-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenleiterübergangsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Wellenleiterübergangsvorrichtung.
-
Stand der Technik
-
Eine berührungslose Messung von Füllständen in Flüssigkeitsbehältern zählt zu einer weitverbreiteten Aufgabe im Bereich der industriellen Messtechnik. Dazu kann typischerweise ein Messsystem verwendet werden, bei dem elektromagnetische Wellen von einem Sender abgestrahlt und an einer Oberfläche der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter reflektiert werden. Die reflektierte Welle wird dann von einem Empfänger des Messsystems empfangen, so dass von einer Auswerteeinheit des Messsystems basierend auf einer Laufzeit der elektromagnetischen Welle zwischen dem Sender und dem Empfänger und/oder einem Phasenunterschied zwischen der abgestrahlten elektromagnetischen Welle und der empfangenen elektromagnetischen Welle der Füllstand der Flüssigkeit im Behälter bestimmt werden kann. Anstatt der Laufzeit und des Phasenunterschieds können auch von diesen Parametern abgeleiteten Größen zur Füllstandbestimmung verwendet werden. Eine Frequenz der verwendeten elektromagnetischen Wellen liegt typischerweise im Radarbereich, also in einem Frequenzbereich von einigen GHz bis 100 GHz.
-
Der Sender bzw. Empfänger eines solchen Füllstand-Messsystems erzeugt bzw. detektiert typischerweise eine leitungsgebundene Welle. Eine Wellenleiterübergangsvorrichtung für das Füllstand-Messsystem ermöglicht eine Umwandlung von einer leitungsgebundenen Welle des Wellenleiters in eine Welle, mit der der Pegel der Flüssigkeit in dem Füllstand-Messsystem gemessen werden kann. Solche Wellen können beispielsweise eine Hohlleiterwelle sein, d. h. eine sich in einem Hohlleiterinnenraum ausbreitende Welle oder eine Freiraumwelle, also eine Welle, die sich ausbreitet, ohne dass eine Behälterwand einen Einfluss auf ihre Ausbreitung nimmt. Die Art der in dem Füllstands-Messsystem eingekoppelten Welle kann unter anderem von der Geometrie und dem Material des Flüssigkeitsbehälters und von der Flüssigkeit im Behälter abhängen.
-
Je nach Art des Füllstand-Messsystems werden unterschiedliche Anforderungen an die Wellenleiterübergangsvorrichtung gestellt. Eine dieser Anforderungen ist beispielsweise die Erzeugung von monomodalen Hohlleiterwellen, da dann lediglich ein definierter Mode des Hohlleiters abgestrahlt wird, deren Reflexion empfangen werden muss. Bei einer Anregung mehrerer Moden des Wellenleiters, die in der Regel eine unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit besitzen geht der proportionale Zusammenhang zwischen der Phase des empfangenen Signals und dem zu messenden Abstand verloren, so dass daraus eine komplizierte und ungenaue Füllstandmessung resultieren kann. Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, wenn eine Frequenz der in dem typischerweise übermodigen Hohlleiter induzierten Welle geringfügig über der Grenzfrequenzen von höheren Moden des Hohlleiters ist.
-
Eine weitere Anforderung kann ein flüssigkeitsdichter Abschluss der Wellenleiterübergangsvorrichtung gegenüber dem Füllstand-Messsystem sein, bei dem am Abschluss auftretende Reflexionen der sich im Hohlleiter ausbreitenden Welle möglichst gering sind. Solche Reflexionen können ebenfalls in einer ungenauen Füllstand-Bestimmung resultieren, da die am Abschluss reflektierte Welle mit der an der Flüssigkeit reflektierten Welle interferieren kann.
-
Detlev Brumbi "Grundlagen der Radartechnik zur Füllstandsmessung", Krohne Messtechnik GmbH & Co. KG, Mai 2003, beschreibt unterschiedliche Bauformen von Hohlleitern, die zur Abstrahlung von Hohlleiterwellen und Freiraumwellen zur Füllstand-Messung geeignet sind.
-
Es besteht ein allgemeines Bedürfnis, eine Wellenleiterübergangsvorrichtung für ein Füllstand-Messsystem bereitzustellen, die eine genaue Füllstandmessung bei gleichzeitig kompakter und einfacher Bauweise ermöglicht.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Wellenleiterübergangsvorrichtung für ein Füllstand-Messsystem bereitzustellen, die eine genaue Füllstandmessung bei gleichzeitig kompakter und einfacher Bauweise ermöglicht. Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine solche Wellenleiterübergangsvorrichtung betreibbar ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Wellenleiterübergangsvorrichtung für ein Füllstand-Messsystem sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Wellenleiterübergangsvorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Eine erfindungsgemäße Wellenleiterübergangsvorrichtung für ein Füllstandmesssystem weist ein Anschlusselement für ein Koaxialwellenleitelement und einen Hohlleiter auf, der einen ersten Abschnitt, einen dem ersten Abschnitt gegenüberliegenden zweiten Abschnitt und eine sich vom ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt erstreckende Geometrieachse aufweist. Der erste Abschnitt weist eine Aufnahme auf, in dem das Anschlusselement zumindest teilweise aufgenommen ist, derart, dass ein Mode einer sich im Koaxialwellenleitelement ausbreitenden Welle in einen Mode einer sich im ersten Abschnitt des Hohlleiters ausbreitenden Welle umwandelbar ist. Der zweite Abschnitt weist einen Innenquerschnitt auf, der sich quer zur Geometrieachse erstreckt und in einer vom ersten Abschnitt wegweisenden Richtung entlang der Geometrieachse derart zunimmt, dass das Füllstand-Messsystem mit einem sich im zweiten Abschnitt des Hohlleiters ausbreitenden Mode oder mit mehreren sich ausbreitenden Moden beaufschlagbar ist. Hierbei ist der zweite Abschnitt in einer Ausführungsform so eingerichtet, dass das Füllstand-Messsystem nur mit einem sich im zweiten Abschnitt des Hohlleiters ausbreitenden Mode oder er ist alternativ in einer anderen Ausführungsform so eingerichtet, dass das Füllstand-Messsystem mit mehreren sich ausbreitenden Moden beaufschlagbar ist.
