DE60319930T2

DE60319930T2 - Dieelektrische Stielantenne zur Verwendung in einer Pegelmesseinrichtung

Info

Publication number: DE60319930T2
Application number: DE60319930T
Authority: DE
Inventors: Gabriel M. Serban; Graham Fraser Mcgregor
Original assignee: Siemens Milltronics Process Instruments Inc
Current assignee: Siemens Canada Ltd
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: US6927734B2; DE60319930D1; EP1406347B1; EP1406347A2; CA2405645A1; EP1406347A3; US20040113853A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für eine Füllstandmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine derartige Antennenanordnung ist aus US-A-6 097 346 bekannt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Time-of-Flight-Entfernungsmesssysteme werden häufig bei Füllstandmessanwendungen verwendet und werden als Füllstandmesssysteme bezeichnet. Füllstandmesssysteme vermitteln die Entfernung zu einem Reflektor, d. h. einer reflektierenden Oberfläche, indem gemessen wird, wie lange es nach der Aussendung von Energieimpulsen oder -wellen dauert, bis ein Echo empfangen wird. Derartige Systeme verwenden in der Regel Ultraschallimpulse, Impulsradarsignale oder Mikrowellensignale.
Impulsradar- und mikrowellengestützte Füllstandmesssysteme sind bei Anwendungen bevorzugt, bei denen die Atmosphäre im Behälter großen Temperaturwechseln, hoher Feuchtigkeit, Staub und andersartigen Bedingungen, die die Ausbreitung beeinträchtigen können, unterliegt. Eine Hochverstärkungsantenne wird in der Regel zur Bereitstellung einer ausreichenden Empfangsreaktion verwendet. Hochverstärkung bedeutet eine große Antennengröße.
Bei mikrowellengestützten Füllstandmesssystemen werden in der Regel zwei Arten der Anntennenausgestaltung aufgefunden: Stabantennen und Hornantennen. Stabantennen sind schmal und länglich ausgebildet und eignen sich für Behälter mit kleinen Öffnungs-/Flanschgrößen und ausreichender Höhe, um die Antenne unterzubringen. Hornantennen sind dagegen breiter und kürzer als Stabantennen. Hornantennen werden in der Regel bei Einrichtungen mit begrenztem Platz verwendet, zum Beispiel flachen Gefäßen oder Behältern.
Die bei mikrowellengestützten Füllstandmesssystemen verwendeten dielektrischen Stabantennen sind zum Senden und Empfangen polarisierter Mikrowellen mit geringer Kreuzpolarisierung bei einer großen Frequenzbandweite bestimmt. Derartige Antennen enthalten normalerweise eine Übergangsstruktur, die eine sich ausbreitende Welle in einen Wellenleiter in der Antennenanordnung einleitet. Die Übergangsstruktur in der Stabantennenanordnung empfängt in der Regel elektromagnetische Energie von einem Koaxialkabel, in dem sich ein elektromagnetisches TEM-Feld ausbreitet. Die Energie breitet sich im Wellenleiter als ein elektromagnetisches TE₁₁-Feld aus und wird am Wellenleiterende in ein elektromagnetisches HE₁₁-Feld umgewandelt. Der Modus des elektromagnetischen HE₁₁-Felds breitet sich in der Stabantenne aus und wird als ein elektromagnetisches TEM-Feld nach außen gekoppelt. Ein sich dabei ergebendes Problem besteht darin, dass Wellenleiter, die effizient zur Ausbreitung des TE₁₁-Grundmodus ausgestaltet sind, oft auch den oberen TM₀₁-Modus ausbreiten. Der TM₀₁-Modus wird von der Übergangsstruktur in den Stabantennenteil der Antennenanordnung mit schlechtem Wirkungsgrad gekoppelt und wird zum größten Teil zurück in den Wellenleiter reflektiert, was zu einem schlechten Impulsechoprofil führt.
