DE10064812A1 - Vorrichtung zum Aussenden hochfrequenter Signale - Google Patents

Vorrichtung zum Aussenden hochfrequenter Signale

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aussenden hochfrequenter Signale mit einer Signalerzeugungseinheit (2), einer Signalleitung (3), einem abstrahlenden Element (4) und einem Hohlleiter (5), der in einem Endbereich durch eine Rückwand (6) abgeschlossen ist, wobei die Signalerzeugungseinheit (2) die hochfrequenten Signale erzeugt, wobei die Signalleitung (3) die hochfrequenten Signale auf das abstrahlende Element (4) führt, und wobei das abstrahlende Element (4) in den Hohlleiter (5) hineinragt. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Aussenden von hochfrequenten Meßsignalen vorzuschlagen, die sich durch eine optimierte Abstrahlcharakteristik auszeichnet. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das abstrahlende Element (4) in einem Winkel zur Rückwand (6) des Hohlleiters (5) bzw. zu einer zur Rückwand (6) parallelen Ebene des Hohlleiters (5) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aussenden hochfrequenter Signale mit einer Signalerzeugungseinheit, einer Signalleitung, einem abstrahlenden Element und einem Hohlleiter, der in einem Endbereich durch eine Rückwand abgeschlossen ist, wobei die Signalerzeugungseinheit die hochfrequenten Signale erzeugt, wobei die Signalleitung die hochfrequenten Signale auf das abstrahlende Element des Hohlleiters führt, und wobei das abstrahlende Element in den Hohlleiter hineinragt.
Eine Vorrichtung der zuvor beschriebenen Art kommt beispielsweise in Meßgeräten zum Einsatz, die den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter über die Laufzeit von hochfrequenten Meßsignalen bestimmen. Laufzeit­ verfahren nutzen die physikalische Gesetzmäßigkeit aus, wonach die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindig­ keit 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 Echo­ funktion darstellt.
Die Ausbreitung der hochfrequenten Meßsignale folgt in der Signalleitung und in dem Hohlleiter den physikalischen Gesetzen der Ausbreitung elektro­ magnetischer Wellen. Üblicherweise handelt es sich bei der Signalleitung um eine Koaxleitung. Über eine Einkopplung werden die hochfrequenten Meßsignale von dem Innenleiter des Koaxialkabels auf das abstrahlende Element des Hohlleiters geführt. Der Hohlleiter ist entweder als Rechteck­ hohlleiter 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 Hohlleiter 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 relativ großen Fehlern bei der Bestimmung des Meßwertes kommen kann.
Beispiele für bislang bekannt gewordene Füllstandsmeßgeräte sind übrigens in der EP 0 821 431 A2 und in der DE-GM 93 12 251.9 beschrieben. Während in der EP 0 821 431 A2 eine Ausführungsform beschrieben wird, bei der das abstrahlende Element, der sog. Sendedraht, durch die Rückwand in den Innenraum des Hohlleiters geführt ist, erfolgt in der DE-GM 93 12 251.9 die Einkopplung der hochfrequenten Meßsignale auf den Hohlleiter durch die Seitenwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Aussenden von hochfrequenten Meßsignalen vorzuschlagen, die sich durch eine optimierte Abstrahlcharakteristik auszeichnet.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das abstrahlende Element in einem Winkel zur Rückwand des Hohlleiters bzw. zu einer zur Rückwand parallelen Ebene des Hohlleiters angeordnet ist.
Bekannte Lösungen gingen immer davon aus, daß für eine optimale E-Feld- Einkopplung das abstrahlende Element, sprich der Erregerstift, parallel zur Rückwand des Hohlleiters angeordnet sein muß.
Überraschenderweise hat es sich jedoch gezeigt, daß wesentlich bessere Ergebnisse erzielt werden können, wenn der Erregerstift nicht parallel zur Rückwand, sondern unter einem gewissen Winkel zur Rückwand bzw. zu einer zur Rückwand parallelen Ebene verläuft. Dieser Winkel hängt ab von der sonstigen Einkopplungs-Geometrie und kann nicht allgemein definiert werden. Es hat sich - wie bereits gesagt - herausgestellt, daß durch den schräg stehenden Erregerstift die Anregung sehr viel monomodiger erfolgt, d. h. im wesentlichen wird nur der gewünschte Mode, sprich der Grundmode, angeregt. Diese monomodige Einkopplung läßt sich selbst dann noch erreichen, wenn sehr breitbandige Meßsignale auf den Hohlleiter eingekoppelt werden. Darüber hinaus wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine sehr gute Anpassung zwischen der Signalleitung und der Einkopplung erzielt. Als Ergebnis beider Effekte wird das bereits zuvor beschriebene Klingeln insbesondere bei der Einkopplung von breitbandigen Meßsignalen drastisch reduziert. Weiterhin erreicht man durch die Unterdrückung der unerwünschten höheren Moden das gewünschte Abstrahlverhalten mit einer ausgeprägten Richtcharakteristik in Abstrahlrichtung.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das abstrahlende Element durch die Rückwand des Hohlleiters geführt ist. Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß das abstrahlende Element durch die Seitenwand des Hohlleiters geführt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Betrag des Winkels zwischen dem abstrahlenden Element und der Rückwand des Hohlleiters bzw. einer zur Rückwand parallelen Ebene größer als 4°.
