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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Radarfüllstandsmessgerät mit einem definierten Entfernungsauflösungsvermögen.
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Hintergrund der Erfindung
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Radarfüllstandsmessungen werden in allen Arten von Tanks seit Mitte der Siebziger Jahre stetig zunehmend verwendet. Die Verbreitung der Verwendung auf stärker diversifizierte Anwendungen hat zu einer Reihe von Schwierigkeiten bei der Entwicklung von Radarfüllstandsmessgeräten geführt.
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Offensichtlich grundlegende Funktionen aller Radarfüllstandsmessgeräte sind das Abdichten des Tanks, der gefährliche Inhalte unter hohem Druck etc. enthalten kann, und das Abdichten des Gehäuses zum Schutz der Elektronik des Radarfüllstandsmessgeräts, zumindest bei Anwendungen im Freien und manchmal bei Anwendungen auf offener See etc. Das Gehäuse für die Elektronik wird häufig auch durch Vorschriften zum Schutz vor Explosionen betreffend die elektrische Ausrüstung festgelegt. Dies ist vollständig Technologiestandard, wobei jedoch eine typische Anforderung an Radarfüllstandsmessgeräte eine elektrische (Mikrowellen-) Verbindung von der Radarelektronik zu der Antenne ist.
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Koaxial-Verbindungen und -Wellenleiter werden zur Zeit für diese Mikrowellen-Verbindung verwendet. Zumindest ein Mikrowellen-Verbinder wird üblicherweise bei dieser Mikrowellen-Verbindung vorgesehen, beispielsweise um den Austausch einer defekten Elektronikeinheit bei unter Druck stehendem Tank zu ermöglichen. Der Mikrowellenverbinder ist ein kritisches Teil während des Austausches im Betrieb.
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Koaxial-Verbinder werden als Standardteile einschließlich abgedichteter Teile etc. hergestellt und dementsprechend häufig in Radarfüllstandsmessgeräten verwendet. Die Erfahrung im Betrieb zeigt jedoch, dass die zierlichen Verbinder, die zur Verwendung bei hohen Frequenzen notwendig sind, während der Handhabung außerhalb einer Laborumgebung leicht beschädigt werden können und dass sich ihre Eigenschaften stark verschlechtern, sogar wenn lediglich eine geringe Menge von Wasser, beispielsweise eine 0,1 mm-Schicht oder weniger, oder Verunreinigungen bei der Handhabung während bestimmter Wetterbedingungen in das Innere gelangen. Wellenleiter werden ebenso häufig verwendet und sind robuster, sie müssen jedoch gut in die Mechanik integriert werden, um eine kostengünstige Lösung darzustellen. Aufgrund der größeren Abmessungen des Wellenleiters ist die Notwendigkeit einer guten elektrischen Verbindung weniger ausgeprägt und lokale Wassertröpfchen etc. können toleriert werden. Die normale Wellenleiter-Impedanz ist einige 100 Ohm anstelle der 50 Ohm-Impedanz eines Koaxialkabels, wobei dies zu einem wesentlich geringeren Strom bei derselben übertragenen Leistung führt.
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Die Empfindlichkeit ist ein kritischer Aspekt bei Anwendungen, bei denen kleine Antennen verwendet werden müssen und bei denen eine geringe Reflektion durch eine turbulente Oberfläche einer Flüssigkeit mit niedriger Elektrizitätskonstante (low-epsilon liquid) berücksichtigt werden muss. Bei einem üblichen Radarfüllstandsmessgerät in einem ruhigen Raffinerietank oder einem entsprechenden Tank auf einem Schiff im Hafen kann die Zwei-Wege-Dämpfung des Radarsignals 40 bis 50 dB sein, während ein üblicher Prozess-Tank mit einer 2'' bis 3''-Antenne bei turbulenter Oberfläche etc. eine entsprechende Dämpfung von 70 bis 80 dB oder mehr aufweisen wird. Weiterhin wird ein Koaxialkabel für ein 25 GHz-Radar zu einem Verlust von einigen dB bei einer üblichen Radarfüllstandsmessgerät-Anwendung führen, falls das Koaxialkabel als Verbindung von der Elektronik zu der Antenne verwendet wird.
