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Die
Erfindung betrifft eine Parabolantenne für ein Füllstandsmessgerät
zur Überwachung und Bestimmung des Füllstandes
in einem Behälter mittels der Laufzeitbestimmung von Hochfrequenzsignalen,
wobei die Parabolantenne zumindest einen Hohlleiter mit zumindest
einem Subreflektor in einem Brennpunkt zumindest eines Parabolspiegels
aufweist, wobei der Subreflektor über eine Prozesstrenneinheit
an dem Hohlleiter befestigt ist.
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Solche
Parabolantennen für ein Messgerät werden häufig
in der Automations- und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt, um
die Prozessvariable 'Füllstand' in einem Behälter
oder der Abstand zu einer Grenzfläche zu ermitteln. Von
der Anmelderin werden beispielsweise Messgeräte unter dem
Namen Micropilot produziert und vertrieben, welche nach dem Laufzeit-Messverfahren
arbeiten und dazu dienen, einen Füllstand eines Mediums
in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen.
Bei der Laufzeit-Messmethode werden beispielsweise Hochfrequenzimpulse
bzw. Radarwellenimpulse über eine Antenne ausgesendet,
und die an der Mediumsoberfläche reflektierten Echowellen
werden nach der abstandsabhängigen Laufzeit des Signals wieder
empfangen. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Hochfrequenzimpulses
und dem Empfang des reflektierten Echosignals lässt sich
der Abstand des Messgerätes zu der Mediumsoberfläche
ermitteln. Unter Berücksichtigung der Geometrie des Behälterinnern
wird dann der Füllstand des Mediums als relative oder absolute
Größe ermittelt. Das so genannte FMCW-Verfahren
(Frequency Modulated Continuous Waves) ist in diesem Zusammenhang
mit dem obigen Messprinzip der Füllstandsmessung und der
obigen Vorrichtung ebenfalls ausführbar.
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Parabolantennen
werden in der Prozessmesstechnik meist dann eingesetzt, wenn es
aufgrund von gestörten und beengten Prozessraumverhältnissen,
z. B. hohe, schmale Behälter, in denen Einbauten, Rührwerke
oder Behälterwände ein Störsignal erzeugen
und somit das Füllstands-Echosignal im Gesamtmesssignal überdecken
können, oder ungünstige Messbedingungen, z. B.
zu niedrige oder schwankende Dielektrizitätswerte des Mediums, schlechte
Reflexionseigenschaften und/oder starke Oberflächendynamik
eine exakte Bestimmung des Füllstands eines Mediums in
einem Behälter erschweren. Diese nachteiligen Bedingungen
zur Ermittlung des Füllstandes durch eine berührungslose Messmethode
können durch die starke Fokussierung der hochfrequenten
Messsignale und durch die bessere Abstrahlcharakteristik einer Parabolantenne verbessert
werden. Ebenso wird durch die gute Richtcharakteristik bzw. Bündelung
der hochfrequenten Messsignale der Parabolantenne erreicht, dass möglichst
viel der ausgesendeten und reflektierten Leistung bzw. Energie der
hochfrequenten Messsignale wieder empfangen und ausgewertet werden kann.
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Der
Einsatz von Parabolantennen in der Prozessmesstechnik ist aus der
DE 197 03 246 C2 bekannt.
In dieser Schrift werden verschiedene Mechaniken vorgestellt, die
ein Auffalten und Schließen eines mechanisch veränderbaren
Parabolspiegels ermöglicht. Die Einspeisung der hochfrequenten
Messsignale im Brennpunkt des Parabolspiegels erfolgt nach dem Cassegrain-Prinzip
mit einem Subreflektor. Allerdings wird in diesem Patent keine Ausgestaltung
der Einspeisung über einen Hohlleiter mit einer hermetisch
abdichtenden Abstrahlungsstruktur beschrieben.
