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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung mit einer
im Wesentlichen flachen Array-Antenne zum Bestimmen des Füllstandes
eines Füllmaterials
in einem Behälter.
Insbesondere ist die Erfindung bei Anwendungen verwendbar, bei denen eine
Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Verunreinigungen von besonderer Wichtigkeit ist, wie beispielsweise
bei mikrobiologischen Anwendungen, und bei Anwendungen, bei denen
es wichtig ist, eine Ausdehnung 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 flache Array-Antenne. Eine Array-Antenne
kann beispielsweise einen schmalen Antennenrichtstrahl erzeugen
ohne den Messbereich durch ihre vertikale Ausdehnung zu vermindern,
was der Fall wäre,
falls 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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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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Erfindungsgemäß wird eine
Antennenvorrichtung für
ein Radarfüllstandsmesssystem
zum Bestimmen des Füllstandes
eines Füllmaterials
in einem Behälter
bereitgestellt, die umfasst:
eine im Wesentlichen flache Array-Antenne
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 allgemeine 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 üblichen
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 sein, 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 gedruckte Platine (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 Ar ray-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
einige 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 durch Mittel 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
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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Es
wird weiterhin bevorzugt, dass das Mittel zum Halten der Array-Antenne
eine auf der Rückseite der
Array-Antenne angeordnete Unterstützung umfasst, um die Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Druck zu verbessern. Beispielsweise kann die Unterstützung zum
Halten der Array-Antenne ein plattenähnliches Element aus einem
starren Material umfassen. 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 hierin nachfolgend
beschriebenen Ausführungsformen
deutlich und mit Bezug auf diese erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Zu
Beispielszwecken wird die Erfindung im Folgenden unter Bezugnahme
auf ihre in den beigefügten
Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen genauer
beschrieben, wobei:
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1 ist
eine schematische seitliche Schnittansicht eines Behälters, in
dem eine Antennenvorrichtung in Übereinstimmung
mit der Ausführungsform
angeordnet ist;
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2 ist
eine schematische seitliche Schnittansicht einer Antennenvorrichtung
in Übereinstimmung
mit einer ersten Ausführungsform
der Erfindung; und
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3 ist
eine schematische seitliche Schnittansicht einer Antennenvorrichtung
in Übereinstimmung
mit einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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4 ist
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 ein schematischer 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 ist eine
Unterstützung 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.
Die Unterstützung 3 ist
vorzugsweise ein plattenähnliches
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 ist vorzugsweise angeordnet, um Mikrowellen zur Radarfüllstandsmessung zu
emittieren und kann zusammen mit herkömmlichen Ausrüstungen
zur Radarfüllstandsmessung verwendet
werden. Die Array-Antenne enthält
vorzugsweise eine Mehrzahl von Abstrahlelementen (Patches, Schlitzen,
etc.) und irgendeine Art von gedruckter Verkabelung zur Einspeisung
und Leistungsverteilung. Eine oder mehrere Schalterplatinen können abhängig von
der Verwendung benötigt
werden. Eine solche Ausrüstung
ist im Stand der Technik per se bekannt und wird nicht weiter in
dieser Anmeldung beschrieben.
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Als
nächstes
relativ zu der Öffnung 4 des
Behälters 5 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 dient sowohl als ein Schutz für die Array-Antenne
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 eine im Wesentlichen flache Platte. Die vergrößerte Ausdehnung
der Platte stellt einen zur Dichtung verwendeten Rahmen bereit.
Der Rahmen kann an die Behälterwand,
beispielsweise 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 üblicherweise
klein, üblicherweise
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 ist vorzugsweise integral mit der Array-Antenne,
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 Lagerung 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 Koaxial verbinder
kann beispielsweise die metallische Unterstützung 3 durchdringen
und mit dem Leitungsmuster verbunden sein. Dieser Verbinder muss
keinen Druck abstützen.
Ein zu 3 senkrecht stehender Wellenleiter kann für denselben Zweck verwendet
werden und auch einen zweiten Übertragungsweg
(Senden/Empfangen, Dualpolarisation etc.) ermöglichen. Die in der 3 gezeigte
radiale Verbindung kann auch verwendet werden.
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Die
dielektrische Abdeckung 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 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 ebenso 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 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 sein.
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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 ± 5° um diese Winkel herum abdeckt.
