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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Messung der Geschwindigkeit
eines strömenden Materials
unter Verwendung des Doppler-Effektes, und sie bezieht sich insbesondere
auf eine einen hohen Gewinn aufweisende Antenneneinheit mit einer Struktur
zur Absorption von Nebenkeulen und zur Beschränkung der zur Messung der Geschwindigkeit emittierten
Hauptkeule des Strahlungsdiagramms, wodurch die Antenne in enger
Nähe zu
dem zu testenden Material angeordnet werden kann.
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Es
ist in der Technik gut bekannt, den Doppler-Effekt zur Überwachung
der Geschwindigkeit eines Materials, wie z.B. von Körnern zu
verwenden, die sich auf einem Förderer
bewegen oder durch ein Rohr oder einen Schlauch strömen. Eine
Veröffentlichung
mit dem Titel „Microwave
Doppler-Effekt Flow Monitor" in
der Veröffentlichung
IEEE Transactions an Industrial Electronics and Control Instrumentation, Band
IECI-22, Mai 1975, Seiten 224-228, beschreibt Dopplereffekt-Strömungs-Überwachungseinrichtungen,
die Hornantennen verwenden, die in einer monostatischen oder bistatischen
Konfiguration angeordnet sind, das heißt mit einer einzigen Sende-/Empfangsantenne,
die auf einer Seite des zu testenden Materials angeordnet ist, oder
einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne, die auf gegenüberliegenden
Seiten des Materials angeordnet sind.
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7 zeigt
eine Dopplereffekt-Strömungs-Überwachungseinrichtung
in der monostatischen Konfiguration, wie sie in der Veröffentlichung beschrieben
ist. Eine Sende-/Empfangs-Romantenne 10 ist so angeordnet,
dass die Achse des von der Antenne ausgestrahlten Strahlungsdiagramms
unter einem Winkel 8 (optimal 45°) zu der Richtung der Körnerströmung liegt,
die durch den Pfeil 12 angedeutet ist. Die Körner sind
von einem Rohr 14 umschlossen, das einen Rohrabschnitt 16 aufweist,
der aus einem für
die abgestrahlte Frequenz transparenten Material hergestellt ist.
Der Abschnitt 16 ist von einer Schicht 18 aus
Material bedeckt, die die Hochfrequenz bei der Frequenz absorbiert,
mit der die Antenne sendet. Die Schicht 18 ist mit einem
Fenster 20 versehen, um den Eintritt der Strahlung in das
Rohr und den Verlauf der reflektierten Hochfrequenz von den Körnern zurück zu der
Hornantenne zu ermöglichen.
Der beschriebene Zweck der Schicht 18 besteht darin, störende Reflexionen
von anderen Oberflächen
als den Körner-Teilchen
zu absorbieren und zu einem Minimum zu machen.
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Die
Antenne 10 strahlt oder sendet ein Dauerstrich-Mikrowellensignal
mit einer festen Frequenz durch das Fenster 20 und die
Wand des für
Hochfrequenz transparenten Rohrabschnittes 16, so dass
sie auf die einzelnen Kömerteilchen
auftrifft, die sich durch das Rohr bewegen. Das ausgesandte Signal wird
in Richtung auf die Antenne 10 mit einer zweiten Frequenz
reflektiert, die von der Geschwindigkeit der Körner abhängt. Die Frequenzdifferenz
zwischen der Frequenz des ausgesandten Signals f und der Frequenz
des reflektierten Signals ist die Dopplerfrequenz fd Durch
Zählen
von Zyklen des Dopplersignals über
ein Zeitintervall kann die Körner-Geschwindigkeit
entsprechend der folgenden Gleichung berechnet werden: v = (c/2f
cos θ)f d worin
c die Lichtgeschwindigkeit in m/s, f die Frequenz des ausgesandten
Signals in Hz, fd die Frequenz des Dopplersignals
in Hz und θ der
Antennen-Blickwinkel ist, das heißt der Winkel zwischen der
Achse der Hauptkeule des Strahlungsdiagramms und der Achse des Rohrabschnittes,
durch den sich die Körner
bewegen.
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In
der tatsächlichen
Praxis umfasst das reflektierte Signal ein Spektrum von Dopplerfrequenzen,
das sich aus dem Auftreffen des ausgesandten Signals unter unterschiedlichen
Winkeln auf einzelne Körnerteilchen
ergibt, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen.