-
Die erfindungsgemäße Wellenleiterübergangsvorrichtung für ein Füllstand-Messsystem weist ein Anschlusselement für ein längliches Koaxialwellenleitelement, insbesondere für einen Standard-Koaxialwellenleiter, und einen Hohlleiter auf. Der Hohlleiter ist mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt versehen, die sich gegenüberliegenden. Eine Geometrieachse des Hohlleiters erstreckt sich vom ersten Abschnitt entlang des Hohlleiters zum zweiten Abschnitt. Eine Aufnahme ist in dem ersten Abschnitt gebildet, in dem das Anschlusselement zumindest teilweise aufgenommen ist. Dazu kann beispielsweise ein Fortsatz des Anschlusselements in der Aufnahme passgenau eingesteckt sein und optional kann sich ein weiterer länglicher Fortsatz des Anschlusselements in einen Innenraum des Hohlleiters hinein erstrecken. Dadurch kann der Hohlleiter als einstöckige Einkoppelstruktur für eine leitungsgebundene Welle des Koaxialwellenleitelements wirken, die in einen definierten Mode einer sich im ersten Abschnitt ausbreitenden Hohlleiterwelle, beispielsweise in einem Grundmode oder annähernd einem Grundmode der Hohlleiterwelle, umwandelbar ist. Dabei kann vorteilhafterweise ausgenutzt werden, dass ein Wellenverlauf der Koaxialwellenleitelementwelle etwa einem Wellenverlauf der sich im ersten Abschnitt des Hohlleiters ausbreitenden Hohlleiterwelle entspricht. Ein Wellenwiderstand des Koaxialwellenleitelements kann aufgrund der insbesondere passgenauen Aufnahme eines Teils des Anschlusselements in der Aufnahme etwa einem Wellenwiderstand des ersten Abschnitts im Bereich der Aufnahme entsprechen, so dass Leitungsverluste gering sein können.
-
Der zweite Abschnitt weist einen Innenquerschnitt auf, der sich quer, insbesondere senkrecht, zur Geometrieachse erstreckt und in einer vom ersten Abschnitt wegweisenden Richtung entlang der Geometrieachse derart zunimmt, dass das Füllstand-Messsystem mit einem Hohlleiterwellenmode eines Hohlleiters des zweiten Abschnitts beaufschlagbar ist. Dazu kann beispielsweise die Hohlleiterwelle direkt in ein Bauteil des Messsystems eingekoppelt werden oder als Freiraumwelle abgestrahlt werden. Die Aufweitung des Innenquerschnitts des zweiten Abschnitts kann eine effiziente Dämpfung von höheren Moden der Hohlleiterwelle bewirken. Gleichzeitig kann durch die Aufweitung des Innenquerschnitts des zweiten Abschnitts ein insbesondere bis auf einen Skalierungseffekt unveränderter Feldverlauf der Hohlleiterwelle des ersten Abschnitts erhalten bleiben und ein gewünschter Abstrahl-Innenquerschnitt des Hohlleiters erreicht werden.
-
Folglich kann die Wellenleiterübergangsvorrichtung besonders kompakt und einfach realisiert sein, da sie eine einfache und kompakte Einkoppelstruktur für den Mode des Koaxialwellenleitelements ohne Verwendung weiterer Bauteile darstellt. Ferner kann die Füllstand-Messung besonders genau durchgeführt werden, da insbesondere bei geeigneter Anregungsfrequenz der Hohlleiterwelle im ersten Abschnitt eine insbesondere monomodale Hohlleiterwelle in Richtung eines Behältnisses des Füllstand-Messsystems ausgehend vom zweiten Abschnitt abgegeben werden kann.
-
In einem Ausführungsbeispiel kann die Aufnahme stirnseitig im ersten Abschnitt angeordnet sein und eine Tiefe der Aufnahme kann sich entlang der Geometrieachse zu einem Innenraum des Hohlleiters hin erstrecken. Dabei kann ein sich quer, insbesondere senkrecht, zur Geometrieachse erstreckender Innenquerschnitt des ersten Abschnitts ausgehend von einem sich quer, insbesondere senkrecht, zur Geometrieachse erstreckenden Querschnitt der Aufnahme entlang der Geometrieachse in einer Richtung zum zweiten Abschnitt zunehmen, insbesondere stufenförmig. Dies kann bewirken, dass ein entlang der Geometrieachse ausgebildeter Innenraum des Hohlleiters im ersten Abschnitt, insbesondere stufenförmig, ausgehend von einem Querschnitt der Aufnahme aufgeweitet sein kann, so dass eine Impedanzanpassung des Wellenwiderstands des Hohlleiters von einem typischen Wellenwiderstand von 50 Ω des Koaxialleitelements an einen Wellenwiderstand des Füllstand-Messsystems eingeleitet werden kann.
-
Eine Dimension der Aufnahme und des Innenquerschnitts des ersten Abschnitts kann so gewählt sein, dass die Wellenleiterübergangsvorrichtung nahe einer Grenzfrequenz für die Erzeugung von ausbreitungsfähigen Hohlleiterwellen arbeiten kann. Eine solche Geometrie kann dazu führen, dass lediglich der Grundmode der Welle ausbreitungsfähig ist.
-
In einem Ausführungsbeispiel kann der Hohlleiter einen dritten Abschnitt aufweisen, der zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt angeordnet sein kann und einen sich quer, insbesondere senkrecht, zur Geometrieachse erstreckenden, konstanten Innenquerschnitt aufweisen kann. Dadurch kann der dritte Abschnitt eine Überführung des erzeugten Hohlleitermodes bei gleichzeitiger Unterdrückung der höheren Hohlleitermoden gewährleisten.