Es wäre dementsprechend von Vorteil, eine verbesserte dielektrische Stabantennenanordnung mit einer Übergangsstruktur vorzusehen, die für eine reine TE₁₁-Ausbreitung mit geringer Kreuzpolarisierung und maximaler Dämpfung der oberen Moden sorgt. Es wäre ebenso von Vorteil, eine verbesserte dielektrische Stabantennenanordnung mit effizienter Kupplung zwischen dem Wellenleiter und der Stabantenne vorzusehen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird dies durch die in Anspruch 1 definierte Antennenanordnung erreicht. Die abhängigen Ansprüche umfassen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Andere Gesichtspunkte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann bei Durchsicht der folgenden Beschreibung der bestimmten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es wird nun auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die beispielhaft eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
1 zeigt schematisch eine Time-of-Flight-Entfernungsmesseinrichtung, die von einer erfindungsgemäßen Antennenausgestaltung Gebrauch macht;
2 zeigt eine erfindungsgemäße Antennenanordnung;
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung;
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Teils der in 3 gezeigten Ansicht;
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung; und
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BESTIMMTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zuerst wird auf 1 Bezug genommen, die schematisch ein Füllstandmessgerät 10 zeigt, welches eine erfindungsgemäße Antennenausgestaltung verwendet.
Wie in 1 gezeigt, ist das Füllstandmessgerät 10 auf einem Behälter 100 montiert, der ein Material 200, wie z. B. flüssig, schlammig oder fest, enthält, und durch das Füllstandmessgerät 10 wird der Füllstand des im Behälter 100 enthaltenen Materials 200 ermittelt. Der Behälter 100 weist eine Öffnung 102 mit einem Gewindeteil 104 auf. Das Füllstandmessgerät 10 ist mit dem Gewindeteil 104 der Öffnung 102 verbunden, z. B. verschraubt. Das Füllstandmessgerät 10 umfasst ein Gehäuse 12 und einen Messwandler 14. Das Gehäuse 12 enthält, wie unten beschrieben, elektrische/elektronische Schaltungen. Der Messwandler 14 erstreckt sich in den Behälter 100 hinein und umfasst eine erfindungsgemäße Antennenanordnung 16.
Das Füllstandmessgerät 10 enthält eine Mikrosteuereinheit 18 und einen Analog/Digital-Wandler 20. Das Füllstandmessgerät 10 kann ebenfalls einen (4-20mA)Stromkreisschnittstellenbaustein 21 enthalten. Der Messwandler 14 ist durch einen Sender 22 mit der Mikrosteuerung 18 verbunden. Die Mikrosteuerung 18 verwendet den Sender 22, um den Messwandler 14 dazu zu erregen, elektromagnetische Energie in Form von Radarimpulsen oder Mikrowellen abzugeben. Die reflektierte elektromagnetische Energie, d. h. die reflektierten Radarimpulse, werden durch den Messwandler 14 gekoppelt und von einem Empfänger 24 in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Das Füllstandmessgerät 10 wird in dem Behälter 100, zum Beispiel einem Tank oder einem Gefäß, installiert, der oder das das Material 200, wie z. B. eine Flüssigkeit, mit einem durch die Oberfläche des Materials 200 bestimmten Füllstand enthält. Die Oberfläche des Materials 200 bietet eine reflektierende Oberfläche bzw. einen Reflektor (durch die Bezugszahl 201 angegeben), die bzw. der die Radarimpulse reflektiert, die vom Emitter an dem Messwandler 14, d. h. der Antennenanordnung, erzeugt werden. Der reflektierte Radarimpuls wird von dem Messwandler 14 gekoppelt und vom Empfänger 24 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das empfangene elektrische Signal wird abgetastet und von dem A/D-Wandler 20 zur weiteren Verarbeitung durch die Mikrosteuerung 18 digitalisiert. Die Mikrosteuerung 18 führt einen Algorithmus aus, der das Empfangssignal identifiziert und verifiziert und den Bereich der reflektierenden Oberfläche 201 berechnet, d. h. die Zeit, in der der reflektierte Impuls von der reflektierenden Oberfläche 201 zum Empfänger 24 an dem Messwandler 14 läuft. Aus dieser Berechnung werden der Abstand zur Oberfläche des Materials 201 und damit der Füllstand des Materials ermittelt, z. B. der Flüssigkeit 200 im Behälter 100. Die Mikrosteuerung 18 steuert ebenso die Übertragung von Daten und Steuersignalen durch die Stromkreisschnittstelle 21. Die Mikrosteuerung 18 ist angemessen für die Ausführung dieser Abläufe programmiert, wie es der Kenntnis des Fachmannes entspricht. Diese Techniken werden in früheren Patenten beschrieben, z. B. US-Patent Nr. 4,831,565 und US-Patent Nr. 5,267,219 .
