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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 03 346 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 Abstrahlstrukturdurch 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 Abstrahlstrukturan 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 Störreflexiönen 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:
- 1 :eine schematische Schnittdarstellung des gesamten Messgeräts der Prozessmesstechnik mit Parabolantenne in einem Behälter,
- 2: eine Schnittansicht der gesamten Parabolantenne mit der erfindungsgemäßen Prozesstrenneinheit,
- 3 : einen, vergrößerten Teilausschnitt A der in 1 gezeigten Parabolantenne mit der erfindungsgemäßen Prozesstrenneinheit,
- 4: eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Prozesstrenneinheit, und
- 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, Hochfrequenzsignaie 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 4werden 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 ausbreitet.
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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 10der 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 Potytertaftuorethyien 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
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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 (Fase) 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 7montierten 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
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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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Bezugszeichenliste
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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