-
Der Innenquerschnitt des ersten Abschnitts kann kleiner als der Innenquerschnitt des dritten Abschnitts sein und insbesondere mittels eines Anstiegs, bevorzugt eines stufenförmigen Anstiegs, in diesen übergehen, so dass eine Impedanzanpassung bewirkt werden kann. Der Innenquerschnitt des dritten Abschnitts kann stufenlos in den Innenquerschnitt des zweiten Abschnitts übergehen, wodurch eine reflexionsfreie Leitung der Hohlleiterwelle ermöglicht sein kann.
-
In einer Ausführungsform kann der Innenquerschnitt des zweiten Abschnitts kreisförmig ausgebildet sein. Dabei kann zur Reduzierung der Baulänge ein Innenradius des zweiten Abschnitts als Funktion eines Orts entlang der Geometrieachse in der vom ersten Abschnitt wegweisenden Richtung zunehmen, die dadurch bestimmt wird, dass ein dominierendes Übersprechen auf einen unerwünschten Mode durch die Fouriertransformierte der Kosinus-Quadrat-Funktion gegeben ist. Diese Innenform des zweiten Abschnitts des Hohlleiters kann eine optimale Dämpfung der höheren parasitären Moden gewährleisten. Die Innenform des Hohlleiters kann ferner eine insbesondere in einem Vergleich zu einer linearen Aufweitung des zweiten Abschnitts des Hohlleiters besonders kurze Bauform der Wellenleiterübergansvorrichtung, insbesondere eine um 18/19 reduzierte Bauform gegenüber einer sich linear aufweitenden Bauform bei gleicher Dämpfung, ermöglichen. Ferner kann die als Kosinus-Quadrat-Funktion geformte Innenform eine einfache und kostengünstige Fertigung der Wellenleiterübergangsvorrichtung ermöglichen.
-
In einer Ausführungsform kann die Wellenleiterübergangsvorrichtung ferner ein in dem Innenraum des ersten Abschnitts angeordnetes dielektrisches Isolierelement aufweisen, durch das sich der längliche Fortsatz des Anschlusselements hindurch erstrecken kann oder in das er eingeschlossen wird. Dazu kann das Isolierelement insbesondere einen T-förmigen Längsschnitt mit einem mittigen Durchgangsloch oder Sackloch aufweisen, durch das der Fortsatz des Anschlusselements hindurch gesteckt sein kann bzw. in das der Fortsatz des Anschlusselements hinein gesteckt sein kann. Umfängliche Kanten des Isolierelements, die in Richtung des Anschlusselements weisen können, können abgeschrägt ausgebildet sein, so dass das Isolierelement passgenau in den insbesondere stufenförmigen Hohlraum des ersten Abschnitts eingebracht sein kann. Dadurch kann eine bessere Übertragung der leitungsgebunden Wellen des Koaxialwellenleitelements in die Hohlleiterwelle ermöglicht werden.
-
In einer Ausführungsform kann der zweite Abschnitt außenseitig an seinem vom ersten Abschnitt abgewandten Endbereich eine Befestigungsvorrichtung, insbesondere ein umfängliches Gewinde, aufweisen, mittels der der Hohlleiter mit einem Befestigungselement für das Füllstand-Messsystem oder direkt mit dem Füllstand-Messsystem verbindbar sein kann. Dabei kann das Füllstand-Messsystem insbesondere ein Schwallrohr oder eine Dosimetereinheit aufweisen. Dadurch kann die Wellenleiterübergangsvorrichtung besonders einfach an dem Füllstand-Messsystem befestigt werden, um die erzeugte Hohlleiterwelle über das Koppelelement als Hohlleiterwelle auf das Füllstand-Messsystem zu übertragen.
-
In einer Ausführungsform kann sich eine Tiefe der Aufnahme quer, insbesondere senkrecht, zur Geometrieachse des Hohlleiters zu einem Innenraum des Hohlleiters hin erstrecken. Dabei kann der erste Abschnitt einen konstanten, im Wesentlichen rechteckigen Innenquerschnitt aufweisen, der sich gegenüberliegende Längsseiten und sich gegenüberliegende Querseiten aufweisen kann. Die Querseiten können bezüglich der Geometrieachse kreisbogenförmig ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann das Anschlusselement nicht entlang der Geometrieachse, sondern quer zu dieser in dem Hohlleiter aufgenommen sein, so dass eine Gesamtlänge der Wellenleiterübergangsvorrichtung verkleinert sein kann. Bei geeigneten Abmessungen der Aufnahme und des ersten Abschnitts des Hohlleiters kann in einem Betrieb der Wellenleiterübergangsvorrichtung eine monomodale Hohlleiterwelle induziert werden, indem ausgenutzt werden kann, dass ein Feldverlauf der leitungsgebundenen Welle des Koaxialwellenleitelements und ein Feldverlauf der annähernden Rechteckhohlleiterwelle zueinander ähnlich sind.
-
In einer Ausführungsform kann der Hohlleiter einen dritten Abschnitt aufweisen, der zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt angeordnet sein kann. Der Innenquerschnitt des zweiten Abschnitts kann kreisförmig ausgebildet sein, und ein sich quer, insbesondere senkrecht, zur Geometrieachse erstreckender Innenquerschnitt des dritten Abschnitts kann ausgehend von dem im Wesentlichen rechteckigen Innenquerschnitt des ersten Abschnitts entlang der Geometrieachse bis zum Innenquerschnitt des zweiten Abschnitts derart zunehmen, dass eine Erstreckung der kreisbogenförmigen Querseiten im Wesentlichen linear bezüglich eines Mittelpunkts der jeweiligen Querseiten zunehmen kann. Dabei können die Querseiten jeweils maximal einen Halbkreis beschreiben. Ein Radius der kreisbogenförmigen Querseiten kann einem Radius des kreisförmigen Innenquerschnitts des zweiten Abschnitts angrenzend an den dritten Abschnitt entsprechen. Der dritte Abschnitt des Hohlleiters bewerkstelligt folglich eine Überführung der induzierten Welle des annähernd als Rechteckhohlleiter ausgebildeten ersten Abschnitts in eine Welle eines durch den zweiten Abschnitt gebildeten Rundhohlleiters.
