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Die Erfindung betrifft eine Koaxialsonde für einen Füllstandssensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Eine derartige Koaxialsonde findet beispielsweise in einem Füllstandssensor nach dem TDR-Prinzip (time domain reflectometry) Verwendung. Bei diesem Messverfahren wird ein elektrisches Signal, üblicherweise ein Mikrowellenpuls, auf die Koaxialsonde gegeben und pflanzt sich dort mit Lichtgeschwindigkeit fort. Trifft der Puls auf eine Störstelle, beispielsweise den Übergang von Luft auf eine Medienoberfläche in einem Behälter, so wird ein Teil der Energie als Echopuls reflektiert. Die Signallaufzeit bis zum Empfang dieses Echopulses ist dann ein Maß für die Entfernung der Störstelle. Da anders als bei einem Radar das Sendesignal nicht in den freien Raum abgestrahlt wird, bezeichnet man das Messprinzip auch als geführtes Radar.
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Um von der Geometrie eines Behälters, in den der Sensor eingesetzt ist, unabhängig zu sein, werden in TDR-Füllstandssensoren statt sogenannten Monosonden mit nur einem einfachen Leiter auch geschlossene Sonden verwendet, welche einen koaxialen Leiter mit Innenleiter und Außenleiter aufweisen. Voraussetzung ist dann, dass die zu messenden Flüssigkeiten oder sonstigen Medien wie Schüttgut innerhalb des koaxialen Leiters denselben Pegelstand aufweisen wie in dem Behälter. Dazu kann der Außenleiter entsprechend durchlässig gestaltet sein.
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Ein Problem mit Koaxialsonden besteht darin, dass der Innenleiter und der Außenleiter voneinander elektrisch getrennt bleiben müssen. Besonders bei etwas längeren Koaxialsonden beispielsweise über 1,4 m Länge kann es durch Verbiegen oder Schwingen des Innenleiters zu Veränderungen der Wellenleiteigenschaften oder gar zu einem Kurzschluss mit dem Außenleiter und damit zu Fehlmessungen kommen.
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Um dies zu verhindern, werden herkömmlich Abstandshalter, sogenannte Spacer, in die Koaxialsonde eingebaut. Deren Aufgabe ist, die Positionierung des Innenleiters in dem Außenleiter zu fixieren und zu zentrieren. Die Abstandshalter haben selbst eine von Luft abweichende Dielektrizitätskonstante und können somit ein Echo erzeugen, welches die TDR-Messung stört. Zudem wird möglicherweise der notwendige Mediumaustausch behindert und deswegen die Messung verfälscht. Abstandshalter bilden dabei eine Art Drossel, bei der das Medium in der Koaxialsonde aufgrund zu kleiner oder zu weniger Öffnungen in dem Abstandshalter nicht schnell genug abfließen kann. Auch können Tropfen des Mediums bedingt durch Oberflächenspannung und Adhäsionskräfte in den Öffnungen hängen bleiben. Deshalb sind die Geometrie und das Material von Abstandshaltern sorgfältig zu wählen. Zu komplizierte Geometrien wiederum haben den Nachteil, dass dies die Herstellung der Abstandshalter verteuert, etwa weil ein Spritzguss- oder Extrusionswerkzeug mit hohen Investitionskosten oder eine spanabhebende Bearbeitung, wie Drehen oder Fräsen, mit hohen Stückkosten benötigt wir.
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Ein weiteres Problem stellt sich, wenn die Abstandshalter nachträglich montierbar sein sollen. Dabei steht man zunächst vor der Schwierigkeit, den Abstandshalter in dem Außenrohr zu befestigen, das den Außenleiter bildet. Das gestaltet sich ohne spezielle Hilfswerkzeuge sehr schwierig, weil das Außenrohr langgestreckt mit kleinem Durchmesser und nur von den Stirnseiten her zugänglich ist. Im nächsten Schritt muss man dann ebenfalls von der Stirnseite des Außenrohrs her kommend und weitgehend blind mit dem Innenleiter das Zentrum des in dem Außenrohr eingesetzten Abstandshalters treffen. Dieser Prozess ist nicht nur äußerst umständlich und wenig benutzerfreundlich, sondern birgt auch noch die Gefahr, den Abstandshalter zu beschädigen oder wieder aus seiner Halterung zu stoßen, so dass der Innenleiter nicht richtig zentriert wird.