Wie dies in 7 gezeigt ist, erstrecken sich
die Auftreffwinkel über
einen Bereich von θL, der größer als
der Winkel θ ist,
bis zum Winkel θS, der kleiner als der Winkel θ ist. Obwohl
die achsversetzten Auftreffvorgänge
die Präzision
der Messung beeinflussen, ist die mittlere Dopplerfrequenz f d proportional
zur mittleren Geschwindigkeit v,
so dass die Geschwindigkeit mit einem angemessenen Genauigkeitsgrad
entsprechend der folgenden Gleichung berechnet werden kann: v = (c/2f
cos Θ)f d
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In 7 speist
ein Sendeempfänger 22 die Antenne 10,
um ein Dauerstrich-Mikrowellensignal auszusenden,
und er empfängt
das zu der Antenne zurück reflektierte
Signal von den Körnerteilchen. Das
reflektierte und detektierte Signal, das, wie dies oben erwähnt wurde,
ein Spektrum von Frequenzen umfasst, wird in einer Signalverarbeitungseinheit 24 verarbeitet.
Die Zeit und Komplexität
der Verarbeitung hängt
von der Anzahl der Frequenzen oder der Breite des Spektrums von
Frequenzen des reflektierten Signals ab, weil die Verarbeitung eine
Berechnung einer Vielzahl von Dopplerfrequenzen fd und eine
Mittelwertbildung dieser Frequenzen erfordert, um f d zu gewinnen,
bevor die mittlere Geschwindigkeit v berechnet
werden kann.
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Sobald
die mittlere Geschwindigkeit berechnet wurde, berechnet die Verarbeitungseinheit 24 die Massenstrom-Rate
der Körner
gemäß der folgenden Gleichung: Q = ADv worin
Q die Massenstrom-Rate in kg/s ist, A die Querschnittsfläche in m2 des Körnerströmungspfades
innerhalb des Rohres 14 ist, D die Schüttgut-Dichte der Körner in
kg/m3 ist, und v die
mittlere Geschwindigkeit in m/s ist. Der Wert Q kann dann auf einer
Anzeige 26 angezeigt werden.
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Die
vorstehend erläuterte
Veröffentlichung erwähnt nicht
direkt das Problem des Dopplerfehlers, der in die Geschwindigkeitsmessung
durch die Nebenkeulen-Antwortsignale
des ausgesandten Strahlungsdiagramms eingeführt wird, wenn die Antenne in
enger Nähe
zu dem Körnerströmungspfad
angeordnet wird. Die Autoren schlagen vor, dass der optimale Abstand
zwischen der Antennen-Apertur und der Achse des Strömungsrohres
zwischen W2/λ2 und 2W2/λ2 liegen
soll, worin W die Breite der Antennen-Apertur ist, die das interessierende
Strahlungsdiagramm kontrolliert. In der Veröffentlichung beschriebenen
Experimente wurde die Antenne in einer Entfernung von 0,1 m von
der Wand des Strömungsrohres
angeordnet.
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Allgemein
gesprochen wurden Dopplerfehler aufgrund der Nebenkeulen-Antwortsignale in
Dopplergeschwindigkeits-Überwachungseinrichtungen durch
eine geeignete Auswahl des Abstandes zwischen der Antenne und dem
Strömungspfad
verringert. Die kürzeste
Entfernung, in der die Nebenkeulen kein Problem darstellen, ist
eine Funktion des Antennen-Gewinns und der Wellenlänge des
ausgesandten Signals. Die konventionelle Lösung bestand darin, die Antenne
an der geringsten Entfernung zu dem Strömungspfad anzuordnen, an der
die Nebenkeulen-Komponenten
nicht zu dem Doppler-Frequenzspektrum beitragen, und dies kann sich
zwischen mehreren Zoll (mehrere 2,54 cm) bis mehreren Fuß (mehrere
30,6 cm) ändern.
Diese Anforderung, zusammen mit der physikalischen Größe von Hornantennen,
macht derartige Antennen zur Verwendung in praktischen Anwendungen
ungeeignet, bei denen lediglich ein begrenzter Raum für die Antenne zur
Verfügung
steht.
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Die
US-A-2 591 486 lehrt
die Verwendung von dielektrischen Abstandsstücken zum Absorbieren von Nebenkeulen
einer Hornantenne in einem Funk-Echodetektionssystem.
Die Verwendung der Abstandsstücke,
wie sie in diesem Patent gelehrt wird, würde jedoch nicht dazu dienen,
das Dopplerspektrum zu verringern, das sich aus Nebenkeulen-Antwortsignalen
in einer Dopplergeschwindigkeits-Überwachungseinrichtung ergeben
würde.
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Einen
hohen Gewinn aufweisende Antennen, die eine phasengesteuerte Gruppe
von Antennenelementen auf einer gedruckten Leiterplatten-Antennenkarte
umfassen, sind im Handel erhältlich. Diese
Antennen sind wesentlich kleiner als Hornantennen, so dass sie besser
zur Verwendung geeignet sind, wenn der Raum ein beschränkender
Faktor ist.