Bei dem abstrahlenden Element kann es sich beispielsweise um einen Sendedraht handeln. Bevorzugt ist in diesem Fall im Bereich des freien Endes des Sendedrahtes ein Sendepilz angeordnet. Alternativ kann als abstrahlendes Element eine Leiterstruktur zum Einsatz kommen, die auf einer Leiterplatte angeordnet ist, wobei die abstrahlende Struktur auf der Leiterplatte in einem Winkel zur Rückwand des Hohlleiters bzw. zu einer zur Rückwand des Hohlleiters parallelen Ebene angeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt der Hohlleiter auf eine Horn-, Stab-, oder Parabolantenne. Hierdurch läßt sich die Abstrahlcharakteristik der Vorrichtung weiterhin optimieren.
Um das abstrahlende Element gegen Ablagerungen zu schützen, sieht eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, daß ein dielektrisches Material zumindest den Innenraum des Hohlleiters im Bereich des Sendedrahtes ausfüllt. Insbesondere wird in diesem Zusammenhang vorgeschlagen, daß in dem dielektrischen Material eine Ausnehmung vorgesehen ist, in die der Sendedraht hineinragt. Bei dem dielektrischen Material handelt es sich beispielsweise um Polytetrafluorethylen (PTFE) oder um Aluminiumtrioxid (Al2O3).
Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt ein Teil eines Füllstandsmeßgeräts. Allerdings ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung keineswegs auf diese Verwendung beschränkt. Die Vorrichtung kann prinzipiell in beliebigen Vorrichtungen eingesetzt werden, die mit hochfrequente Meßsignalen arbeiten.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1: eine schematische Darstellung einer ersten Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer zweiten Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die in eine Stabantenne 15 integriert ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 besteht aus der Signalerzeugungseinheit 2, der Signalleitung 3 und dem abstrahlenden Element 4, das in dem Hohlleiter 5, hier einem Rundhohlleiter, angeordnet ist. Im gezeigten Fall handelt es sich bei dem abstrahlenden Element 4 um einen Sendedraht. Erfindungsgemäß verläuft das abstrahlende Element 4 nicht parallel zur Rückwand 6 des Hohlleiters 5 bzw. zu einer zur Rückwand 6 des Hohlleiters 5 parallelen Ebene, sondern ist in einem gewissen Winkel zur Rückwand 6 bzw. zu der zur Rückwand 6 parallelen Ebene angeordnet.
In der Signalerzeugungseinheit 2 werden hochfrequente Meßsignale erzeugt und über die Signalleitung 3, bei der es sich üblicherweise um ein Koaxialkabel handelt, auf das abstrahlende Element 4 eingekoppelt. Die Stabantenne 15, über die die hochfrequenten Meßsignale abgestrahlt bzw. über die die reflektierten Echosignale empfangen werden, besteht im gezeigten Fall aus einem Rundhohlleiter 5. Im Innenraum des Rundhohlleiters 5 ist ein Endbereich des stabförmigen dielektrischen Materials 18 positioniert. In der Seitenwand 8 des Rundhohlleiters 5 ist eine Öffnung 7 vorgesehen, in der die Durchführung 9 arretiert ist. über die die Meßsignale von der Signalleitung 3 auf das abstrahlende Element 4 geführt werden. Das abstrahlende Element 4 ist in einer entsprechenden Ausnehmung 14 des stabförmig ausgebildeten dielektrischen Materials 18 angeordnet.