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Es sind verschiedene Geometrien von Abstandshaltern bekannt. Die
DE 10 2004 032 965 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Ausrichten und Zentrieren eines stab- oder seilförmigen Oberflächenwellenleiters eines Feldgeräts, welche ein Zentrierelement aus einem Material einer vorgegebenen Dielektrizitätskonstanten aufweist. Um für den Bereich der Hochtemperaturanwendungen geeignet zu sein, werden Keramiken mit ε
r ≈ 5–10 eingesetzt. Es werden verschiedene Geometrien des Zentrierelements vorge-
schlagen, wie Lochscheiben, Zahnräder, mehrere radial vom Innenleiter abstehende und dort fixierte Bolzen oder dergleichen.
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Ein weiterer herkömmlicher Abstandshalter wird in der
DE 20 2008 007 989 U1 beschrieben und weist die Form eines Wagenrades oder eines Schmetterlings auf. Die herkömmlichen Geometrien und Fixierungen der Abstandshalter überwinden aber die oben genannten Nachteile nicht.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine ungenügende Zentrierung des Innenleiters in einer Koaxialsonde in einer verbesserten oder vereinfachten Weise zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Koaxialsonde für einen Füllstandssensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, das Abstandshalteelement nicht über die Stirnseiten, sondern seitlich in das Außenrohr einzuführen. Dazu weist das Außenrohr Öffnungen auf, durch welche das Abstandselement eingebracht wird.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Montage eines Abstandshalteelements und die Zentrierung des Innenleiters durch das Abstandshalteelement erheblich vereinfacht werden. Dabei ergibt sich eine hohe mechanische Stabilität und Schwingfestigkeit der Koaxialsonde, welche Fehlmessungen durch veränderte Wellenleiteigenschaften oder gar Kurzschluss vermeidet und die Reproduzierbarkeit von Messergebnissen verbessert. Zugleich kann das Abstandshalteelement besonders kostengünstig hergestellt werden.
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Das Abstandshalteelement hat vorzugsweise eine möglichst kleine räumliche Ausdehnung, um ein unerwünschtes Störsignal aufgrund der zu Luft unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten des Abstandshalteelements zu minimieren. Aus dem gleichen Grund sollte das Abstandshalteelement möglichst wenig Materialvolumen aufweisen. Dies verhindert auch gemeinsam mit großen verbleibenden Durchbrüchen das Hängenbleiben von Medienresten oder Tropfen aufgrund der Oberflächenspannung und von Adhäsionskräften.
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Das Abstandshalteelement steht bevorzugt mit dem Außenrohr an den Öffnungen in Schnappeingriff. Somit kann die Montage des Abstandshalteelements ohne Werkzeug erfolgen, und die Verbindung bleibt dennoch stabil. Vorzugsweise ermöglicht der Schnappeingriff auch durch entsprechende Krafteinwirkung, die im üblichen Betrieb nicht auftritt, ein späteres erneutes Lösen des Abstandshalteelements. Das Abstandshalteelement ist bevorzugt mehrteilig und in mehreren Öffnungen des Außenrohres eingesetzt. Vorzugsweise ist dabei jedem der mehreren Teile des Abstandshalteelements eine eigene Öffnung zugeordnet. Damit kann das Abstandselement von mehreren Seiten an dem Innenleiter angreifen und ihn so zuverlässig zentrieren. Eine der Anzahl der Teile entsprechende Anzahl Öffnungen kann auf gleicher Höhe des Außenrohres angeordnet sein.