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Weiterhin benötigen alle Radarsysteme irgendeine Duplex-Funktion, um dieselbe physikalische Antenne zum Senden und zum Empfangen zu verwenden, und üblicherweise verursacht dies Zwei-Wege-Verluste von 6 bis 10 dB oder mehr bei den in den meisten Radarfüllstandsmessgeräten verwendeten einfachen Systemen. Ein Verteiler (power splitter) oder eine Hybride (hybride junction) sind Beispiele solcher Systeme, wobei beide mindestens 3 dB Verlust in jeder Richtung aufweisen. Zwei getrennte Antennen würden diese 6 bis 10 dB vermeiden, es ist jedoch praktischer, zwei Antennenfunktionen in der gleichen Antennenmechanik zu implementieren. Dazu werden manchmal eine rechtsdrehende Zirkularpolarisation (right-hand circular polarization, RHCP) und eine linksdrehende Zirkularpolarisation (left-hand circular polarization, LHCP) verwendet, um zwei unabhängige Antennenfunktionen zu schaffen, die durch getrennte Leitungen mit der Mikrowellen-Sende/Empfangs-Einheit verbunden sind. Eine rotationssymmetrische Hornantenne ist ein Beispiel einer physikalischen Antenne, bei der diese zwei elektrisch unabhängigen Antennenfunktionen LHCP/RHCP einfach implementiert werden können.
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Die RHCP/LHCP-Anordnung ist auch sehr hilfreich beim Handhaben von Reflektionen an flachen Wänden in dem Tank. Solche Reflektionen, sowohl zu der Oberfläche als auch zu den Wänden, sind bekannt dafür, die Zirkularpolarisation der Radarwelle von RHCP zu LHCP oder in die andere Richtung zu ändern, wobei beim Senden beispielsweise mit RHCP und Empfangen mit LHCP lediglich Wellen ohne zusätzliche Dämpfung empfangen werden, die eine ungerade Anzahl von Malen (1, 3 etc.) reflektiert wurden. Für viele Arten von Echos, aber besonders zur Verteilung von Reflektionen an einer flachen Wand innerhalb des Antennenrichtstrahls, ist dies als ein effizientes Verfahren bekannt, um das Echo sauberer zu gestalten und dementsprechend die Genauigkeit des Radarfüllstandsmessgeräts zu verbessern. In einem großen Tank (der in Raffinerien etc. verwendet wird), der über Montageöffnungen für große Antennen verfügt, kann ein schmaler Antennenrichtstrahl verwendet werden (basierend auf einem großen Antennendurchmesser), wobei die Anzahl der falschen Reflektionen an Tankstrukturen begrenzt wird, in einem kleinen Tank jedoch, der üblich für viele Anwendungen in der Prozessindustrie ist, ist ein breiterer Antennenrichtstrahl erforderlich (aufgrund der kleinen Montageöffnungen für die Antennen), der in Kombination mit der kompakteren Geometrie zu einer größeren Anzahl von falschen Reflektionen an Tankstrukturen führt.
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Bei Anwendungen in kleinen Tanks werden immer interne Rückstrahlungen oder Hin- und Herreflektionen zwischen der Antenne und der Mikrowelleneinheit auftreten, wobei solche Reflektionen eine Anzahl von falschen Echos erzeugen werden, die anscheinend unter der Antenne sind, jedoch vollständig intern erzeugt wurden. Offensichtlich sind solche Echos schwach, nichts desto trotz sind sie bei schwachen Oberflächenreflektionen aufgrund von Turbulenz, Schaum etc. oder aufgrund einer verunreinigten Antennenoberfläche wichtig.
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Ein Radarfüllstandmesssystem mit dem RHCP/LHCP-Verfahren ist in der
US 5 543 720 A beschrieben. Die dort beschriebene praktische Lösung ist komplex, um einen breiten Bereich von Anwendungen abzudecken. Die verwendete komplexe Mechanik führt auch zu viel zu hohen Kosten für die übliche Verwendung in der Prozessindustrie. Auch ist diese Anordnung dazu vorgesehen, in Verbindung mit großen Speichertanks verwendet zu werden und nicht für Messungen in Tanks kleinerer Größe, wie beispielsweise Tanks der Prozessindustrie, die üblicherweise wesentlich kleinere physikalische Abmessungen aufweisen, geeignet.
