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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands
eines Füllguts
in einem Behälter über ein
Laufzeitverfahren.
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Laufzeitverfahren,
beispielsweise das Pulsradarverfahren und das Frequezmodulations-Dauerstrichradarverfahren
(FMCW-Radar), 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. der digitalisierten
Hüllkurve
bestimmt. Die Hüllkurve
repräsentiert
die Amplituden der Echosignale als Funkton des Abstandes 'Antenne – Oberfläche des
Füllguts'. Der Füllstand
selbst wird aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der
Antenne zum Boden des Behälters
und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des
Füllguts
zur Antenne berechnet.
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Zum
gerichteten Senden von elektromagnetischen Wellen mittels einer
Antenne werden bevorzugt Moden angeregt, deren Abstrahlcharakteristik eine
ausgeprägte
Vorwärtskeule
aufweist. Diese Eigenschaft weist der in Rundhohlleitern ausbreitungsfähige transversal-elektrische
TE11-Mode auf. In Abhängigkeit von den Abmessungen
der als Rundhohlleiter dienenden Antenne gibt es einen Frequenzbereich,
in dem der TE11-Mode der einzige ausbreitungsfähige Mode
ist. Oberhalb dieses Frequenzbereichs sind auch höhere für das gerichtete
Senden von Mikrowellen weniger gutgeeignete Moden, z.B. der TM01 - Mode, ausbreitungsfähig.
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Darüber hinaus
breiten sich Meßsignale
in Koaxialleitern im transversalelektromagnetischen Mode dispersionsfrei
aus. Dieser Mode eignet sich daher natürlich besonders gut zum Transport
von Wellenpaketen bzw. von elektromagnetischen Wellen, die eine
gewisse Frequenz-Bandbreite aufweisen. Pulsförmige Meßsignale (Pulsradar) erfahren praktisch
keine Verbreiterung, und bei linear frequenzmodulierten Meßsignalen
(FMCW-Radar) wird eine
Linearitätsabweichung
weitgehend vermieden. Weiterhin ist dafür Sorge zu tragen, daß bei der
Einspeisung der Meßsignale
auf den Hohlleiter einer Antenne keine höheren Moden angeregt werden.
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Um
einerseits eine Trennung zum Prozeß hin zu erreichen, d.h. um
die empfindlichen Komponenten der Einkopplung bzw. der Elektronik
des Füllstandsmeßgeräts vor Verschmutzungen/Ablagerungen
und sonstigen negativen Umgebungseinflüssen am Einbau- bzw. Meßort zu
schützen,
und um sicherzustellen, daß bei
der Einspeisung der Meßsignale auf
die Antenne möglichst
nur der gewünschte
Mode angeregt wird, muß eine
Antenne folglich eine spezielle Ausgestaltung aufweisen.
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Aus
der
DE 196 29 593
A1 ist eine Antenne bekannt geworden, bei der die Meßsignale über einen
Sendedraht eingekoppelt werden, der durch die Rückwand eines zylindrischen
Hohlleiters geführt
ist. Der zylindrische Hohlleiter weitet sich in Abstrahlrichtung
konisch auf und ist so dimensioniert, daß nur der gewünschte Mode,
insbesondere der TE
1 1-Mode,
angeregt wird und sich nachfolgend ausbreiten kann. In dem Hohlleiter
ist ein dielektrisches Material vorgesehen, das im Bereich des aufgeweiteten
Hohlleiters in Abstrahlrichtung der Meßsignale getapert ist. Hierdurch
wird der Übergang
der Meßsignale,
auf den Lufthohlleiter optimiert. Diese Ausgestaltung hat darüber hinaus
den Vorteil, daß sich
bildendes Kondensat an der Spitze des getaperten dielektrischen
Materials problemlos abtropfen kann. Handelt es sich bei dem dielektrischen
Material beispielsweise um PTFE, so muß der Hohlleiter bei einer
Betriebsfrequenz von ca. 6 GHz einen Durchmesser von 25 mm aufweisen,
wenn die Anregung des TE
11 - Modes sichergestellt
sein soll.