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Die mehreren Teile des Abstandshalteelements sind bevorzugt in Längsrichtung der Koaxialsonde gegeneinander versetzt angeordnet. Das ist eine Alternative zu einer Anordnung auf gleicher Höhe, bei der vorzugsweise eine den mehreren Teilen entsprechende Anzahl Öffnungen mit passendem Höhenversatz auf dem Außenrohr angeordnet ist. Durch den Versatz wird möglicherweise je nach Höhenversatz bei Verwendung mehrerer Abstandshalteelemente die Zuordnung von Teilen zu einem Abstandshalteelement mehrdeutig, was aber auf die Funktion keine nachteilige Auswirkung hat. Indem die Teile nicht auf gleicher Höhe vorgesehen sind, kann die wirksame Änderung der Dielektrizitätskonstante und damit ein davon erzeugtes Störsignal minimiert werden. Außerdem entstehen große Durchbrüche, welche eine Drosselwirkung gegenüber dem innerhalb der Koaxialsonde strömenden Medium verringern.
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Das Abstandshalteelement weist bevorzugt mehrere Stifte auf. Das sind besonders einfach herzustellende und einzusetzende Einzelteile, aus denen ein Abstandshalteelement zusammengesetzt sein kann. Die Stifte sind zudem in der hauptsächlich beanspruchten Radialrichtung sehr stabil. Ganz besonders eignen sich genau drei solcher Stifte, weil so einerseits der Innenleiter über seinen Umfang an drei Stellen und damit sicher zentriert wird, andererseits möglichst wenige Arbeitsschritte erforderlich sind, um das Abstandshalteelement einzusetzen
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Die Stifte weisen bevorzugt an einer in radialer Richtung inneren Stirnseite eine Fase zum Anlegen mit der Stirnseite an den Innenleiter auf. Dies ermöglicht ein genau definiertes Verschieben zur Mittelachse mit stabiler Auflage an dem Innenleiter und so eine gute Zentrierung. An einer in radialer Richtung äußeren Basisseite weisen die Stifte bevorzugt Vorsprünge oder Aussparungen für einen Schnappeingriff mit dem Außenrohr an den Öffnungen auf.
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Das Abstandshalteelement weist bevorzugt eine derartige Geometrie auf, dass in einem Querschnitt der Koaxialsonde betrachtet nur im Zentrum des Außenrohrs von dem Abstandshalteelement genug Raum für den Innenleiter frei gelassen ist. So kann der Innenleiter nicht versehentlich seitlich und damit außermittig verlaufen, ohne dass hierauf beim Einsetzen des Abstandshalters besonders geachtet werden muss. Beispielsweise ist diese Bedingung durch ausreichend große Längen und Durchmesser von Stiften erreichbar, die den Abstandshalter bilden.
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Vorteilhaft ist außerdem ein Material, das eine niedrige relative Dielektrizitätskonstante εr aufweist oder aus einem solchen Material besteht, wobei das Material insbesondere auch isolierend, mechanisch stabil und/oder beständig gegenüber flüssigen Medien ist. Ein geringes εr kommt Luft und damit dem Wunsch besonders nahe, für die elektromagnetischen Wellen möglichst unsichtbar zu bleiben. Das Material muss elektrisch isolierend sein, weil sonst ein Kurzschluss über das Abstandselement entstehen würde. Das Material sollte weiter eine möglichst hohe innere Stabilität besitzen und selbst unter hoher Beanspruchung durch aggressive zu messende Flüssigkeiten seine Eigenschaften behalten, um langlebige und vielseitig einsetzbare Abstandshalteelemente zu liefern.
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Bevorzugt eingesetzte Materialien mit diesen Eigenschaften sind PTFE, Kunststoff oder Keramik, wobei jeweils der für die Anwendung geeignete Kompromiss aus Stabilität, Beanspruchbarkeit und geringer Dielektrizitätskonstante zu wählen ist. Gerade das unter dem Markennamen Teflon bekannte PTFE (Polytetrafluorethylen) oder auch Polybutylenterephthalat (PBT) ist in sehr vielen Fällen geeignet.