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Als
eine Alternative oder Vervollständigung kann
die dielektrische Abdeckung 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 2 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform
ist die Antennenvorrichtung in einer im Wesentlichen horizontalen
Position angeordnet und die dielektrische Abdeckung ist mit einer
flachen obenliegenden Oberfläche
versehen, welche der Array-Antenne zugewandt ist, und eine Mehrzahl
von lokal geneigten Bereichen 10 in der untenliegenden
Oberfläche
zeigen zu dem Inneren des Behälters.
Die Antennenvorrichtung dieser Ausführungsform kann für höhere Drücke verwendet
werden, da sie an herkömmlichen, üblicherweise
horizontalen Flanschen montiert sein 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 PCBs sich
durch den Flansch erstreckt, um mit dem Verbinder 11 verbunden
zu werden.
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Um
eine Neigung zu erhalten, um eine unerwünschte Ansammlung von Kondensat
zu vermeiden, 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, da die Periodizität des Abstrahlmusters
und dementsprechend die elektrische Funktion bei trockener Oberfläche mit
einer geeignet gewählten Höhe der Pyramiden
dieselbe sein kann wie für
eine flache Oberfläche.
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Die
Array-Antenne kann ein Antennenmuster umfassen, das üblicherweise
auf einer PCB-ähnlichen
Struktur hergestellt ist, wobei eine Kupferlage mit Anschlüssen oder
Schlitzen versehen ist 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 durch Mittel verschiedener
Leitungslängen,
um eine im Wesentlichen vertikale Antennenkeule in Anbetracht 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 eine Änderung der
oberen Platine oder ihrer Montage verwendet werden, um die Richtung
einzustellen, falls dies benötigt
wird. Hierbei wird die Richtung der ausgestrahlten Hauptkeule steuerbar.
Beispielsweise kann das Array mit einem Verteilungsmuster auf der
ersten PCB für
verschiedene Winkel durch eine quadratische zweite PCB 9 angepasst
werden, welche ein Muster aufweist, das mit dem ersten Muster auf
vier verschiedene Arten in Abhängigkeit
von dem Aufbau (Neigung) der quadratischen zweiten PCB interagiert.
Wenn die PCBs montiert wurden, können
sie 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 zusammengeschweißten Elementen
repräsentieren.
Die Reihen sind horizontal (auch in der realen Anordnung) und werden durch
eine gemeinsame Leitung von vier gemeinsamen Punkten 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 Verbindern 14 an dem untersten Teil 12 zusammenstoßen. Die
zwischen 17 und 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 20 aufweist.
Die Schaltkreisplatine 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, wobei damit 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 20 zu den Lücken 19 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 PCBs 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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Außerdem muss
die Array-Antenne nicht notwendigerweise eine gedruckte Schalterplatine sein,
es können
vielmehr andere Typen von metallischen Mustern genauso gut verwendet
werden.
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Bestimmte
Ausführungsformen
der Erfindung wurden nun beschrieben. Verschiedene Alternativen
sind jedoch möglich,
wie für
den Fachmann offensichtlich ist. 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. Solche und andere offensichtlichen Modifikationen müssen als
innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegend angesehen
werden, wie sie durch die beigefügten
Ansprüche
definiert wird.
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Zusammenfassung
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Es
wird eine Antennenvorrichtung zum Bestimmen des Füllstandes
eines Füllmaterials
in einem Behälter
(Tank) offenbart. Die Antennenvorrichtung umfasst eine im Wesentlichen
flache Array-Antenne mit einem Emissionsbereich zum Emittieren von
Messsignalen in Richtung der Oberfläche des Füllmaterials und ein Mittel
zum Halten der Array-Antenne über
einer Öffnung
des Behälters,
wobei das Mittel dazu geeignet ist, mit dem Rand der Öffnung an
zumindest zwei Befestigungspunkten verbunden zu werden. Weiterhin
umfasst sie 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
zu erstrecken. Die Antennenvorrichtung bietet verschiedene Vorteile,
wie beispielsweise eine sehr effiziente Abdichtung der Behälteröffnung,
eine sehr saubere Lösung
in Richtung des Behälters
und einen sehr effektiven Schutz der Array-Antenne. Insbesondere
ist die Antennenvorrichtung bei Anwendungen verwendbar, bei denen
eine Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Verunreinigungen von spezieller Wichtigkeit ist, wie beispielsweise
bei mikrobiologischen Anwendungen, und bei Anwendungen, bei denen
es wichtig ist, eine Ausdehnung der Antennenvorrichtung in das Behälterinnere
zu vermeiden.