-
Der zweite Abschnitt kann sich mit einem linearen Öffnungswinkel aufweien, so dass der zweite Abschnitt ein Antennenhorn, insbesondere eine Ringkesselantenne bilden kann.
-
In einer Ausführungsform kann die Wellenleiterübergangsvorrichtung ferner ein Abdeckelement aufweisen. Das Abdeckelement kann stirnseitig in einer vom ersten Abschnitt abgewandten Aufnahme eines Endbereichs des zweiten Abschnitts aufgenommen sein, und das Abdeckelement kann im Wesentlichen zueinander parallel angeordnete plattenförmige Elemente aufweisen. Die plattenförmigen Elemente können voneinander beabstandet angeordnet und jeweils zwei plattenförmige Elemente können mittels eines mittig angeordneten Stegs miteinander verbunden sein. Dadurch kann die Wellenleiterübergangsvorrichtung vollständig gegenüber der Flüssigkeit im Füllstand-Messsystem abgeschlossen sein, so dass eine besonders kostengünstige Realisierung der Wellenleiterübergangsvorrichtung insbesondere im Vergleich zu Hohlleiter-Einkoppelstrukturen, die vollständig mit verlustarmem Material zur Flüssigkeitsabdichtung gefüllt sind, ermöglicht sein kann. Gleichzeitig kann gegenüber einer vollständigen Füllung des zweiten Abschnitts mit Material ein Wirkungsgrad der Wellenleiterübergangsvorrichtung erhalten bleiben, also nicht verschlechtert sein. Das Abdeckelement kann dabei einen mehrstufigen Impedanztransformator darstellen, bei dem an jedem Übergang eines plattenförmigen Elements zur Luft in einem Zwischenraum zwischen jeweils zwei benachbarten plattenförmigen Elementen eine Reflexion der Hohlleiterwelle stattfindet. Eine durch das Abdeckelement erzeugte Gesamtreflexionswelle kann eine kleinere Amplitude als eine Teilreflexionswelle an. einem solchen Übergang haben. Dadurch können Reflexionsverluste gering sein, und das Abdeckelement kann insgesamt aufgrund der Reflexionen an den Material-Luft-Übergangen eine breitbandige Abstrahlungscharakteristik von Freiraumwellen anstelle einer schmalbandigen Abstrahlungscharakteristik, wie sie mit einen einfachen Abdeckelement gegeben wäre, bewirken. Eine Verbindung der plattenförmigen Elemente entlang ihrer Mittelachse ermöglicht eine besonders einfache Fertigung, und die entsprechenden Stege, die insbesondere ein einstückiges Bauteil bilden können, können einen in hochfrequenztechnischer Hinsicht vernachlässigbaren Einfluss auf die Wellenausbreitung darstellen. Das Abdeckelement kann insgesamt einstückig ausgebildet sein.
-
Der zweite Abschnitt kann einen zum Füllstand-Messsystem weisenden Endbereich aufweisen, dessen Innenquerschnitt entlang der Geometrieachse im Wesentlichen konstant sein kann. Das Abdeckelement kann in dieser Aufnahme insbesondere passgenau eingesteckt sein.
-
In einer Ausführungsform können zumindest ein Teil der plattenförmigen Elemente eine unterschiedliche Dicke aufweisen und/oder zueinander in einem unterschiedlichen Abstand angeordnet sein, so dass je nach Wahl der Dicke und/oder der Abstände reflektierte Teilwellen an einem Material-Luft-Übergang im vorgegebenen Frequenzbereich destruktiv interferieren können.
-
Insgesamt kann dadurch ein teilweises oder vollständiges Auslöschen der verschiedenen reflektierten Teilwellen bewerkstelligt werden, so dass die resultierende gesamtreflektierte Welle eine geringere Amplitude als zumindest eine oder alle reflektierten Teilwellen haben kann. Dadurch kann die Abstrahlcharakteristik der Wellenleiterübergangsvorrichtung breitbandig ausgebildet sein, ohne dass das Abdeckelement grundlegend ein monomodales Frequenzverhalten der Wellenleitervorrichtung verändern kann.
-
Das Abdeckelement kann so ausgeführt sein, dass es eine Ummantelung aufweist, welche den zweiten Abschnitt und den Endbereich des Hohlleiters umschließt. Dies ermöglicht einen hygienischen Abschluss des Hohlleiters, der insbesondere für Anwendungen im Lebensmittelsektor gefordert wird.
-
Eine Außenform des Hohlleiters kann sich stufenförmig aufweien. Insbesondere können die Stufen dem Verlauf des Innenquerschnitts des Hohlleiters folgen, so dass eine besonders kompakte und materialsparende Wellenleiterübergangsvorrichtung realisiert sein kann.
-
In einer Ausführungsform kann das Anschlusselement als HF-Steckverbindung ausgebildet. Unter einer Steckverbindung wird hierbei sowohl eine Male-Steckverbindung als auch eine Female-Steckverbindung verstanden. Insbesondere ist die HF-Steckverbindung als Sub-Miniature-A(SMA)-Buchse ausgebildet, die mit einer Außenseite des ersten Abschnitts verschraubt sein kann. Dadurch kann der Hohlleiter mit einem Standard-Koaxialwellenleitelement betreibbar sein, das durch die SMA-Buchse über den im Innenraum des Hohlleiters aufgenommenen Fortsatz, der als Stecker dienen kann, in den Innenraum des Hohlleiters reichen kann.
-
In einer Ausführungsform kann der Hohlleiter zumindest eine Öffnung zum Belüften des Hohlleiters und/oder zum Befüllen des Hohlleiters mit einer Flüssigkeit aufweisen.
-
In einer Ausführungsform kann der Hohlleiter Aluminium aufweisen, so dass die Wellenleiterübergangsvorrichtung besonders kostengünstig ausgebildet sein kann.