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DE 100 23 497 A1 offenbart ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmessgerät mit einem Hohlleiter, in den durch eine seitliche Öffnung eine Leiterkarte mit zwei Koppelstiften eingesetzt ist.
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In einem Prospekt „APEX Radar-Messgerät zur Füllstandsmessung“ vom März 1997 sind typische Abmessungen von Radar-Füllstandmessgeräten angegeben. Die Gesamthöhe bewegt sich hier zwischen 350 mm und 450 mm. Auch in TIB - Technische Information - Betriebsanleitung zu der Radarmesseinrichtung VEGAPULS 64 FK und VEGAPULS 64 UK sind allgemein Höhen von Radar-Füllstandsmessgeräten angegeben.
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DE 198 00 306 A1 zeigt ein stirnseitig mit einem ein Strahlerelement aufweisenden Träger abgeschlossenes Hohlleiter-Ende für ein Füllstandradar.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Radarfüllstandsmessgerät mit einem definierten Auflösungsbereich bereitzustellen, wobei die Empfindlichkeit des Messgeräts bei kurzen Entfernungen des Füllstands von der Antenne verbessert und die Gefahr von Störungen der Oberflächenechos durch interne Echos verringert werden sollen.
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Diese Aufgabe wird in Übereinstimmung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dank dem Vorsehen eines Wellenleiters, der im Wesentlichen gerade ist und einen 90°-symmetrischen (90°-symmetric) Querschnitt aufweist, wobei der Wellenleiter weiterhin angeordnet ist, um zwei im Wesentlichen orthogonale Wellenleiter-Moden aufzunehmen, und wobei der Wellenleiter weiterhin eine Länge aufweist, die kleiner ist als das Zweifache des Entfernungsauflösungsvermögens des Radarfüllstandsmessgeräts, bietet dieses Radarfüllstandsmessgerät eine verbesserte Empfindlichkeit bei kurzen Distanzen, wobei jedwede Störungen eines schwachen Oberflächenechos durch jedwede internen Echos minimiert werden.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur verbesserten Radarfüllstandsmessung unter Verwendung eines Radarfüllstandsmesssystems mit einem definierten Entfernungsauflösungsvermögen bereitzustellen, wobei das Radarfüllstandsmessgerät eine Antenne, eine Tankdichtung, eine Elektronikeinheit und eine Wellenleiterzuführung zwischen der Elektronikeinheit und der Antenne umfasst.
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Dank des Vorsehens der folgenden Schritte: Bereitstellen eines im Wesentlichen geraden Wellenleiters mit einem 90°-symmetrischen Querschnitt als die Wellenleiterzuführung; und Anordnen des Wellenleiters, um zwei im Wesentlichen orthogonale Wellenleitermoden aufzunehmen; und Ausführen des Wellenleiters mit einer Länge, die kleiner ist als das Zweifache des Entfernungsauflösungsvermögens des Radarfüllstandsmesssystems, bietet das Verfahren eine verbesserte Empfindlichkeit beim Messen kurzer Distanzen, wobei jedwede Störungen eines schwachen Oberflächenechos durch jedwede internen Echos minimiert werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen genauer beschrieben, wobei die Zeichnungen zeigen:
- Die 1 zeigt schematisch ein Radarfüllstandsmesssystem mit einer Antennenanordnung zur verbesserten Radarfüllstandsmessung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
- Die 2 zeigt schematisch eine beispielhafte Zuführung eines runden Wellenleiters.