Wie in 1 gezeigt, erstreckt sich die Antennenanordnung 16 von der Öffnung 102 in den Behälter 100 hinein. Die Antennenanordnung 16 ist in das Gewindeteil 104 in der Öffnung 102 des Behälters 100 eingeschraubt und wirkt als Messwandler, um eine kombinierte Sende- und Empfangseinrichtung bereitzustellen. Die Antennenanordnung 16 enthält eine geeignete Innenstruktur (wie unten beschrieben) und sendet elektromagnetische Signale auf die Oberfläche 201 des Materials 200 im Behälter 100. Das elektromagnetische Signal wird von der Oberfläche 201 des Materials 200 reflektiert und ein Echosignal wird von der Antennenanordnung 16 empfangen. Das Echosignal wird, wie oben beschrieben, zur Berechnung des Füllstands des Materials 200 im Behälter 100 verarbeitet.
Als Nächstes wird auf 2 Bezug genommen, die die erfindungsgemäße Antennenanordnung 16 ausführlicher zeigt. Die Antennenanordnung 16 umfasst einen Oberbereich 30 und einen Unterbereich 32. Der Oberbereich 32 ist mit dem Gehäuse 12 verbunden und mit einer Messwandlerschnittstelle im Gerät 10 wirkverbunden. Der Unterbereich 32 umfasst eine Stabantenne 36, die die Mikrowellen in den Behälter 100 schickt und die reflektierten Impulse empfängt.
Der Oberbereich 30 enthält ein Installationsgewinde 34. Vorzugsweise ist das Installationsgewinde 34 integral mit dem Oberbereich 30 der Antennenanordnung 16 gebildet. Das Installationsgewinde 34 hat eine Teilung und einen Durchmesser, die bzw. der dem Gewindeteil 104 in der Öffnung 102 des Behälters 100 entspricht. Vorteilhafterweise passt das integrierte Installationsgewinde 34 genau mit der Gefäßöffnung zusammen, zum Beispiel lässt sich in die Öffnung schrauben, und besei tigt das Erfordernis eines O-Rings oder einer Dichtung zur Abdichtung der Öffnung. Wie gezeigt, kann die Antennenanordnung 16 eine Gewindemutter 35 enthalten, die gegen die Öffnung 102 im Behälter 100 festgezogen ist (wie in 1 gezeigt). Der Oberbereich enthält auch ein rohrartiges Unterteil 37 mit schmalerem Durchmesser als das Installationsgewinde 34, wodurch es durch die Öffnung 102 des Behälters 100 eingeführt werden kann. Zusammen bilden die Gewindemutter 35, das Installationsgewinde 34 und das rohrartige Unterteil 37 eine Kupplungshülse 33. Andere Mittel der Verbindung der Antennenanordnung 16 mit dem Behälter 100 können verwendet werden und werden vom Fachmann verstanden werden.
Die Antennenanordnung 16 ist aus einem chemisch widerstandsfähigen Polymer gebildet, das aufgrund der bestimmten Anwendung gewählt wird. Geeignete Polymere sind u. a. PTFE, PFA, Polypropylen, Polyethylen.
Die erfindungsgemäße Antennenausführung kann auf Grundlage der chemischen Verträglichkeit der Anwendung aus einem einzigen Material gebildet sein, d. h. dem Material im Gefäß. Die Antennenanordnung 16 kann als eine einzelne Einheit gebildet sein, die als einzelne Einheit oder einstückig mit dem Installationsgewinde geformt ist. Die Antennenanordnung 16 kann auch mit Hilfe einzelner oder diskreter Kunststoffbauteile für den Oberbereich 30 und das Installationsgewinde 34 und den Unterbereich 32 ausgebildet sein. Der Oberbereich 30 und der Unterbereich 32 werden dann mit Hilfe bekannter Techniken zusammengeschweißt, die sich mit der Materialzusammensetzung der Bauteile vertragen, zum Beispiel Ultraschallschweißen, Heizelementschweißen und Rotationsreibschweißen.
Bezug wird nun auf 3 und 4 genommen, die einen Längsquerschnitt der erfindungsgemäßen Antennenanordnung 16 zeigt. Die Kupplungshülse 33 und die Stabantenne 36 sind an dem Punkt zusammengeschweißt gezeigt, an dem das obere Ende der Stabantenne 36 an den unteren Rand des rohrartigen Unterteils 37 stößt.
