der Abschnitt (29) der
Platine (27) parallel zu einer Längsachse des
Hohleiters (17) in die Antenne (15) hinein geführt
ist.
10. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach Anspruch 9, bei dem das Sende- oder Sende- und
Empfangselement (25) eine erste auf einer ersten
Oberfläche des Abschnitts (29) und eine zweite auf
einer zweiten Oberfläche des Abschnitts (29)
verlaufende Mikrostreifenleitung (31, 33) umfaßt.
11. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach Anspruch 10, bei dem die erste und die zweite
Mikrostreifenleitung (31, 33) jeweils ein gerades
Segment aufweisen, dessen erstes Ende mit dem
Mikrowellengenerator (23) verbunden ist und an dessen
zweites Ende sich ein gekrümmtes Segment anschließt.
12. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach Anspruch 1, bei dem die Verbindung eine
Mikrostreifenleitung (95) ist und das Sende- oder
Sende- und Empfangselement (93) ein auf der
Mikrostreifenleitung (95) aufgebrachter, sich in die
Antenne (15) hinein erstreckender Metallstift (97) ist.
13. Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die
Antenne eine Wärmeentkopplung (79) aufweist.
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