- Die 3 zeigt schematisch interne Echomuster, links für das Radarfüllstandsmesssystem nach der 1 und rechts ein Beispiel von Echomustern aus dem Stand der Technik.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen hervorgehen. Es sollte jedoch klar sein, dass die Zeichnungen lediglich zu Zwecken der Illustration und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung, für die auf die beigefügten Ansprüche Bezug genommen werden sollte, angegeben sind. Es sollte weiterhin klar sein, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind und dass sie, außer falls anderweitig angegeben, lediglich dazu vorgesehen sind, die hier beschriebenen Strukturen und Vorgänge konzeptartig zu illustrieren.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Ein Radarfüllstandsmessgerät 1 mit einer Antennenanordnung zur verbesserten Radarfüllstandsmessung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung und wie in der 1 gezeigt umfasst: eine Antenne 2, eine Tankdichtung 3, eine eingeschlossene Elektronikeinheit 4 und eine Wellenleiterzuführung 5 zwischen der Elektronikeinheit 4 und der Antenne 2. Der Wellenleiter 5 ist im Wesentlichen gerade und weist einen 90°-symmetrischen Querschnitt auf und ist angeordnet, um zwei im Wesentlichen orthogonale Wellenleitermoden aufzunehmen. Weiterhin weist der Wellenleiter 5 eine physische Länge auf, die kleiner ist als das Zweifache des Entfernungsauflösungsvermögens oder vorzugsweise kleiner als einmal das Entfernungsauflösungsvermögen. Die physische Länge wird von dem Mikrowellen-/Elektronik-Schaltkreis (der Leiterplatte) zu dem oberen Ende der Antenne 2 gemessen und ist dementsprechend repräsentativ für die Länge, wenn eine kleine Antenne 2 verwendet wird, wie es in den Fällen üblich ist, wenn diese interne Distanz kritisch ist, wie im Folgenden beschrieben wird. Für eine Definition von „Entfernungsauflösungsvermögen“ („range resolution“) wird beispielsweise auf die Seiten 358 bis 359 aus „Radar Principles“ von Peyton Z. Peebles, Jr., ISBN 0-471-25205-0 verwiesen, wobei diese Veröffentlichung durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hiermit aufgenommen wird. Bei einer idealen rechteckförmigen Puls-Form ist diese Entfernungsauflösung cτ/2 (c = Lichtgeschwindigkeit und τ Pulszeit). Für gepulste Radarfüllstandsmesssysteme ist 1 ns eine übliche Pulszeit, wobei die ideale rechteckförmige Puls-form 150 mm entspricht, oder in der Praxis auch geringfügig mehr, basierend auf der in der Referenz angegebenen allgemeinen Definition. Viele Radarfüllstandsmesssysteme verwenden das FMCW-Verfahren, bei dem die Bandbreite der wichtige Parameter ist und die invertierte Bandbreite B der Zeit τ entspricht. Beispielsweise ist 1000 MHz eine übliche Sweep-Bandbreite bei einem FMCW-Radarfüllstandsmessystem, welches das gleiche theoretischen Entfernungsauflösungsvermögen ergibt, wie ein 1 ns -Pulse verwendendes gepulstes System.
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Der Wellenleiter 5 wird verwendet, um eine robustere Verbindung als bei herkömmlichen Koaxialverbindungen zu erreichen. Um eine sichere Entfernung der Elektronik in ihrem Gehäuse in der Praxis zu ermöglichen, ist bei einer Ausführungsform der Wellenleiter 5 als Zuführung zur Antenne 2 häufig mit einem Wellenleiterverbinder 6 ausgerüstet, der es ermöglicht, dass die angeschlossene Elektronikeinheit 4 von der Antenne 2 gelöst wird und dort angebracht wird, wobei die Tankdichtung 3 eine Aufrechterhaltung der Dichtung des Tanks 7 (von dem ein Teil mit strichlierten Linien in der 1 gezeigt ist) gewährleistet. Um die Übertragungsverluste zwischen der Elektronikeinheit 4 und der Antenne 2 zu reduzieren, wird ein im Wesentlichen gerader Wellenleiter 5 verwendet, da ein gerader Wellenleiter üblicherweise Verluste im Bereich von Zehnteln eines dB aufweist, wobei dies eine Größenordnung kleiner ist als der übliche Verlust in einem Koaxialkabel, das verwendet wird, um die Antenne in einem Radarfüllstandsmessgerät anzuschließen.