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Die
Strahlbreite der Hauptkeule, die von einer einen hohen Gewinn aufweisenden
Antenne abgestrahlt wird, nimmt mit zunehmendem Gewinn ab. Die geringe
Strahlbreite macht die Antenne zur Verwendung in Strömungsüberwachungseinrichtungen wünschenswert,
weil hierdurch der Bereich von Winkeln des Auftreffens des Strahls
auf das getestete Material verringert wird, so dass die Breite des
Doppler-Frequenzsspektrums verringert wird. Um jedoch eine schmale
Strahlbreite zu verwirklichen, muss die Antenne in einer beträchtlichen
Entfernung von dem zu testenden Material angeordnet werden, wodurch die
Antenne weniger wünschenswert
zur Verwendung in dem Fall gemacht wird, wenn lediglich ein begrenzter
Raum zur Verfügung
steht.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung
für die
Messung einer strömungsbezogenen
Größe, wie
z.B. der Materialgeschwindigkeit, wenn lediglich ein begrenzter Raum
zur Befestigung der Antenne verfügbar
ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Vorrichtung zur Messung einer auf eine Strömung eines
Materials bezogenen Größe geschaffen,
wobei die Vorrichtung Folgendes einschließt:
einen Rohrabschnitt,
der eine Achse aufweist, um durch den Rohrabschnitt das Material
in einer Richtung parallel zu der Achse zu fördern; und eine Antenneneinheit,
die Folgendes umfasst:
Antenneneinrichtungen zur Abstrahlung
von Energie in den Rohrabschnitt als ein Dauerstrich-Mikrowellensignal
in einem Strahlungsdiagramm, das eine Hauptkeule und Nebenkeulen
einschließt,
dadurch
gekennzeichnet, dass:
die Antenneneinrichtungen eine gedruckte
Antennen-Leiterplatte umfassen; und
die Antenneneinheit weiterhin
Folgendes umfasst:
- – einen Halterungsblock, der
für das
abgestrahlte Signal transparent ist und eine Konfiguration aufweist,
die eine erste unter einem spitzen Winkel gegenüber einer zweiten Oberfläche angeordnete Oberfläche einschließt, wobei
die gedruckte Antennen-Schaltungskarte an dem Halterungsblock an
der zweiten Oberfläche
befestigt ist, so dass das abgestrahlte Signal in Richtung auf die
erste Oberfläche
gelenkt wird; und
- – Strahlungsabsorbereinrichtungen,
die benachbart zu dem Halterungsblock angeordnet sind, um einen
Teil der von der Antenne abgestrahlten Energie in der Hauptkeule
zu absorbieren, um auf diese Weise das Strahlungsdiagramm zu modifizieren,
wobei die Absorbereinrichtung Folgendes umfasst:
eine Apertur-Platte,
die benachbart zu der ersten Oberfläche angeordnet ist, wobei die
Apertur-Platte eine Bahn aus Material zum Absorbieren der abgestrahlten
Energie umfasst, die auf diese auftrifft, wobei die Apertur-Platte
eine darin ausgebildete Öffnung
zum Durchleiten lediglich eines Teils der Energie der Hauptkeule
aufweist; und
einen Absorber-Keil, der so angeordnet ist, dass er
die Energie der Nebenkeulen auf einer Seite der Hauptkeule abfängt und
absorbiert.
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Eine
derartige einen hohen Gewinn aufweisende Antenneneinheit ist zur
Verwendung in einer Dopplereffekt-Geschwindigkeits-Überwachungseinrichtung geeignet,
bei der lediglich begrenzter Raum zur Befestigung der Überwachungseinrichtung
verfügbar
ist. Die Antenneneinheit kann nahe an dem zu testenden Material
befestigt werden. In Abhängigkeit von
der Betriebsfrequenz kann die Antenne um weniger als eine Wellenlänge des
ausgesandten Signals von dem Körnerpfad
entfernt angeordnet sein. Der Bereich des Dopplerfrequenz-Spektrums
wird durch Beschänken
der Breite des ausgesandten Strahlungsdiagramms verringert.
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Die
einen hohen Gewinn aufweisende Antenneneinheit weist Einrichtungen
zum Absorbieren der Energie in Nebenkeulen des Strahlungsdiagramms
auf. Ein verlustbehafteter leitender Teil, der zwischen der Antenne
und dem Strömungspfad
angeordnet ist, absorbiert die Energie der Nebenkeulen auf einer
Seite des Strahlungsdiagramms, die dem Strömungspfad am Nächsten liegt,
und er absorbiert zur gleichen Zeit die Energie des größten Teils
der achsversetzten Strahlung der Hauptkeule, um die Breite der Hauptkeule
auf die eine Seite zu beschränken.
