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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung mit einer planaren Array-Antenne zum Bestimmen des Füllstandes eines Füllmaterials in einem Behälter. Insbesondere ist die Erfindung bei Anwendungen verwendbar, bei denen Widerstandsfähigkeit gegenüber Verunreinigungen von besonderer Wichtigkeit ist, wie beispielsweise bei mikrobiologischen Anwendungen, und bei Anwendungen, bei denen es wichtig ist, eine Erstreckung der Antennenvorrichtung in das Innere des Behälters zu vermeiden.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektromagnetische Mikrowellen, wie beispielsweise Radar, können verwendet werden, um Füllstände in Behältern zu bestimmen, wobei dieses Verfahren seit mehreren Jahren das dominierende Verfahren zum Füllstandsmessen in Behältern und Tanks ist. Die Antenne ist ein kritischer Teil solcher Systeme und verschiedene Typen von Antennen wurden vorgeschlagen und verwendet, abhängig beispielsweise von dem Typ der Anwendung, dem Füllmaterial, den Umweltbedingungen, der benötigten Messgenauigkeit etc.
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Ein weit verbreitet Verwendung findender und in vielen Fällen vorteilhafter Typ von Antenne ist die planare (flache) Array-Antenne. Eine Array-Antenne kann beispielsweise einen schmalen Antennenrichtstrahl erzeugen, ohne den Messbereich durch ihre vertikale Erstreckung zu vermindern, was der Fall wäre, wenn beispielsweise eine Stabantenne verwendet würde, welche eine allgemein bekannte Alternative für ähnliche Zwecke ist. Die Antenne kann durch die Technik der gedruckten Platinen hergestellt sein und bietet ein flexibles Design, mit dem es möglich ist, eine Vielzahl von Antennenfunktionen zu erzeugen. Daher ist sie gut geeignet zum Füllstandsmessen. Dieser Typ von Antenne kann entweder innerhalb des Behälters an einer sich in den Behälter erstreckenden Haltestruktur oder auf Höhe mit der Behälterwand über einer Öffnung des Behälters angeordnet sein. Beide Anordnungsmethoden weisen jedoch schwerwiegende Probleme bei bestimmten Anwendungen auf.
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Bei der
US 6 266 022 ist eine flache Array-Antenne an einer Haltestruktur montiert, welche sich in den Behälter erstreckt. Wenn sie an einer vollständig innerhalb des Behälters liegenden Haltestruktur angeordnet ist, ist es schwierig, eine dichte Abdichtung durch die Behälterwand zu erreichen, wobei dies zu schwerwiegenden Leckageproblemen führt. Weiterhin benötigt diese Anordnung einen Freiraum am oberen Ende des Behälters, welcher nicht immer verfügbar ist.
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Die Anordnung der Antennenvorrichtung direkt in einer Öffnung des Behälters ist ebenso Gegenstand verschiedener Probleme. Beispielsweise ist es schwierig, eine dichte Abdichtung der Behälteröffnung zu erreichen. Tatsächlich treten verschiedene separate Leckageprobleme simultan auf: Leckage in die Antennenvorrichtung, wobei dies die Antennenfunktionalität beeinträchtigen würde; Leckage durch die emittierende Oberfläche der Antenne, wobei dies die Antennenelektronik beeinflussen und stören würde; und schließlich Leckage durch die Antennenvorrichtung in die Umwelt.
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Weiterhin führt die normalerweise zwischen der Umwelt und dem Inneren des Behälters herrschende Temperaturdifferenz zu Kondensation an der emittierenden Oberfläche der Antenne, wobei dies die Messleistung der Antennenvorrichtung verschlechtert. Ein anderes übliches Problem dieses Typs von Anordnung ist es, eine adäquate Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Drücken zu erhalten, welche oftmals bei diesem Typ von Behältern vorkommen. Normale Drücke können in dem Bereich 16–40 bar liegen.
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Ein allgemeines Problem, das alle flachen Array-Antennenvorrichtungen betrifft, ist das Problem der Verunreinigungen. Bei viele Anwendungen ist das Risiko von Verunreinigungen ein wichtiger Punkt. Beim Füllstandsmessen in Tanks, die beispielsweise in der Nahrungsmittel- und der pharmazeutischen Industrie verwendet werden, herrscht ein zwingendes Bedürfnis für innere Oberflächen, welche sehr effizient gereinigt werden können. Beispielsweise können sogar wenige μm große Partikel leicht Bakterien verstecken, die ausreichend sein können, um eine komplette Molkerei für einige Tage zu schließen. Es kann festgestellt werden, dass ein einziger oder wenige Zehntel eines Millimeters von nassem Dreck die Funktion stark beeinträchtigen können und dass oftmals die Kombination von Dreck und Kondensat, das durch den Dreck angezogen wird, der schlimmste Fall ist.