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Eine Zwei-Moden-Wellenleiter-Verbindung wird verwendet, um Verluste in der Leistungsbilanz zu minimieren. Die bevorzugte Lösung ist, einen Wellenleiter 5 mit einem Querschnitt mit einer 90°-Symmetrie, beispielsweise rund oder quadratisch, zu verwenden und zwei im Wesentlichen orthogonale Wellenleiter-moden, wie beispielsweise linksdrehende Zirkularpolarisation (LHCP) und rechtsdrehende Zirkularpolarisation (RHCP), entlang der Zuführung von dem Elektronikschaltkreis zu der Antenne zu verwenden. Die 2 zeigt schematisch eine Beispielzuführung mit einem runden Wellenleiter.
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Die spezielle Eigenschaft der Zirkularpolarisation wird verwendet, um Echos zu unterdrücken, die eine gerade Anzahl von Malen reflektiert wurden, wobei dies zu einer verbesserten Signalqualität durch Favorisieren des Oberflächenechos führt. Dies ist auch für das Oberflächenecho in Bezug auf die meisten anderen störenden Echos auf eine bestimmte Weise vorteilhaft.
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Zur Anwendung bei kleinen Tanks ist die interne Mikrowellenlänge in dem Messgerät 1 wichtig. Es werden immer interne Rückstrahlungen oder Hin- und Her-Reflektionen zwischen der Antenne 2 und der Mikrowellen-Elektronikeinheit 4 auftreten und solche Reflektionen werden eine Anzahl von falschen Reflektionen erzeugen, die anscheinend von unterhalb der Antenne 2 stammen. Offensichtlich sind solche Echos schwach, jedoch dennoch wichtig bei schwachen Oberflächenreflektionen aufgrund von Turbulenz, Schaum etc. oder aufgrund einer verschmutzten Antennenoberfläche.
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Um solche internen Reflektionen zu schwächen, wird die physische Länge zwischen der Antenne 2 und der Elektronikeinheit 4 minimiert, da dies die störenden Echos näher an die Antenne 2 heranrückt, wo die Stärke der Echos stärker ist. Das natürliche Maß für „nahe zu der Antenne“ wird im Folgenden als „Entfernungsauflösungsvermögen“ (range resolution) bezeichnet und ist der Weg, den eine Radarwelle hin und zurück während der Pulslänge zurücklegt, die bei einem frequenzmodulierten System (FMCW etc.) gleich dem Weg ist, den die Radarwelle während der Zeit entsprechend der invertierten Bandbreite zurücklegt. Eine übliche Bandbreite für ein FMCW-System ist 100 MHz (= 1 ns invertiert). Bei diesen beiden Fällen ist das Entfernungsauflösungsvermögen 0,15 m, wobei dies ein Maß für die praktisch erreichbare Auflösung mit dem in Frage stehenden System ist. In der Praxis kann die praktische Systemauflösung einschließlich Verschlechterungen bei etwa dem Zweifachen des „Entfernungsauflösungsvermögens“ erwartet werden.