Die Achse der Hauptkeule ist unter einem Winkel durch eine Öffnung in
einer verlustbehafteten leitenden Platte gerichtet, die die Energie
der Nebenkeulen auf der einen Seite des Strahlungsdiagramms absorbiert
und die Breite der Hauptkeule durch Absorbieren der Energie des
größten Teils
der achsversetzten Strahlung auf beiden Seiten der Hauptkeule beschränkt. Sowohl
der Absorptionseigenschaften aufweisende Block als auch die Absorptionseigenschaften
aufweisende Platte werden zum Absorbieren der Energie der Nebenkeulen
und zur Beschränkung
der Breite der Hauptkeule verwendet.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nunmehr mit weiteren Einzelheiten
in Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 eine
Schnittansicht einer Antenneneinheit gemäß der Erfindung ist, die auf
einem Förderohr
befestigt ist;
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2 eine
Draufsicht der Antenneneinheit ist, die einen Halterungsblock, eine
Apertur-Platte und ein Kompressionskissen zeigt, die einen Teil
der Antenneneinheit bilden;
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3 eine
Schnittansicht einer vollständigen Antenneneinheit
entlang der Linie 3-3 nach 2 ist;
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4 eine
Ansicht der Antenneneinheit bei Betrachtung senkrecht zu der Stützplatte
ist, wobei die Teile optisch transparent dargestellt sind, um die von
den Antennenelementen gesehene Apertur zu zeigen;
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5A-5G Schritte
beim Zusammenbau der Antenneneinheit zeigen;
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6A und 6B schematische
Darstellungen sind, die die Beschränkung des Strahlungsdiagramms
der Antenneneinheit durch den Absorber-Keil und die Öffnungsplatte
zeigen; und
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7 eine
schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer bekannten Dopplereffekt-Strömungsüberwachungseinrichtung
ist.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
einer Antenneneinheit 30 gemäß der Erfindung, die für eine Messung,
mit Hilfe des Dopplereffektes, der Geschwindigkeit von Körnern befestigt
ist, die durch ein Körnerzuführungsrohr
oder ein Rohr 14' einer
Körner-Erntemaschine
gefördert
werden. Das Körnerzuführungsrohr 14' ist mit einem
Abschnitt 16' versehen,
der für
Mikrowellen bei der Betriebsfrequenz einer Antenne transparent ist,
die auf einer gedruckten Antennen-Leiterkarte 38 angeordnet
ist. Das heißt,
der Abschnitt 16 leitet das von der Antenne abgestrahlte
Signal ohne oder mit minimaler Absorption der Signalenergie weiter.
Die Betriebsfrequenz ist die Frequenz des Dauerstrich-Mikrowellensignals,
das von der Antenne abgestrahlt wird. Diese Frequenz liegt oberhalb
von 1 GHz, und bei einer typischen Ausführungsform kann die Frequenz
10,525 GHz sein.
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Der
Zuführungs-Rohrabschnitt 16' ist mit einer
ebenen Oberfläche 16a' versehen, die
sich parallel zum Pfad der Körnerströmung erstreckt,
das heißt parallel
zu der Achse A-A des Rohrabschnittes. Die Antenneneinheit 30 ist
direkt auf der ebenen Oberfläche
befestigt, das heißt
mit einem Oberflächen-zu-Oberflächen-Kontakt
zwischen der Oberfläche 16a' und der Bodenfläche der
Antenneneinheit.
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Wie
dies in den 1-4 gezeigt
ist, umfasst die Antenneneinheit 30 bei einer Ausführungsform
einen Halterungsblock 32, eine Apertur-Platte 24,
ein Abstandselement 36, eine gedruckte Antennen-Leiterkarte 38,
eine Stützplatte 40 und
einen Absorber-Block oder Absorber-Keil 42.
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Der
Halterungsblock 20 weist im Querschnitt eine allgemein
dreieckige Form mit einem ersten ebenen Boden oder einer ersten
Oberfläche 44 (3),
einer ebenen oberen oder zweiten Oberfläche 46, die unter
eine Winkel (optimal 45°)
zur ersten Oberfläche 44 liegt,
und einer dritten Oberfläche 49 auf,
die sich senkrecht zur zweiten Oberfläche erstreckt. Lediglich in
Form eines Beispiels kann die erste Oberfläche 44 eine Länge von
ungefähr
13,7 cm haben, und der vertikale Abstand von der ersten Oberfläche zu dem
Verbindungspunkt der zweiten und dritten Oberflächen 46, 49 kann
ungefähr
8,4 cm betragen.
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Vier
versenkte Bohrungen 48 (2) erstrecken
sich in Vertikalrichtung durch den Halterungsblock 32.