-
In einer Ausführungsform kann das dielektrische Isolierelement Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), weiter insbesondere Moldflon®, aufweisen, bevorzugt aus diesem Material bestehen, so dass das Isolierelement besonders leicht und kostengünstig ausgebildet ist.
-
In einer Ausführungsform kann das Abdeckelement Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), weiter insbesondere Moldflon®, aufweisen, bevorzugt aus diesem Material bestehen, so dass das Abdeckelement besonders leicht und kostengünstig ausgebildet ist.
-
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Wellenleiterübergangsvorrichtung, die oben beschrieben ist, kann eine Frequenz eines in einem Hohlleiter der Wellenleiterübergangsvorrichtung induzierten Mode oberhalb einer größten Grenzfrequenz, die üblicherweise auch als Cut-off-Frequenz bezeichnet werden kann, für einen Grundmode einer ausbreitungsfähigen bzw. einer sich ausbreitenden Welle im ersten Abschnitt des Hohlleiters liegen. Insbesondere liegt sie oberhalb von 115% der größten Grenzfrequenz. Beispielhaft ist die Wellenleiterübergangsvorrichtung für einen Betrieb eines schmalbandigen Abstrahlfrequenzbereichs von 24 bis 24,5 GHz oder eines breitbandigen Abstrahlfrequenzbereichs von 20 GHz bis 28 GHz geeignet.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
-
1 zeigt eine Explosionsansicht einer Wellenleiterübergangsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
-
2 zeigt einen Hohlleiter der Wellenleiterübergangsvorrichtung von 1 im Längsschnitt;
-
3 zeigt einen Ausschnitt des Hohlleiters von 2;
-
4 zeigt ein Anschlusselement der Wellenleiterübergangsvorrichtung von 1;
-
5 zeigt ein dielektrisches Isolierelement der Wellenleiterübergangsvorrichtung von 1;
-
6 zeigt eine Explosionsansicht einer Wellenleiterübergangsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
-
7 zeigt einen Hohlleiter der Wellenleiterübergangsvorrichtung von 6 im Längsschnitt;
-
8 zeigt einen Längsschnitt durch einen ersten Abschnitt des Hohlleiters von 7 in Draufsicht;
-
9 zeigt ein Anschlusselement der Wellenleiterübergangsvorrichtung von 6;
-
10 zeigt ein Abdeckelement der Wellenleiterübergangsvorrichtung von 6 im Längsschnitt.
-
11 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Abdeckelements der Wellenleiterübergangsvorrichtung von 6 im Längsschnitt.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
-
Gleiche oder vergleichbare Elemente sind in der folgenden Beschreibung mit demselben Bezugszeichen versehen.
-
Eine Wellenleiterübergangsvorrichtung für ein Füllstand-Messsystem weist einen in 1 dargestellten einstückig ausgebildeten Hohlleiter 12 aus Aluminium, ein als SMA-Buchse ausgebildetes Anschlusselement 14 für ein Koaxialwellenleitelement und ein dielektrisches Isolierelement 16 auf. Der Hohlleiter 12 ist rotationssymmetrisch um eine Geometrieachse A, die einer Längsachse des Hohlleiters 12 entspricht, ausgebildet und weist einen ersten Abschnitt 18, einen dem ersten Abschnitt 18 gegenüberliegenden zweiten Abschnitt 20 und einen dritten Abschnitt 22 auf, der zwischen dem ersten Abschnitt 18 und dem zweiten Abschnitt 20 angeordnet ist. Eine Richtung R verläuft entlang der Geometrieachse A vom ersten Abschnitt 18 zum zweiten Abschnitt 20.
-
Wie in 2 und 3 gezeigt, ist eine Aufnahme 24 in eine Stirnseite 26 des ersten Abschnitts 18 eingebracht, die in eine bezüglich der Richtung R entgegengesetzte Richtung weist. Ein Innenquerschnitt I0 der Aufnahme 24 ist kreisförmig ausgebildet und reicht zu einem Innenraum 28 des Hohlleiters 12. Ein Innenquerschnitt I1 des ersten Abschnitts 18 ist ebenfalls kreisförmig ausgebildet und weitet sich von dem Querschnitt I0 der Aufnahme 24 in zwei Stufen 29, 30 in der Richtung R auf. Der Innenquerschnitt I2 des dritten Abschnitts 22 ist stufenförmig bezüglich des Innenquerschnitts I1 des ersten Abschnitts 18 vergrößert und ist entlang der Geometrieachse A in der Richtung R gesehen konstant. Ein Innenquerschnitt I3 des zweiten Abschnitts 20 entspricht dem Innenquerschnitt I2 des dritten Abschnitts 22 im Verbindungsbereich des zweiten und dritten Abschnitts 20, 22. Der Innenquerschnitt I3 des zweiten Abschnitts 20 nimmt entlang der Geometrieachse A in der Richtung R zu. Eine Innenform des zweiten Abschnitts 20 entspricht einer Funktion, gemäß der ein Radius r des zweiten Abschnitts 20 entlang der Geometrieachse A in der Richtung R zunimmt, die dadurch bestimmt wird, dass ein dominierendes Übersprechen auf einen unerwünschten Mode durch die Fouriertransformierte der Kosinus-Quadrat-Funktion gegeben ist. Eine solche Funktion wird in Hans-Georg Unger, „Circular Waveguide Taper of Improved Design", Bell System Technical Journal, v37: i4, July 1958 beschrieben.
-
Der Durchmesser I0 der Aufnahme beträgt 4,1 mm und eine axiale Tiefenerstreckung der Aufnahme 24 entlang der Achse A in der Richtung R beträgt 3 mm. Der Innendurchmesser I1 des ersten Abschnitts 18 im Bereich der ersten Stufe 29 beträgt 5,2 mm, und eine axiale Erstreckung der ersten Stufe 29 beträgt 2,8 mm. Ein Innendurchmesser I1 der zweiten Stufe 30 des ersten Abschnitts 18 beträgt 8 mm und eine axiale Erstreckung der zweiten Stufe beträgt 2,8 mm. Der Innendurchmesser I2 des dritten Abschnitts 22 beträgt 11,4 mm und eine axiale Erstreckung des dritten Abschnitts 22 beträgt 22,2 mm.
