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Das technische Gebiet betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Tiefe eines sich unter Wasser befindenden Objekts und insbesondere eine Wellenleiterstruktur, die zum Messen der Tiefe eines sich unter Wasser befindenden Objekts ein Zeitbereichs-Reflektometrieverfahren verwendet.
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Zeitbereichs-Reflektometrie (TDR) ist ein Verfahren unter Verwendung der Transmission elektromagnetischer Wellen zum Überwachen, Detektieren und zur Erkundung. Ein System zur Transmission elektromagnetischer Wellen verwendet einen Wellenleiter als eine Signaltransmissions- und -erfassungskomponente. Der Wellenleiter ist so ausgelegt, dass er hauptsächlich den überwachten Umgebungsänderungsparameter in eine Änderung des Transmissionssignals (in der Art eines Reflexionssignals) im Wellenleiter umwandelt und einen Umgebungsänderungsparameter anhand des Reflexionssignals erhält. In der Praxis wird die Laufzeit von Reflexionssignalen, die an verschiedenen Umgebungsübergängen von elektromagnetischen Wellen erzeugt wurden, gemessen und werden dann die Geschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen und die Laufzeit des Reflexionssignals gemessen, um eine diskontinuierliche Position des Signals zu lokalisieren und so einen Umgebungsänderungsparameter zu erhalten.
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Weil mehrere Reflexionen während des Prozesses der Überwachung der Transmission von elektromagnetischen Wellen (wie von Luft zu Wasser) erzeugt werden, ist es daher schwierig, das Reflexionssignal des zu messenden Umgebungsparameters zu identifizieren. Zusätzlich werden Signale durch die Interferenz von Fremdsubstanzen während des Prozesses der Transmission von elektromagnetischen Wellen abgeschwächt. Noch wichtiger ist die Tatsache, dass, wenn die elektromagnetischen Wellen von einer Umgebung (in der Art von Wasser) mit einem hohen dielektrischen Koeffizienten in eine Umgebung (in der Art von Erde oder Schlamm) mit einem niedrigen dielektrischen Koeffizienten übertragen werden, eine Vollreflexion auftritt, so dass ein Umgebungsparameter mit einem niedrigen dielektrischen Koeffizienten nicht detektiert oder gemessen werden kann.
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Angesichts der vorstehend erwähnten Probleme aus dem Stand der Technik hat der Erfinder dieser Offenbarung aufgrund jahrelanger Erfahrung auf dem verwandten Gebiet umfangreiche Forschungen und Experimente ausgeführt und schließlich eine plausible Lösung gefunden, die die Probleme aus dem Stand der Technik überwindet.
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Eine Hauptaufgabe dieser Offenbarung besteht darin, eine Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur bereitzustellen, die die Interferenz der Fremdsubstanzen verhindert, Messungen erleichtert und das Messen von Umgebungsparametern verschiedener Medien ermöglicht.
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Um die vorstehend erwähnte und andere Aufgaben zu erreichen, sieht diese Offenbarung eine Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur vor, die ein Steuermodul, einen Wellenleitersensor, eine schützende Abdeckung und einen Isolator umfasst. Das Steuermodul ist zum Übertragen eines Erfassungssignals und Empfangen eines vom Erfassungssignal zurückgeleiteten Reflexionssignals bereitgestellt. Der Wellenleitersensor ist elektrisch mit dem Steuermodul gekoppelt und weist eine mit dem Steuermodul gekoppelte erste Sonde, eine gebogene und mit der ersten Sonde gekoppelte gekrümmte Sonde und eine sich von der gekrümmten Probe erstreckende zweite Sonde auf. Die erste Sonde ist koaxial mit der schützenden Abdeckung ummantelt, wobei die schützende Abdeckung die gekrümmte Sonde freilegt, und das Erfassungssignal tritt durch die schützende Abdeckung hindurch und tritt ungestört aus der ersten Sonde heraus und wird dann zur gekrümmten Sonde und zur zweiten Sonde übertragen, um ein Reflexionssignal zu erhalten. Der Isolator bedeckt den Wellenleitersensor und die schützende Abdeckung.
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Eine andere Aufgabe dieser Offenbarung besteht darin, eine Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur bereitzustellen, die eine Referenzsonde umfasst, welche vom Isolator freigelegt ist und parallel zur Kante der ersten Sonde angeordnet ist, wobei die Krümmung des Reflexionssignals als eine Referenz zum Vergleich für künftige zugehörige Berechnungen verwendet werden kann.