Die Kupplungshülse 33 ist an einer hohlen Metallauskleidung 40 angeformt. Die Metallauskleidung 40 enthält ein dünnes Metallrohr, das sich über das Ende des rohrartigen Unterteils 37 hinaus nach unten und über das obere Ende der Kupplungshülse 33 nach oben erstreckt. Das Oberteil der Metallauskleidung 40 ist so geformt, dass es passgenau ins Innere der Kupplungshülse 33 hineinpasst. Koaxial zu, und drehbar in, der Metallauskleidung 40 liegt ein Metallrohr 42, dessen Durchmesser nur geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Metallauskleidung 40 ist. Das obere Ende und das untere Ende des Metallrohrs 42 erstrecken sich beide über die Metallauskleidung 40 hinaus. Das untere Ende des Metallrohrs 42 erstreckt sich auch unter das Installationsgewinde 34 auf der Kupplungshülse 33, so dass gewährleistet ist, dass sich eine geschützte Länge der Antenne in den Behälter 100 erstreckt (1). Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die Öffnung 102 (1) ein sich nach außen erstreckendes Rohr, an dessen Ende sich ein Gewindeteil 104 befindet (1), wodurch sich ein Teil der Antenne innerhalb des Rohrs und sich nicht vollständig im Behälter 100 befindet. Um vom Rohr verursachte Reflexionen und Richtwirkungsschwierigkeiten zu vermeiden, kann die Antenne 16 so ausgebildet sein, dass die geschützte Länge der Antenne lang genug ist, so dass sie sich durch die Öffnung 102 und zum Teil in den Behälter 100 erstreckt.
Durch Presspassung ist auf dem oberen Ende des Metallrohrs 42 eine dosenförmige Erregerabdeckung 44 angebracht, die eine Hinterwand bereitstellt, die das obere Ende des Metallrohrs 42 schließt. Die Erregerabdeckung 44 und das Metallrohr 42 bilden einen an einem Ende kurzgeschlossenen kreisförmigen Wellenleiter. Das Metallrohr 42 und die Erregerabdeckung 44 können aus einem geeigneten Material für ihre Anwendung als Wellenleiter bestehen, einschließlich unter anderem Messing. Die durch das Metallrohr 42 und die Erregerabdeckung 44 gebildete Länge des Wellenleiters kann aufgrund der geschützten Länge der Antenne bestimmt werden. Der Innendurchmesser des Wellenleiters kann anhand der gewünschten Bandbreite des Wellenleiters bestimmt werden.
Der Wellenleiter ist mit einem stabförmigen dielektrischen Material 46 gefüllt. Das dielektrische Material 46 stößt an das obere Ende der Erregerabdeckung 44 und kann sich über das untere Ende des Metallrohrs 42 hinaus erstrecken. Das untere Ende des dielektrischen Materials 46 gelangt in die direkte Nähe des oberen Endes der Stabantenne 36.
Um die Energiekopplung zwischen dem dielektrischen Material 46 und der Stabantenne 36 zu verbessern und die Reflexionen an dieser Schnittstelle zu verringern, wird ein Metallring 48 mit einem Durchmesser, der größer ist als das dielektrische Material 46, koaxial zum unteren Ende des dielektrischen Materials 46 angeordnet. Der Metallring 48 kann ein kurzes Stück rohrartigen metallischen Materials sein, wie z. B. Messing, Kupfer, Stahl oder ein anderes geeignetes Material. Die Kopplung für eine bestimmte Antenne 16 kann durch Verändern des Durchmessers, der Dicke, der Länge und der länglichen Anordnung des Metallrings optimiert werden.
Bei einer Ausführungsform wird der Metallring 48 durch ein Führungsrohr 50 festgehalten, das mit Presspassung auf dem unteren Ende der Metallauskleidung 40 angeordnet ist, wobei der Metallring 48 so groß ist, dass er einen Raum zwischen der Stabantenne 36, dem rohrartigen Unterteil 37 und dem dielektrischen Material 46 füllt. Das Führungsrohr 50 kann aus dem gleichen Material wie die Stabantenne 36 bestehen. Der Metallring 48 verringert die Höhe der Nebenkeulen, indem er den Querschnitt des Erregungsbereichs vergrößert und die Phasenfrontkrümmung in diesem Bereich verringert, wodurch sich das Strahlungsmuster der Antennenanordnung 16 verbessert. Er verstärkt weiterhin die Kopplung zwischen der Stabantenne 36 und dem dielektrischen Material 46, indem er den Wirkungsgrad der Umwandlung des TE₁₁-Modus im Wellenleiter in den HE₁₁-Modus in der Stabantenne 36 verbessert.