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Die Signifikanz dieser internen Distanz wird durch zwei Beispiele in der 3 dargestellt, in der zwei Radarfüllstandsmessgeräte 1 verglichen werden, die mit Ausnahme der Länge des Wellenleiters 5 identisch sind. Aufgrund praktischer Einschränkungen ist es unvermeidbar, dass Mikrowellenreflektionen zwischen dem Wellenleiter 5 und der Elektronikeinheit 4 und zwischen dem Wellenleiter 5 und der Antenne 2 auftreten. In Richtung der Antenne 2 werden solche Reflektionen durch Antennenverunreinigungen (spritzende Flüssigkeit, Kondensation etc.) erhöht und sind dementsprechend nicht vollständig kontrollierbar. Die Verwendung eines Wellenleiters 5 führt üblicherweise dazu, dass diese internen Reflektionen halb so groß sind als bei Verwendung eines Koaxialkabels. Diese Reflektionen werden im Fall eines gepulsten Systems eine Pulsfolge von mehrfach reflektierten Pulsen („Bouncing pulsed“) mit einer schnell abnehmenden Amplitude erzeugen anstelle des idealen Falls mit lediglich einem einzelnen übertragenen Puls. Die Rate der Abnahme kann sehr unterschiedlich sein, sie kann jedoch 15 bis 25 dB pro Puls betragen. Für eine gute Echo-Situation ist lediglich der erste (gewollte) Puls wichtig, es sind jedoch häufig 2 bis 3 Pulse messbar. Im Fall einer schlechten Echo-Situation (Schaum oder turbulente Oberfläche etc.) und einem System mit einer hohen Empfindlichkeit werden diese mehrfach reflektierten internen Echos die Empfindlichkeit bei kurzen Distanzen begrenzen und das schwache Oberflächenecho wird durch die internen Echos gestört. Wenn der Tank 7 nahezu voll ist, ist eine sichere und genaue Messung für den Benutzer sehr wichtig, da ansonsten eine gefährliche Situation mit einem Überlauf auftreten kann. Demzufolge ist eine wichtige Aufgabe der Radarfüllstandsmessgerät-Konstruktion in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, den Einfluss solcher internen Echos zu begrenzen, wobei, wie in der 3 gezeigt, eine kurze interne Länge „1“ (ein kurzer Wellenleiter 5) zusammen mit einem geringen Reflektionsgrad, der jedoch durch Verunreinigungen auf der Antenne 2 etc. verschlechtert werden kann, eine sehr wichtige Ausführungsmöglichkeit ist.
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In der 3 sind die internen Pulse durch strichlierte Pulsformen wiedergegeben und bei der linken Einheit (in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung) führen die minimierten internen Distanzen dazu, dass die mehrfachen Pulse sehr viel näher an der Antenne 2 abnehmen, während die größeren internen Distanzen in Übereinstimmung mit der rechten Figur (Beispiel des Standes der Technik) das interne Echomuster strecken, so dass es das durch eine durchgezogene Linie wiedergegebene Oberflächen-8-Echo stört.
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Der im Wesentlichen gerade Wellenleiter 5 in Kombination mit einem Mikrowellenmodul, bei dem die gleiche Leiterplatte (PCB, printed circuit board) 4a für eine Wellenleiterzuführung, eine Anordnung zum Erhalten der zwei im Wesentlichen orthogonalen Wellenleitermoden (beispielsweise durch das in der 2 gezeigte Verfahren) und den Mikrowellensender- und den Mirkowellenempfänger-Schaltkreise verwendet wird, ist eine wirksame Ausführungsmöglichkeit, um die interne Länge zu minimieren. Eine Länge unterhalb des Zweifachen des Entfernungsauflösungsvermögens für die kürzeste Antenne wird als ausreichend betrachtet, um die Erfindung mit einer verbesserten Leistungsfähigkeit für eine kurze Länge, wie beispielsweise einmal das Entfernungsauflösungsvermögen, zu verwenden. Funktional sollte die gesamte Länge einschließlich der Elektronik/Mikrowellen-Schaltkreise, dem Wellenleiter und der Antenne berücksichtigt werden, die Länge auf der Leiterplatte 4a kann jedoch durch bekannte Methoden minimiert werden. Die Antenne 2 sollte in Fällen, bei denen die Leistungsfähigkeit nahe an der Antenne 2 wichtig ist und der obere Teil der Antenne 2 die wahrscheinlichste Position für Antennenreflektionen ist, klein sein. Dementsprechend ist die Länge „1“ des Wellenleiters 5 einschließlich von Dichtungen und anderen Einzelheiten in der Praxis ein wichtiger Teil der Gesamtlänge.