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Verglichen mit der herkömmlichen Struktur ummantelt die Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur gemäß dieser Offenbarung koaxial die schützende Abdeckung auf einem Abschnitt des Wellenleitersensors, so dass, wenn das Erfassungssignal durch die schützende Abdeckung hindurchtritt, das Signal durch externe Objekte nicht gestört wird, wodurch die Abschwächung des Erfassungssignals vermieden wird. Dadurch hat der Wellenleitersensor eine Erfassungsfähigkeit mit einer großen Reichweite. Wenn das Erfassungssignal von einer Umgebung (in der Art von Wasser) mit einem hohen dielektrischen Koeffizienten in eine Umgebung (in der Art von Erde oder Schlamm) mit einem niedrigen dielektrischen Koeffizienten übertragen wird, tritt eine Vollreflexion auf, so dass der Wellenleitersensor das Erfassungssignal in eine Umgebung mit einem niedrigen dielektrischen Koeffizienten übertragen kann und ein Reflexionssignal zum erfolgreichen Berechnen des Materialniveaus/der Materialhöhe erzeugen kann. Zusätzlich umfasst diese Offenbarung ferner eine vom Isolator freigelegte Referenzsonde, und die Krümmung des Reflexionssignals kann als eine Referenz für den Vergleich verwendet werden, um künftige zugehörige Berechnungen zu erleichtern.
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1A ist eine Schnittansicht einer Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur gemäß dieser Offenbarung,
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1B ist eine Kurve, die die Signalintensität eines Reflexionssignals zeigt, bevor die Detektion durch eine Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur gemäß dieser Erfindung stattfindet,
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2A ist eine erste schematische Ansicht der Verwendung einer Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur gemäß dieser Offenbarung,
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2B ist eine Kurve, die die Intensität des Reflexionssignals aus 2A zeigt,
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3A ist eine zweite schematische Ansicht der Verwendung einer Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur gemäß dieser Offenbarung,
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3B ist eine Kurve, die die Intensität des Reflexionssignals aus 3A zeigt,
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4 ist eine schematische Ansicht einer Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform dieser Offenbarung.
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Die technischen Inhalte dieser Offenbarung werden anhand der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit der Erläuterung der verwandten Zeichnung, wie folgt, offensichtlich werden. Es ist vorgesehen, dass die hier offen-barten Ausführungsformen und Figuren als erläuternd und nicht als einschränkend angesehen werden.
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Mit Bezug auf die 1A und 1B, die eine Schnittansicht einer Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur gemäß dieser Offenbarung bzw. eine Kurve, die die Intensität des Reflexionssignalsanalog darstellt, bevor die Detektion durch die Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur stattfindet, zeigen, sei bemerkt, dass diese Offenbarung eine Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur 1 bereitstellt, welche ein Steuermodul 10, einen Wellenleitersensor 20, eine schützende Abdeckung 30 und einen Isolator 40 umfasst. Das Steuermodul 10 ist elektrisch mit dem Wellenleitersensor 20 gekoppelt, die schützende Abdeckung 30 ummantelt einen Abschnitt des Wellenleitersensors 20, und der Isolator 40 bedeckt den Wellenleitersensor 20 und die schützende Abdeckung 30.
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Das Steuermodul 10 ist zum Übertragen eines Erfassungssignals und Empfangen eines vom Erfassungssignal zurückgeleiteten Reflexionssignals bereitgestellt. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Erfassungssignal eine elektromagnetische Welle, und das Reflexionssignal mit einem Signalwert wird reflektiert, wenn das Erfassungssignal durch die Übertragungsschnittstelle hindurchtritt. Vorzugsweise umfasst das Steuermodul 10 ferner ein Koaxialkabel 11, und der Wellenleitersensor 20 ist über das Koaxialkabel 11 elektrisch mit dem Steuermodul 10 gekoppelt.
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Der Wellenleitersensor 20 ist elektrisch mit dem Steuermodul 10 gekoppelt. Zusätzlich umfasst der Wellenleitersensor 20 eine mit dem Steuermodul 10 gekoppelte erste Sonde 21, eine gebogene und mit der ersten Sonde 21 gekoppelte gekrümmte Sonde 22 und eine sich von der gekrümmten Probe 22 erstreckende zweite Sonde 23. In der Praxis besteht der Wellenleitersensor 20 aus einem integral gebildeten Leiterstab. Gemäß dieser Ausführungsform erstreckt sich die zweite Sonde 23 linear von einem Ende der gekrümmten Sonde 22 und ist die zweite Sonde 23 parallel zur ersten Sonde 21.