-
Eine Außenseite 31 des Hohlleiters 12 vergrößert sich ausgehend von einem Bereich 32 mit konstantem Durchmesser in zwei Stufen 34, 36 entlang der Geometrieachse A in der Richtung R. Ein äußerer Durchmesser des Bereichs 32, der den ersten und dritten Abschnitt 18, 22 umfasst, hat einen Durchmesser von 35 mm und eine Tiefenerstreckung von 30,8 mm, die ausgehend von der Stirnseite 26 in der Richtung R gemessen ist. Die erste und zweite Stufe 34, 36 umgeben den zweiten Abschnitt 20 des Hohlleiters 12. Die erste Stufe 34 des Hohlleiters 12 weist einen Außendurchmesser von 60 mm und eine Tiefenerstreckung von 30 mm auf. Die zweite Stufe 36 des Hohlleiters 12 weist einen Außendurchmesser von 60 mm und eine Tiefenerstreckung von 150,3 mm auf. In einem in die Richtung R weisenden Endbereich 38 des zweiten Abschnitts 20, der etwa 10 mm lang ist, ist eine Befestigungsvorrichtung 40 in Form eines umfänglichen Gewindes vorgesehen, mittels dessen der Hohlleiter 12 mit einem Befestigungselement 42 für das Füllstand-Messsystem oder direkt mit dem Füllstand-Messsystem verschraubbar ist. Eine Öffnung 37 verbindet die Außenseite 31 des Hohlleiters vor dem Endbereich 38 mit dem Innenraum des zweiten Abschnitts 20. Die Öffnung 37 hat einen kreisförmigen Querschnitt und ihre Längsachse verläuft orthogonal zu der Geometrieachse A.
-
Um die passgenaue Steckverbindung zwischen der Aufnahme 24 des ersten Abschnitts 18 und dem Anschlusselement 14 zu gewährleisten, weist ein ringförmiger Fortsatz 50 des in 4 gezeigten Anschlusselements 14 eine Tiefenerstreckung von 3 mm und einen äußeren Querschnitt von 4,1 mm auf. Ein 10,6 mm langer, länglicher Fortsatz 52 des Anschlusselements 14, durch den das Koaxialwellenleitelement führbar ist, ist mittig aus dem Fortsatz 50 herausgeführt und im zusammengebauten Zustand der Wellenleiterübergangsvorrichtung in einem mittigen kreisförmigen Durchgangsloch 54 des aus Moldflon® gefertigten und T-förmig ausgebildeten dielektrischen Isolierelement 16 eingesteckt (5). Ein Innendurchmesser des Durchgangslochs 54 beträgt 1,27 mm, ein Außendurchmesser eines in Einbaurichtung des dielektrischen Isolierelements 16 weisenden ersten Abschnitts 56 des Isolierelements 16 beträgt etwa 5,25 mm, während ein Außendurchmesser eines benachbart angeordneten, zweiten Abschnitts 58 des Isolierelements 16 etwa 8,05 mm beträgt. Eine entlang der Geometrieachse A weisende Erstreckung des ersten Abschnitts 56 beträgt 2,8 mm, und eine entlang der Geometrieachse A gemessene Erstreckung des zweiten Abschnitts 58 beträgt 2,8 mm. Sowohl der erste Abschnitt 56 als auch der zweite Abschnitt 58 sind in einem umfänglichen Bereich 59a, 59b umfänglich an der in Einbaurichtung zum Anschlusselement 14 weisenden Richtung entlang einer in radialer Richtung gemessenen Länge von 0,1 mm abgeschrägt. Dadurch kann das dielektrische Isolierelement 16 in die erste und zweite Stufe 29, 30 des ersten Abschnitts 18 beim Zusammenbau passgenau eingepresst werden.
-
Das Anschlusselement 14 ist in der Stirnseite 26 mittig mittels vier Schrauben 60a–60d verschraubt. Die Schrauben 60a–60d sind jeweils 8,6 mm voneinander beabstandet montiert. Zugehörige Löcher für die Schrauben 60a–60d in der Stirnseite 26 betragen zwischen minimal 2,5 mm und maximal 5,5 mm.
-
Ein Innendurchmesser des in 1 gezeigten Befestigungselements 42 beträgt 60 mm, und ein Außendurchmesser des Befestigungselements 42 beträgt 70 mm. Ein 8 mm langer Endbereich des Befestigungselements 42 ist umfänglich verbreitert und weist ein Innengewinde auf, mit dem das Befestigungselement 42 auf ein Schwallrohr oder eine Dosimetereinheit des Füllstand-Messsystems geschraubt werden kann. Dabei kann das Befestigungselement 42 als Verlängerung für die angrenzende Dosimetereinheit dienen.
-
In einem Betrieb der Wellenleiterübergangsvorrichtung wird über den länglichen Fortsatz 52 der SMA-Buchse, der einen Stecker darstellt, ein transversal elektromagnetischer (TEM) Mode einer leitungsgebundenen Welle des Koaxialwellenleitelements in einen transversal magnetische TM01 Mode des ersten Abschnitts 18 des übermodigen Rundhohlleiters 12 überführt. Dabei stellt der TM01 Mode keinen Fundamentalmode des Hohlleiters 12 dar, ermöglicht allerdings aufgrund seiner Ähnlichkeit im Feldverlauf zu dem TEM Mode eine annähernd reflexionsfreie elektromagnetische Einkopplung in den Hohlleiter 12. Die stufige Aufweitung des ersten Abschnitts 18 und die stufige Verbindung zwischen dem ersten und dritten Abschnitt 18, 22 bewirkt eine Wellenwiderstandserhöhung des gewünschten Modes ausgehend von einem Wellenwiderstand von 50 Ω des Koaxialwellenleitelements. Aufgrund des Durchmessers des dritten Abschnitts 22 ist die Grenzfrequenz von 20,15 GHz des TM01 Modes so gering, dass einerseits keine höheren Moden angeregt werden und andererseits ein Wellenwiderstand von 207 Ω im dritten Abschnitt 22 vorliegt. Der zweite Abschnitt 20 des Hohlleiters 12 bewirkt eine effiziente Dämpfung von mehr als 30 dB eines TM02 Modes im betrachteten Frequenzbereich. Insgesamt beträgt eine Betriebsfrequenz der Wellenleiterübergangsvorrichtung, die durch eine Frequenz der vom zweiten Abschnitt 20 an das Füllstand-Messsystem abgegebenen Hohlleiterwelle bestimmt wird, zwischen 24,0 und 24,25 GHz. Eine erzielbare Messgenauigkeit des Füllstand-Messsystems unter Verwendung der Wellenleiterübergangsvorrichtung kann etwa +/–0,5 mm betragen.