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Die Radareinheit 1 enthält einen Sender (TX) und einen Empfänger (RX) und das Radarsystem kann von einem beliebigen Typ sein, beispielsweise mit Frequenzdauerstrichmodulation (FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave), gepulst etc. In Bezug auf die praktische Umsetzung sind der TX und der RX in praktisch allen kommerziell erhältlichen Radarfüllstandsmessgeräten in dem gleichen Schaltkreis (auf der gleichen PCB) angeordnet. Auf der PCB weist das TX/RX-Modul zwei Anschlüsse auf, die meisten preisgünstigen Radarsysteme verwenden jedoch eine gemeinsame Antenne, wobei die zwei Anschlüsse innerhalb des TX/RX-Moduls durch irgendeinen verlustbehafteten Leistungsteiler oder Richtungskoppler zusammengeführt werden, wobei dies zu einem Zwei-Wege-Verlust von zumindest 2x3 dB oder realistischer 7 bis 12 dB führt. Für die Radarfüllstandsmessung ist eine bekannte Möglichkeit, diese unnötigen Verluste zu reduzieren, eine Zirkularpolarisation zu verwenden, die eine Möglichkeit ist, die Antenne mit zwei Anschlüssen zu versehen, um den ursprünglichen Anschlüssen des TX/RX-Moduls zu entsprechen und um das meiste des 7 bis 12 dB-Verlustes zu vermeiden. 12 dB weniger Verlust würde beispielsweise den empfindlichkeitsbegrenzten Bereich vierfach erhöhen, so dass der Unterschied bei der Empfindlichkeit einen sehr offensichtlichen praktischen Einfluss haben kann. Das Verfahren mit zwei orthogonalen Polarisationen (im einfachsten Fall LHCP/RHCP, wobei jedoch beliebige Paare von orthogonalen elliptischen Polarisationen dieselbe Aufgabe erfüllen würden) erhöht nicht nur die Empfindlichkeit, sondern unterdrückt auch einige störende Echos, wobei unter diesen die von der Tankwand nahe des Antennenrichtstrahls sind.
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Ein Wellenleiter 5 mit einem runden Querschnitt wird als eine Antennenverbindung verwendet und die LHCP- und RHCP-Signale in dem Wellenleiter 5 werden durch Speisen des Wellenleiters 5 durch zwei um 90° versetzte Koppelsonden (allgemein als orthogonale Polarisationsweiche, OMT = Ortho Mode Transducer bezeichnet) erzeugt, die durch einen 90°-Hybridkoppler gespeist werden, der wie schematisch in der 2 gezeigt, einen Anschluss für RHCP und einen Anschluss für LHCP aufweist. Bei einer Radarfüllstandsmessanwendung hat diese eher herkömmliche RHCP/LHCP-Erzeugung vier Vorteile:
- 1) Die Konzentration der LHCP/RHCP-Erzeugung auf eine einzelne PCB 4a ermöglicht eine bessere Leistungsfähigkeit (Isolierung und Abstimmung) als bekannte Lösungen des Standes der Technik, da eine möglicherweise erhöhte Muster-Komplexität (pattern complexity) exakt ausgeführt werden kann, jedoch ohne zusätzliche Kosten pro Einheit.
- 2) Das Sammeln aller kritischen Mikrowellenfunktionen (TX, RX und LHCP/RHCP-Erzeugung) auf einer PCB 4a ist eine kostengünstige Lösung.
- 3) Der gerade von der OMT zu der als Antenne 2 verwendeten Hornantenne verlaufende runde Wellenleiter 5 ist eine mechanisch einfache Lösung, wobei der Verbinder 6, wie auch ein oder mehrere Dichtungselemente mit mechanisch einfachen Lösungen eingeschlossen werden können.
- 4) Die PCB-4a-Lösung in Kombination mit der einfachen Wellenleiterkette ermöglicht eine sehr kurze Mikrowellen-Zuführung von dem TX/RX-Modul zu der Antenne 2, wobei dies eine wichtige Eigenschaft für eine gute Messleistung bei kurzen Distanzen ist.
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Anstatt des Wellenleiters mit rundem Querschnitt kann ein beliebiger Wellenleiter 5 mit einer 90°-Symmetrie des Querschnitts verwendet werden. Beispielsweise können eine rechteckige oder eine Superellipsen-förmige Querschnittsform verwendet werden, wobei dies die Wellenleiterbandbreite erhöhen würde und eine ein wenig verbesserte Raumausnutzung bieten würde. Da die Metallteile eines solchen Wellenleiters durch Gießen oder Stranggießen hergestellt werden, sind solche Querschnitte ausführbar, jedoch möglicherweise weniger einfach abzudichten.