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Ein anderes übliches Erfordernis bei Antenennvorrichtungen, welche zur Füllstandsmessung verwendet werden, ist, einem breiten Spektrum an Chemikalien zu widerstehen. Dieses Erfordernis ist normalerweise ohne Verwendung teurer Materialien, wie beispielsweise Hastelloy und Ähnliches, schwierig zu erfüllen.
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Weiterhin sind alle Array-Antennen des Standes der Technik im Vergleich zu Hornantennen etc. inhärent empfindlich in Bezug auf Leckage und Korrosion, da es schwieriger ist, ein Paket von Platinen effizient abzudichten, als einen runden Wellenleiter (Rohr) zu verschließen.
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Es besteht daher ein Bedürfnis für eine effektivere flache Array-Antenne, insbesondere für eine Montage in einer Behälterwandöffnung, zur Verwendung bei der Füllstandsmessung.
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Aus
DE 44 31 886 A1 ist ein Radar-Füllstandsmesssystem mit einer planaren, aus Abstrahlelementen auf einer Schaltkreisplatine bestehenden Array-Antenne bekannt, die flächig auf einem Mikrowellenfenster aus einem tragenden dielektrischen Material wie Glas oder Keramik angeordnet ist, das druckfest eine Behälteröffnung abdeckt.
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Ein weiteres Füllstandsmesssystem mit einer Planarantenne und einem schützenden dielektrischen Mikrowellenfenster ist aus
JP 10197617 A bekannt, während beispielsweise
US 5,703,289 ,
US 5,507,181 ,
JP 08316701 A und
US 2003/0030517 A1 Flanschkonstruktionen für die Halterung von Mikrowellenfenstern beschreiben.
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Aus
DE 101 08 993 A1 ist ein Füllstandsmesssystem mit einer in einer Behälteröffnung montierten Planarantenne bekannt, die eine Antennenstruktur zwischen zwei dielektrischen Schichten enthält.
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WO 03/085365 A1 beschreibt ein Radar-Füllstandsmesssystem mit einer Planarantenne, die an dem als Mikrowellenfenster dienenden Boden eines in dem Füllgutbehälter befestigten zylindrischen Kunststoffgehäuses angeordnet ist, in dem oberhalb der Planarantenne auch deren Elektronikeinheit für Erzeugung und Auswertung der Sende- und Empfangssignale montiert sind. An seiner dem Boden gegenüberliegenden Oberseite ist in das Kunststoffgehäuse ein ebenfalls aus Kunststoff bestehender Deckel eingesetzt.
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Soweit aus dem Stand der Technik bekannte Systeme die oben erwähnten Probleme hinsichtlich druckfester Abdichtung und Verunreinigungen vermeiden können, sind sie relativ sperrig oder aufwendig. Sie zeigen in keinem Fall das flächige Anliegen eines Stützelements und der dielektrischen Abdeckung unmittelbar an den beiden Seiten einer aus Abstrahlelementen auf einer Schaltkreisplatinenanordnung bestehenden Array-Antenne.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antennenvorrichtung mit einer im Wesentlichen flachen Array-Antenne zum Bestimmen des Füllstandes eines Füllmaterials in einem Behälter bereitzustellen, die zumindest teilweise die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik vermindert.
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Diese Aufgabe wird mit einer gemäß den beigefügten Ansprüchen definierten Antennenvorrichtung gelöst.
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Demgemäß wird also eine Antennenvorrichtung für ein Radarfüllstandsmesssystem zum Bestimmen des Füllstandes eines Füllmaterials in einem Behälter bereitgestellt, die u. a. umfasst:
eine planare, also im Wesentlichen flache Array-Antenne, die aus Abstrahlelementen auf einer Schaltkreisplatinenanordnung (ggf. einer Mehrschichtplatine) besteht, mit einem Emissionsbereich zum Emittieren von Messsignalen in Richtung der Oberfläche des Füllmaterials;
ein Mittel zum Halten der Array-Antenne über einer Öffnung des Behälters, das dazu geeignet ist, mit dem Rand der Öffnung an zumindest zwei Befestigungspunkten verbunden zu werden; und
eine schützende dielektrische Abdeckung, welche den Emissionsbereich abdeckt, wobei die dielektrische Abdeckung eine Ausdehnung aufweist, die größer ist als die Öffnung, um sich über den Rand der Öffnung und vorzugsweise bis über die Befestigungspunkte zu erstrecken.