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In
der
DE 10 2005
049 243 A1 wird der Aufbau einer Parabolantenne mit einer
Spülvorrichtung zur Reinigung der Abstrahlstruktur und
des Parabolspiegels vor Ablagerungen beschrieben, dessen Abstrahlstruktur
der hochfrequenten Messsignale im Brennpunkt des Parabolspiegels
nach dem Cassegrain-Prinzip mittels eines Subreflektors und des
Parabolspiegels erfolgt. In dieser Anmeldung ist die Fixierung des
Subreflektors und der Abstrahlstruktur mittels eines Haltebügels
an dem Hohlleiter gezeigt, jedoch ist keine temperaturstabile und
zuverlässige Abdichtung der Abstrahlstruktur zum Hohlleiter
offenbart. Die Abstrahlstruktur ist aus einem Mikrowellen durchlässigen
Material, insbesondere Polytetrafluorethylen, hergestellt. Diese
Polytetrafluorethylene haben die Eigenschaft, dass diese nur eine
geringe mechanische Festigkeit besitzen und deshalb das Kaltfließen
sehr ausgeprägt ist. Dieser negative Effekt von Polytetrafluorethylen
wird unter erhöhtem Druck und hohen Temperaturen noch verstärkt.
Dieser Effekt des Kaltfliesens führt dazu, dass nach einer
gewissen Zeit die Fügestelle zwischen der Abstrahlstruktur
und dem Hohlleiter undicht wird und sich Ablagerungen im Hohlleiterbilden
können, die zur Störung der Messung führen.
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In
keiner dieser Schriften wird jedoch ein Messgerät der Prozessmesstechnik
zur Ermittlung des Füllstandes mit einer Parabolantenne
beschrieben, bei welcher eine integrierte Prozesstrenneinheit mit
Abstrahlstruktur eingesetzt wird und eine spezielle temperatur-
und/oder druckstabile hermetische Abdichtung besitzt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät
der Prozessmesstechnik mit einer in einen Behälter hineinragenden
Parabolantenne zu schaffen, das eine erhöhte Beständigkeit und
erhöhte Zuverlässigkeit aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst indem die Prozesstrenneinheit zumindest
aus einer für Hochfrequenzsignale durchlässigen
Abstrahlstruktur, einem Haltebügel und einer Überwurfhülse
ausgestaltet ist, wobei die Abstrahlstruktur den Hohlleiter in einem
vorgegebene Bereich auf der Außenseite des Hohlleiters
bündig umschließt, und wobei eine radiale Umschließung
des den Hohlleiter umgebenden Bereich der Abstrahlstruktur durch
die montierte Überwurfhülse ausgestaltet ist,
die die Abstrahlstruktur formschlüssig und dichtend an
die Außenseite des Hohlleiters anpresst, sowie eine radiale
Ausdehnung der Abstrahlstruktur verhindert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Lösung wird vorgeschlagen, dass in dem Bereich des Hohlleiters
zumindest ein Dichtelement vorgesehen ist, das in zumindest einer Ringnut
auf der Außenseite des Hohlleiters eingelegt ist.
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Eine
zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Messgeräts besteht darin, dass das Dichtelement als ein
O-Ring ausgestaltet ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Lösung schlägt vor, dass der Innendurchmesser
der Überwurfhülse zu dem Außendurchmesser
der Abstrahlstruktur und zu dem Außendurchmesser des Hohlleiters
so ausgestaltet ist, dass sich die Abstrahlstruktur an die Außenfläche des
Hohlleiters und/oder an das Dichtelement mit einem vorgegebenen
Druck formschlüssig und dichtend anfügt.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung der Erfindung
ist darin zu sehen, dass ein Befestigungsmittel zur Befestigung
der Überwurfhülse an dem Hohlleiter vorgesehen
ist und/oder die Überwurfhülse mit dem Hohlleiter
verschweißt ist.
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Eine
sehr vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen
Lösung ist darin zu sehen, dass zumindest punktuelle Verschweißungen
des metallischen Haltebügels mit dem metallischen Subreflektor und
mit der montierten, metallischen Überwurfhülse vorgesehen
sind.
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Gemäß einer
günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird angeregt, dass der Haltebügel den Subreflektor
formschlüssig an die Abstrahlstruktur anpresst und dass
die Flanken des Haltebügels formschlüssig an der
Abstrahlstruktur anliegen.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Lösung ist es, dass der Subreflektor hyperbolisch konvex
ausgestaltet ist. Bei einer Parabolantenne die beispielsweise nach
dem Cassegrain-Prinzip aufgebaut ist, befindet sich an der Position
des Erregers ein hyperbolisch konvex geformter Subreflektor. Hingegen
ist bei einer Parabolantenne die beispielsweise nach dem Gregory-Prinzip
aufgebaut ist an der Position des Erregers ein ellipsoid konkav
geformter Subreflektor vorgesehen.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Lösung schlägt vor, dass in Abstrahlrichtung des
Subreflektors an der Außenkante und/oder Innenkante des
Hohlleiters eine strahlungsgeometrisch optimierte Phase zur Vermeidung von
Störreflexionen der Hochfrequenzsignale ausgestaltet ist.