Die Bohrungen 48 nehmen Befestigungsschrauben 51 (von
denen eine in den 2 und 3 gezeigt
ist) zur Befestigung oder Festlegung der Antenneneinheit 30 in
einer festen Position gegenüber
einem Strömungspfad
auf. Beispielsweise können
die Befestigungsschrauben in (nicht gezeigte) Gewindebohrungen eingeschraubt
sein, die sich in die ebene Oberfläche 16a' erstrecken, um die Antenneneinheit
an dem Rohrabschnitt 16' zu
befestigen.
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Der
Halterungsblock 32 ist mit einer ersten Ausnehmung 50 zur
Aufnahme des Absorber-Keils 42 versehen. Diese Ausnehmung öffnet sich
zu beiden den ersten und zweiten Oberflächen 44, 46 hin, wie
dies am besten in den 5B und 5D gezeigt
ist. Eine zweite Ausnehmung 52 ist in dem Halterungsblock
zur Aufnahme elektronischer Elemente und einer Hochfrequenz-Abschirmung
oder eines Gehäuses 54 (1)
vorgesehen, das die elektronischen Elemente auf der gedruckten Antennen-Leiterkarte 38 abdeckt.
Die Ausnehmung 52 öffnet
sich zu den beiden zweiten und dritten Oberflächen 46, 49 des
Halterungsblockes 32.
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Der
Halterungsblock 32 ist aus einem Kunststoff- oder anderem
Material hergestellt, das für Hochfrequenz
bei der Antennen-Betriebsfrequenz transparent ist. Das heißt, dass
der Halterungsblock aus einem Material hergestellt ist, das die
Strahlung bei der Betriebsfrequenz ohne oder mit minimaler Wirkung
auf die Strahlung weiterleitet.
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Der
Halterungsblock 32 ist mit einer Anzahl von Gewindebohrungen 56 versehen,
die sich in den Halterungsblock von der zweiten Oberfläche 46 aus erstrecken.
Eine Anzahl von Schrauben 57 (2) erstreckt
sich durch nicht mit Gewinde versehene Öffnungen 58 in der
Stützplatte 40 und
in die Bohrungen 56, um die Stützplatte an dem Halterungsblock zu
befestigen und um die gedruckte Antennen-Leiterkarte 38 und
das Abstandsstück 36 zwischen
der Abstützplatte 40 und
dem Halterungsblock 32 zusammenzudrücken. Wie dies am besten in
den 5F und 5G gezeigt
ist, sind die Breiten der Antennenkarte 38 und des Abstandsstückes 36 kleiner
als der Abstand zwischen den Öffnungen 56 auf
gegenüberliegenden
Seiten des Halterungsblockes 32, so dass die die Stützplatte
an dem Halterungsblock befestigenden Schrauben weder durch die Antennenkarte 38 noch
durch das Abstandsstück 36 hindurchlaufen.
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Die
Stützplatte 40 ist
eine starre Kunststoffplatte, die den doppelten Zweck des Festklemmens des
Abstandsstückes 36 und
der Antennenkarte 38 an dem Halterungsblock 32 und
der Schaffung einer starren Abstützung
dient, gegen die die Antennenkarte durch das Abstandsstück 36 gedrückt wird. Dies
verhindert eine Biegung der Antennenkarte, die, wenn zugelassen
würde,
dass sie auftritt, Doppler-Störsignale
mit beträchtliche
Amplitude hervorrufen würde.
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Das
Abstandsstück 36 kann
ein Stück
aus einem Polyethylen-Schaum mit einer Dicke von ungefähr 12 mm
sein. Andere Materialien können
verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie für die Betriebsfrequenz transparent
sind und ein gewisses Ausmaß an
Elastizität
aufweisen, um es Ihnen zu ermöglichen,
sich an Oberflächenmerkmale
der Antennenkarte anzupassen. Der Hauptzweck des Abstandsstückes besteht
darin, die Antennenelemente auf der Antennenkarte 38 in
einem Abstand von der Oberfläche 46 des
Halterungsblockes 32 zu halten, um Verstimmungseffekte
des Halterungsblockes zu vermeiden. Das Abstandsstück dient
dem sekundären Zweck
des Drückens
der Antennenkarte gegen die starre Stützplatte 40 mit einem
gewissen Ausmaß einer
Elastizität,
so dass die Schaltungen auf der Leiterplatte nicht beschädigt werden,
wenn die Schrauben festgezogen werden, um die Stützplatte gegen den Halterungsblock
zu ziehen.