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Diese Antennenvorrichtung verwendet eine neue Methode, um die an sich sehr gut bekannte Array-Antenne an die strikten Anforderungen eines sauberen Tankinneren anzupassen und um auch die Antennenfunktion an diese Umgebung anzupassen, einschließlich einer Möglichkeit, den Einfluss von Kondensation zu verringern.
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Die vergrößerte schützende dielektrische Abdeckung hat sich als bemerkenswert effizient herausgestellt, um Verunreinigungen und die Bildung von Bakterien und Ähnlichem auf der Antennenvorrichtung zu vermeiden. Wenn die Antennenvorrichtung über einer Behälteröffnung montiert ist, wird die dielektrische Abdeckung zwischen der Behälterwand und dem Rest der Antennenvorrichtung, d. i. die Array-Antenne und zumindest ein Teil des Haltemittels, angeordnet. Die dielektrische Abdeckung, welche beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) oder ähnlichen Materialien und vorzugsweise aus einem homogenen Material hergestellt sein kann, bietet eine saubere Oberfläche, welche der einzige Teil der Antennenvorrichtung ist, der gegenüber dem Inneren des Behälters freiliegend ist. Dadurch können die freiliegenden Teile der Antennenvorrichtung mit sehr glatten Oberflächen und ohne Materialverbindungen hergestellt werden, was sie extrem widerstandsfähig gegenüber Verunreinigungen macht. Weiterhin bietet diese dielektrische Abdeckung einen effizienten und relativ preisgünstigen Schutz gegenüber einem breiten Spektrum an Chemikalien.
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Die Antennenvorrichtung ist angepasst, um über einer Öffnung des Behälters montiert zu werden und mit dem Rand der Öffnung an zumindest zwei Befestigungspunkten verbunden zu werden. Beispielsweise kann die Antennenvorrichtung in einer Flanschabdeckung integriert sein, d. h. auf der Unterseite eines Standardflansches montiert sein. Dabei bietet die dielektrische Abdeckung auch eine sehr effiziente Abdichtung der Behälteröffnung. Dementsprechend löst die dielektrische Abdeckung das Problem der Leckage des Behälters und schützt auch die Array-Antenne gegenüber Verunreinigungen und Korrosion. Dementsprechend werden dabei effektive Maßnahmen gegenüber verschiedenen separaten Leckageproblemen gleichzeitig bereitgestellt: mit der neuen Antennenvorrichtung wird eine Leckage in die Antennenvorrichtung, welche die Antennenfunktionalität beeinflussen würde, vermieden; eine Leckage durch die emittierende Oberfläche der Antenne, welche die Antennenelektronik beeinträchtigen und stören würde, wird vermieden und schließlich wird eine Leckage durch die Antennenvorrichtung in die Umwelt vermieden.
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Weiterhin macht die sich außerhalb der Öffnung des Behälters erstreckende schützende dielektrische Abdichtung die Antennenvorrichtung gut dafür geeignet, einem hohen Druck zu widerstehen, beispielsweise durch Hinzufügen einer steifen Metall-Verstärkung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die schützende dielektrische Abdichtung eine durchschnittliche Dicke von im Wesentlichen einem Viertel der Wellenlänge (λ/4) in dem dielektrischen Abdeckungsmaterial der von der Array-Antenne emittierten Signale auf. Falls Signale verschiedener Frequenzen verwendet werden, bezieht sich der Wellenlängenparameter auf die Mittenfrequenz des Frequenzbereichs.