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Die erste Sonde 21 ist koaxial mit der schützenden Abdeckung 30 ummantelt, wobei die schützende Abdeckung die gekrümmte Sonde 22 freilegt. Gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung umfasst die schützende Abdeckung 30 ein Isolierrohr 31 und ein Metallrohr 32, wobei das Isolierrohr 31 die erste Sonde 21 ummantelt und daran befestigt ist und das Metallrohr 32 das Isolierrohr 31 ummantelt. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der zweiten Sonde 23 und der schützenden Abdeckung 30 größer als 50 mm.
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Vorzugsweise haben das Isolierrohr 31 und das Metallrohr 32 die gleiche Länge. Zusätzlich hat das Metallrohr 32 ein Durchgangsloch 320 mit einem Durchmesser, der kleiner als der Durchmesser des Isolierrohrs 31 und größer als der Durchmesser der ersten Sonde 21 ist, und die erste Sonde 21 tritt aus dem Durchgangsloch 320 aus und ist mit der gekrümmten Sonde 22 gekoppelt. Daher ist die erste Sonde 21 durchgeführt und mit dem Isolierrohr 31 gekoppelt, und das Isolierrohr 31 ist in das Metallrohr 32 eingesteckt. Nachstehend wird die Funktion der schützenden Abdeckung 30 detailliert beschrieben.
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Weil die schützende Abdeckung 30 ein Metallrohr 32 umfasst, das in der Lage ist, Signalinterferenzen zu isolieren, wird das Erfassungssignal durch externe Objekte nicht gestört, wenn es durch die schützende Abdeckung 30 hindurchtritt, um die Abschwächung des Erfassungssignals zu verhindern und es dem Wellenleitersensor 20 zu ermöglichen, eine Erfassungsfähigkeit mit einer großen Reichweite zu haben. Wenn der Wellenleitersensor 20 beispielsweise von einer Umgebung (in der Art von Wasser) mit einem hohen dielektrischen Koeffizienten in eine Umgebung (in der Art von Erde oder Schlamm) mit einem niedrigen dielektrischen Koeffizienten transportiert wird, tritt keine Vollreflexion des Erfassungssignals zwischen zwei Schnittstellen oder andere Interferenz auf, weil die erste Sonde 21 mit der schützenden Abdeckung 30 ummantelt ist. Daher kann der Wellenleitersensor 20 das Erfassungssignal in eine Umgebung mit einem niedrigen dielektrischen Koeffizienten übertragen und ein Reflexionssignal zum Berechnen des Materialniveaus/der Materialhöhe erzeugen.
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Zusätzlich bedeckt der Isolator 40 den Wellenleitersensor 20 und die schützende Abdeckung 30. Gemäß dieser Ausführungsform sind die zwei Enden des Isolators 40 ein proximales Ende 41 bzw. ein fernes Ende 42, und das proximale Ende 41 und das ferne Ende 42 sind geschlossene Enden zum Verhindern des Eintretens von Feuchtigkeit oder Regen von außen. Ferner erhält das ferne Ende 42 einen Abstand von einer Endfläche der schützenden Abdeckung 30 aufrecht, und die gekrümmte Sonde 22 befindet sich zwischen der Endfläche der schützenden Abdeckung 30 und dem fernen Ende 42. In der Praxis besteht der Isolator 40 aus Konstruktionskunststoff in der Art von Polytetrafluorethen (PTFE), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF), ist jedoch nicht nur auf solche Materialien beschränkt.
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Vorzugsweise ist der Isolator 40 ein Zylinder, und der Durchmesser des Isolators 40 nimmt mit dem Durchmesser des Wellenleitersensors 20 zu. Mit anderen Worten ist der Durchmesser des Isolators 40 direkt proportional zu den Durchmessern der ersten Sonde 21, der gekrümmten Sonde 22 und der zweiten Sonde 23. Wenn der Durchmesser der ersten Sonde 21, der gekrümmten Sonde 22 oder der zweiten Sonde 23 zunimmt, nimmt der Durchmesser des Isolators 40 auch zu, so dass der Wellenleitersensor 20 einen geeigneten Impedanzwert hat. Es sei bemerkt, dass, wenn der Isolator 40 aus einem anderen Material hergestellt ist, ist der Durchmesser des Isolators 40 anders. Gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung haben der Wellenleitersensor 20 und der Isolator 40 einen Impedanzwert von etwa 50 Ohm, diese Offenbarung ist jedoch nicht nur auf diesen Wert beschränkt.
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Mit Bezug auf 1B, die eine Kurve ist, die die Signalintensität eines Reflexionssignals zeigt, bevor die Detektion durch eine Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur 1 gemäß dieser Erfindung stattfindet, sei bemerkt, dass ein Erfassunssignal der Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur 1 durch Luft hindurchtritt, wobei Punkt a den Wert des Reflexionssignals angibt, wenn das Erfassungssignal zum Punkt A aus 1A übertragen wird.
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Mit Bezug auf die 2A und 2B, die eine erste schematische Ansicht einer einer Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur gemäß dieser Offenbarung bzw. eine Kurve, die die Intensität eines Reflexionssignals der Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur zeigt, sind, sei bemerkt, dass die Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur 1, wie in 2A dargestellt ist, in einem ersten Medium 2 (das eine Flüssigkeit in der Art von Wasser ist) und einem zweiten Medium 3 (das ein Objekt in der Art von Schlamm ist) installiert ist, um das Materialniveau/die Materialhöhe des ersten Mediums 2 und des zweiten Mediums 3 zu detektieren. Vorzugsweise ist der dielektrische Koeffizient des ersten Mediums 2 größer als derjenige des zweiten Mediums 3.
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Mit Bezug auf 2B, die eine Kurve ist, die die Intensität des Reflexionssignals zeigt, wenn das Erfassungssignal der Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur 1 durch das erste Medium 2 und das zweite Medium 3 hindurchtritt, sei bemerkt, dass Punkt b den Wert des Reflexionssignals angibt, wenn das Erfassungssignal zum Punkt B aus 2B übertragen wird. Mit anderen Worten kann diese Offenbarung das Materialniveau/die Materialhöhe des zweiten Mediums 3 durch Berechnen der Laufzeit am Punkt B aus 2B übertragen wird. Es sei bemerkt, dass das Verfahren zum Berechnen des Materialniveaus/der Materialhöhe aufgrund der Laufzeit des Reflexionssignals Stand der Technik und nicht der Hauptpunkt dieser Offenbarung ist, und es wird daher nicht detailliert beschrieben.
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Mit Bezug auf die 3A und 3B, die eine zweite schematische Ansicht der Verwendung einer Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur gemäß dieser Offenbarung bzw. eine Kurve, die die Intensität eines Reflexionssignals der Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur zeigt, sind, sei bemerkt, dass die Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur 1 auch in einem ersten Medium 2 (das eine Flüssigkeit in der Art von Wasser ist) und einem zweiten Medium 3 (das ein Objekt in der Art von Schlamm ist) installiert ist, um das Materialniveau/die Materialhöhe des ersten Mediums 2 und des zweiten Mediums 3 zu detektieren, und dass der dielektrische Koeffizient des ersten Mediums 2 größer als derjenige des zweiten Mediums 3 ist.
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Mit Bezug auf 3B, die eine Kurve ist, die die Intensität eines zurückgeleiteten Reflexionssignals zeigt, wenn das Erfassungssignal der Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur 1 durch das erste Medium 2 und das zweite Medium 3 hindurchtritt, sei bemerkt, dass sich Punkt c auf den Wert des Reflexionssignals bezieht, wenn das Erfassungssignal zum Punkt C aus 3B übertragen wird. Mit anderen Worten berechnet diese Offenbarung die Laufzeit von Punkt C aus 3B, um das Materialniveau/die Materialhöhe des zweiten Mediums 3 zu erhalten.
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Mit Bezug auf 4, die eine Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Offenbarung zeigt, sei bemerkt, dass diese Ausführungsform im Wesentlichen der vorhergehenden Ausführungsform gleicht, abgesehen davon, dass die Zeitbereichs-Reflektometrie-Wellenleiterstruktur 1 gemäß dieser Ausführungsform ferner eine Referenzsonde 50 zusätzlich zu dem Steuermodul 10, dem Wellenleitersensor 20, der schützenden Abdeckung 30 und dem Isolator 40 umfasst. Die Referenzsonde 50 ist elektrisch mit dem Steuermodul 10 gekoppelt, und die Referenzsonde 50 ist vom Isolator 40 freigelegt und parallel zu einer Kante der ersten Sonde 21 angeordnet, und das Erfassungssignal wird selektiv zum Wellenleitersensor 20 oder zur Referenzsonde 50 übertragen.
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In 4 kann das detektierte Reflexionssignal, wenn das Erfassungssignal zur Referenzsonde 50 übertragen wird, zum Überwachen des Materialniveaus/der Materialhöhe des ersten Mediums 2 verwendet werden. Nachdem das Erfassungssignal durch die Referenzsonde 50 hindurchtritt, kann die Krümmung des Reflexionssignals als eine Referenz für den Vergleich verwendet werden, um künftige zugehörige Berechnungen zu erleichtern.
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Wenngleich diese Offenbarung anhand spezifischer Ausführungsformen beschrieben worden ist, könnten zahlreiche Modifikationen und Abänderungen von Fachleuten daran vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang und vom Gedanken dieser Offenbarung abzuweichen, wie in den Ansprüchen dargelegt ist.