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Bei
Temperaturen oberhalb von 250° C
kann Teflon nicht mehr als Füllmaterial
für eine
Hornantenne verwendet werden. Bei Applikationen im Hochtemperaturbereich
kommen vielmehr Keramiken, beispielsweise Aluminiumoxid, zum Einsatz.
Beträgt die
Betriebsfrequenz des Füllstandsmeßgerät z.B. 26 GHz,
so hat ein mit Aluminiumoxid gefüllter
Hohlleiter beispielsweise nur noch einen Durchmesser von 2,5 mm.
Es versteht sich von selbst, daß eine
Kondensatbildung bzw. eine Ansatzbildung an dem dielektrischen Material
nunmehr einen wesentlich größeren Einfluß hat als
bei den bekannten Antennen mit einem ca. 10-fach größeren Durchmesser.
Um die Ansatzempfindlichkeit zu reduzieren, ist es bereits bekannt
geworden, den Hohlleiter stärker
aufzuweiten. Damit nun keine Energieanteile in höhere, nicht erwünschte Moden
eingespeist werden, beginnt die Taperung des dielektrischen Materials
erst in einem vorgegebenen Mindestabstand von der Rückwand des Hohleiters.
Durch diesen Mindestabstand wird sichergestellt, daß die höheren Feldanteile,
die unerwünschter
Weise bei der Einspeisung der Meßsignale auf den Hohlleiter
angeregt wurden, bei Austritt aus der Antenne wieder abgeklungen
sind. Der Mindestabstand läßt sich übrigens
aus der gewünschten Dämpfung für die höheren Moden,
dem Durchmesser des Hohlleiters und der Dielektrizitätskonstanten des
jeweils verwendeten dielektrischen Füllmediums bestimmen. Darüber hinaus
darf der Taper des Füllmaterials
einen gewissen Grenzwinkel nicht übersteigen. Nur unterhalb dieses
Grenzwinkels ist es möglich
sicherzustellen, daß nur
ein relativ geringer Energieanteil in höhere Moden eingekoppelt wird.
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Ein
weiteres Problem zeigt sich, wenn der Übergang vom gefüllten Hohlleiter
in Luft als einfache Spitze gestaltet ist. Hier treten innerhalb
der Taperspitze Resonanzen auf.
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Hinzu
kommt, daß die
Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Keramik und Luft sehr stark voneinander
abweichen. Als Folge der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten
zeigen sich starke Feldverzerrungen, die auch als Hybridmoden bezeichnet
werden. Beim Auftreten von Hybridmoden werden bis zu 50% der Energie
in Moden überführt, die
nicht die gewünschte
Abstrahlcharakteristik mit der ausgeprägten Vorwärtskeule aufweisen. Dieser Effekt
ist natürlich
in hohem Maße
unerwünscht,
da er die Meßgenauigkeit
des Füllstandsmeßgeräts erheblich
vermindert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit optimierten
Abstrahleigenschaften vorzuschlagen.
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Die
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung gelöst.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Hohlleiter
in dem Endbereich, der entgegen der Abstrahlrichtung der Meßsignale
liegt, zumindest teilweise durch eine Rückwand abgeschlossen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist der erste Abschnitt des dielektrischen Füllmaterials relativ zur Abstrahlrichtung
gesehen eine erste Stirnfläche
und eine zweite Stirnfläche
auf, wobei die zweite Stirnfläche
des ersten Abschnitts im wesentlichen die gleichen Abmessungen wie
die erste sich anschließende Stirnfläche des
zweiten Abschnitts hat.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der ertindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
daß das
dielektrische Füllmaterial
den Hohlleiter zumindest teilweise ausfüllt.
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Insbesondere
schließt
sich die in Abstrahlrichtung der Meßsignale ange- ordnete Stirnfläche des
ersten Abschnitts unmittelbar an das dielektrische Füllmaterial
an, das im Hohlleiter angeordnet ist.
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Um
eine optimale Einkopplung der Meßsignale zu erzielen, ist das
dielektrische Füllmaterial auch
in dem nicht aufgeweiteten Bereich des Hohlleiters getapert. Vorteilhafterweise
ist das dielektrische Füllmaterial übrigens
ein einstückiges,
separates Teil, das so ausgebildet ist, daß es formschlüssig in den
Hohlleiter der Antenne eingesetzt werden kann.