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Die Verwendung eines solchen dünnen dielektrischen Fensters hat die Wirkung einer guten Impedanzabstimmung, insbesondere wenn die Array-Antenne und die dielektrische Abdeckung nahe beieinander sind, wobei dies auch der mechanischen Stabilität, insbesondere um einem inneren Tankdruck zu widerstehen, zu Gute kommt. Die gebräuchlichste Frequenz liegt gerade unterhalb von 6 GHz, da das übliche Auftreten von Schaum und Oberflächenfilmen höhere Frequenzen ungeeignet macht, wobei dann ein Viertel-Wellenlängen-Fenster aus PTFE 9 mm dick ist, wobei dies aus mechanischer Sicht eine vernünftige Dicke für eine Antenne mit einem typischen Durchmesser von 100 bis 150 mm ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Antennenvorrichtung angepasst, um in einer nicht-horizontalen Position montiert zu werden, wobei jedoch die Array-Antenne steuerbar ist, um eine Maximum-Abstrahlrichtung bereitzustellen, welche im Wesentlichen vertikal ist. Dies kann beispielsweise mit einer Array-Antenne erreicht werden, die umfasst: Eine Schaltkreisplatine (printed circuit board, PCB) mit einer metallischen Schicht mit Abstrahlschlitzen auf der Seite in Richtung der Abdeckung und einem Leistungsverteil-Netzwerk auf der anderen Seite einschließlich Phasendifferenzen, um eine Antennenkeule zu erzeugen, welche eine vertikale Abstrahlung ermöglicht. Dabei wird das Problem des Bildens von Kondensationstropfen auf der emittierenden Oberfläche der Antennenvorrichtung vermieden. Die Oberfläche kann mit vielen verschiedenen Neigungswinkeln in Bezug auf eine horizontale Ebene angeordnet sein, eine Neigung von etwa 10° wurde jedoch als ausreichend herausgefunden, um das obengenannte Problem zu lösen.
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Weiterhin kann als eine alternative oder zusätzliche Maßnahme, um eine Kondensation auf der emittierenden Oberfläche der Antennenvorrichtung zu vermeiden, die Oberfläche, welche angeordnet ist, um dem Inneren des Behälters gegenüberzuliegen, zumindest lokal in Bezug auf die im Wesentlichen flache Array-Antenne geneigt sein. Bei einer Ausführungsform umfasst die Oberfläche, welche angeordnet ist, um dem Inneren des Behälters gegenüber zu liegen, eine Mehrzahl von Bereichen mit verschiedener Neigung. Es sind jedoch auch andere Geometrien genauso gut möglich.
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Bei beiden Alternativen kann (können) die geneigte(n) Oberfläche(n) mit vielen verschiedenen Neigungswinkeln in Bezug auf eine horizontale Ebene angeordnet sein, eine Neigung von etwa 10° wurde jedoch als ausreichend herausgefunden, um das obengenannte Problem zu lösen.
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Während die nicht-horizontale, im Wesentlichen flache Oberfläche mit einer vertikalen Antennenkeule die einfachste Implementierung ist, weist sie einen Nachteil dahingehend auf, dass Hardware für mehrere verschiedene Neigungen notwendig ist, insbesondere falls die Neigung zuvor nicht bekannt ist. Eine Möglichkeit, eine Wahl der Neigung während der Installation treffen zu können, würde dies lösen. Dies kann beispielsweise mittels einer Array-Antenne erreicht werden, welche eine zweite PCB mit einer Möglichkeit zum Ändern der Phasendifferenz durch Verändern des Musters auf der zweiten PCB in Bezug auf die erste PCB umfasst. Dabei kann die Richtung der Keule einfach während der Installation verändert werden, ohne die gelieferte Hardware auszutauschen, wobei dies die Antennenvorrichtung sehr flexibel macht und es einfach macht, sie für verschiedene Anwendungen anzupassen.
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Das oben erwähnte Muster ist vorzugsweise angeordnet, um zwei Polarisationen bereitzustellen, um die Sende- und die Empfangs-Antennenfunktion zu trennen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die schützende dielektrische Abdeckung mit der Array-Antenne integral. Dadurch wird eine sehr saubere Antennenvorrichtung geschaffen, da kein eingeschlossener Luftraum zwischen der Array-Antenne und der dielektrischen Abdeckung verbleibt. Weiterhin wird dabei die Druckstabilität der Vorrichtung verbessert.
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Erfindungsgemäß ist zur Halterung der Array-Antenne ein auf der Rückseite der Array-Antenne angeordnetes plattenförmiges Stützelement aus einem starren Material vorgesehen, um die Widerstandsfähigkeit gegenüber Druck zu verbessern. Dabei wird eine relativ einfache aber hoch effiziente Antennenvorrichtung mit der Fähigkeit, hohen Drücken zu widerstehen, bereitgestellt.
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Dieser und andere Aspekte der Erfindung werden aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen deutlich und mit Bezug auf diese erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele genauer beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines Behälters, an dem eine Antennenvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung angeordnet ist;
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2 eine schematische seitliche Schnittansicht einer Antennenvorrichtung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine schematische seitliche Schnittansicht einer Antennenvorrichtung in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
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4 ein Beispiel eines Einspeisenetzwerks für eine Array-Antenne, welches ermöglicht, dass die Richtung des Strahls geändert wird.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In der 1 ist schematisch ein Behälter, wie beispielsweise ein Tank, zum Aufbewahren einer Flüssigkeit oder Ähnlichem gezeigt. In dem Dachteil ist eine Antennenvorrichtung 1 zum Füllstandsmessen angeordnet. Die Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsformen einer solchen Antennenvorrichtung werden genauer im Folgenden beschrieben.