Zur Vermeidung von Störreflexionen ist in Abstrahlrichtung
des Subreflektors der Parabolantenne an der Außenkante
und/oder der Innenkante des Hohlleiter eine Phase, beispielsweise
von 45 Grad, ausgestaltet.
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Gemäß einer
günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird angeregt, dass an der Abstrahlstruktur im Endbereich
des Hohlleiters eine Anpassungsstruktur zur Anpassung des Wellenwiderstands
vom Hohlleiter auf die Abstrahlstruktur ausgestaltet ist.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit den zugehörigen
Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt sind. Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind zur besseren Übersicht und zur Vereinfachung
der Elemente, die sich in ihrem Aufbau und/oder ihrer Funktion entsprechen,
mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 :
eine schematische Schnittdarstellung des gesamten Messgeräts
der Prozessmesstechnik mit Parabolantenne in einem Behälter,
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2:
eine Schnittansicht der gesamten Parabolantenne mit der erfindungsgemäßen
Prozesstrenneinheit,
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3:
einen vergrößerten Teilausschnitt A der in 1 gezeigten
Parabolantenne mit der erfindungsgemäßen Prozesstrenneinheit,
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4:
eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen
Prozesstrenneinheit, und
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5:
eine Draufsicht und verschieden Seitenansichten der erfindungsgemäßen
Prozesstrenneinheit.
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In 1 wird
ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Parabolantenne 1 in
einem Prozessmesssystem dargestellt. Das Messgerät 25 in der 1,
das über einen Flansch bzw. Stutzen auf einen Behälter 28 montiert
ist, ermittelt beispielsweise nach der Laufzeit-Messmethode den
Füllstand 30 eines Mediums 26 bzw. eines
Füllguts in dem Behälter 28.
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Die
Vorrichtung bzw. das Messgerät 25 umfasst einen
Messumformer 21 mit einer in 1 nicht explizit
gezeigten Sende-/Empfangseinheit, in der die Hochfrequenzsignale
bzw. hochfrequenten Messsignale 27 erzeugt werden und durch
eine Einkoppeleinheit in den Hohlleiter 4 eingekoppelt
werden. Die in den Hohlleiter 4 eingekoppelten hochfrequenten Messsignale 27 werden
durch das mikrowellendurchlässige Material der Abstrahlstruktur 7 hindurch
mittels des Subreflektors 2 in Richtung des Parabolreflektors
bzw. Parabolspiegels 3 abgestrahlt. An diesem Parabolspiegel 3 werden
die hochfrequenten Messsignale 27 reflektiert und durch
die Formgebung des Parabolspiegels 3 in den Messraum mit
einer vorbestimmten Abstrahlcharakteristik abgestrahlt. Meist wird
eine Abstrahlcharakteristik der hochfrequenten Messsignale 27 mit
einer ebenen Wellenfront angestrebt, jedoch ist dies durch physikalische Einflüsse
und bauliche Maßnahmen der Parabolantenne 1 nicht
möglich, wodurch meist nur keulenförmige Abstrahlcharakteristiken
mit einem kleinen Abstrahlwinkel erreicht werden. Die in den Messraum ausgesendeten
hochfrequenten Messsignale 27 werden an einer beliebigen
Oberfläche im Behälter oder an einer Oberfläche
des Mediums 26 reflektiert und nach einer bestimmten Laufzeit
wieder von der Sende-/Empfangseinheit empfangen. Über die
Laufzeit der hochfrequenten Messsignale 27 wird der Abstand
zwischen Messgerät 21 und der Oberfläche des
Mediums 26 bestimmt. Mit Kenntnis der geometrischen Verhältnisse
des Behälters 28 kann damit der Füllstand 30 des
Mediums 26 im Behälter 28 ermittelt werden.