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Bevorzugt
handelt es sich bei dem dielektrischen Füllmaterial um ein hoch resistentes
Material, z. B. um ein keramisches Material. Insbesondere sei an
dieser Stelle Aluminiumoxid als dielektrisches Füllmaterial genannt.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Längsschnitt.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein festes
oder flüssiges
Füllgut 2 ist
in einem Behälter 1 gelagert. Zur
Bestimmung des Füllstandes
dient das Füllstandsmeßgerät, das in
einer Öffnung 5 im
Deckel 4 des Behälters 1 montiert
ist.
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Über die
Antenne 10 werden in der Signalerzeugungs-/Sendeeinheit 6; 7 erzeugte
Sendesignale, insbesondere Mikrowellen Richtung der Oberfläche 3 des
Füllguts 2 abgestrahlt.
An der Oberfläche 3 werden
die gesendeten Signale zumindest teilweise als Echosignale reflektiert.
Diese Echosignale werden in der Empfangs-/Auswerteeinheit 8; 14 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
Antenne 10 zum Senden und einer Antenne 10 zum Empfangen,
die mit der Empfangseinheit 8 verbunden ist, kann die Sende-/Empfangsweiche 9 selbstverständlich entfallen.
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In 2 ist
eine Ausführungsform
der ertindungsgemäßen Vorrichtung
im Längsschnitt
zu sehen. Die Antenne 10 ist im gezeigten Fall übrigens über ein
Außengewinde 23 in
der Öffnung 5 im
Deckel 4 des Behälters 1 festge-
schraubt.
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Die
Antenne 10 besteht aus einem Rundhohlleiter 12 und
einem dielektrischen Füllmaterial 13,
das den Hohlleiter 12 zumindest teilweise ausfüllt. Der
Hohlleiter 12 besteht aus einem nicht aufgeweiteten Bereich 22,
der entgegen der Abstrahlrichtung der Meßsignale durch eine Rückwand 16 abgeschlossen
ist, und einem in Richtung auf das Füllgut 2 weisenden
aufgeweiteten Endbereich 21. Das dielektrische Füllmaterial 1 3 ist
im gezeigten Fall einstückig
ausgebildet und besteht bei Hochtemperaturanwendungen bevorzugt
aus Aluminiumoxid. Selbstverständlich
können
auch andere hochtemperaturbeständige
Materialien, insbesondere Keramiken, zum Einsatz kommen. Im Niedertemperaturbereich
kann das dielektrische Füllmaterial 13 natürlich auch
ein Kunststoff sein.
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Das
dielektrische Füllmaterial 13 weist
neben dem stufigen Endbereich 24 ein zylindrisches Zwischenstück 25 auf.
In Abstrahlrichtung schließen sich
an das zylindrische Zwischenstück 25 ein
erster getaperter Abschnitt 14 und ein zweiter getaperter Abschnitt 15 an.
Die Stirnflächen
zweier aneinandergrenzender Abschnitte 24, 25, 14, 15 sind
jeweils im wesentlichen gleich dimensioniert. Erfindungswesentlich
hierbei ist es, daß die
beiden Taperwinkel φ1, φ2 des ersten getaperten Abschnitts 14 und
des zweiten getaperten Abschnitts 15 voneinander verschieden
sind. Insbesondere ist der Taperwinkel φ1 des ersten
getaperten Abschnitts 14 kleiner als der Taperwinkel φ2 des zweiten getaperten Abschnitts 15.
Beispielsweise beträgt
der Taperwinkel φ1 ca. 40°.
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In 2 ist
eine günstige
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne 10 dargestellt:
Sowohl bei dem ersten getaperten Abschnitt 14, als auch
bei dem zweiten getaperten Abschnitt 15 handelt es sich um
Kegelstümpfe.
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Selbstverständlich könnte je
nach Frequenzbereich und Bandbreite der Meßsignale der zweite getaperte
Abschnitt 15 auch eine Kegelform bzw. eine Pyramidenform
aufweisen.