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Die
gedruckte Antennen-Leiterkarte 38 (5E) schließt eine
Antenne ein, die eine phasengesteuerte Gruppe von gedruckten Antennen-Schaltungselementen 60 umfasst,
die mit gedruckten Schaltungs-Verbindern 62 mit Mikrowellen-Oszillator-Doppler-Schaltungsbauteilen
verbunden sind, die auf der Karte befestigt und in der Hochfrequenz-Abschirmung-Abdeckung 54 enthalten
sind. Die Schaltungskomponenten weisen eine konventionelle Konstruktion
auf. Drei Steckverbinder 64, von denen einer in den 1 und 3 gezeigt
sind, sind auf der Antennenkarte vorgesehen, um Leistung an die Schaltungskomponenten
zu liefern und um Signale zu und von den Antennenelementen über die
Schaltungskomponenten an eine Signalverarbeitungsschaltung zu übertragen,
wie z.B. die Verarbeitungseinheit 24, die in 7 gezeigt
ist.
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Die
Antennenelemente werden zusammen in einer Weise phasengesteuert,
die dem Fachmann auf dem Gebiet der Antennenkonstruktion gut bekannt
ist, um einen Gewinn oder eine Verstärkung senkrecht zu Ebene der
Antennenkarte 38 zu schaffen, und ein Strahlungsdiagramm
zu erzeugen, das eine Hauptkeule 86 (6B)
symmetrisch um eine Achse X-X hat.
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Die
Apertur-Platte 34 (5A) umfasst
eine ebene Bahn aus einem Material, das Strahlungsenergie bei der
Betriebsfrequenz absorbiert. Die Apertur-Platte ist so zugeschnitten,
dass sie zu der ebenen Oberfläche 16a (1)
passt, und die Platte ist mit einer Öffnung oder Apertur 68 versehen,
die es Strahlung von den Antennenelementen ermöglicht, die Antenneneinheit
nach dem Durchlaufen des Halterungsblockes 32 zu verlassen.
Die Apertur kann eine Kreisform haben, doch sind andere Formen ebenfalls
geeignet. In einer praktischen Ausführungsform kann die Apertur-Platte 34 Abmessungen von
10,2 cm mal 15,2 cm haben, und die Apertur 68 kann einen
Durchmesser von 6,4 cm haben, wenn sie kreisförmig ist.
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Zwei
Bohrungen 70 sind in der Apertur-Platte 34 für den Durchgang
von zwei der Befestigungsschrauben 51 vorgesehen, die den
Halterungsblock 32 an einer Befestigung festlegen. Die
anderen zwei der Befestigungsschrauben erstrecken sich durch die Öffnung 68,
wie dies am besten aus den 2 und 3 sichtbar
ist.
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Die 5A-5G zeigen
Schritte beim Zusammenbau der Antenneneinheit 30. Klebemittel wird
auf die untere Oberfläche
des Halterungsblockes 32 aufgebracht, und der Halterungsblock
wird in Kontakt mit der oberen Oberfläche der Apertur-Platte 34 gebracht,
wie dies in 5B gezeigt ist, wobei die Bohrungen 70 in
der Apertur-Platte
mit zwei der Bohrungen 48 in dem Halterungsblock ausgerichtet
sind. Das Verkleben der Apertur-Platte mit dem Halterungsblock ist
nicht erforderlich, weil die Apertur-Platte gegenüber dem
Halterungsblock durch die Schrauben 51 positioniert und
festgeklemmt wird.
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Als
nächstes
wird Klebemittel auf die Seiten des Absorber-Keils 42 aufgebracht,
und der Keil wird in die Ausnehmung 50 des Halterungsblockes
eingesetzt, wodurch der Keil in dem Halterungsblock festgelegt wird,
wie dies in 5C gezeigt ist. Ein Verkleben
ist wiederum nicht wesentlich, doch wird es bevorzugt.
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Die
die Apertur-Platte 34, den Halterungsblock 32 und
den Absorber-Keil 42 umfassende Baugruppe wird dann auf
die ebene Oberfläche 16a' nach 1 gesetzt.
Schrauben 51 werden in die Bohrungen 48 eingesetzt
und in (nicht gezeigte) Gewindebohrungen in der Oberfläche 16a' eingeschraubt,
um die Baugruppe an den Rohrabschnitt 16' zu befestigen.
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Als
nächstes
wird ein Kompressionskissen 36 auf der oberen Oberfläche 46 des
Halterungsblockes angeordnet, wie dies in 5D gezeigt
ist. Die gedruckte Antennen-Leiterkarte 38 wird auf die
Oberseite des Kompressionskissens 36 aufgesetzt, wobei das
Gehäuse 54 in
die Ausnehmung 52 weist, die Antennenelemente 60 nach
vorne in Richtung auf die Öffnung 68 in
der Platte 34 gerichtet sind, und die Masseebenen-Seite 72 der
Antennenkarte von dem Halterungsblock fort gerichtet ist, wie dies
in 5F gezeigt ist.