Die an einer beliebigen Oberfläche im Behälter 28 reflektierten
hochfrequenten Messsignale 27 treten in den Echosignalen
als Störsignale auf, die die Auswertung des Füllstands 30 aus
dem somit gestörten Echosignal erschweren können,
wenn dieses nicht mehr exakt erkannt werden kann. Über
eine Justagevorrichtung 29, insbesondere einem Kugelelement
und/oder Drehkeilflansche, kann eine Ausrichtung hin zur Produktoberfläche,
z. B. bei Schüttkegelbildung und Abzugstrichterbildung
des Mediums 26 im Behälter 28 oder schrägem
Stutzen am Behälter 28, vorgenommen werden. Ebenfalls
können Störechos im Echosignal durch Einbauten
im Behälter 28 durch eine spezielle Ausrichtung
der Parabolantenne 1 verringert bzw. vermieden werden.
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Eine
im Messumformer 21 implizit enthaltene, aber in 1 nicht
explizit gezeigte Regel-/Auswerteeinheit hat die Aufgabe, das empfangene,
reflektierte Echo der hochfrequenten Messsignale 27 auszuwerten,
indem das hochfrequente Messsignal 27 durch eine Signalverarbeitung
und spezielle Signalauswertungsalgorithmen weiter verarbeitet wird und
daraus die Laufzeit bzw. der Füllstand 30 bestimmt
wird.
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Über
den Messumformeransatzstutzen 22 wird die Parabolantenne 1 mit
dem Messumformer 21 mechanisch verbunden und dessen Elektronik kontaktiert
elektrisch leitend durch einen Koaxialleiter, z. B. Koaxialstecker,
oder durch eine direkte Einkopplung mittels einem Erregerelement.
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Über
eine nicht explizit gezeigte Versorgungsleitung kann das Messgerät 25 mit
der benötigten Energie versorgt werden. Die Regel-/Auswerteeinheit
kommuniziert über einen Buskoppler, einen Feldbus 22 oder
eine Zweileiter-Stromschleife 23 mit einer entfernten Kontrollstelle
und/oder mit weiteren Messgeräten 25, die nicht
explizit gezeigt sind. Eine zusätzliche Versorgungsleitung
zur Energieversorgung des Messgerätes 25 entfällt,
wenn es sich bei dem Messgerät 25 um ein so genanntes
Zweileiter-Messgerät 25 handelt, dessen Kommunikation und
Energieversorgung ausschließlich und gleichzeitig über
die Zweileiter-Stromschleife 23 stattfindet. Die Datenübertragung
bzw. Kommunikation über den Feldbus 22 erfolgt
beispielsweise nach dem CAN-, HART-, PROFIBUS DP-, PROFIBUS FMS-,
PROFIBUS PA-, oder FOUNDATION FIELDBUS- Standard.
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In 2 ist
die erfindungsgemäße Parabolantenne 1 im
Wesentlichen bestehend aus einem Subreflektor 2, einem
Parabolspiegel 3, einem Hohlleiter 4 und einer
Abstrahlstruktur 7 gezeigt. In 3 ist ein
Ausschnitt A der erfindungsgemäßen Prozesstrenneinheit 6 aus
der 2 gezeigt.
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Die
hochfrequenten Messsignale bzw. Hochfrequenzsignale 27 werden
in der hier nicht dargestellten Sende-/Empfangseinheit erzeugt,
empfangen und signaltechnisch vorverarbeitet. Über ein
Koaxialleitung werden die breitbandigen, Hochfrequenzsignale 27 auf
ein Erregerelement geleitet, das die breitbandigen, hochfrequenten
Messsignale 27 in einen Hohlleiter 4 im Grundmode
möglichst verlustfrei einkoppelt. Die breitbandigen Hochfrequenzsignale 27 werden
in dem Hohlleiter 4 in Richtung der erfindungsgemäßen
Prozesstrenneinheit 6 geleitet, die das Ende des Hohlleiters 4 hermetisch
dicht verschließt. Diese Prozesstrenneinheit 6 hat
zusätzlich zur Dichtungsfunktion noch die Aufgabe, die
breitbandigen Hochfrequenzsignale 27 über einen
Subreflektor 2 in den Parabolspiegel 3 zu reflektieren.