-
Die in 6 gezeigte Wellenleiterübergangsvorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist einen Hohlleiter 12, ein Anschlusselement 14 und ein Abdeckelement 61 auf. Eine Geometrieachse A des Hohlleiters 12, die im Wesentlichen eine Längsachse des Hohlleiters 12 bildet, verläuft von einem ersten Abschnitt 18 des Hohlleiters 12 zu einem zweiten Abschnitt 20 des Hohlleiters 12. Ein dritter Abschnitt 22 des Hohlleiters ist zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 18, 20 angeordnet. Eine Richtung R ist entsprechend zu 1 definiert.
-
Der kreisförmige Hohlleiter 12 ist außenseitig im Bereich des ersten Abschnitts 18 und einem Teilbereich des dritten Abschnitts 22 entlang der Richtung R gesehen abgeflacht ausgebildet. In eine äußere Oberfläche 62 des abgeflachten Bereichs ist eine Aufnahme 24 eingebracht, die kreisförmig ausgebildet ist und mit einem Innenraum 28 des Hohlleiters 12 verbunden ist. Eine Stirnseite 26 des ersten Abschnitts 18 ist geschlossen ausgebildet. Die äußere Oberfläche 62 weist ferner Löcher für Schrauben 60a–60d auf, mittels denen das Anschlusselement 14 mit der äußeren Oberfläche 62 in einem zusammengebauten Zustand der Wellenleiterübergangsvorrichtung verschraubt ist. Wie in 8 gezeigt, ist ein Innenquerschnitt I1 des ersten Abschnitts 18 im Wesentlichen rechteckig ausgebildet, so dass der erste Abschnitt 18 annähernd einen Rechteckhohlleiter bildet. Längsseiten 66a, 66b des im Wesentlichen rechteckigen Querschnitts I1 verlaufen etwa parallel zu der äußeren Oberfläche 62 und senkrecht zu der Geometrieachse A. Querseiten 68a, 68b des Querschnitts I1 verlaufen kreisbogenförmig bezüglich der einen Mittelpunkt bildenden Geometrieachse A. Ein Innenquerschnitt I2 des dritten Abschnitts 22 weitet sich ausgehend von dem im Wesentlichen rechteckigen Innenquerschnitt I1 des ersten Abschnitts 18 derart auf, dass sich eine Erstreckung der kreisbogenförmigen Querseiten 68a, 68b bezüglich eines jeweiligen Mittelpunkts M1, M2 der Querseiten 68a, 68b gleichmäßig linear verlängert. Der Innenquerschnitt I2 an einem zum zweiten Abschnitt 20 weisenden Ende des dritten Abschnitts 22 ist kreisförmig ausgebildet. Ein Innenquerschnitt I3 des zweiten Abschnitts 20 weitet sich trichterförmig mit einem linearen Aufweitungswinkel auf. Ein Endbereich 70 des zweiten Abschnitts 20 weist einen im Wesentlichen konstanten Innenradius entlang der Geometrieachse A in der Richtung R gesehen auf. Ein entgegen der Richtung R weisendes Ende 71 des zweiten Abschnitts 20 weist einen geringfügig größeren Innendurchmesser als der Endbereich 70 auf. Insgesamt ist durch den Endbereich 70 mit dem Ende 71 eine Aufnahme 72 gebildet, in die das Abdeckelement 61 in einem zusammengebauten Zustand der Wellenleiterübergangsvorrichtung eingesteckt ist.
-
Eine entlang der Geometrieachse A in der Richtung R gemessene Erstreckung des ersten und dritten Abschnitts 18, 22 beträgt 26,5 mm und eine gesamte Axialerstreckung des Hohlleiters 16 beträgt 65,9 mm. Eine Stirnfläche 73 des ersten Abschnitts 18, die den Innenraum 28 begrenzt, ist entlang der Geometrieachse A gemessen 4,6 mm von der Stirnfläche 26 beabstandet. Eine entlang der Geometrieachse A gemessene Erstreckung des ersten Abschnitts beträgt 7,9 mm, eine Erstreckung des dritten Abschnitts 22 beträgt 14 mm und eine Erstreckung des zweiten Abschnitts 20 bis zu dem Endbereich 70 beträgt 29,3 mm. Ein Innendurchmesser und somit der Innenquerschnitt I2 des dritten Abschnitts 22 ist axial gesehen zum zweiten Abschnitt 20 hin gerichtet für 1 mm konstant. Ein Innendurchmesser des zweiten Abschnitts 20 angrenzend zum Endbereich 70 beträgt 40,3 mm, während der Innendurchmesser am Ende 71 des zweiten Abschnitts 20 entlang einer axialen Länge von 1 mm konstant 41,3 mm beträgt. Der Endbereich 70 hat eine axiale Länge von 9,1 mm.
-
Eine Außenseite 31 des Hohlleiters 16 weist eine bis auf die äußere Oberfläche 62 rotationssymmetrische Gestalt mit einem stufenförmigen Anstieg des äußeren Durchmessers im Bereich des in die Richtung R weisenden Endes des dritten Abschnitts 22 auf.