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Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 sind Antennenvorrichtungen 1 in Übereinstimmung mit einer ersten und einer zweiten Ausführungsform zum Bestimmen des Füllstandes eines Füllmaterials in einem Behälter gezeigt. Die Antennenvorrichtungen umfassen eine im Wesentlichen flache Array-Antenne 2 mit einem Emissionsbereich zum Emittieren von Messsignalen in Richtung der Oberfläche des Füllmaterials. Die Struktur und Funktionalität der Antennenvorrichtungen der ersten und der zweiten Ausführungsform sind im Wesentlichen dieselben mit Ausnahme der im Folgenden explizit beschriebenen unterschiedlichen Teile.
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Auf der anderen nicht-emittierenden Seite der Array-Antenne 2 ist ein Stützelement 3 angeordnet, um die Array-Antenne über einer Öffnung 4 des Behälters 5 zu halten und um mit dem Rand der Öffnung an zumindest zwei Befestigungspunkten 6 verbunden zu werden. Das Stützelment 3 ist ein plattenförmiges Element aus einem steifen Material, wie beispielsweise Stahl, und weist gute Widerstandseigenschaften gegenüber Druck auf. An den Befestigungspunkten 6 kann die Antennenvorrichtung mit der Behälterwand mittels Befestigungen verbunden sein, wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist. Beispielsweise kann die Antennenvorrichtung mittels Befestigungsschrauben befestigt werden. Vorzugsweise werden eine Mehrzahl von Befestigungspunkten verwendet und vorzugsweise äquidistant um den Umfangsteil der Antennenvorrichtung verteilt.
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Die Array-Antenne 2 ist vangeordnet, um Mikrowellen zur Radarfüllstandsmessung zu emittieren und kann zusammen mit herkömmlichen Ausrüstungen zur Radarfüllstandsmessung verwendet werden. Die Array-Antenne 2 enthält vorzugsweise eine Mehrzahl von Abstrahlelementen (Patches, Schlitzen, etc.) und irgendeine Art von gedruckter Verkabelung zur Einspeisung und Leistungsverteilung. Eine oder mehrere Schaltkreisplatinen können abhängig von der Verwendung benötigt werden. Eine solche Ausrüstung ist im Stand der Technik per se bekannt und wird hier nicht weiter beschrieben.
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Der Öffnung 4 des Behälters 5 am nächsten ist eine schützende dielektrische Abdeckung 7 vorgesehen. Die dielektrische Abdeckung 7 ist angeordnet, um den Emissionsbereich der Array-Antenne 2 gegenüber dem Inneren des Behälters abzudecken, und ist vorzugsweise integral mit ihr ausgeführt. Wenn die Antennenvorrichtung über einer Öffnung des Behälters montiert ist, ist die dielektrische Abdeckung zwischen der Behälterwand und dem Rest der Antennenvorrichtung, d. h. der Array-Antenne und zumindest einem Teil des Haltemittels, platziert. Weiterhin ist die dielektrische Abdeckung groß genug, um sich über die Öffnung der Behälterwand und über die Befestigungspunkte 6 zu erstrecken. Hierbei ist der einzige Kontakt zwischen der Antennenvorrichtung und der Behälterwand durch die dielektrische Abdeckung gegeben.
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Die dielektrische Abdeckung 7 dient sowohl als ein Schutz für die Array-Antenne 2 als auch als eine Dichtung zwischen dem Behälter und der Antennenvorrichtung. Falls eine Leckage des Tanks auftreten sollte, tritt keine Leckage in die Antennenschaltkreise auf. Vorzugsweise ist die dielektrische Abdeckung 7 eine im Wesentlichen flache Platte. Die vergrößerte Ausdehnung der Platte stellt einen zur Dichtung verwendeten Rahmen bereit. Der Rahmen kann an die Behälterwand, beispielsweise an einem Loch in seinem Dach, durch beispielsweise einen metallischen Rahmen gedrückt werden. Das Behälterdach ist üblicherweise konisch und der dielektrische Rahmen kann mechanisch an eine konische Form angepasst sein, beispielsweise durch Fräsen einer speziellen Form. Aufgrund der üblicherweise begrenzten Größe des Fensters, normalerweise können 100 bis 150 mm angenommen werden, ist eine solche Formanpassung relativ klein, typisch 1 bis 3 mm Bogenhöhe, und es kann sogar ein Biegen während der Montage in Betracht gezogen werden. Natürlich kann die dielektrische Abdeckung jedoch auch so konstruiert sein, dass sie zu einem Standardflansch oder anderen Arten von Behälteröffnungen passt.