Die Prozesstrenneinheit 6 besteht hierzu erfindungsgemäß aus
einem Subreflektor 2, einer die Hochfrequenzsignale 27 durchlässigen
Abstrahlstruktur 7, einem Haltebügel 8 und
einer Überwurfhülse 9. Der Subreflektor 2 ist
beispielsweise hyperbolisch konvex oder ellipsoid konkav geformt.
Um die gewünschte Abstrahlungscharakteristik und ein optimales Übertragungsverhalten
der Parabolantenne 1 zu erreichen, ist die Prozesstrenneinheit 6 so
auf dem Hohlleiter 4 montiert, dass der Subreflektor 2 im
Brennpunkt entsprechend positioniert ist. Über die Abstrahlstruktur 7 und
den Subreflektor 2 werden die Hochfrequenzsignale 27 in
Richtung des Parabolspiegels 3 abgestrahlt, der folglich
diese Hochfrequenzsignale 27 in einer vorgegebenen Abstrahlcharakteristik
in den Prozessraum des Behälters 28 abstrahlt.
Die reflektierten hochfrequenten Messsignale 27 bzw. Echosignale
werden entgegengesetzt auf dem gleichen Wege wieder über
den Weg des Parabolspiegel 3, Abstrahlstruktur 7,
Subreflektor 2, Hohlleiter 4 von der Sende-/Sendeempfangseinheit
empfangen und vorverarbeitet.
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Die
Normalform des Parabolspiegels
3 besteht aus einem rotationssymmetrischen
Gebilde, dessen Schnittbild eine Parabel zeigt. Die Abstrahlstruktur
7 mit
dem darin beinhalteten Brennpunkt des Parabolspiegels
3 befindet
sich beispielsweise in der Rotationsachse bzw. Mittelachse des Parabolspiegels
3.
Ist der Hohlleiter
4 mit der Prozesstrenneinheit
6,
grundlegend bestehend aus Subreflektor
2 und Abstrahlstruktur
7 direkt
durch die Rotationsachse der Normalform des Parabolspiegels
3 miteinander verbunden,
so wirft der Subreflektor
2 und der Hohlleiter
4 einen
Schatten bzw. blinden Fleck auf den Parabolspiegel
3. Dieser
Abschattungsbereich auf dem Parabolspiegel
3 kann somit
zur Reflexion und Bündelung der ausgesendeten und empfangenen
hochfrequenten Messsignale
27 nicht mehr verwendet werden.
Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass die Parabolantenne
1 mit
einer so genannten Cassegrain Einspeisung mit Subreflektor
2 mit
einer Streuscheibe um den Durchstich des Hohlleiters
4 durch
den Parabolspiegel
3 versehen wird. Eine solche Streuscheibe
ist in der
DE
10 2005 049 243 A1 gezeigt.
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Die
zuvor genannten Hohlleiter 4 werden beispielsweise zur Übertragung
von elektrisch breitbandigen Hochfrequenzsignalen 27 höherer
Leistung eingesetzt, da bei einer Übertragung mit einer
Koaxialleitung in diesen Frequenzbereichen die Dämpfung und
die damit verbundenen Verzerrungen der hochfrequenten Messsignale 27 zu
groß werden. Ein Hohlleiter 4 ist grundlegend
ein Bandpass-Übertragungssysteme, da ein Wellenleiter erst
ab einer gewissen unteren Grenzfrequenz die Hochfrequenzsignale 27 übertragen
kann, die von den Querschnitts-Abmessungen des Hohlleiters 4 abhängen. Auch
eine oberer Grenze kommt dadurch zustande, dass ab einer gewissen
oberen Grenzfrequenz zusätzlich zu dem ausbreitungsfähigen
Grundwellentyp noch weitere Wellentypen angeregt werden können, die
eine eindeutige Signalübertragung im Anwendungsbereich
der Füllstandmessung verhindern würden. Der zu
Leitungszwecken bevorzugte TEM-Wellenmode ist in dem Hohlleiter 4 nicht
ausbreitungsfähig, etwa wie in anderen Arten von HF-Leitungen,
z. B. Koaxialleitung, Streifenleitung und Mikrostreifenleitung.