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In den meisten Fällen ist die Antenne 5 ein Konus, der eine Art von Abschluss für den üblicherweise geraden Wellenleiter 5 bildet, und der Konus kann einer von vielen möglichen sein. Verschiedene Längen und Durchmesser werden zur Optimierung der Funktion bei unterschiedlichen Tankmontageöffnungsgrößen, unterschiedlichen Tanktiefen etc. benötigt. Unterschiedliche Materialien werden benötigt, beispielsweise bei einer stark korrodierenden Umgebung, und einige Konusse können leicht glockenförmig ausgebildet sein, um sie bei gleichem Durchmesser kürzer auszuführen. Der Durchmesser ist das wichtigste Maß für die elektrische Funktion. Mit einem großen Durchmesser im Vergleich zu der verwendeten Wellenlänge bekommt die Antenne 2 einen hohen Gewinn, der gut für eine Fernbereichsmessung ist und der auch einen schmalen Antennenrichtstrahl erzeugt, der hilft, störende Echos zu unterdrücken. Bei einigen Anwendungen kann eine Wellenleiterverlängerung notwendig sein, um eine Isolation gegenüber extremen Temperaturen in dem Tank zu ermöglichen. In Verbindung mit Anwendungen, die sehr schwache interne Nahbereichs-Echos benötigen, wird eine kurze Antenne 2 gewählt, so dass dieser Fall für die oben beschriebene kurze interne Länge entscheidend ist.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform weisen die Antenne 2 und die Tankdichtung 3 eine Hornantenne 2 mit einem 90°-symmetrischen Querschnitt auf, die durch ein dielektrisches Material 3 abgedichtet ist, das zumindest einen Teil davon entlang des Wellenleiters 5 ausfüllt.
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Ein Verfahren zur verbesserten Radarfüllstandsmessung unter Verwendung eines Radarfüllstandsmessgeräts 1, das eine Antenne 2, eine Tankdichtung 3, eine eingeschlossene Elektronikeinheit 4 und eine Wellenleiterzuführung 5 zwischen der Elektronikeinheit 4 und der Antenne 2 aufweist, umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines im Wesentlichen geraden Wellenleiters 5 mit einem 90°-symmetrischen Querschnitt als die Wellenleiterzuführung 5; Anordnen des Wellenleiters 5, so dass er zwei im Wesentlichen orthogonale Wellenleitermoden aufnimmt; Ausführen des Wellenleiters 5 mit einer Länge, die kleiner ist als das Zweifache des Entfernungsauflösungsvermögens des Radarfüllstandsmessgeräts 1.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte: Bereitstellen des Wellenleiters 5 mit einem Wellenleiterverbinder 6, der es ermöglicht, dass die eingeschlossene Elektronikeinheit 4 von der Antenne 2 entfernt wird und an der Antenne 2 angeschlossen wird, wobei die Tankdichtung 3 eine Aufrechterhaltung der Dichtung des Tanks gewährleistet.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den folgenden Schritt: Anordnen des Wellenleiters 5, um LHCP (linksdrehende Zirkularpolarisation) und RHCP (rechtsdrehende Zirkularpolarisation) als die zwei im Wesentlichen orthogonalen Wellenleitermoden aufzunehmen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte: Anordnen einer Wellenleiterzuführung, einer Anordnung zum Erhalten der zwei im Wesentlichen orthogonalen Wellenleitermoden und einer Mikrowellensender- und einer Mikrowellenempfänger-Schaltung auf derselben Leiterplatte 4a der Elektronikeinheit 4.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte: Vorsehen einer Hornantenne mit einem 90°-symmetrischen Querschnitt als die Antenne 2 und Vorsehen eines dielektrischen Materials, das zumindest teilweise die Hornantenne 2 entlang des Wellenleiters 5 füllt, als die Tankdichtung 3.
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Weiterhin umfasst ein Radarfüllstandsmesssystem ein wie oben beschriebenes Radarfüllstandsmessgerät.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann vielmehr innerhalb des Umfangs der begleitenden Ansprüche variiert werden.