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Wie
bereits gesagt, füllt
das dielektrische Füllmaterial 13 sowohl
den nicht aufgeweiteten Bereich 22 als auch den aufgeweiteten
Bereich 21 des Hohlleiters 12 nur teilweise aus.
Aus dem Einkoppelbereich – in
der 2 nicht gesondert dargestellt – erfolgt eine Anpassung an
den mit dielektrischem Material 13 gefüllten nicht aufgeweiteten Bereich 22 des
Hohlleiters über
einen gestuften Endbereich 24. Der mit dielektrischem Material 13 gefüllte Hohlleiter 12 ist über den
Taper aufgeweitet. Die Dimensionierung ist so gewählt, daß unerwünschte Moden
möglichst
nicht angeregt werden. Der Übergangsbereich 14, 15 von
dem dielektrischen Material 13 in dem aufge- weiteten Bereich 21 des
Hohlleiters 12 Luft ist gleichfalls getapert und weist
zumindest zwei getaperte Abschnitte 14, 15 auf.
Bevorzugt liegt die erste Stirnfläche 17 des ersten
getaperten Abschnitts 14 in der Ebene, ab der sich der
Hohlleiter 12 in Abstrahlrichtung aufzuweiten beginnt.
Erfindunggsgemäß sind die
Taperwinkel φ1, φ2 der beiden getaperten Abschnitte 14, 15 voneinader
verschieden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist auch der zweite getaperte Abschnitt 15 kegelstumpfförmig ausgebildet,
besitzt also bevorzugt keine Taperspitze. Hierdurch lassen sich
Resonanzen, die sich innerhalb einer Taperspitze leicht ausbilden,
effektiv vermeiden. Darüber
hinaus ist die Ausbildung des zweiten getaperten Abschnitts 15 als
Kegelstumpf (Pyramidenstumpf) besonders dann von großem Nutzen,
wenn als, dielektrisches Füllmaterial 13 eine
Keramik verwendet wird. Wie bereits an vorhergehender Stelle beschrieben,
sind die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von elektromagnetischen Wellen in
keramischem Material sehr unterschiedlich. Als Folge der unterschiedlichen
Ausbreitungsgeschwindigkeiten treten Feldverzerrungen auf, die auch
als Hybridmoden bezeichnet werden. Diese Hybridmoden weisen nicht
die gewünschte
Abstrahlcharakteristik mit ausgeprägter Vorwärtskeule auf. Dabei Auftreten
von Hybridmoden die Meßgenauigkeit
des Füllstandsmeßgeräts erheblich
vermindert wird, versteht es sich von selbst, daß Hybridmoden in hohem Maße unerwünscht sind.
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Die
Einkopplung der Meßsignale
auf den Hohlleiter 12 erfolgt über einen in der 2 nicht
gesondert dargestellten Sendedraht. Der Sendedraht kann entweder
durch die Rückwand 16 oder
die Seitenwand des Wohlleiters 12 geführt sein.
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- 1
- Behälter
- 2
- Füllgut
- 3
- Oberfläche des
Füllguts
- 4
- Behälterdeckel
- 5
- Öffnung
- 6
- Signalerzeugungseinheit
- 7
- Sendeeinheit
- 8
- Empfangseinheit
- 9
- Sende-/Empfangsweiche
- 10
- Antenne
- 11
- Auswerteeinheit
- 12
- Hohlleiter
- 13
- dielektrisches
Füllmaterial
- 14
- erster
getaperter Abschnitt
- 15
- zweiter
getaperter Abschnitt
- 16
- Rückwand des
Hohlleiters
- 17
- erste
Stirnfläche
des ersten getaperten Abschnitts
- 18
- zweite
Stirnfläche
des ersten getaperten Abschnitts
- 19
- erste
Stirnfläche
des zweiten getaperten Abschnitts
- 20
- zweite
Stirnfläche
des zweiten getaperten Abschnitts
- 21
- aufgeweiteter
Endbereich des Hohlleiters
- 22
- nicht
aufgeweiteter Bereich des Hohlleiters
- 23
- Einschraubteil
- 24
- getaperter
oder stufiger Endbereich
- 25
- zylindrisches
Zwischenstück
oder Abschnitt