Es entstehen jedoch Grundwellentypen, die je nach Bedingungen einzeln
oder auch gemischt angeregt werden können. Die Wellenmoden,
bei denen die elektrischen Feldstärkekomponenten transversal zur
Ausbreitungsrichtung verlaufen, die aber in Ausbreitungsrichtung
magnetische Feldstärkekomponenten besitzen, werden TE-Wellenmoden
oder H-Wellenmoden genannt. Wellenmoden, bei denen die magnetischen
Feldstärkekomponenten transversal zur Ausbreitungsrichtung
verlaufen, die aber in Ausbreitungsrichtung elektrische Feldstärkekomponenten
besitzen, werden TM- Wellen oder E-Wellen genannt.
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Für Übergänge
von einer Koaxialleitung auf einen Hohlleiter 4 gibt es
grundlegend zwei Grundtypen, der erste Grundtyp verwendet eine kapazitive Sonde
in Form eines kleinen, isolierten Erregerelements im Hohlleiter 4,
der zweite Grundtyp arbeitet mit einer induktiven Schleife, wie
beispielsweise einer Finne, die Hochfrequenzsignale 27 vorwiegend über
das magnetische Feld in den Hohlleiter 4 einkoppeln und/oder
auskoppeln. Die induktive Schleife kann beispielsweise als ein zur
Impedanzanpassung dienender Keil, Steg oder Stufenprofil, – die
erfindungsgemäße stufenförmige Finne – ausgestaltet sein.
Dieser Grundtyp der Einkopplung hat die Vorteile, dass hohe Leistungen übertragen
werden können und die Koaxialleitung für niederfrequente
Signale kurzgeschlossen ist und sehr große Bandbreiten
bei der Übertragung der Hochfrequenzsignale 27 erzielt werden
können.
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Über
ein solches Erregerelement werden die hochfrequenten Messsignale 27 in
einen Hohlleiter 4 eingekoppelt, der so ausgestaltet ist,
dass sich ein TE01-Wellenmode der hochfrequenten Messsignale 27 im
Hohlleiter 4 ausbildet. Dieser Wellenmode hat den Vorteil,
dass sich das hochfrequenten Messsignale 27 nahezu ungestört
und ungedämpft bzw. ohne Beeinflussung durch die Randeffekte
der Seitenwand in dem Hohlleiter 4 ausbreiten können
und somit kaum gedämpft werden. Die Dämpfung der
hochfrequenten Messsignale 27 erfolgt hierbei über
Wandstromverluste. Der Hohlleiter 4 ist beispielsweise
als ein Rundhohlleiter als Wellenleiterbereich aufgebaut. Bei einer
idealen Dimensionierung des Hohlleiters 4, z. B. bei einem
luftgefüllten Hohlleiter 4 mit einem Durchmesser
von ungefähr 8 Millimeter bei 26 Gigahertz ist der Hohlleiter 4 monomodig
ausgelegt bzw. es kann sich nur der gewünschte Grundmode,
insbesondere TE01, im Hohlleiter 4 ausbreiten.
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Die
Abstrahlstruktur 7 ist mittels zweier Dichtelemente 12,
z. B. zweier O-Ringen, hermetisch abdichtend zur Außenseite 11 des
Hohlleiters 4 aufgepresst. Hierzu sind in die Außenseite 11 des
Hohlleiter 4 zwei Ringnuten eingebracht in denen die O-Ringe
arretiert werden. Die montiere Überwurfhülse 9 drückt
im Bereich 10 die Abstrahlstruktur 7 mit einem vorgegebenen
Druck an die Dichtelemente 12 und die Außenseite 11 des
Hohlleiters 4, so dass eine formschlüssige hermetisch
dichte Fügestelle entsteht und die Abstrahlstruktur 7 durch
die Überwurfhülse 9 im Bereich 10 mechanisch
stabilisiert wird. Im Bereich 10 der Abstrahlstruktur 7 kommt
es durch diese Einschränkung der Ausdehnungsrichtung bzw.
Einschränkung des Fließverhaltens des Fluorkohlenwasserstoff-Kunstoffes
aufgrund der vollständig umschließenden Überwurfhülse 9 zu
keiner ungewollten radialen Ausdehnung des Kunststoffmaterials.
