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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Radarfüllstandsmessgerät in Übereinstimmung
mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
vorliegende Patentanmeldung betrifft weiterhin ein Verfahren zur
verbesserten Radarfüllstandsmessung
in Übereinstimmung
mit dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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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 turbulenten Oberfläche
einer Flüssigkeit
mit niedrigem Epsilon (lowepsilon 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 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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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Radarfüllstandsmessgerät mit einem
definierten Auflösungsbereich
bereitzustellen, wobei das Radarfüllstandsmessgerät eine Antenne,
eine Tankdichtung, eine Elektronikeinheit und eine Wellenleiterzuführung zwischen
der Elektronikeinheit und der Antenne umfasst.
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Diese
Aufgabe wird in Übereinstimmung
mit dem kennzeichnenden Teil 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 Entfer nungsauflösungsvermögens 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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Diese
weitere Aufgabe wird in Übereinstimmung
mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 gelöst.
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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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Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen genauer beschrieben, wobei die Zeichnungen zeigen:
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Die 1 zeigt
schematisch ein Radarfüllstandsmesssystem
mit einer Antennenanordnung zur verbesserten Radarfüllstandsmessung
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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Die 2 zeigt
schematisch eine beispielhafte Zuführung eines runden Wellenleiters.
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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
physikalische Länge
auf, die kleiner ist als das Zweifache des Entfernungsauflösungsvermögens oder
vorzugsweise kleiner als einmal das Entfernungsauflösungsvermögen. Die
physikalische 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 dieser Auflösungsbereich
cτ/2 (c
= Lichtgeschwindigkeit und τ Pulszeit).
Für gepulste
Radarfüllstandsmesssysteme ist
1 ns eine übliche
Pulszeit, wobei die ideale rechteckförmige Pulsform 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.
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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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Die
Wellenleiterübertragung 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
die Wellenleiterzuführung 5 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 Elektronik 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 Wellenleitermoden, 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
Mikrowelleneinheit 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 physikalische
Länge zwischen
der Antenne 2 und der Elektronik 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 stehen den 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 2 × 3 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 el liptischen 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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In
einer Ausführungsform
wird ein Wellenleiter 5 mit einem runden Querschnitt 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 Koppelstifte
(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 Horntenne 2 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 5 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: Bereistellen 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 Bereistellen
der Wellenleiterzuführung 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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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Radarfüllstandsmesssystem,
das zumindest ein wie oben beschriebenes Radarfüllstandsmessgerät umfasst.
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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.
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Demzufolge
wird klar sein, dass, während grundlegende
neue Merkmale der Erfindung, wie sie bei einer bevorzugten Ausführungsform
davon verwendet werden, gezeigt und beschrieben und herausgestellt
wurden, verschiedene Auslassungen und Substitutionen und Änderungen
in der Form und den Einzelheiten der beschriebenen Vorrichtungen
und bei ihrem Betrieb durch den Fachmann vorgenommen werden können, ohne
die Idee der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise ist ausdrücklich vorgesehen,
dass alle Kombinationen dieser Elemente und/oder Verfahrensschritte,
welche im Wesentlichen die gleiche Funktion auf im Wesentlichen
die gleiche Weise durchführen,
um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, innerhalb des Umfangs der
Erfindung liegen. Weiterhin sollte bemerkt werden, dass die gezeigten
und/oder beschriebenen Strukturen und/oder Elemente und/oder Verfahrensschritte
in Verbindung mit irgendeiner offenbarten Form oder Ausführungsform
der Erfindung in einer beliebigen anderen offenbarten oder beschriebenen
oder vorgeschlagenen Form oder Ausführungsform im Rahmen einer
Auswahl der Konstruktion verwendet werden können. Es ist daher vorgesehen,
dass die Erfindung lediglich durch den Umfang der hier beigefügten Ansprüche begrenzt
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Radarfüllstandsmessgerät mit Antennenanordnung zur
verbesserten Radarfüllstandsmessung
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Die
vorliegend Erfindung betrifft ein Radarfüllstandsmessgerät (1),
das eine Antenne (2), eine Tankdichtung (3), eine
Elektronikeinheit (4) und eine Wellenleiterzuführung (5)
zwischen der Elektronikeinheit (4) und der Antenne (2)
umfasst. Der Wellenleiter (5) ist im Wesentlichen gerade
und weist einen 90°-symmetrischen
Querschnitt auf und ist weiterhin angeordnet, um zwei im Wesentlichen
orthogonale Wellenleitermoden aufzunehmen. Der Wellenleiter (5)
weist weiterhin eine Länge
(1) auf, die kleiner ist als das Zweifache des Entfernungsauflösungsvermögens des
Radarfüllstandsmessgeräts (1).
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur verbesserten
Radarfüllstandsmessung
unter Verwendung eines oben beschriebenen Radarfüllstandsmessgeräts (1).