Das Übergangselement 17, das gleichfalls aus einem dielektrischen Material gefertigt ist, ist über einen Flansch 19 und Befestigungsstifte 20 an dem Flansch 16 befestigt und dient gleichzeitig der Anpassung als auch der Fixierung des stabförmigen dielektrischen Materials 18 in dem Rundhohlleiter 5.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die in eine Hornantenne 16 integriert ist. Während bei der in Fig. 1 gezeigten Stabantenne 15 die Abstrahlcharakteristik durch das stabförmige dielektrische Material 18 optimiert wird, wird die Optimierung bei der Hornantenne 15 durch das hornförmige Element 11 unterstützt, das sich in Abstrahlrichtung an das freie Ende des Hohlleiters 5 anschließt. Zur Verbesserung der Richtcharakteristik der Hornantenne 16 dient auch das in dem Hohlleiter 5 plazierte dielektrische Material 10, das darüber hinaus in Abstrahlrichtung getapert ist.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Füllstandsmeßgeräts 29, das in einer Öffnung 24 der Abdeckung 22 eines Behälters 21 befestigt ist. Bei dem Füllstandsmeßgerät 29 handelt es sich um eine Hornantenne 16, bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 Verwendung findet. Um den Füllstand des Füllguts 23 in dem Behälter 21 zu bestimmen, werden über die Hornantenne 16 hochfrequente von der Sendeeinheit 25 erzeugte Meßsignale in Richtung der Oberfläche des Füllguts 23 ausgesendet. Die an der Oberfläche des Füllguts 23 reflektierten Echosignale werden von der Empfangseinheit 26 detektiert. Anhand des Laufzeitunterschieds zwischen den Meßsignalen und den Echosignalen bestimmt die Regel-/Auswerteeinheit den Füllstand des Füllguts 23 in dem Behälter 21.
Bezugszeichenliste
1
erfindungsgemäße Vorrichtung
2
Signalerzeugungseinheit
3
Signalleitung
4
Abstrahlendes Element
5
Hohlleiter
6
Rückwand
7
Öffnung
8
Seitenwand
9
Durchführung
10
Dielektrisches Material
11
Hornförmiges Element
12
Flansch
13
Seitenwand
14
Ausnehmung
15
Stabantenne
16
Harnantenne
17
Übergangselement
18
Stabförmiges dielektrisches Material
19
Flansch
20
Befestigungsstift
21
Behälter
22
Abdeckung
23
Füllgut
24
Öffnung
25
Sendeeinheit
26
Empfangseinheit
27
Regel-/Auswerteeinheit
28
Sendepilz
29
Füllstandsmeßgerät

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Aussenden hochfrequenter Signale mit einer Signal­ erzeugungseinheit, einer Signalleitung, einem abstrahlenden Element und einem Hohlleiter, der in einem Endbereich durch eine Rückwand abgeschlossen ist, wobei die Signalerzeugungseinheit die hochfrequenten Signale erzeugt, wobei die Signalleitung die hochfrequenten Signale auf das abstrahlende Element des Hohlleiters führt, und wobei das abstrahlende Element in den Hohlleiter hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß das abstrahlende Element (4) in einem Winkel zur Rückwand (6) des Hohlleiters (5) bzw. zu einer zur Rückwand (6) parallelen Ebene des Hohlleiters (5) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abstrahlende Element (4) durch die Rückwand (6) des Hohlleiters (5) geführt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abstrahlende Element (4) durch die Seitenwand (8) des Hohlleiters (5) geführt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des Winkels zwischen dem abstrahlenden Element (4) und der Rückwand (6) des Hohlleiters (5) bzw. einer zur Rückwand (6) des Hohlleiters (5) parallelen Ebene größer als 4° ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem abstrahlenden Element (4) um einen Sendedraht handelt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich des freien Endes des Sendedrahtes (4) ein Sendepilz (28) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem abstrahlenden Element (4) um eine Leiterstruktur handelt, die auf einer Leiterplatte angeordnet ist und daß die abstrahlende Struktur auf der Leiterplatte in einem Winkel zur Rückwand (6) des Hohlleiters (5) bzw. zu einer zur Rückwand (6) des Hohlleiters (5) parallelen Ebene angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (5) auf eine Hornantenne (16), eine Stabantenne (15) oder eine Parabolantenne führt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrisches Material (10; 18) vorgesehen ist, das zumindest den Innenraum des Hohlleiters (5) im Bereich des abstrahlenden Elements (4) ausfüllt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem dielektrischen Material (10; 18) eine Ausnehmung (14) vorgesehen ist, in die das abstrahlende Element (4) hineinragt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem dielektrischen Material (10; 18) um Polytetrafluorethylen (PTFE) oder um Aluminiumtrioxid (Al2O3) handelt.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Teil eines Füllstandsmeßgeräts (29) ist.
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