Als Kunststoffmaterial wird beispielsweise Polytertafluorethylen
eingesetzt. Durch diese Verhinderung der Verformung der Abstrahlstruktur 7 wird
erreicht, dass die Dichtigkeit der Dichtstelle an der Fügestelle
Abstrahlstruktur 7 und Hohlleiter 4 und/oder Dichtelemete 12 bestehen
bleibt.
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Im Übergang
von dem Erregerelement auf den Hohlleiters 4 und beim Übergang
vom luftgefüllten Hohlleiter 4 auf die Abstrahlstruktur
sind Anpassungsstrukturen 18, wie beispielsweise eine Kegelspitze
oder eine Stufenpyramide, vorgesehen, damit eine optimierte Anpassung
von dem dielektrischen, das Hochfrequenzsignal 27 leitenden
Material auf den beispielsweise mit Luft gefüllten Hohlleiter 4 und umgekehrt
gewährleistet werden kann. Durch diese Anpassungsstrukturen 18 wird
vermieden, dass das eingespeiste Hochfrequenzsignal 27 an
eventuellen Übergängen mit Wellenwiderstandsänderungen
anteilig zurückreflektiert und somit gedämpft
werden.
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Ein
Maß für die Anpassung des Wellenwiderstandes bei Übergängen
des Materials oder der Geometrie ist der Welligkeitsfaktor oder
das Stehwellenverhältnis, das aus den Amplituden von hin-
und rücklaufender Welle des Hochfrequenzsignals 27 bestimmt
wird. Leistungen lassen sich bei etwa 1 GHz besser messen als Spannungen,
wodurch in der Höchstfrequenztechnik meist das Leistungsstehwellenverhältnis
(PSWR) angewendet wird. Ein hochfrequentes Messsignal 27 das
von einem Material in ein zweites Material bzw. in eine zweite Substanz übergeht,
zeigt drei physikalische Phänomene: Transmission, Reflexion
und Absorption. Der Betreiber und der Hersteller eines freiabstrahlenden
Messgerätes 25 der Prozessmesstechnik zur Ermittlung
des Füllstandes 30 möchte zur Erzielung
maximaler Reichweite möglichst viel elektrische Energie
von dem hochfrequenten Messsignal 27 über die
Parabolantenne 1 in den Messraum abstrahlen. Daraus lässt
sich folgern, dass die Transmission zwischen Sende-/Empfangseinheit
und Parabolantenne 1 maximal sein sollte, die Reflexion
und die Absorption jedoch minimal sein sollte.
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Das
Stehwellenverhältnis (engl. standing wave ratio, SWR) gibt
das Verhältnis zwischen Maximal- und Minimalwert einer
stehenden Welle an einem Übergang zwischen zwei verschiedenen
Medien bzw. eines hochfrequenten Messsignals 27 bei Materialübergängen
an. Ein schlechtes Stehwellenverhältnis resultiert in der
Regel daraus, dass Sende-/Empfangseinheit, Einspeisungskabel, Erregerelement,
Hohlleiter 4, Abstrahlstruktur 7, Subreflektor 2 und
Parabolspiegel 3 eines Messgeräts 25 nicht optimal
aufeinander abgestimmt und angepasst sind. Die Impedanzen der einzelnen
Komponenten sind nicht gleich, dadurch entstehen Reflexionen, und
ein Teil der Leistung läuft zurück.
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In 3 ist
die erfindungsgemäße Prozesstrenneinheit 6 vergrößert
dargestellt. Die Prozesstrenneinheit 6, bestehend aus dem
Subreflektor 2, der Abstrahlstruktur 7, der Überwurfhülse 9 und
dem Haltebügel 8, wird beispielsweise bei der
Herstellung der Parabolantenne 1 in der folgenden Art und
Weise an dem Hohlleiter 4 montiert und verschweißt.
In einem ersten Schritt wird der konisch hyberbolisch geformte Subreflektor 2 auf
die Abstrahlstruktur 7 formschlüssig aufgelegt.
