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Die Erfindung betrifft eine Hornantenne für ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmessgerät.
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Hornantennen werden in der Füllstandsmesstechnik zur Bestimmung eines Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter eingesetzt. Dabei werden Mikrowellen mittels der Hornantenne zur Oberfläche eines Füllguts gesendet und die an der Oberfläche reflektierten Echowellen empfangen. Zur Füllstandsbestimmung wird üblicherweise anhand der Echowellen 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. Dabei kann ein und dieselbe Antenne zum Senden und zum Empfangen verwendet werden. Es kann aber auch eine zweite Antenne zum Empfang vorgesehen werden.
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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).
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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.
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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.
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Hornantennen werden üblicherweise rückseitig mit zu sendenden Mikrowellen gespeist. Hierzu ist in der Regel eine Einkopplung vorgesehen, die die Form eines einseitig endseitig kurzgeschlossenen Hohlleiters aufweist. In den Hohlleiter ist ein Erregerstift eingeführt, der über eine Koaxialleitung an einen Mikrowellengenerator angeschlossen ist. Das in der Regel trichterförmige Horn hat die Aufgabe, einen Wellenwiderstand des Hohlleiters an eine Impedanz des Freifeldes, in das die Mikrowellen im Betrieb abgestrahlt werden, anzupassen. Da das Horn jedoch nur eine endliche Länge aufweist, tritt auch bei großen Hornantennen an einer am Ende des Horns befindlichen Hornkante ein Impedanzsprung auf.
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Entsprechend weist ein Echosignal eines mit einer Hornantenne gesendete Mikrowellensignals im Bereich der Hornkante eine erhöhte Amplitude auf, die auf Reflektionen an der Hornkante zurückzuführen ist.
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Zuverlässige Füllstandsmessungen im Nahbereich der Antenne sind nur dann möglich, wenn eine Amplitude des Echosignals deutlich von einem in diesem Bereich bestehenden Untergrundsignal zu unterscheiden ist. Reflektionen an der Hornkante führen zu einem erhöhten Untergrundsignal in diesem Bereich. Es gilt daher Reflektionen an der Hornkante zu vermeiden.
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Dies kann beispielsweise erfolgen, indem größere Hörner verwendete werden. Je größer ein Außendurchmesser der Hornkante ist, umso geringer ist der dadurch bestehende Impedanzsprung und somit auch der Betrag der Reflektionen an der Hornkante zum Untergrundsignal. Einer Vergrößerung des Horns sind jedoch in der Praxis enge Grenzen gesetzt. Das Horn muss im Betrieb in einen Behälter eingeführt werden. Entsprechende Montageöffnungen sind jedoch vorzugsweise klein.
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In der Vergangenheit wurde das Horn zur Versteifung im Bereich der Hornkante nach außen gewölbt. Diese Abrundung führt zu einer Reduktion der Reflektionen an der Hornkante. Gleichzeitig bedingt sie aber auch eine unerwünschte Vergrößerung des Durchmessers.
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DE 10040943 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter, umfassend eine Antenne, die elektromagnetische Messsignale in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet und die die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Echosignale empfängt. Die Antenne besteht aus einem Wellenleiter, der sich in Abstrahlrichtung in einen Hohlraum einer definierten Form aufweitet. Ein dielektrisches Füllmaterial füllt den Wellenleiter teilweise und den aufgeweiteten Hohlraum der Antenne nahezu vollständig aus.
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In der Druckschrift
US 4,255,753 A wird eine Hornantenne beschrieben, welche durch eine im Inneren angeordnete Spulenanordnung die zur Seite abgestrahlte Energie reduziert. Die Spulenanordnung bewirkt hierbei die dafür erforderliche negative Interferenz bei der zur Seite abgestrahlten Strahlung.
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Eine Hornantenne, bei der eine gezielte Ausnutzung negativer Interferenz durch einen gestuft ausgebildeten Innenraum erreicht wird, ist in der Patentschrift
US 4,658,258 gezeigt.
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Die Patentanmeldung
GB 962,601 thematisiert eine Hornantenne, bei der zur Impedanz-Kompensation in einem Abstand von einem Viertel einer Wellenlänge hinter der Antennen-Öffnung eine ringartige Struktur im Antennen-Inneren angeordnet ist.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Hornantenne anzugeben, mit der Füllstandsmessungen im Nahbereich der Hornantenne durchführbar sind.
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Hierzu besteht die Erfindung in einer Hornantenne für ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmessgerät mit
- – einem in Senderichtung geöffneten Horn,
- – das in Senderichtung mit einer Hornkante abschließt,
- – das im Inneren des Horns eine von der Hornkante beabstandete Inhomogenität aufweist, wobei die Inhomogenität eine eine Kante aufweisende Stufe ausbildet, deren zwei Seiten sich von der Horninnenwandung in das Horninnere bis bis zur Kante erstrecken,
- – bei der die Inhomogenität in einem Abstand von einem Viertel einer Wellenlänge (λ) der zu sendenden Mikrowellen von der Hornkante angeordnet ist,
- – bei der beim Senden an der Inhomogenität und an der Hornkante Mikrowellen reflektiert werden und sich die reflektierten Mikrowellen zumindest Teilweise durch negative Interferenz auslöschen.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist die Inhomogenität eine in Senderichtung weisende ringscheibenförmige Stirnfläche und eine ins Horninnere weisende Reflektionskante auf.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist das Horn trichterförmig und die Inhomogenität ist ein in das Horn eingepasster Ring.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die Inhomogenität durch eine in das Horn eingeprägte Form gebildet.