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Der Innenleiter weist bevorzugt eine Radialnut in Höhe der Öffnungen des Außenrohrs auf. Diese Radialnut entfernt in einer Betrachtung in einem Querschnitt auf Höhe der Radialnut Material, um das zusätzliche Material des Abstandshalters zu kompensieren. Demnach sind die Radialnuten in Höhe der Abstandselemente vorzusehen, denn andernfalls würde die Radialnut mangels Gegenpart selbst eine Störstelle bilden. Die Radialnut kann auch noch das Anliegen des Abstandshalterelements an dem Innenleiter und damit die mechanische Stabilität der Koaxialsonde verstärken.
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Vorzugsweise ist ein Füllstandssensor nach dem TDR-Prinzip vorgesehen, der eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Koaxialsonde zur Führung eines elektromagnetischen Signals aufweist, insbesondere eines Mikrowellensignals, mit einem Sender und einem Empfänger zum Aussenden und Empfangen des Signals an einem Ende der Koaxialsonde sowie mit einer Auswertungseinheit, welche dafür ausgebildet ist, die Entfernung einer Grenzfläche anhand der Laufzeit des in der Koaxialsonde geführten und an der Grenzfläche reflektieren Signals zu bestimmen. Hier kommen die vorteilhaften Eigenschaften geringer Beeinflussung des Wellenwiderstands bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität besonders gut zum Tragen. Außerdem ist aufgrund der erleichterten seitlichen Montage ein Nachrüsten oder ein Austausch von Abstandshalteelementen sogar dann möglich, wenn die Koaxialsonde mit dem Füllstandssensor verbunden ist
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines TDR-Füllstandssensors mit einer Koaxialsonde mit Abstandshaltern;
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2a eine Seitenansicht der Koaxialsonde gemäß 1;
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2b eine Querschnittsansicht der Koaxialsonde längs der Linie A-A in 2a;
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3a eine weitere Querschnittsansicht einer Koaxialsonde in einer leicht verschobenen Höhe;
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3b ein Längsschnitt durch die Koaxialsonde gemäß 3a längs der Linie A-A;
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3c eine Detailansicht aus 3b;
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4 eine dreidimensionale Ansicht eines Abstandshalters in einer Koaxialsonde;
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5 eine schematische Querschnittsansicht einer durch die Geometrie der Abstandshalter verhinderten seitlichen Anordnung eines Innenleiters in einer Koaxialsonde;
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6 eine dreidimensionale Längsschnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Koaxialsonde mit einer Ringnut an deren Innenleiter und einem auf deren Höhe angeordneten Abstandshalter;
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7 eine dreidimensionale Ansicht der Koaxialsonde gemäß 6; und
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8 eine dreidimensionale Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Koaxialsonde mit einem gegenseitigen Höhenversatz der Teile eines Abstandshalters.
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1 zeigt schematisch einen Füllstandssensor 10 nach dem TDR-Prinzip, der an einem Behälter 12 mit einer Flüssigkeit 14 angeordnet ist. Die Flüssigkeit 14 bildet gegenüber der Luft 16 eine Grenzfläche 18. Der Sensor 10 ist dafür ausgebildet, die Entfernung der Grenzfläche 18 zu ermitteln und somit den Füllstand der Flüssigkeit 14 abzuleiten. Ein Sensor 10, welcher eine Grenzfläche 18 lokalisieren kann, wird hier verallgemeinert als Füllstandssensor bezeichnet. Das gilt insbesondere für Sensoren, welche den Abstand zu einer beliebigen Grenzfläche zwischen Gasen, Flüssigkeiten und Granulaten erkennen.