Hierzu hat die Abstrahlstruktur 7 die Form des Subreflektors 2 auf
dessen Auflagefläche ausgebildet. Des Weiteren wird der
formschlüssige Haltebügel 8 um die Abstrahlstruktur 7 und
den Subreflektor 2 gelegt und anschließend die Überwurfhülse 9 auf
die Abstrahlstruktur 7 geschoben. Diese Prozesstrenneinheit 6 kann
auch mittels eines Befestigungselements 24, insbesondere
einer Gewindeverschraubung, am Hohlleiter 4 befestigt sein. Vor
der Montage der Prozesstrenneinheit 7 am Hohlleiter 4 werden
die beiden Dichtelemente 12 in der Form von zwei O-Ringen
in die beiden Ringnuten 5 auf der Außenseite 11 des
Hohlleiters 4 eingelegt, so dass ein bestimmter Anteil
des Durchmessers der O-Ringe über den Rand der Ringnuten 5 hervorsteht. Die
Abstrahlstruktur 7 wird über die leicht von der
Außenseite 11 des Hohlleiters 4 hervorstehenden O-Ringe
geschoben, so dass die Abstrahlstruktur 7 im Bereich 10 an
die Dichtelemente 12 und die Außenseite 11 des
Hohlleiters 4 angepresst wird. Zur Erhöhung und
Stabilisierung dieses Anpressdrucks der Abstrahlstruktur 7 an
die Dichtelemente 12 und die Außenseite 11 des
Hohlleiters 4 dient die bereits vormontierte Überwurfhülse 9,
da sich diese im Bereich 10 überlappen und die Überwurfhülse 9 die
Abstrahlstruktur 7 mit einen definierten Druck an den Hohlleiter 4 und
die in die Ringnut 5 eingelegten Dichteelemente 12 anpresst.
Die Überwurfhülse 9 weist beispielsweise
hierzu ein leicht konisch zulaufende Bohrung auf, so dass die Abstrahlstruktur 7 im Bereich 10 unterschiedlich
stark angepresst wird.
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Um
Störsignale durch Reflexionen zu vermeiden und den Abschattungsbereich
durch die Einspeisung aus Hohlleiter 4 und Prozesstrenneinheit 6 zu
verringern, ist an der Außenkante 16 des Hohleiters 4 eine
strahlungsgeometrisch optimierte Phase von beispielsweise größer
45 Grad angebracht. Diese Phase kann auch an der Innenkante 17 des
Hohlleiters 4 angebracht sein. Der Subreflektor 2 und
der Haltebügel 8 sind über zumindest
punktuelle Schweißstellen mit der auf der Abstrahlstruktur 7 montierten Überwurfhülse 9 stoffschlüssig
verbunden. Zusätzlich kann die Überwurfhülse 9 gegen
ein ungewolltes lösen mit dem Hohlleiter 4 über Schweißstellen 19 stoffschlüssig
verbunden sein.
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In 4 ist
eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen
Prozesstrenneinheit 6 und in 5 sind eine
Draufsicht und verschiedene Seitenansichten der erfindungsgemäßen
Prozesstrenneinheit 6 gezeigt. In diesen Figuren wird zur
besseren Darstellbarkeit die komplett montierte Prozesstrenneinheit 6 ohne
einen montierten Hohlleiter 4 dargestellt. In den Darstellungen
wird die Dimensionierung, Zuordnung und Anordnung der einzelnen
Bauteile der erfindungsgemäßen Prozesstrenneinheit 6 ersichtlich.
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- 1
- Parabolantenne
- 2
- Subreflektor
- 3
- Parabolspiegel,
Parabolreflektor
- 4
- Hohlleiter
- 5
- Ringnut
- 6
- Prozesstrenneinheit
- 7
- Abstrahlstruktur
- 8
- Haltebügel
- 9
- Überwurfhülse
- 10
- Bereich
- 11
- Außenseite
- 12
- Dichtelement
- 13
- Innendurchmesser
der Überwurfhülse
- 14
- Außendurchmesser
der Abstrahlstruktur
- 15
- Außendurchmesser
des Hohlleiters
- 16
- Außenkante
- 17
- Innenkante
- 18
- Anpassungsstruktur
- 19
- Schweißstelle
- 20
- Prozessanschlussstutzen
- 21
- Messumformer
- 22
- Feldbus
- 23
- Zweileiter-Stromschleife
- 24
- Befestigungsmittel
- 25
- Messgerät
- 26
- Medium,
Füllgut
- 27
- hochfrequentes
Messsignal, Hochfrequenzsignal
- 28
- Behälter
- 29
- Justagevorrichtung
- 30
- Füllstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19703246
C2 [0004]
- - DE 102005049243 A1 [0005, 0031]