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Schließlich wird
die Stützplatte 40 über der Antennenkarte
angeordnet, und Schrauben 57 (2) werden
durch die Bohrungen 58 in der Stützplatte hindurch eingesetzt
und in die Gewindebohrungen 56 in dem Halterungsblock 32 eingeschraubt, bis
das Kompressionskissen 36 und die Antennenkarte 38 zwischen
der Stützplatte
und dem Halterungsblock zusammengedrückt sind. Weil die Stützplatte 40 an
dem Halterungsblock 32 befestigt ist, werden die Befestigungsschrauben 57 so
angezogen, dass sich die Antennenkarte im Wesentlichen parallel
zur zweiten Oberfläche 46 des
Halterungsblockes erstreckt. Als Ergebnis liegen die Antennenelemente 60 in
einer Ebene unter einem Winkel von ungefähr 45° gegenüber der Öffnung 68 in der Apertur-Platte 34.
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Ohne
den Absorber-Keil 42 würde
die Apertur 68, wie sie von der Antenne „gesehen" wird, somit als
ein Fenster in Form einer Ellipse erscheinen, wie dies in den 4 und 6A gezeigt
ist, wobei sich die kleine Achse 80 der Ellipse parallel
zu der Achse A-A des Rohrabschnittes 16' erstreckt, auf dem die Antenneneinheit
befestigt ist. Der Absorber-Keil 42 erstreckt sich jedoch
in das Feld des von der Antenne abgestrahlten Signals in dem Bereich
zwischen der Antenne und dem Fenster, um auf diese Weise das „Blickfeld" des Fensters zu
beschränken,
wie es von der Antenne gesehen wird. Dies ist in 6A gezeigt,
in der der Absorber-Keil so angeordnet ist, dass es den schraffierten
Teil 82 aus dem Blickfeld der Antenne sperrt, wobei die
oberste und am weitesten rechts liegende Kante 84 des Absorber-Keils
die Grenze des schraffierten Teils definiert.
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6B zeigt
die Beschränkung
des Strahlungsdiagramms durch die Apertur-Platte 34 und
den Absorber-Keil 42. Die Antenne erzeugt ein Strahlungsdiagramm,
das eine Hauptkeule 86, naheliegende Nebenkeulen 88 und
fernliegende Nebenkeulen 90 umfasst. Aufgrund der Befestigung
des Halterungsblockes 32 mit seiner ersten Oberfläche 44 (3)
parallel zur Achse A-A des Rohrabschnittes 16', der Befestigung
der Antennenkarte 38 parallel zu der zweiten Oberfläche 46 des
Halterungsblockes und des Winkels von 45° zwischen den ersten und zweiten
Oberflächen
schneidet die Achse X-X der Hauptkeule 86 die Achse A-A
unter einem Winkel θ = 45°.
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Die
Strahlungsenergie der fernliegenden Nebenkeulen 90 ist
von dem Messbereich fort gerichtet, und beeinflusst nicht die Genauigkeit
oder Präzision der
Geschwindigkeitsmessung. Die Strahlungsenergie der nahe gelegenen
Nebenkeulen 88 ist jedoch allgemein in Richtung des zu
messenden Signals gerichtet, und reflektierte Signale von dem Material
beeinflussen die Präzision
der Messung der Geschwindigkeit des Materials. Der Absorber-Keil 42 verhindert
dies durch Abfangen und Absorbieren der Energie der Strahlung der
nahegelegenen Nebenkeule.
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Der
Absorber-Keil 42 beschränkt
oder begrenzt außerdem
die Hauptkeule 86 durch Absorbieren eines Teils der nahegelegenen
Strahlung und deren Vernichtung in Form von Wärme. Wie die Begriffe hier
verwendet werden, bedeutet die nahegelegene Strahlung die Strahlung
der Hauptkeule, die verglichen mit der Strahlung entlang der Achse
X-X eine kürzere
Strecke zu durchlaufen hat, um das zu testende Material zu erreichen.
In 6B liegt die nahegelegene Seitenstrahlung der
Hauptkeule 86 unterhalb der Achse X-X. Der Teil der nahegelegenen
Seitenstrahlung, die von dem Keil 42 absorbiert wird, ist der
Teil, der anderenfalls in den schraffierten Bereich 82 abgestrahlt
würde.
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Die
Apertur-Platte 34 umschließt oder begrenzt die Hauptkeule 36 durch
Absorbieren eines Teils der ferngelegenen Seitenstrahlung und durch Vernichten
dieser Strahlung in Form von Wärme.
Wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet die ferngelegene Seitenstrahlung
die Strahlung der Hauptkeule, die verglichen mit der Strahlung entlang
der Achse X-X eine längere
Strecke zu durchlaufen hat, um das zu testende Material zu erreichen.
In 6B liegt die fernliegende Strahlung oberhalb der
Achse X-X. Der Teil der fernliegenden Strahlung, der durch die Apertur-Platte 34 absorbiert
wird, ist der Teil, der anderenfalls in den schraffierten Bereich 92 abgestrahlt
würde.