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Die dielektrische Abdeckung 7 ist vorzugsweise integral mit der Array-Antenne 2, d. h. die Komponenten sind in direktem Kontakt miteinander angeordnet. Durch das Nichtvorhandensein von Luft in der Array-Antenne und in der dielektrischen Abdeckung ist es möglich, eine gute Abstützung für die Abdeckung zu erhalten, um Druck widerstehen zu können.
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Die Einspeisung ist in der 2 nicht gezeigt aber per se gut bekannt und kann durch irgendeine beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Methode verwirklicht sein. Ein Koaxialverbinder kann beispielsweise das metallische Stützelement 3 durchdringen und mit dem Leitungsmuster verbunden sein. Dieser Verbinder muss keinen Druck abstützen. Ein zu dem Stützelement 3 senkrecht stehender Wellenleiter kann für denselben Zweck verwendet werden und auch einen zweiten Übertragungsweg (Senden/Empfangen, Dualpolarisation etc.) ermöglichen. Auch die in der 3 gezeigte radiale Verbindung kann verwendet werden.
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Die dielektrische Abdeckung 7 kann beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt sein, es sind jedoch genauso gut viele andere dielektrische Materialien verwendbar. Vorzugsweise ist die dielektrische Abdeckung aus einem homogenen Material hergestellt. Jedoch sind auch verschiedene Materialien in verschiedenen Abschnitten der Abdeckung, beispielsweise in dem über der Öffnung zu platzierenden Teil und dem über dem Öffnungsrahmen zu platzierenden Teil, für bestimmte Anwendungen verwendbar.
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Die dielektrische Abdeckung 7 ist vorzugsweise relativ dünn. Speziell kann eine mittlere Dicke von im Wesentlichen einem Viertel der Wellenlänge, λ/4, der von der Array-Antenne emittierten Signale verwendet werden. Die gebräuchlichste Frequenz liegt gerade unterhalb von 6 GHz, da das übliche Auftreten von Schaum und Oberflächenfilmen höhere Frequenzen ungeeignet macht, wobei dann ein Viertel-Wellenlängen-Fenster aus PTFE 9 mm dick sein wird, wobei dies von einem mechanischen Standpunkt aus eine vernünftige Dicke für eine Antenne mit einem typischen Durchmesser von 100 bis 150 mm ist. Die Viertelwellenlänge-Dicke ist verwendbar, um die Mikrowellenabstimmung der Antenne zu vereinfachen, es sind jedoch auch viele andere Techniken zum Erhalten einer guten Antennenabstimmung möglich, beispielsweise das Vorsehen von dünneren Abdeckungslagen etc.
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Um Probleme wie beispielsweise Kondensation auf der Emissionsoberfläche zu vermindern, wird bevorzugt, die dem Inneren des Behälters zugewandte Oberfläche der Antennenvorrichtung in einer nicht-horizontalen Ausrichtung anzuordnen. Dies kann im Wesentlichen auf zwei verschiedene Arten erreicht werden: durch Anordnen der Antennenvorrichtung in einer geneigten, d. h. nicht-horizontalen Ausrichtung oder durch Versehen der dielektrischen Abdeckung mit einer Geometrie, welche zumindest lokal geneigte Bereiche in Bezug auf die im Wesentlichen flache Array-Antenne aufweist. Verschiedene Kombinationen dieser Lösungen sind auch möglich. Eine Montage direkt auf dem Tankdach wird normalerweise eine bevorzugte Lösung sein, um versteckte Räume für Verschmutzungen zu vermeiden, bei vielen Anwendungen wird jedoch eine Montage an einem horizontalen oder nicht-horizontalen Flansch gebräuchlicher sein.