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Der Sensor 10 weist einen Sensorkopf 20 mit einer Steuer- und Auswertungseinheit 22 auf. An dem Sensorkopf 20 ist eine koaxiale Sonde 24 angebracht, welche einen Außenleiter 26 und einen Innenleiter 28 aufweist. Im Betrieb sendet die Steuer- und Auswertungseinheit 22 einen bevorzugt sehr kurzen elektromagnetischen Puls, vorzugsweise einen Mikrowellenpuls, durch die koaxiale Sonde 24. An der Grenzfläche 18 zwischen Luft 16 und Flüssigkeit 14 springt die relative Dielektrizitätskonstante und damit der Wellenleitwiderstand und erzeugt so einen Reflexpuls. Der Anteil der reflektierten Energie hängt bei gegebener Geometrie der Sonde 24 nur von den Dielektrizitätskonstanten der angrenzenden Medien ab, in der Darstellung der 1 also von derjenigen der Luft 16 und der Flüssigkeit 14. Aus dem Reflexpuls kann die Steuer- und Auswertungseinheit 22 aufgrund der Fortpflanzungsgeschwindigkeit, welche auf der Messstrecke in Luft 16 der Vakkumlichtgeschwindigkeit entspricht, die Laufzeit des Pulses und somit auch die Entfernung der Grenzfläche 18 messen.
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Besonders bei längeren Sonden 24 könnten durch Verbiegen oder Schwingungen, vor allem des Innenleiters 28, die Wellenleitungseigenschaften verändert werden. Im Extremfall käme es sogar zu einem Kurzschluss. Die Messergebnisse werden dadurch verfälscht, oder es ist keine Messung mehr möglich. Um dies zu verhindern, sind Abstandselemente 30 vorgesehen, welche den Innenleiter 28 gegenüber dem Außenleiter 26 zentrieren.
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2 zeigt die Sonde 24 noch einmal quer liegend in einer Seitenansicht. Auf einer gleichen Höhe der Sonde 24 sind in Umfangsrichtung verteilte Öffnungen 32 des Außenrohres oder Außenleiters 26 vorgesehen. In diesen Öffnungen ist der Abstandshalter 30 eingesetzt. Da die Positionen der Abstandshalteelemente 30 durch die Öffnungen 32 in stets gleichen Messentfernungen vorgegeben sind, ist es relativ einfach möglich, etwaige Störechos aufgrund der dielektrischen Eigenschaften der Abstandshalteelemente 30 in der Steuer- und Auswertungseinheit 22 herauszukalibrieren.
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Dies ist in 2b in einer Schnittansicht längs der Linie A-A der 2a besser zu erkennen. Der Abstandshalter 30 weist mehrere, hier beispielhaft drei Einzelteile in Form von Stiften 30a–c auf, welche durch die Öffnungen 32 gesteckt sind und an dem Innenleiter 28 anliegen, um ihn in dem Außenleiter 26 zu zentrieren. Die Anzahl drei ist ein besonders bevorzugtes Beispiel, da mehr Öffnungen 32 und Stifte 30a–c zwar denkbar, jedoch für ein zuverlässiges Zentrieren nicht notwendig sind. Die Stifte 30a–c können allein durch Drehen hergestellt werden. Da das zu zerspanende Volumen sehr klein ist und keine Fräs- oder Bohrarbeiten nötig sind, können die Stifte 30a–c bei Berücksichtigung von Materialaufwand, Rüst- und Bearbeitungszeiten erheblich günstiger hergestellt werden als ein herkömmlicher Abstandshalter.
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Der Abstandshalter 30 wird somit nicht von innen über die Stirnseite in den Außenleiter 26 eingeführt, sondern seitlich von außen über die Öffnungen 30 montiert. Hierfür ist kein Werkzeug erforderlich. Durch eine runde Form der Stifte 30a–c und eine große Fase an deren dem Innenleiter 28 zugewandter Stirnseite wird der Innenleiter 28 zur Mitte zentriert, was den Einbau des Innenleiters 28 und des damit verbundenen Sensors 10 sehr einfach macht. Es ist auch möglich, die Stifte 30a–c nachträglich zu montieren oder demontieren, nachdem der Innenleiter 28 schon in den Außenleiter 26 eingebaut ist. Bei einem relativ großen Durchmesser der Stifte 30a–c ergibt sich eine gute Festigkeit gegen ein Beschädigen oder Abscheren der Stifte 30a–c. Trotz dieses Durchmessers verbleibt ein relativ großer Luftanteil und somit eine geringe Veränderung der wirksamen Dielektrizitätskonstante.