Das obere Ende des dielektrischen Materials 46 weist zwei Hohlräume auf: eine Längsbohrung 52 und eine Radialbohrung 54. Die Längsbohrung 52 ist gegenüber dem Querschnitt des dielektrischen Materials 46 geometrisch zentriert, d. h. sie ist koaxial, und erstreckt sich vom oberen Ende des dielektrischen Materials 46 zum Teil in das Material 46 und endet in einer konisch zulaufenden Spitze 62. Das obere Ende der Längsbohrung 52 ist durch die Erregerabdeckung 44 geschlossen. Dementsprechend führt die Längsbohrung 52 zu einem dielektrisch überzogenen Wellenleiter. Die Längsbohrung 52 verbessert die Mikrowelleneigenschaften der Antennenanordnung 16, indem die Grenzfrequenz für den TM₀₁-Modus über die Frequenz verschoben wird, bei der sich dieser Modus sonst ausbreitet. Sie wirkt also als Filter zur Dämpfung von TM₀₁-Frequenzen zu oder unter einer gewissen Frequenz. Dies gestattet dem T₁₁-Modus trotzdem, sich als schwindende Welle entlang dem Teil der Längsbohrung 52 des Wellenleiters auszubreiten. Die Länge der Längsbohrung 52 wird den Dämpfungsgrad beeinflussen. Bei einer Ausführungsform wird die Länge der Bohrung so gewählt, dass gewährleistet ist, dass der TM₀₁-Modus um 30 dB oder mehr gedämpft ist.
Am Ende der Längsbohrung 52 sichert die konisch zulaufende Spitze 62 einen gleichmäßigeren Übergang vom dielektrisch ausgekleideten Wellenleiter zum dielektrisch gefüllten Wellenleiter. Eine konisch zulaufende Spitze 62 wirkt dahingehend, dass sie im Vergleich zu einem flachen Ende Reflexionen verringert und das Echoprofil verbessert. Die Länge der konisch zulaufenden Spitze 62 kann so gewählt sein, dass der Wirkungsgrad des Übergangs optimiert ist.
Die Radialbohrung 54 erstreckt sich radial von der Seite des dielektrischen Materials 46 in die Längsbohrung 52. Die Radialbohrung 54 ist zur Aufnahme eines Erregungselements 56 ausgelegt. Das Erregungselement 56 durchsetzt die Erregerabdeckung 44 und endet am oder nahe dem Ende der Radialbohrung 54, in der Nähe der Längsbohrung 52.
Es wird nunmehr auf 5 Bezug genommen, die eine vergrößerte Querschnittsansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Antennenanordnung zeigt. Wie in 5 zu sehen, kann das obere Ende des dielektrischen Materials 46 eine erste Bohrung 72, die sich axial von der Erregerabdeckung 44 in das dielektrische Material 46 erstreckt, und eine zweite Bohrung 76, die koaxial zu der, aber mit kleinerem Durchmesser als die erste Bohrung 72 verläuft und sich weiter in das dielektrische Material 46 erstreckt, aufweisen. Zwischen der ersten und der zweiten Bohrung 72, 76 und an ihren Oberflächen angrenzend liegt eine konisch zulaufende Schulter 74. Die zweite Bohrung schließt mit einem konisch zulaufenden Ende 78 ab. Bei dieser Ausführungsform sind die Größe und Länge der ersten und zweiten Bohrung 72, 76 so gewählt, dass die Reflexionen von der konisch zulaufenden Schulter 74 verringert sind oder durch die Reflexionen vom konisch zulaufenden Ende 78 aufgehoben werden.
Erneut mit Bezug auf 3 und 4 ist bei einer Ausführungsform die Antenne 16 zum Betrieb bei 5,8 GHz und 6,3 GHz ausgelegt. Bei einem solchen Beispiel beträgt der Innendurchmesser des Metallrohrs 42 25,0 mm, und das dielektrische Material ist ein Polypropylenstab. Bei dieser Anordnung liegt die Grenzfrequenz für den TE₁₁-Modus bei 4, GHz und die Grenzfrequenz für den TM₀₁-Modus bei 6,13 GHz. Dementsprechend wird, wenn die Antenne 16 bei 6,3 GHz betrieben wird, der TM₀₁-Modus zusätzlich zu dem TE₁₁-Modus erregt. Der Durchmesser der Längsbohrung 52 ist daher so ausgewählt, dass die Grenzfrequenz für den TM₀₁-Modus über 6,3 GHz verschoben wird.
Zusammen umfassen die Erregerabdeckung 44, das Metallrohr 42, das dielektrische Material 46 und das Erregungselement 56 eine Übergangsstruktur. Die Übergangsstruktur ist bezüglich der Metallauskleidung 40, der Kupplungshülse 33 und der Stabantenne 36 drehbar. Die Erregerabdeckung 44 und die Metallauskleidung 40 sind durch einen Federring 60 aneinander befestigt. Der Federring 60 passt in ein Paar Umfangsnuten, wobei die eine in der Außenfläche der Metallauskleidung 40 gebildet ist und eine entsprechende Nute in der Innenfläche der Erregerabdeckung 44 gebildet ist. Wenn der Federring 60 eingelegt ist, wird die Erregerabdeckung 44 fest mit der Metallauskleidung 40 verbunden, behält aber die Drehungsfreiheit bezüglich der Metallauskleidung 40. Durch Drehen der Übergangsstruktur kann sich die Polarisierungsebene ändern, was Leistungsprobleme, auf die man bei einer bestimmten Orientierung bezüglich des Behälters 100 stößt, lösen kann (1).
Zwischen der Erregerabdeckung 44 und der Metallauskleidung 40 kann eine O-Ringabdichtung 58 zur Abdichtung eines möglichen Spalts dazwischen angeordnet sein. Die Erregeranordnung 44 kann eine (nicht gezeigte) Kunststoffumhüllung enthalten, wodurch die Außenwand verstärkt wird und sie näher an die Metallauskleidung 40 gebracht und sie gegen die in 3 und 4 gezeigte O-Ringabdichtung 58 gedrückt wird.
Das Erregungselement 56 enthält ein halbsteifes Koaxialkabel, das mit einer Metallscheibe 64 abschließt. Die Metallscheibe 64 ist an den Mittelleiter des Koaxialkabels gelötet. Eine Kabelhalterung 66 ist zur Aufnahme des Koaxialkabels mit Presspassung in die Außenfläche der Erregerabdeckung 44 eingepasst. Der Mantel des Koaxialkabels ist zur Befestigung der Kabelhalterung 66 mit dieser verlötet. Der Teil des Koaxialkabels, der sich in der Erregerabdeckung 44 befindet, hat keinen Mantel. Ein O-Ring 68 ist zur Abdichtung der Kabelhalterung 66 zur Erregerabdeckung in einer Nut in der Außenfläche der Erregerabdeckung 44 angeordnet.
Es wird nun auf 6 Bezug genommen, die eine vergrößerte Querschnittsansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Antennenanordnung zeigt. Bei dieser Ausführungsform enthält, wie in 6 zu sehen, das Erregungselement 56 keine Metallscheibe, sondern besteht stattdessen nur aus dem Koaxialkabel. Bei dieser Ausführungsform wirkt der Mittelleiter 70 des Koaxialkabels als Erreger.
Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geändert oder angepasst werden können, um bestimmten Anwendungen Rechnung zu tragen. Zum Beispiel können für einige Anwendungen andere Querschnitte verwendet werden, obwohl die Antenne 16 oben als einen kreisförmigen Querschnitt aufweisend beschrieben wurde. Darüber hinaus können je nach Anwendung andere geometrische Querschnitte für die Längsbohrung 52 verwendet werden, obwohl der sich längs erstreckende Hohlraum im dielektrischen Material 46 bei den obigen Ausführungsformen als eine kreisförmige Längsbohrung 52 beschrieben wurde.