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Wenn die Antennenvorrichtung in einer nicht-horizontalen Position montiert ist, ist sie vorzugsweise über einer nicht-horizontalen Öffnung in der Behälterwand montiert. Eine solche Anordnung ist schematisch in der 1 gezeigt. In einer solchen Anordnung wird jedoch bevorzugt, dass die abgestrahlte Antennenkeule eine im Wesentlichen vertikale Richtung aufweist. Das Vorsehen einer Antennenkeule in einer nicht-senkrechten Richtung in Bezug auf die Emissionsoberfläche kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Die nicht-senkrechte Richtung der Antennenkeule kann fest in einer Richtung in einem Winkel angeordnet sein, der gewählt ist, um zu einer nicht-horizontalen Montage in einem Tank zu passen. Der Richtungswinkel der Keule kann aber auch steuerbar sein, in diesem Fall kann der Richtungswinkel der Keule für jede Montageposition eingestellt werden und dementsprechend kann ein und dieselbe Antennenvorrichtung in vielen verschiedenen nicht-horizontalen Positionen und in verschiedenen Tanks und Behältern montiert werden.
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Der Neigungswinkel kann basierend auf der in Frage stehenden Anwendung, den vorliegenden Umweltbedingungen etc. gewählt werden und das beschriebene Prinzip ist an einen Bereich von Montagewinkeln anpassbar. Beispielsweise kann eine Neigung von 5, 15, 25 und 35 Grad ein praktischer Bereich von Neigungen sein, wobei jeder Bereich ±5° um diese Winkel herum abdeckt.
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Als eine Alternative oder Vervollständigung kann die dielektrische Abdeckung 7 eine Geometrie aufweisen, bei welcher die Oberfläche, welche angeordnet ist, um dem Inneren des Behälters zugewandt zu sein, mit zumindest einem und vorzugsweise einer Mehrzahl von Bereichen mit verschiedener Neigung versehen ist. Eine solche Ausführungsform ist in der 3 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Antennenvorrichtung in einer im Wesentlichen horizontalen Position angeordnet und die dielektrische Abdeckung 7 ist mit einer flachen obenliegenden Oberfläche versehen, welche der Array-Antenne zugewandt ist, und mit einer Mehrzahl von lokal geneigten Bereichen 10 in der untenliegenden Oberfläche, die dem Inneren des Behälters zugewandt sind. Die Antennenvorrichtung dieser Ausführungsform kann für höhere Drücke verwendet werden, da sie an herkömmlichen, typisch horizontalen Flanschen montiert werden kann. Die Einspeisung in der 3 kann auf die gleiche Weise wie zuvor beschrieben realisiert sein, sie ist jedoch in der 3 ausgeführt, indem eine der Schaltkreisplatinen sich durch den Flansch erstreckt, um mit dem Verbinder 11 verbunden zu werden.
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Um eine Neigung zu erhalten, bei der eine unerwünschte Ansammlung von Kondensat vermieden wird, kann die untere Oberfläche des PTFE-Fensters beispielsweise mit einem Muster von kleinen ”Pyramiden” geformt sein, die nach unten ausgerichtet sind. Jede Pyramide ist vorzugsweise von derselben Größe entsprechend der Periodizität des Abstrahlmusters und dementsprechend kann die elektrische Funktion bei trockener Oberfläche mit einer geeignet gewählten Höhe der Pyramiden dieselbe sein wie für eine flache Oberfläche.
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Die Array-Antenne kann ein Antennenmuster umfassen, das typisch auf einer PCB-ähnlichen Struktur hergestellt ist, bei der eine Kupferlage mit Antennenelementen oder Schlitzen versehen und die gegen die dielektrische Abdeckung gedrückt oder daran angeklebt ist. Weiterhin ist das Muster vorzugsweise mit einem Verteilungsmuster auf der Rückseite ausgestattet.
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Das Verteilungsmuster kann vorzugsweise eine Impedanzabstimmung und Mittel für einen Phasenverschiebung umfassen, beispielsweise mittels verschiedener Leitungslängen, um eine im Wesentlichen vertikale Antennenkeule ungeachtet einer möglichen nicht-horizontalen Montage auf einem Behälterdach zu erhalten.
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Das Muster kann für einen bestimmten Bereich von Dachneigung angepasst sein. Durch Anordnen eines Teils der Verzögerungsleitungen auf einer oberen Schaltkreisplatine 9 kann aber eine Änderung der oberen Platine oder ihrer Montage dazu verwendet werden, die Richtung einzustellen, falls dies benötigt wird. Dadurch wird die Richtung der ausgestrahlten Hauptkeule steuerbar. Beispielsweise kann das Array mit einem Verteilungsmuster auf der ersten Schaltkreisplatine für verschiedene Winkel durch eine quadratische zweite Schaltkreisplatine 9 angepasst werden, welche ein Muster aufweist, das mit dem ersten Muster auf vier verschiedene Arten in Abhängigkeit von der Montage (Drehneigung) der quadratischen zweiten Schaltkreisplatine interagiert. Nach ihrer Montage können die Schaltkreisplatinen versiegelt werden.
