DE102021207548B3 - Kit for modular microwave antennas and microwave measurement system - Google Patents
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Abstract
Bausatz für modulare Mikrowellen-Antennen (100), aufweisend:- Basis-Antennenmodule, aufweisend:- einen Basiskörper (1) mit einem Anschluss (2) zum Anschließen einer Antennenleitung (3, 4, 5), wobei der Basiskörper (1) einen Hohlleiter bildet, und- einen ersten, in den Basiskörper (1) einsetzbaren Füllmaterialkörper (6),- Verlängerungs-Antennenmodule, aufweisend:- einen Verlängerungskörper (7), wobei der Verlängerungskörper (7) mit dem Basiskörper (1) mechanisch koppelbar ist und der Verlängerungskörper (7) gemeinsam mit dem Basiskörper (1) einen Hohlleiter bildet, und- einen zweiten, in den Verlängerungskörper (7) einsetzbaren Füllmaterialkörper (8), und- Kappen (9), die mit einer Stirnseite des Verlängerungskörpers (7) oder einer Stirnseite des Basiskörpers (1) mechanisch koppelbar sind.Kit for modular microwave antennas (100), comprising: - Base antenna modules, comprising: - a base body (1) with a connection (2) for connecting an antenna line (3, 4, 5), wherein the base body (1) a forming a waveguide, and- a first filling material body (6) which can be inserted into the base body (1),- extension antenna modules, having:- an extension body (7), wherein the extension body (7) can be mechanically coupled to the base body (1) and the extension body (7) together with the base body (1) forms a waveguide, and- a second filling material body (8) which can be inserted into the extension body (7), and- caps (9) which are connected to an end face of the extension body (7) or an end face of the base body (1) can be mechanically coupled.
Description
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bausatz für modulare Mikrowellen-Antennen und ein Mikrowellen-Messsystem zur Verfügung zu stellen, die möglichst flexibel verwendbar sind.The object of the invention is to provide a kit for modular microwave antennas and a microwave measuring system that can be used as flexibly as possible.
Die
Der Bausatz für modulare Mikrowellen-Antennen weist Basis-Antennenmodule auf. Die Basis-Antennenmodule weisen jeweils einen Basiskörper mit einem Anschluss zum Anschließen einer Antennenleitung auf, wobei der Basiskörper einen Hohlleiter bildet. Die Basis-Antennenmodule weisen weiter jeweils einen ersten, in den Basiskörper einsetzbaren Füllmaterialkörper auf.The modular microwave antenna kit has basic antenna modules. The base antenna modules each have a base body with a connection for connecting an antenna line, with the base body forming a waveguide. The base antenna modules also each have a first filling material body that can be inserted into the base body.
Der Bausatz für modulare Mikrowellen-Antennen weist weiter Verlängerungs-Antennenmodule auf. Die Verlängerungs-Antennenmodule weisen jeweils einen Verlängerungskörper auf, wobei der Verlängerungskörper mit dem Basiskörper mechanisch koppelbar ist, beispielsweise verschraubbar ist, und der Verlängerungskörper gemeinsam mit dem Basiskörper einen Hohlleiter bildet. Die Verlängerungs-Antennenmodule weisen weiter jeweils einen zweiten, in den Verlängerungskörper einsetzbaren Füllmaterialkörper auf.The modular microwave antenna kit further includes extension antenna modules. The extension antenna modules each have an extension body, wherein the extension body can be mechanically coupled to the base body, for example screwed, and the extension body forms a waveguide together with the base body. The extension antenna modules also each have a second filling material body that can be inserted into the extension body.
Die Füllmaterialkörper dienen dazu, bei einer bestimmten Frequenz die Abmessungen der Mikrowellenantennen zu reduzieren und die Entstehung von Kondenswasser zu verhindern.The filling material bodies serve to reduce the dimensions of the microwave antennas at a certain frequency and to prevent the formation of condensation.
Der Bausatz weist weiter Kappen auf, die mit einer Stirnseite des Verlängerungskörpers oder einer Stirnseite des Basiskörpers mechanisch koppelbar sind.The kit also has caps that can be mechanically coupled to an end face of the extension body or an end face of the base body.
In einer Ausführungsform sind der Basiskörper und der Verlängerungskörper elektrisch leitend.In one embodiment, the base body and the extension body are electrically conductive.
In einer Ausführungsform sind die Mikrowellen-Antennen für eine Nutzwellenlänge Ä ausgelegt. Die Nutzwellenlänge Ä ist hierbei typisch die Wellenlänge eines elektromagnetischen Feldes im Füllmaterialkörper bei einer Nutzfrequenz, die beispielsweise im GHz-Bereich liegt. Für eine Länge LB des Basiskörpers gilt: LB = n × λ, mit n = 1, 2, ... Für eine Länge LV des Verlängerungskörpers gilt: LV = m × λ, mit m = 1, 2, ... Mit anderen Worten entspricht eine Summe aus der Länge LB des Basiskörpers und der Länge LV des Verlängerungskörpers einer Vielfachen der Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes im Füllmaterial.In one embodiment, the microwave antennas are designed for a useful wavelength λ. In this case, the useful wavelength λ is typically the wavelength of an electromagnetic field in the filling material body at a useful frequency which is, for example, in the GHz range. For a length LB of the base body, the following applies: LB=n×λ, with n=1,2,... For a length LV of the extension body, the following applies: LV=m×λ, with m=1,2,... With others In other words, a sum of the length LB of the base body and the length LV of the extension body corresponds to a multiple of the wavelength of the electromagnetic field in the filling material.
In einer Ausführungsform weist der Bausatz unterschiedlich Typen von Kappen auf, wobei sich die unterschiedlichen Typen von Kappen hinsichtlich des Kappenmaterials unterscheiden.In one embodiment, the kit has different types of caps, with the different types of caps differing in terms of the cap material.
In einer Ausführungsform weist der Basiskörper ein Außengewinde auf, mittels dem der Basiskörper beispielsweise in einer herkömmliche Messzelle einschraubbar ist.In one embodiment, the base body has an external thread, by means of which the base body can be screwed into a conventional measuring cell, for example.
Das Mikrowellen-Messsystem weist eine erste Mikrowellen-Antenne zusammengesetzt aus einem oben beschriebenen Bausatz für modulare Mikrowellen-Antennen auf, wobei die erste Mikrowellen-Antenne als Sendeantenne dient. Das Mikrowellen-Messsystem weist weiter eine zweite Mikrowellen-Antenne zusammengesetzt aus einem oben beschriebenen Bausatz für modulare Mikrowellen-Antennen auf, wobei die zweite Mikrowellen-Antenne als Empfangsantenne dient. Das Mikrowellen-Messsystem weist weiter eine Steuereinrichtung auf, die mit der ersten Mikrowellen-Antenne und der zweiten Mikrowellen-Antenne gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, basierend auf einer Mikrowellen-Transmissionsmessung eine Messgröße zu bestimmen.The microwave measurement system has a first microwave antenna composed of a kit for modular microwave antennas as described above, the first microwave antenna serving as a transmission antenna. The microwave measurement system also has a second microwave antenna composed of a kit for modular microwave antennas as described above, the second microwave antenna serving as a receiving antenna. The microwave measurement system also has a control device which is coupled to the first microwave antenna and the second microwave antenna and which is designed to determine a measurement variable based on a microwave transmission measurement.
In einer Ausführungsform ist die Messgröße der Wassergehalt in Butter.In one embodiment, the metric is water content in butter.
Der erfindungsgemäße Bausatz für modulare Mikrowellen-Antennen ermöglicht den Erhalt zuverlässiger Messergebnisse bei Messapplikationen mit vorhandenen Lufträumen und bei Bedarf eine Verkürzung des effektiven Messweges ohne Austausch von Messzellen, in denen die Mikrowellen-Antennen Verwendung finden.The kit according to the invention for modular microwave antennas enables reliable measurement results to be obtained in measurement applications with existing air spaces and, if necessary, shortening the effective measurement path without replacing measurement cells in which the microwave antennas are used.
In einer Messzelle dient typisch eine Mikrowellen-Antenne als Sendeantenne und eine weitere Mikrowellen-Antenne als Empfangsantenne. Die Sendeantenne und die Empfangsantenne sind an gegenüberliegenden Seiten der Messzelle angeordnet, wobei sich das Messgut in der Messzelle zwischen der Sendeantenne und der Empfangsantenne befindet, um eine Mikrowellen-Transmissionsmessung durchzuführen. Die Mikrowellen-Transmission ist hierbei charakteristisch für die zu ermittelnde Eigenschaft des Messguts.In a measuring cell, a microwave antenna typically serves as a transmitting antenna and another microwave antenna as a receiving antenna. The transmitting antenna and the receiving antenna are arranged on opposite sides of the measuring cell, with the material to be measured being located in the measuring cell between the transmitting antenna and the receiving antenna in order to carry out a microwave transmission measurement. In this case, the microwave transmission is characteristic of the property of the material to be measured.
Bei der Inline-Bestimmung des Wassergehaltes in Butter hat sich herausgestellt, dass die Butter Auswölbungen von Messzellen, in denen herkömmliche Mikrowellen-Antennen angeordnet sind, nicht komplett ausfüllt. Bei herkömmlichen Mikrowellen-Antennen wirkt sich der ungefüllte Luftraum zwischen den Mikrowellen-Antennen und der Butter störend auf die Messung aus. Dadurch wird die Messung ungenau.During the in-line determination of the water content in butter, it turned out that the butter does not completely fill the bulges of measuring cells in which conventional microwave antennas are arranged. With conventional microwave antennas, the unfilled air space between the microwave antennas and the butter has a disturbing effect on the measurement. This makes the measurement inaccurate.
Die Mikrowellen-Antennen des erfindungsgemäßen Bausatzes liefern auch bei vorhandenen Lufträumen zuverlässige Messergebnisse. Damit die Mikrowellen-Antennen in das Messgut, beispielsweise Butter, hineinragen, wird für die Sendeantenne und die Empfangsantenne jeweils ein Verlängerungs-Antennenmodul mit einem Basis-Antennenmodul gekoppelt und eine passende Kappe an dem Verlängerungs-Antennenmodul angeordnet. Auf diese Weise wird der ungefüllte Luftraum zwischen der jeweiligen Mikrowellen-Antenne und dem Messgut überbrückt und die Antennen ragen in das Messgut hinein, sodass eine Verfälschung der Messergebnisse aufgrund des ungefüllten Luftraums vermieden werden kann.The microwave antennas of the kit according to the invention provide reliable measurement results even in the presence of air spaces. So that the microwave antennas protrude into the material to be measured, for example butter, an extension antenna module is coupled to a base antenna module for the transmitting antenna and the receiving antenna and a suitable cap is arranged on the extension antenna module. In this way, the unfilled air space between the respective microwave antenna and the material to be measured is bridged and the antennas protrude into the material to be measured, so that a falsification of the measurement results due to the unfilled air space can be avoided.
Weiter kann es vorkommen, dass bei der Inbetriebnahme von Messungen mit Messzellen größerer Nennweite, d.h. Abstand zwischen Sendeantenne und Empfangsantenne, die Dynamik der Messung nicht ausreicht, um eine zuverlässige Messung zu erhalten. Der Grund hierfür ist, dass die Messgut-Dämpfung sehr hoch sein kann. Um einen Austausch der Messzelle durch eine Messzelle mit kleinerer Nennweite zu vermeiden, kann stattdessen das Problem durch den Einsatz der erfindungsgemäßen modularen Mikrowellen-Antennen gelöst werden. Hierzu wird wiederum für die Sendeantenne und die Empfangsantenne jeweils ein Verlängerungs-Antennenmodul mit einem Basis-Antennenmodul gekoppelt und eine passende Kappe an dem Verlängerungs-Antennenmodul angeordnet.It can also happen that when starting up measurements with measuring cells with a larger nominal width, i.e. distance between the transmitting antenna and the receiving antenna, the dynamics of the measurement are not sufficient to obtain a reliable measurement. The reason for this is that the measured material attenuation can be very high. In order to avoid replacing the measuring cell with a measuring cell with a smaller nominal width, the problem can be solved by using the modular microwave antennas according to the invention instead. For this purpose, in turn, an extension antenna module is coupled to a base antenna module for the transmitting antenna and the receiving antenna, and a suitable cap is arranged on the extension antenna module.
Die Mikrowellen-Antennen sind derart ausgelegt, dass die Länge des/der Wellenleiter ein Vielfaches von Lambda/2 ist. Die Mikrowellen-Antennen weisen eine definierte Länge auf, die von der Nutzfrequenz und den Eigenschaften des Füllmaterials abhängig ist. Die Länge des Verlängerungs-Antennenmoduls ist mindestens einmal Lambda/2 und abhängig von der Frequenz und den Eigenschaften des Füllmaterials.The microwave antennas are designed in such a way that the length of the waveguide(s) is a multiple of lambda/2. The microwave antennas have a defined length that depends on the useful frequency and the properties of the filling material. The length of the extension antenna module is at least one lambda/2 and depends on the frequency and the properties of the filling material.
Die Füllmaterialkörper bzw. deren Füllmaterialien dienen dazu, bei einer bestimmten Frequenz die Abmessungen der Mikrowellen-Antennen zu reduzieren und die Entstehung von Kondenswasser zu verhindern.The filling material bodies or their filling materials serve to reduce the dimensions of the microwave antennas at a specific frequency and to prevent the formation of condensation.
Bei starrem Messgut, beispielsweise Butter, die/das die Auswölbung der standardmäßig in Lebensmittel- und Pharmaindustrie verwendeten Messzellen nicht komplett ausfüllen kann, wird das Vorderteil der Mikrowellen-Antenne mittels des Verlängerungs-Antennenmoduls in das Messgut verschoben.In the case of rigid material to be measured, such as butter, which cannot completely fill the bulge of the standard measuring cells used in the food and pharmaceutical industries, the front part of the microwave antenna is pushed into the material to be measured using the extension antenna module.
Wenn aus messtechnischen Gründen eine Verkürzung des Messweges erforderlich ist, kann die Mikrowellen-Antenne mit dem Verlängerungs-Antennenmodul angepasst werden, anstatt die komplette Messzelle auszutauschen.If the measuring path needs to be shortened for technical reasons, the microwave antenna can be adjusted with the extension antenna module instead of replacing the entire measuring cell.
Die Kappen dienen zur Antennenanpassung. Die Antennenanpassung ist abhängig von den Eigenschaften des Kappenmaterials, da beispielsweise bei Flüssigkeitsmessungen ein anderes Kappenmaterial als in Feststoffmessungen verwendet werden kann. Die Form der Kappe begünstigt das Fließverhalten des Messguts. Die Kappe kann sowohl fest als auch austauschbar gestaltet werden. Mittels einer entsprechenden Kappen-Dichtung kann das Eindringen von Flüssigkeiten und Staub über Grenzflächen der Kappe verhindert werden.The caps are used for antenna adjustment. The antenna matching depends on the properties of the cap material, since, for example, a different cap material can be used for liquid measurements than for solid measurements. The shape of the cap favors the flow behavior of the measured material. The cap can be designed either fixed or interchangeable. A suitable cap seal can be used to prevent the ingress of liquids and dust through the cap's boundary surfaces.
Der Bausatz für modulare Mikrowellen-Antennen kann beispielsweise in der Milchindustrie, der Zuckerindustrie, in Kläranlagen, usw. Verwendung finden.The kit for modular microwave antennas can be used, for example, in the dairy industry, the sugar industry, in sewage treatment plants, etc.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
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1 in perspektivischer Darstellung Elemente eines erfindungsgemäßen Bausatzes für modulare Mikrowellen-Antennen und ein Mikrowellen-Messsystem, das auf dem Bausatz basierende Mikrowellen-Antennen verwendet.
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1 a perspective view of elements of a kit according to the invention for modular microwave antennas and a microwave measurement system that uses microwave antennas based on the kit.
Der Bausatz weist Basis-Antennenmodule auf. Die Basis-Antennenmodule weisen einen Basiskörper 1 mit einem Anschluss 2 auf, der zum Anschließen einer Antennenleitung 3 mit Leitungsanschluss 4 und Koppelpilz 5 dient. Der Basiskörper 1 ist aus Metall und bildet einen Hohlleiter. Die Basis-Antennenmodule weisen einen ersten, in den Basiskörper 1 einsetzbaren Füllmaterialkörper 6 auf. Der Basiskörper weist ein Außengewinde 10 auf.The kit has basic antenna modules. The base antenna modules have a base body 1 with a
Der Bausatz weist weiter Verlängerungs-Antennenmodule auf. Die Verlängerungs-Antennenmodule weisen einen Verlängerungskörper 7 aus Metall auf, wobei der Verlängerungskörper 7 mit dem Basiskörper 1 mechanisch koppelbar ist und der Verlängerungskörper 7 gemeinsam mit dem gekoppelten Basiskörper 1 einen Hohlleiter bildet. Die Verlängerungs-Antennenmodule weisen einen zweiten, in den Verlängerungskörper 7 einsetzbaren Füllmaterialkörper 8 auf.The kit also includes extension antenna modules. The extension antenna modules have an
Der Bausatz weist weiter Kappen 9 auf, die mit einer Stirnseite des Verlängerungskörpers 7 oder einer Stirnseite des Basiskörpers 1 mechanisch koppelbar sind. Verschiedene Typen von Kappen können sich beispielsweise hinsichtlich ihrer Formgebung und/oder hinsichtlich ihres Materials unterscheiden.The kit also has
Der Basiskörper 1 und der Verlängerungskörper 7 weisen jeweils eine Länge auf, die einem ganzzahligen Faktor von Lambda/2 entspricht.The base body 1 and the
Das Mikrowellen-Messsystem 1000 weist eine erste Mikrowellen-Antenne 100a zusammengesetzt aus einem oben beschrieben Bausatz für modulare Mikrowellen-Antennen 100 auf. Die erste Mikrowellen-Antenne 100a dient als Sendeantenne.The
Das Mikrowellen-Messsystem 1000 weist weiter eine zweite Mikrowellen-Antenne 100b zusammengesetzt aus einem oben beschriebenen Bausatz für modulare Mikrowellen-Antennen 100 auf, wobei die zweite Mikrowellen-Antenne 100b als Empfangsantenne dient.The
Das Mikrowellen-Messsystem 1000 weist weiter eine Steuereinrichtung 11 auf, die mit der ersten Mikrowellen-Antenne 100a und der zweiten Mikrowellen-Antenne 100b gekoppelt ist und die dazu ausgebildet ist, basierend auf einer Mikrowellen-Transmissionsmessung eine Messgröße zu bestimmen.The
Das Mikrowellen-Messsystem 1000 weist weiter eine herkömmliche Messzelle 200 auf, in der das Messgut in Form von Butter enthalten ist. Die Mikrowellen-Antennen 100a und 100b sind an gegenüberliegenden Seiten der Messzelle 200 angeordnet und mittels des jeweiligen Außengewindes 10 in die Messzelle 200 eingeschraubt.The
Die Messgröße ist der Wassergehalt der Butter.The measurand is the water content of the butter.
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