Claims

Antennenanordnung (16) für eine Füllstandmesseinrichtung zum Messen des Füllstands eines Materials in einem Behälter, wobei die Antennenanordnung Folgendes umfasst: (a) eine Stabantenne (36) mit einem unteren Ende (32) und einem oberen Ende (30); (b) eine Kupplungshülse (33), die einen rohrförmigen Durchgang (37) definiert und einen Kupplungsmechanismus (34, 35) zur Verbindung mit dem Behälter enthält, wobei die Kupplungshülse (33) mit dem oberen Ende (30) der Stabantenne so verbunden ist, dass das obere Ende (30) der Stabantenne (36) ein Ende des rohrförmigen Durchgangs (37) schließt; und (c) eine Übergangsstruktur, die sich längs in den rohrförmigen Durchgang erstreckt, wobei die Übergangsstruktur Folgendes enthält: (i) einen Wellenleiter (42, 44) zum Richten von elektromagnetischer Energie in die Stabantenne (36), wobei der Wellenleiter ein von einer Hinterwand kurzgeschlossenes oberes Ende aufweist, (ii) ein dielektrisches Material (46), das den Innenraum des Wellenleiters auffüllt und ein unteres Ende nahe dem oberen Ende der Stabantenne und ein oberes Ende, das an die Hinterwand stößt, aufweist, und (iii) ein Erregungselement (56), das durch den Wellenleiter in das dielektrische Material zur Umwandlung von elektrischer Energie in elektromagnetische Wellenenergie ragt, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material eine Koaxialbohrung (52; 72, 76) aufweist, die sich längs vom oberen Ende in das dielektrische Material erstreckt und in einem distalen Ende abschließt, und dass die Koaxialbohrung (52) im Querschnitt kreisförmig ist und an ihrem distalen Ende eine konisch zulaufende Spitze (62; 70) enthält.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, bei der das Erregungselement ein radial durch den Wellenleiter und in das dielektrische Material ragendes Koaxialkabel und eine Metallscheibe (64) enthält, die mit dem Mittelleiter des Koaxialkabels verbunden ist und nahe der Koaxialbohrung liegt.
Antennenanordnung nach Anspruch 2, bei der das dielektrische Material zur Unterbringung des Erregungselements eine sich radial erstreckende Bohrung (52; 72, 76) in Verbindung mit der Koaxialbohrung aufweist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Übergangsstruktur weiterhin eine haubenförmige Abdeckung (44) enthält, die mit Presspassung auf dem oberen Ende des Wellenleiters sitzt, wobei die haubenförmige Abdeckung die Hinterwand bereitstellt, und bei der das Koaxialkabel durch eine Öffnung in der haubenförmigen Abdeckung läuft, wobei die Übergangsstruktur weiterhin eine Kabelhalterung zum Befestigen des Koaxialkabels an der haubenförmigen Abdeckung enthält.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Koaxialbohrung eine erste kreisförmige Bohrung (72) nahe dem oberen Ende in Verbindung mit einer zweiten kreisförmigen, vom oberen Ende entfernt liegenden Bohrung (76) umfasst, wobei die erste kreisförmige Bohrung einen ersten Durchmesser aufweist und die zweite kreisförmige Bohrung einen zweiten Durchmesser aufweist, wobei der zweite Durchmesser kleiner als der erste Durchmesser ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 5, bei der die zweite kreisförmige Bohrung (76) eine konisch zulaufende Spitze (78) am distalen Ende enthält.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Übergangsstruktur weiterhin eine haubenförmige Abdeckung (44) enthält, die mit Presspassung auf dem oberen Ende des Wellenleiters sitzt, wobei die haubenförmige Abdeckung die Hinterwand bereitstellt.
Antennenanordnung nach Anspruch 7, bei der die haubenförmige Abdeckung durch einen Federring (60) mit der Kupplungshülse verbunden ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 7 oder 8, die weiterhin einen O-Ring (50) enthält, der die Kupplungshülse und die haubenförmige Abdeckung abdichtet.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die Übergangsstruktur eine Längsachse aufweist und bezüglich der Kupplungshülse (33) um ihre Längsachse drehbar ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das dielektrische Material einen ersten Durchmesser aufweist und das obere Ende der Stabantenne einen zweiten Durchmesser aufweist, und bei der die Antennenanordnung weiterhin einen Metallring (48) mit einem Durchmesser enthält, der größer als der erste Durchmesser und kleiner als der zweite Durchmesser ist, wobei sich der Metallring koaxial zum unteren Ende des dielektrischen Materials befindet.
Antennenanordnung nach Anspruch 11, bei der der Metallring (48) ein dünnes rohrförmiges metallisches Element ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 11 oder 12, die zum Festhalten des Metallrings weiterhin ein Führungsrohr (50) enthält, das zu dem unteren Ende des dielektrischen Materials koaxial ist.