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Die 4 zeigt eine mögliche Anordnung, um dies zu implementieren. Auf dem untersten Teil 12 der 4 sind vier Reihen mit jeweils vier Kreisen 13 vorgesehen, welche jeweils ein Antennenelement oder eine kleine Gruppe von zusammenhängenden Elementen repräsentieren. Die Reihen sind horizontal (auch in der realen Anordnung) und werden durch eine gemeinsame Leitung von vier gemeinsamen Anschlusspunkten 14 gespeist. Der mittlere Teil 15 enthält einen gemeinsamen Verbindungspunkt 16 (mit einem Koaxialverbinder etc., der durch ein Loch in dem höchsten Teil 19 verbunden ist), ein Leistungsverteilnetzwerk 17 und Leitungen, welche mit den Anschlusspunkten 14 an dem untersten Teil 12 zusammenstoßen. Die zwischen dem Netzwerk 17 und den Punkten 14 verlaufenden Leitungen weisen eine Lücke 18 in jeder Leitung auf. An dem höchsten Teil 19 in der 4 sind Muster 20 vorgesehen, welche die Lücken 18 verbinden. Die Verbindungen über die Lücken können verschiedene Längen aufweisen, wobei eine Neigung der Antennenkeule durch Einstellen der Phase für die verschiedenen horizontalen Reihen von Antennenelementen entsteht. Weiterhin ist der höchste Teil 19 quadratisch ausgeführt und man kann ihn in vier Positionen anordnen, wobei jede Position verschiedne Verzögerungsleitungen gemäß den Mustern 20 aufweist. Die Schaltkreisplatine gemäß dem Teil 19 wird bei der Installation in Abhängigkeit von der gewünschten Keulenrichtung in eine geeignete Position gedreht. Falls gewünscht, kann die Schaltkreisplatine verschiedene Muster auf ihren zwei Seiten aufweisen, womit acht mögliche Muster und Keulenrichtungen ermöglicht werden. Nicht nur die Keulenrichtung sondern auch die Polarisation und andere Charakteristika können auf diese Weise geändert werden. Die Verbindung von den Mustern 20 zu den Lücken 18 kann galvanisch sein, sie ist jedoch vorzugsweise durch Viertel-Wellenlängen-Leitungen mit dünner Isolation ausgeführt, um zu Gunsten einer verlässliche Verbindung weniger empfindlich zu sein, wenn die Schaltkreisplatinen während der Installation vor Ort aneinandergepresst werden.
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Die Dicke der dielektrischen Abdeckung muss nicht über die gesamte Oberfläche dieselbe sein, eine einheitliche Dicke ist jedoch eine praktische Wahl, da die dielektrische Abdeckung leicht unterschiedlich in unterschiedlichen Fällen sein muss, während eine sehr eingeschränkte Wahl von Schaltkreisplatinen praktisch ist (wie beipielsweise 100 × 100 mm mit 4 × 4 Schlitzen oder 150 × 150 mm mit 6 × 6 Schlitzen, wobei in beiden Fällen die Anzahl von Schlitzen zur Verwendung nahe bei 6 GHz angepasst sind).
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Die Array-Antenne kann zur Verwendung mit nur einer Antennenfunktion angepasst sein, d. h. dieselben Antennenkomponenten werden als Sender und als Empfänger verwendet. Die Array-Antenne kann jedoch auch angepasst sein, um die Empfänger- und die Sender-Antennenfunktionalität zu trennen. Beispielsweise ist es möglich, verschiedene Polarisationen zum Senden und zum Empfangen zu verwenden (vert/hor oder RHCP/LHCP), um die Sender- und die Empfänger-Funktionalität zu trennen. Weiterhin können die meisten bekannten Methoden aus dem Stand der Technik der gedruckten Array-Antennen verwendet werden.
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Ferner muss die Array-Antenne nicht notwendigerweise eine gedruckte Schaltkreisplatine sein, es können vielmehr andere Typen von metallischen Mustern genauso gut verwendet werden.
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Zu den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind für den Fachmann verschiedene Alternativen möglich. Beispielsweise können viele verschiedene Materialien für die verschiedenen Komponenten der Antennenvorrichtung verwendet werden, es können verschiedene Typen von Array-Antennen verwendet werden, es können verschiedene Arten des Verbindens der Antennenvorrichtung mit dem Behälter angewendet werden etc.