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3a zeigt die Sonde 24 ein weiteres Mal in einer gegenüber 2b leicht versetzten Schnittebene. In 3b wird ein Längsschnitt längs der Linie A-A aus 3a dargestellt. Eine Detailansicht an der Stelle X illustriert in 3c die Verbindungsstelle zwischen einem der Stifte 30a des Abstandshalters 30 und einer Öffnung 32 des Außenleiters 26. Durch eine abgeschrägte Ausnehmung 34 des Stiftes 30a–c und einen entsprechend abgeschrägten Vorsprung 36 am Rand der Öffnung 32 entsteht eine Schnappverbindung. Der Stift 30a–c kann deshalb ganz einfach in die Öffnung 32 eingeclipst werden und sorgt dann in seiner stabilen Längsrichtung für eine entsprechende zentrierende Kraft auf den Innenleiter 28. Indem die Stifte 30a–c derartige Kräfte von drei Seiten in regelmäßigen Winkelabständen ausüben, wird der Innenleiter 28 wirksam mittig festgehalten.
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Die drei in Schnappverbindung in den Öffnungen 32 gehaltenen Stifte 30a–c des Abstandshalters 30 sowie der von ihnen zentriert gehaltene Innenleiter 28 in dem Außenleiter 26 werden in 4 ergänzend in einer dreidimensionalen Ansicht dargestellt.
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Die Stifte 30a–c haben vorzugsweise eine Geometrie, die für den Innenleiter 28 nur die vorgesehene mittige Position erlaubt. 5 illustriert zum Vergleich eine dadurch ausgeschlossene, hypothetische seitliche Position des Innenleiters 28, die wegen der Überschneidung mit dem von den Stiften 30a–c beanspruchten Raum nicht eingenommen werden kann. Hier ist durch einen hinreichend großen Durchmesser der Stifte 30a–c gewährleistet, dass ein versehentlicher fehlerhafter, dezentraler Einbau des Innenleiters 28 gar nicht erst denkbar ist.
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Die 6 und 7 zeigen in einem dreidimensionalen Längsschnitt beziehunsgweise in einer dreidimensionalen Ansicht eine weitere Ausführungsform einer koaxialen Sonde 24. Im Unterschied zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen ist hier der Innenleiter 28 auf Höhe der Abstandshalter 30 und der Öffnungen 32 mit einer Ringnut 38 versehen. Durch geeignete Dimensionierung dieser Ringnut 38 kann dafür gesorgt werden, dass die Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften durch die Abstandshalter 30 kompensiert werden. Somit hat die Sonde 24 bei eingebauten Abstandshaltern 30 einen über die gesamte Sondenlänge zumindest annähernd gleichen Wellenwiderstand und erzeugt keine oder kaum Störechos. Während bei Ausführungsformen ohne Ringnut 38 der Innenleiter 28 wahlweise vor oder nach dem Einclipsen der Stifte 30a–c montiert werden kann, ist hier die Reihenfolge der Montage darauf festgelegt, zuerst den Innenleiter 28 in dem Außenleiter 26 anzuordnen. Dafür sorgen die Stifte 30a–c in der Ringnut 38 für zusätzliche mechanische Stabilität, besonders in Längsrichtung der Sonde 24.
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8 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer koaxialen Sonde. Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen weisen die Stifte 30a–c einen gegenseitigen Höhenversatz, also einen Versatz in Längsrichtung der Koaxialsonde 24 auf. Abweichend von der Darstellung können zusätzliche Stifte eingesetzt sein. Die Stifte 30a–c oder die zusätzlichen Stifte können in radialer Richtung um andere Winkel als die beispielhaften 120° und in Höhenrichtung anders als gleichmäßig beabstandet sein, wobei jedoch eine Gruppierung von jeweils drei Stiften 30a–c in der dargestellten Weise eine vorteilhafte Anordnung zur Zentrierung bietet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004032965 A1 [0007]
- DE 202008007989 U1 [0008]