-
Das in 6 und 10 gezeigte Abdeckelement 61 dient zur flüssigkeitsdichten Abdeckung des Wellenleiterübergangs gegenüber dem Füllstand-Messsystem. Dazu weist das Abdeckelement 61 vier plattenförmige Elemente 74a–74d auf, die als Scheiben ausgebildet sind. Die Scheiben 74a–74d sind mittels eines mittigen Stegs 76, der einen Durchmesser von 3 mm hat, miteinander verbunden, so dass jeweils zwei zueinander benachbart angeordnete Scheiben 74a–74d voneinander beabstandet angeordnet sind. Die in Richtung R weisende äußerste Scheibe 74d weist einen geringfügigen größeren Außendurchmesser von 41,3 mm im Vergleich zu einem Außendurchmesser von 40,3 mm der Scheiben 74a–74d auf. Somit ist die äußere Scheibe 74d in das Ende 72 des zweiten Abschnitts 20 passgenau eingesteckt. Die Scheiben 74a, 74d weisen eine axiale Dicke von jeweils 1 mm auf, während die mittleren Scheiben 74b, 74c eine axiale Dicke von etwa 2,3 mm aufweisen. Ein Abstand zwischen der ersten Scheibe 74a und der zweiten Scheibe 74b beträgt 1,2 mm und der Abstand zwischen der dritten Scheibe 74c und der vierten Scheibe 74d beträgt 1,3 mm. Ein Abstand zwischen der zweiten Scheibe 74b und der dritten Scheibe 74c beträgt etwa 1 mm.
-
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Abdeckelement 61 durch ein in 11 gezeigtes alternatives Abdeckelement 63 ersetzt. Diese weist eine erste Scheibe 75a, eine zweite Scheibe 75b und eine dritte Scheibe 75c auf, die durch eine mittigen Steg 76 miteinander verbunden sind. Die erste Scheibe 75a und die zweite Scheibe 75b weisen einen Außendurchmesser von 40,3 mm auf. Die dritte Scheibe 75c erweitert sich stufenförmig von einem ersten Außendurchmesser von 40,3 mm auf einen zweiten Außendurchmesser. Das alternative Abdeckelement 63 weist weiterhin eine zylinderförmige Ummantelung 78 mit einem Innendurchmesser auf, der dem Außendurchmesser des Hohlleiters 12 entspricht. Sein Außendurchmesser entspricht dem zweiten Außendurchmesser der dritten Scheibe 75c. Die Ummantelung 78 umschließt den zweiten Abschnitt 20 und den Endbereich 70 des Hohlleiters 12. Ein Hohlraum 79 zwischen der ersten Scheibe 75a, der zweiten Scheibe 75b und der ersten Stufe der dritten Scheibe 75c sowie der Innenwand der Ummantelung 78 nimmt dabei den Endbereich 70 des Hohlleiters 12 auf.
-
Das in 9 gezeigte Anschlusselement 14 ist ähnlich zu dem Anschlusselement 14 in 1 ausgebildet. Eine entlang der Längserstreckung des Anschlusselements 14 gemessene Erstreckung eines Fortsatzes 50 beträgt 4,4 mm. Eine Erstreckung des länglichen Fortsatzes 52 beträgt 6,6 mm.
-
In einem Betrieb der Wellenleiterübergangsvorrichtung wird eine TEM Welle des Koaxialwellenleitelements über den länglichen Fortsatz 52 der SMA-Buchse in einen modifizierten transversal elektrischen TE01 Mode einer monomonomodalen Welle des annähernd als Rechteckhohlleiter ausgebildeten ersten Abschnitts 18 des Hohlleiters 12 aufgrund ähnlicher Feldverläufe beider Wellen überführt. Der dritte Abschnitt 22 bewirkt die allmähliche Überführung des modifizierten TE01 Modes in einen TE11 Mode des als Rundhohlleiters ausgebildeten zweiten Abschnitts 20. Der zweite Abschnitt 20 wirkt als Antennenhorn zur Abstrahlung des TE11 Mode als Freiraumwelle. Das Abdeckelement 61 bewirkt eine breitbandige Transformation, indem Teilreflexionswellen, die an den Übergängen zwischen den plattenförmigen Elementen 74a–74d und den Luftzwischenräumen gebildet werden, derart destruktiv interferieren, dass eine Gesamtreflexionswelle eine kleinere Amplitude als eine Teilreflexionswelle hat und das Abdeckelement 61 somit einen mehrstufigen Impedanztransformator darstellt. Eine Betriebsfrequenz der Wellenleiterübergangsvorrichtung beträgt zwischen 20 und 28 GHz. Ein Reflexionsfaktor der Wellenleiterübergangsvorrichtung beträgt in einem Frequenzbereich von 23 GHz bis 28 GHz zwischen –15 bis –35 dB, wobei ein Minimum bei etwa 24,8 GHz liegt. Eine Halbwertsbreite eines Strahlungsdiagramms der Wellenleiterübergangsvorrichtung beträgt sowohl in der E-Ebene als auch in der H-Ebene etwa 20 Grad.
-
Es wird angemerkt, dass die beschriebenen Dimensionsangaben der in den 1 bis 11 gezeigten Wellenleiterübergangsvorrichtung Toleranzen von bis zu 0,2 mm aufweisen können. Die Dimensionsangaben und sind exemplarisch und andere geeignete Dimensionen können zur Realisierung der Wellenleiterübergangsvorrichtung gewählt werden. Auch die Anzahl der Scheiben des Abdeckelements 61, 63 ist exemplarisch und es kann eine andere Anzahl von Scheiben gewählt werden. Eine Betriebsfrequenz der Wellenleiterübergangsvorrichtung ist dann entsprechend angepasst.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Detlev Brumbi ”Grundlagen der Radartechnik zur Füllstandsmessung”, Krohne Messtechnik GmbH & Co. KG, Mai 2003 [0006]
- Hans-Georg Unger, „Circular Waveguide Taper of Improved Design”, Bell System Technical Journal, v37: i4, July 1958 [0051]