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Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Hornantenne;
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2 zeigt einen Amplitudenverlauf eines mit der Hornantenne von 1 aufgenommenen Echosignals und eines mit einer formgleichen Hornantenne ohne Inhomogenität aufgenommenen Echosignals im Vergleich; und
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Hornantenne mit eingeprägter Inhomogenität.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Hornantenne für ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmessgerät. Die Hornantenne weist ein in Senderichtung S geöffnetes Horn 1 auf, das in Senderichtung S mit einer Hornkante 3 abschließt. Die Senderichtung S ist in 1 durch einen Pfeil dargestellt.
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Das Horn 1 ist trichterförmig und wird rückwärtig über eine Einkopplung 5 mit zu sendenden Mikrowellen gespeist. Die Einkopplung 5 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein einseitig endseitig kurzgeschlossener Hohlleiter, in den ein Erregerstift 7 eingeführt ist. Der Erregerstift 7 ist über eine Koaxialleitung 9 an eine in 1 nicht dargestellte Mikrowellenquelle angeschlossen.
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Im Inneren des Horns 1 ist eine von der Hornkante 3 beabstandete Inhomogenität vorgesehen. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Inhomogenität ein in das Horn 1 eingepasster Ring 11 mit einer in Senderichtung S weisenden ringscheibenförmigen Stirnfläche 13. Der Ring 11 liegt an einer inneren Mantelfläche des Horns 1 an und weist eine ins Horninnere weisende Reflektionskante 14 auf. Mit der Hornantenne gesendete Mikrowellen werden sowohl an der Inhomogenität 11 als auch an der Hornkante 3 reflektiert. Die an der Inhomogenität 11 und an der Hornkante 3 reflektierten Mikrowellen überlagern sich und es tritt Interferenz auf. Dabei heben sich die reflektierten Mikrowellen zumindest Teilweise durch negative Interferenz auf. Die auf diese Weise ausgelöschten Signalkomponenten tragen nicht zum Untergrundsignal bei.
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Vorzugsweise ist die Inhomogenität 11 in einem Abstand von einem Viertel einer Wellenlänge λ der zu sendenden Mikrowellen von der Hornkante 3 angeordnet. Die Wellenlänge λ entspricht der Wellenlänge, die die zu sendenden Mikrowellen im Freifeld annehmen. Werden Mikrowellen mit Signalkomponenten unterschiedlicher Wellenlänge eingesetzt, so wird vorzugsweise eine mittlere Wellenlänge für die Bestimmung des Abstands herangezogen. Ebenso kann die Wellenlänge einer leistungsstärksten Signalkomponente herangezogen werden. Sowohl die Inhomogenität 11 als auch die Hornkante 3 weisen ausgeprägt Reflektionskanten mit sehr geringer räumlicher Ausdehnung auf. Bei einem Abstand von einem Viertel einer Wellenlänge λ der zu sendenden Mikrowellen beträgt ein Wegunterschied zwischen den an der Hornkante 3 und den an der Inhomogenität 11 reflektierten Mikrowellen eine halbe Wellenlänge λ. Dies entspricht einer Wegstrecke von der Inhomogenität 11 zur Hornkante 3 und zurück, den die an der Hornkante 3 reflektierten Mikrowellen zusätzlich zurücklegen. Bei diesem Abstand ist der Anteil der durch negative Interferenz sich auslöschenden Mikrowellen maximal.
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2 zeigt Amplitudenverläufe von zwei Echosignalen E1, E2 als Funktion eines Abstandes d bzw. der zugehörigen Signallaufzeiten t im Vergleich. Die Position der Hornkante 3 ist durch eine senkrechte gestrichelte Linie HK markiert. Der als durchgezogene Linie dargestellte Amplitudenverlauf des Echosignals E1 wurde mit der in 1 dargestellten Hornantenne ohne die Inhomogenität 11 aufgenommen. Er weist ein auf die Einkopplung 5 zurückzuführendes Maximum M und eine auf Reflektionen an der Hornkante 3 zurückzuführenden Bereich erhöhter Amplitude B auf.
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Der als gestrichelte Linie dargestellte Amplitudenverlauf des Echosignals E2 wurde mit der in 1 dargestellten Hornantenne mit Inhomogenität 11 aufgenommen. Er weist ebenfalls das auf die Einkopplung 5 zurückzuführende Maximum M auf. Der auf Reflektionen an der Hornkante 3 zurückzuführende Bereich erhöhter Amplitude B tritt hier jedoch nicht auf. Mit der Inhomogenität 11 ist im Bereich der Hornkante 3 ein Dynamikgewinn von bis zu 10 dB erzielbar. Die Amplitude des Untergrunds ist damit im Nahbereich deutlich reduziert, so daß bereits unmittelbar an der Hornkante 3 liegende Füllstände messbar sind.
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3 zeigt weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hornantenne. Diese Hornantenne stimmt bis auf die Inhomogenität mit der in 1 dargestellten überein. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die Inhomogenität 15 durch eine in das Horn 1 eingeprägte Form gebildet. Die Einprägung der Form erfolgt beispielsweise, indem das Horn 1 in ein entsprechend geformtes Prägewerkzeug eingespannt wird. Das Horn 1 besteht z. B. aus einem Stahl oder Edelstahl und die eingeprägte Form weist eine in Senderichtung weisende ringförmige Stirnfläche 17 und eine ins Horninnere weisende Reflektionskante 19 auf.