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Für eine vorgegebene
Größe und Position der
Apertur 68 und des Absorber-Keils 42 bestimmt die
Position der Antenne 38 gegenüber der Apertur 68 und
dem Absorber-Keil
sowohl die Größe des Winkels α, der die
Grenzen des Strahlungsdiagramms definiert, das auf das zu testende
Material auftrifft, als auch die Position des Winkels α gegenüber der
Achse der Strahlung X-X. Vorzugsweise wird der Winkel α gleich 30° gemacht,
wobei die Achse der Strahlung X-X den Winkel halbiert. Wenn die
Antennenkarte 38 so ausgerichtet ist, dass die Achse X-X
unter einem Winkel von = 45° gegenüber der Achse
A-A der Materialströmung
verläuft,
so sind die Winkel θL und θS 60° bzw.
30°. Somit
ist das Spektrum der Dopplerfrequenz-Antwort auf einen Bereich von
Frequenzen beschränkt,
die sich von einem Auftreffen der Strahlung auf das Material unter
einem Bereich von Winkeln ergeben, die sich über 15° auf jeder Seite der Strahlungsachse
erstrecken. Das Auftreffen der nahegelegenen achsversetzten Strahlung auf
das Material wirkt im Sinne der Erzeugung eines Fehlers in einer
positiven Richtung bei der Bestimmung der mittleren Geschwindigkeit v, weil die Kosinuswerte
von Winkeln größer als θ bis θL kleiner als der Kosinus von θ sind. Das
Auftreffen der fernliegenden achsversetzten Strahlung neigt jedoch
zu der Erzeugung eines Fehlers in der negativen Richtung, weil die
Kosinuswerte von Winkeln kleiner als θ bis θS größer als
der Kosinus von θ sind.
Obwohl sie nicht exakt gleich sind, wirken die Fehler von den Auftreffvorgängen auf
der nahegelegenen und der ferngelegenen Seite im Sinne einer Kompensation,
und die Antenne ergibt eine Anzeige der Geschwindigkeit, die genauer
als die von bekannten Vorrichtungen ist, bei denen die Hauptkeulen-Achse
nicht den Winkel der Strahlung winkelhalbiert, die auf das Material
auftrifft.
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Die
Positionierung der Antennenkarte 38 in den durch den Doppelpfeil 94 angezeigten
Richtungen hat eine erhebliche Auswirkung auf die Größe des Winkels α und die
Beziehung dieses Winkels zu der Hauptkeulen-Achse. Bei einer praktischen
Ausführungsform
ergab eine Versetzung von lediglich drei Millimetern in jeder Richtung
des Pfeils 94 eine beträchtliche Änderung
der Präzision
einer Geschwindigkeitsmessung. In einer Betriebsumgebung waren die
Abmessungen der Antennenkarte derart, dass die Karte in richtiger
Weise dadurch ausgerichtet werden konnte, dass sie in Kontakt mit
einer geraden Kante gebracht wurde, die flach gegen die Oberfläche 49 des
Halterungsblockes 32 gelegt wurde und sich von dieser aus
nach oben erstreckt. Andere konventionelle Lagefestlegungseinrichtungen
können
verwendet werden, wie z.B. ein Stift oder Stifte, die sich von der
Stützplatte 40 in
eine Bohrung oder Bohrungen erstrecken, die in der Antennenkarte 38 vorgesehen
sind.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung ist zu erkennen, dass die vorliegende
Erfindung eine verbesserte Antenneneinheit für eine Dopplereffekt-Messung
der Geschwindigkeit von sich bewegendem Material ergibt. Die Antenneneinheit
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine einen hohen Gewinn aufweisende
Antenne in enge Nähe
zu dem zu testenden Material gebracht werden kann, ohne dass sich
nachteilige Effekte der Nebenkeulen-Emissionen auf die Geschwindigkeitsmessung
ergeben. Die Antenneneinheit ist weiterhin dadurch gekennzeichnet,
dass die Effekte der achsversetzten Strahlung verringert werden
können,
wodurch die Genauigkeit oder Präzision
der Geschwindigkeitsmessung verbessert wird. Die Antenneneinheit
ist zur Verwendung in einer Geschwindigkeits-Überwachungseinrichtung geeignet,
die entweder eine monostatische oder eine bistatische Konfiguration
aufweist, doch wird zur Einsparung an Raum eine monostatische Konfiguration
bevorzugt.
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Obwohl
eine spezielle bevorzugte Ausführungsform
im Einzelnen beschrieben wurde, um die Prinzipien der Erfindung
zu erläutern,
können
verschiedene Modifikationen an der beschriebenen Ausführungsform
durchgeführt
werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie
er in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist.