EP1815214A1 - Antenneneinrichtung zur ein- oder auskopplung von mikrowellen in rohrf\rmigen hohlk\rpern und vorrichtung zur massestrommessung mittels derartiger antenneneinrichtungen - Google Patents

Antenneneinrichtung zur ein- oder auskopplung von mikrowellen in rohrf\rmigen hohlk\rpern und vorrichtung zur massestrommessung mittels derartiger antenneneinrichtungen

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EP1815214A1
EP1815214A1 EP05813486A EP05813486A EP1815214A1 EP 1815214 A1 EP1815214 A1 EP 1815214A1 EP 05813486 A EP05813486 A EP 05813486A EP 05813486 A EP05813486 A EP 05813486A EP 1815214 A1 EP1815214 A1 EP 1815214A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hollow body
antenna
wall
patch element
antenna device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05813486A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Allenberg
Andreas Penirschke
Rolf Jakoby
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schenck Process Europe GmbH
Original Assignee
Schenck Process GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Schenck Process GmbH filed Critical Schenck Process GmbH
Publication of EP1815214A1 publication Critical patent/EP1815214A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/74—Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
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    • G01F1/86—Indirect mass flowmeters, e.g. measuring volume flow and density, temperature or pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced with unbalanced lines or devices
    • H01P5/107—Hollow-waveguide/strip-line transitions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support

Definitions

  • Antenna device for coupling or decoupling microwaves in tubular hollow bodies and device for mass flow measurement by means of such antenna devices is antenna device for coupling or decoupling microwaves in tubular hollow bodies and device for mass flow measurement by means of such antenna devices
  • the invention relates to an antenna device for coupling or decoupling microwaves in a tubular hollow body according to the preamble of patent claim 1 and to a device for mass flow measurement in tubular hollow bodies by means of such antenna devices according to the preamble of patent claim 11.
  • antenna devices For the transmission of high-frequency energy through the atmosphere or in hollow bodies, antenna devices are known which abstract electromagnetic waves in these media, which can also be picked up again via such antenna devices. Such antenna devices are used to convert electrical signals into electromagnetic waves or electromagnetic waves into electrical signals. These arrangements are used for transmitting information or for assessing the transmission space.
  • distances, speeds or the distribution of solids or particles in the dielectric media are frequently detected by using high-frequency waves in the microwave frequency range, and their size or quantity is determined by special evaluation or measuring devices.
  • the solids or particles to be measured must reach the emission area or the emission area must be directed onto the measurement objects, the emission being able to take place by means of variously configured antenna devices.
  • EP 0 703 447 B1 discloses a method and a device for measuring the volume fraction of a multiphase flow in a pipeline by means of microwave radiation.
  • a number of microwave antennas are arranged on the circumference of the flow-through pipeline, which feed microwave energy into the pipeline, wherein the injected microwave energy is simultaneously detected by another microwave antenna.
  • the particle volume fraction present in the flow is determined in the propagated microwave field.
  • twelve dipole antenna pairs are arranged symmetrically on the circumference of the tube, which irradiate the microwave energy into the through-flowed pipe orthogonally to the flow direction and perpendicular to the radial direction.
  • the pairs of dipole antennae are dipoles which are arranged in a crosswise arrangement and consist of a multiplicity of small pipe sections welded together and are arranged on the circumference of the pipe inner wall.
  • Such antennas are very complicated to manufacture and can impair a multiphase particle flow flowing through at least for smaller pipe cross-sections, so that such antennas are preferably used with larger pipe diameters.
  • Another microwave measuring method for determining the mass flow of a particle stream in a round tubular hollow body is known from DE 101 37 009 C1.
  • an opening is provided in the tube wall, in which a horn antenna is left ein ⁇ , is coupled through a waveguide, the microwave energy generated by a Gunndiode in the tube interior Kit ⁇ .
  • These electromagnetic waves radiated into the flow channel are reflected by the particle flow and simultaneously received again by the horn antenna and fed to a Schottky diode as a reflection receiver.
  • the reflection measure transmits a function of the electromagnetic radiation reflected by the solids fraction From the time course of the measured signal of the differential quotient of time is formed, which is a measure of the concentration of Supplementchen ⁇ distribution in the measuring range.
  • the integral is formed mathematically from the derived measurement signal, the magnitude of which is intended to represent a measure of the mass flow in the flow channel.
  • the horn antenna radiates the microwave energy essentially only across the cross section into the flow channel, so that only a small measuring range can be exploited in the axial direction with which only a limited accuracy of measurement is likely to be achievable.
  • DE 44 06 046 C2 discloses another microwave measuring device with which a powder mass flow in a pneumatic conveying line can be quantitatively determined.
  • a microwave resonator is attached to the outer casing of the conveying line, which consists essentially of a resonance space in which a radio-frequency antenna generates a microwave field.
  • the delivery line is evidently designed as a plastic tube, the electromagnetic micro waves penetrate the delivery line wall and are dampened in their amplitude by the mass particles passing through and are changed in their resonance frequency.
  • the powder mass per unit volume is measured inside the tube '.
  • the velocity of the particle stream flowing through is also detected by means of two spaced-apart electrodes, and the flow rate or the flow rate is calculated by means of the measured volume mass.
  • Such a microwave coupling has a poor efficiency, since the majority of er ⁇ generated microwave radiation is emitted outside the tube and can not be decoupled for measurement signal evaluation.
  • Such a measuring device therefore requires a ver ⁇ relatively high microwave energy for irradiation or a NEN high technical evaluation expenditure in order to achieve a sufficient Meßgenautechnik.
  • EP 0 717 269 A2 discloses a further microwave measuring method and a corresponding device, in which the mass flow rate can be detected in a tubular pneumatic delivery line.
  • three coupling openings are provided for microwave feed on the circumference of the pipe wall, to which the microwave energy is introduced by means of waveguide, coaxial conductor or strip conductor and can be coupled into the tubular conveying line.
  • the Einkop ⁇ pelö Anlagenen more similar Aus ⁇ coupling openings are mounted in the pipe wall, through which the coupled micro wave energy is coupled out again. So that a multiphase fluctuating particle flow over the entire conveyor line cross-section can be detected with sufficient accuracy, three input and three output ports are provided, in which the microwave energy is coupled in and out in pulses.
  • the coupled-out microwaves are compared with a reference value without delivery line loading both after their attenuation in the amplitude and after their phase shift.
  • the deviation from this reference value is proportional to the loading density on the measuring section.
  • the conveying speed is additionally determined, from which by multiplication with the loading density on the measuring section, the delivery rate or the mass flow can be calculated.
  • the coupling openings or slots used in this case feed the microwave energy basically evenly into both axial tube directions, so that a maximum of 50% of the injected microwave energy is available for evaluation in the measuring direction.
  • relatively high microwave Necessary energy which can also lead to reflections by the undirected propagation, which disturb the measurement signal and can only be reduced by suitable time windows and thus only in a pulsed operation.
  • this requires a relatively high outlay for coupling and decoupling the microwave energy and for evaluating it.
  • a special antenna device for coupling micro waves into a tubular hollow body for measuring a volume fraction located therein is known from DE 94 12 243 U1, which enables microwave radiation in an axial direction of the hollow body.
  • This antenna device is used for level measurement in a tubular container and has a rod radiator antenna which radiates the microwave energy into an axial longitudinal direction of the tubular hollow body whose radiating energy in this direction has a high efficiency.
  • this rod antenna would be in the flow and would not only disturb the flow of particles but would also be subject to abrasion therefrom, depending on the abrasion.
  • a planar Strahlerele ⁇ element is provided at the front end of a waveguide, which consists essentially of a flat elekt ⁇ risch conductive metal disc, which is applied to a plate-shaped dielectric substrate.
  • a plate-shaped dielectric substrate Above the dielectric substrate, an electrically conductive layer or a part of the metallic waveguide back wall is attached, by means of which the high-frequency energy is injected.
  • the invention is therefore based on the object of providing an antenna device for coupling or decoupling electromagnetic high-frequency energy into a flow-through tubular hollow body which permits coupling with high efficiency and minimally impairs or alters the interior of the hollow body.
  • a device for detecting the mass flow in such a tubular hollow body is to be created with this antenna device.
  • the invention has the advantage that the inclusion of patch element pairs in the inner tube wall results in an integration into the hollow body, in which the inner cross section of the flow-through tube remains unchanged. This simultaneously prevents the formation of turbulences when flowing through multiphase powdered or liquid media. which unhindered flow is often necessary for subsequent processes.
  • the integration of two oppositely arranged curved patch elements has proved to be advantageous, since it permits uniform propagation over the entire cross-sectional area with microwaves capable of propagation as electromagnetic waves, by means of which the dielectric fluctuations can be precisely detected by multiphase particle flows.
  • an integrated antenna device however, other, longer high-frequency transmissions in open, tubular waveguides with high efficiency are also possible, which are in particular less susceptible to interference due to directional coupling.
  • By using such integrated patch elements in the inner tube wall for example, by a Koaxialleiteran gleich in a simple way microwave feed or decoupling are made by the relatively little loss, in particular in a directed coupling.
  • the feed 'of the microwave energy to provide off-center to the patch element width which has the advantage that carried an axially directed wave propagation in the tubular Hohl ⁇ body, whereby the efficiency in Ausbreitungs ⁇ direction increased and at the same time the disturbances are reduced by a re fllecting wave propagation during decoupling.
  • This not only improves the measurement accuracy in the case of a particle distribution or a mass flow determination, but also allows the transmission quality of the microwave propagation in open waveguide structures to be increased. Because even for pure transmission purposes, an efficiency between the coupling and decoupling of well over 50% can be achieved. Therefore, relatively relatively small microwave energies are advantageously used with relatively low coupling-in energies. Transmission distances or high measurement accuracy achievable at predetermined measurement distances.
  • Such antenna devices can advantageously also be used as capacities with which conveyed particle fractions can be charged electrostatically and thus can be detected at another point, for example for determining the flow rate.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a round hollow conductor with an integrated antenna device
  • FIG. 2 is a schematic front view of the circular waveguide with integrated antenna device
  • FIG. 3 shows a schematic field line profile of the fundamental wave (TEn mode) in the cross section of the round hollow conductor at the coupling-in point
  • FIG. 4 shows a strip line coupling to an antenna device in a circular waveguide.
  • an antenna device for Hoch ⁇ frequency feeding or -auskopplung is shown in a tubular hollow body 1 as a waveguide, which consists of so-called patch elements 2, 3, which are integrated in the inner wall 5 of rohr ⁇ shaped hollow body 1.
  • the tubular hollow body 1 represents the section of ein ⁇ fold round tube, as it is used for the pneumatic conveying of coal dust in the cement industry, the vor ⁇ preferably consists of metal.
  • the hollow body 1 can also represent a waveguide not intended for conveying, as used, for example, for transmitting high-frequency waves in microwave engineering.
  • the pulverized coal particles flowing through in the hollow body 1 designed as a conveying tube can be quantitatively determined by means of two antenna devices. With such an antenna device, however, it is also possible to detect other particle or liquid flows which, on the basis of their dielectric properties in the considered frequency range, influence the waves both in their magnitude and in their phase depending on the density of the particle or liquid flow ,
  • microwaves in the gigahertz range. For this purpose, it is necessary to couple the microwaves into the conveying tube interior at least at one point and to decouple them again at another point in order to evaluate an influence by the carbon dust and air mixture flowing through with respect to the coupling.
  • the invention proposes an antenna device for coupling or decoupling the microwave energy, which is designed as a so-called patch antenna.
  • the antenna device contains one or more patch element pairs 2, 3 arranged opposite one another in the tube inner wall 5 and consisting of a rectangular, electrically conductive metal part.
  • the individual patch elements 2, 3 have a predeterminable length L and a width W different therefrom, and preferably consist of a substrate with a very highly conductive layer, such as e.g. B. a thin copper sheet, which is ange ⁇ introduced in its longitudinal direction transversely to the longitudinal direction of the conveying tube 1 ange ⁇ .
  • the patch element pair 2, 3 is not carried out as usual planar, but conformed to the curved surfaces of the pipe inner wall 5 and inserted in a recess from each other isolated.
  • the patch elements 2, 3 are In this case integrated into the tube inner wall 5 such that its radius of curvature is equal to that of the inner wall radius.
  • the antenna device is designed as a separate ring-shaped pipe section which can be inserted into an existing pipe system 1 as a small, sleeve-like intermediate piece 4.
  • a separate metal ring is provided whose diameter is dimensioned so that the existing För ⁇ derrohrenden can be clamped or screwed therein.
  • the described embodiment is based on a Zwi ⁇ rule piece 4 with an inner diameter of about 32 mm, in which preferably microwaves with a frequency from about 5.5 GHz in the fundamental mode (TEn mode) can propagate.
  • larger or smaller tubular hollow bodies 1 or intermediate pieces 4 can be used in which correspondingly aus ⁇ spreadable microwaves with lower or higher frequencies are to be coupled.
  • this antenna intermediate piece 4 as a tubular hollow body 1 is shown in detail in FIG. 2 of the drawing.
  • the two opposing patch elements 2, 3 are mounted symmetrically to a central plane 6 extending in the longitudinal direction of the tube in a recess in the tube inner wall 5 and thus form an antenna pair integrated into the conveyor tube 1.
  • the two patch elements 2, 3 are arranged electrically insulated from the outer conductive annular wall or tube outer wall 7 by a dielectric substrate 8.
  • the first patch element 2 is provided from the outside with a coaxial connection 9 for feeding the microwave energy
  • the outer conductor 10 is electrically connected to the outer ring wall 7 and the inner conductor 11 with the first patch element 2.
  • the second patch element 3 of the antenna pair contains no electrical connection and serves essentially for beam shaping and adjustment of the propagation direction of the microwaves.
  • an additional microwave feed can also be made in the second patch element 3.
  • the feeding of the microwave energy in the first patch element 2 is preferably not initiated centrally at the intersection of its two center lines 12, 13, but off-center in the tube longitudinal direction. Therefore, the inner conductor 11 on the longitudinal center line 13 of the patch element 2, which is orthogonal to a longitudinal edge 14, but offset from the transverse center line 12, which is parallel to the longitudinal edge 14, arranged, resulting in a directed radiation to a longitudinal direction of the conveyor tube 1 results. Therefore, preferably in the second patch element 3, there is also provided an adaptation element 16, which is opposite the inner conductor connection 11 and electrically connects the second patch element 3 for the high-frequency waves to the pipe outer wall 7.
  • the antenna device according to the invention can also be used for central injection into the first patch element 2 and without adaptation element 16 for coupling and decoupling the microwave energy.
  • the length L of the first patch element 2 is dimensioned such that a standing wave in the base mode (TEn wave) can propagate in the conveying tube 1.
  • the length L is calculated can be known from a multiple of half the wavelength ⁇ / 2 and an experimental adjustment because of the curved surfaces, which results in a length of approximately 30 mm for the first patch element 2. Since patch elements fundamentally radiation on all four edges 14, 15 is possible when they are in resonance by their predetermined length, for the width W of the patch elements 2, 3 vor ⁇ preferably only about half the length L is selected.
  • the opposite second patch element 3 is provided, with the aid of which the distribution over the entire cross section can be detected precisely in the case of multiphase particle flows, without the need for additional additional microwave inputs distributed around the circumference ren.
  • FIG Fig. 3 of the drawing shown A field line profile in the case of a microwave coupling with an external feed with reference to the tube longitudinal direction and with an adaptation element 16 in the second patch element 3 is shown in FIG Fig. 3 of the drawing shown.
  • the Feldlinien ⁇ course is shown schematically on the longitudinal edge 14, which shows a directed radiation in a tube longitudinal direction.
  • the arrows 17 indicate the direction and strength of the electric field within the conveyor pipe 1. From the strength it can be seen that both patch elements 2, 3 are in resonance.
  • the field line course within the conveyor tube 1 corresponds to that of a TEn shaft and thus to that of a shaft capable of propagation within a circular waveguide.
  • directed radiation is achieved primarily in only one longitudinal direction of the conveying tube 1, so that almost the entire microwave energy can be traced off in the direction of the measuring path.
  • the efficiency is therefore increased with such a directed radiation to more than 90%, which leads to ei ⁇ nem ratio of useful signal to the irradiated micro ⁇ wave component of about 0.9. Since hardly any reflecting microwaves occur with such a directed radiation, the interference signal component is also very small, so that temporally pulsed synchronized coupling in and out is unnecessary.
  • Such directed radiation is achieved in that a phase shift occurs between the two longitudinal edges 14 of the first patch element 2 by the off-center coupling. This is caused by the fact that a maximum field strength is applied to the longitudinal edge 14 in the emission direction, while at the opposite longitudinal edge the field strength has a minimum and therefore preferably only one emission in the measurement direction is achieved.
  • An amplification of this directivity is effected simultaneously with the matching element 16 in the second patch element 3.
  • This matching element 16 is preferably also offset off-center, namely precisely opposite the feed point of the inner conductor connection. As far as this matching element 16 is not in a field strong minimum, this results in a change in the field distribution on the second patch, which leads to a Phasenver ⁇ shift between the radiating longitudinal edges 14.
  • an antenna device integrated in the pipe inner wall 5 of a tubular hollow body 1 propagatable electromagnetic high-frequency waves can be coupled in as well as decoupled again after an intended transmission path.
  • these antenna devices are preferably used for metrological evaluation of the coupled-in microwave energy. For this reason, in each case at least one antenna pair is provided in at a predetermined tube spacing of several wavelengths of preferably approximately 1 m for the at least one further antenna pair for coupling out the microwave energy. If a mixture of air and coal dust flows through this pipe section as the measuring section, the dielectric properties of the mixture change compared to a reference value in air or vacuum.
  • the charge of pulverized coal particles on the measuring path per measuring cycle also changes with load fluctuations, which likewise leads to a change in the damping and a phase shift with respect to the injected microwave energy.
  • the proportion of coal dust in the measuring section can be determined.
  • a relatively large signal component which is largely free of disturbances, can still be coupled out, so that the attenuation of the microwave amplitude or the phase response Shift is almost only dependent on the coal dust fraction on the measuring section, so that even with simple Auswert ⁇ methods already accurate measurement results can be achieved.
  • several pairs of antennas can also be provided for coupling in and out in the tube inner wall. These are preferably offset from one another by 90 ° on the circumference of the tube wall, so that the spreadable microwaves do not influence sötrend.
  • the throughflow speed can additionally be determined by means of a flow measuring device. From the carbon dust particle fraction within the measuring section multiplied by the conveying or throughflow velocity, the mass flow can also be determined quantitatively as a delivery rate or in total as a delivery rate at the same time as a corresponding electronic evaluation device. In practical experiments, density measuring accuracies of 0.5% have been achieved with such a device for determining the flow rate, with an average coal dust content of about 5% in air.
  • FIG. 4 of the drawing Another embodiment of the antenna device is shown in Fig. 4 of the drawing.
  • an antenna pair of two opposing rectangular flat patch elements 2, 3 is also integrated in a tubular hollow body designed as a conveying tube 1. These are likewise formed as already described with reference to FIGS. 1 and 2 and are arranged in a recess in an electrically insulated manner by the electrically conductive tube outer wall 7.
  • the antenna device differs from that shown in FIGS. 1 and 2 only by the type of microwave input and output.
  • a coupling hole 18 or a coupling slot for so-called aperture coupling is provided in the electrically conductive part of the ring or tubular body is centered or eccentric for the first patch element 2 arranged underneath.
  • a frequency of the microwaves is preferably the same in the example. 5.5 GHz with comparable tube cross-section necessary in order to produce propagatable micro waves in the interior of the conveying tube 1.
  • the propagation capability of certain microwave frequencies in tubular hollow bodies 1 essentially depends on the high-pass characteristic of the waveguide, according to which lower frequencies below the basic mode are not capable of propagation.
  • the coupling of the microwaves in the fundamental mode TE 11 mode has the advantage that no lower frequencies that could interfere with the phase measurement are capable of propagation.
  • a further antenna device can be provided for decoupling in a predetermined axial distance, as a result of which a measuring path is created for determining, for example, the pulverized coal density.
  • the dust velocity can additionally be determined by means of a flow measuring device, so that the mass flow or the delivery force can be calculated from the dust density and the volume of the measuring section and the product at the flow rate.
  • the efficiency in such Aperturkopplung because of the additional radiation outside the tube interior we ⁇ considerably worse than in the coaxial coupling, so that this type of coupling is preferably provided only for cost or space reasons.
  • Such an antenna device from the integrated patch element pairs 2, 3 can also be used as a plate capacitor be used because there is air or another dielectric between the two patch elements 2, 3. If one now applies a high electrical voltage to the two patch elements 2, 3, the carbon dust particles passing through, for example, become statically dissolved by the electric field built up between the patch elements 2, 3. These electrical charges can be detected in the conveying direction by further patch element pairs 2, 3 again and z. B. are evaluated for speed measurement as a flow measuring device and the like.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antenneneinrichtung zur Ei - oder Auskopplung von elektromagnetischen Hochfrequenzwellen insbe­sondere von Mikrowellen, in einen rohrförmigen Hohlkörper (1). Diese Antenneneinrichtung weist als Strahlerelement mindestens ein flaches Patch-Element (2, 3) auf, das auf einem dielektri­schen Substrat (8) innerhalb eines Rohraußenwandteils 7) des Hohlkörpers (1) aufgebracht ist. Die Antenneneinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerelement in der, Roh­rinnenwand (5) des Hohlkörpers (1) integriert und an die ge­krümmte Längswandung des Hohlkörpers (1) durch gekrümmte Flä­chen angepasst ist. Dabei ist. das Patch-Element (2, 3) recht­eckig ausgebildet und mit seiner Längsseite (14) quer zur Hohlkörperlängsrichtung angeordnet, wobei gegenüberliegend zum einspeisenden ersten Patch-Element (2) noch mindestens ein weiteres ähnliches zweites Patch-Element (3) in der Rohrinnen­wandung (5) integriert ist. Aus mindestens zwei derartigen An­tenneneinrichtungen in einem Förderrohrabschnitt, die a ial von einander beabstandet angeordnet sind, wird eine Vorrich­tung zur Massestrommessung gebildet. Dabei wird aus der Parti­kelstromdichte in dem Fördermedium und der Durchflussge.chwin­digkeit des Partikelstroms der Massestrom errechnet, des die Förderstärke oder Fördermenge darstellt.

Description

Antenneneinrichtung zur Ein- oder Auskopplung von Mikrowellen in rohrförmigen Hohlkörpern und Vorrichtung zur Massenstrom¬ messung mittels derartiger Antenneneinrichtungen
Die Erfindung betrifft eine Antenneneinrichtung zur Ein- oder Auskopplung von Mikrowellen in einem rohrförmigen Hohlkörper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrich¬ tung zur Massenstrommessung in rohrförmigen Hohlkörpern mit¬ tels einer derartigen Antenneneinrichtungen nach dem Oberbeg¬ riff des Patentanspruchs 11.
Zur Übertragung von Hochfrequenzenergie über die Atmosphäre oder in Hohlkörpern sind Antenneneinrichtungen bekannt, die in diesen Medien elektromagnetische Hochfrequenzwellen abstrah¬ len, die über derartige Antenneneinrichtungen auch wieder emp¬ fangen werden können. Derartige Antenneneinrichtungen dienen der Wandlung von elektrischen Signalen in elektromagnetische Wellen oder elektromagnetischen Wellen in elektrische Signale. Angewendet werden diese Anordnungen zur Informationsübertra¬ gung oder zur Beurteilung des Übertragungsraumes. Insbesondere in der Messtechnik werden durch Nutzung von Hochfrequenzwellen im Mikrowellenfrequenzbereich häufig Abstände, Geschwindigkei¬ ten oder die Verteilung von Festkörpern oder Partikeln in die¬ lektrischen Medien erfasst und durch spezielle Auswerte- oder Messvorrichtungen deren Größe oder Menge ermittelt. Dazu müs¬ sen die zu messenden Festkörper oder Partikel in den Abstrahl¬ bereich gelangen oder der Abstrahlbereich muss auf die Messob¬ jekte gerichtet werden, wobei die Abstrahlung durch verschie¬ den ausgebildete Antenneneinrichtungen erfolgen kann. Aus der EP 0 703 447 Bl ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Volumenanteils einer mehrphasigen Strömung in einer Rohrleitung mittels Mikrowellenstrahlung bekannt. Dazu sind am Umfang der durchströmten Rohrleitung eine Reihe von Mikrowellenantennen angeordnet, die Mikrowellenenergie in die Rohrleitung einspeisen, wobei die eingekoppelte Mikrowellen¬ energie gleichzeitig von einer anderen Mikrowellenantenne er- fasst wird. Durch Integrieren der ausgekoppelten Mikrowellen¬ energie wird der in der Strömung vorhandene Partikelvolumenan¬ teil im ausgebreiteten Mikrowellenfeld ermittelt. Dazu sind symmetrisch am Umfang des Rohres zwölf Dipolantennenpaare an¬ geordnet, die orthogonal zur Strömungsrichtung und senkrecht zur radialen Richtung die Mikrowellenenergie in die durch¬ strömte Rohrleitung einstrahlen. Bei den Dipolantennenpaaren handelt es sich um kreuzweise angeordnete Dipole, die aus ei¬ ner Vielzahl von miteinander verschweißten kleinen Rohrstücken bestehen und am Umfang der Rohrinnenwand angeordnet sind. Der¬ artige Antennen sind sehr aufwändig in der Herstellung und können einen durchströmenden mehrphasigen Partikelstrom zumin¬ dest bei kleineren Rohrquerschnitten beeinträchtigen, so dass derartige Antennen vorzugsweise bei größeren Rohrleitungs- durchmessern eingesetzt werden.
Ein weiteres Mikrowellenmessverfahren zur Massenstromermitt- lung eines Partikelstroms in einem runden rohrförmigen Hohl¬ körper ist aus der DE 101 37 009 Cl bekannt. Dazu ist in der Rohrwand eine Öffnung vorgesehen, in der eine Hornantenne ein¬ gelassen ist, durch die über einen Hohlleiter die von einer Gunndiode erzeugte Mikrowellenenergie in das Rohrinnere einge¬ koppelt wird. Diese in den Strömungskanal abgestrahlten elekt¬ romagnetischen Wellen werden durch den Partikelstrom reflek¬ tiert und gleichzeitig wieder von der Hornantenne empfangen und einer Schottkydiode als Reflektionsempfänger zugeleitet. Dabei stellt das Reflektionsmaß eine Funktion der vom Fest¬ stoffanteil reflektierten elektromagnetischen Strahlung über den Querschnitt des Strömungskanals dar. Aus dem zeitlichen Verlauf des Messsignals wird der Differentialquotient nach der Zeit gebildet, der ein Maß für die Konzentration der Partikel¬ verteilung im Messbereich darstellt. Durch eine nachfolgende Brückengleichrichterschaltung wird aus dem abgeleiteten Mess¬ signal mathematisch das Integral gebildet, dessen Betragswert ein Maß für den Massendurchfluss in den Strömungskanal dar¬ stellen soll. Die Hornantenne strahlt dabei die Mikrowellen¬ energie im wesentlichen nur über den Querschnitt in den Strö¬ mungskanal ein, so dass in axialer Richtung nur ein geringer Messbereich ausnutzbar ist, mit dem nur eine begrenzte Messge¬ nauigkeit erzielbar sein dürfte.
Aus der DE 44 06 046 C2 ist eine weitere Mikrowellenmessein- richtung bekannt, mit der ein Pulvermassenstrom in einer pneu¬ matischen Förderleitung quantitativ bestimmbar ist. Dazu wird am Außenmantel der Förderleitung ein Mikrowellenresonator an¬ gebracht, der im wesentlichen aus einem Resonanzraum besteht, in dem eine Hochfrequenzantenne ein Mikrowellenfeld erzeugt. Da die Förderleitung offensichtlich als Kunststoffschlauch ausgebildet ist, durchdringen die elektromagnetischen Mikro¬ wellen die Förderleitungswand und werden durch die durchströ¬ menden Massepartikel in ihrer Amplitude gedämpft und in ihrer Resonanzfrequenz verändert. Dadurch wird die Pulvermasse pro Volumeneinheit im Rohrinneren'gemessen. Gleichzeitig wird mit¬ tels zwei beabstandeter Elektroden noch die Geschwindigkeit des durchströmenden Partikelstromes erfasst und mittels der gemessenen Volumenmasse die Förderstärke bzw. die Durchfluss¬ menge errechnet. Eine derartige Mikrowelleneinkopplung besitzt aber einen schlechten Wirkungsgrad, da der Großteil der er¬ zeugten Mikrowellenstrahlung außerhalb des Rohres abgestrahlt wird und so zur Messsignalauswertung nicht mehr auskoppelbar ist. Eine derartige Messeinrichtung erfordert daher eine ver¬ hältnismäßig hohe Mikrowellenenergie zur Einstrahlung oder ei- nen hohen naesstechnischen Auswerteaufwand, um eine hinreichen¬ de Messgenauigkeit zu erzielen.
Aus der EP 0 717 269 A2 ist ein weiteres Mikrowellenmessver- fahren und eine entsprechende Vorrichtung bekannt, bei der der Massendurchsatz in einer rohrförmigen pneumatischen Förderlei¬ tung erfassbar ist. Dazu sind zur Mikrowelleneinspeisung am Umfang der Rohrwandung drei Koppelöffnungen vorgesehen, an die .die Mikrowellenenergie mittels Hohlleiter, Koaxialleiter oder Streifenleiter herangeführt wird und in die rohrförmige För¬ derleitung einkoppelbar ist. Im axialen Abstand zu den Einkop¬ pelöffnungen sind in der Rohrwandung weitere gleichartige Aus¬ koppelöffnungen angebracht, durch die die eingekoppelte Mikro¬ wellenenergie wieder ausgekoppelt wird. Damit auch eine mehrphasige schwankende Partikelströmung über den gesamten Förderleitungsquerschnitt hinreichend genau erfassbar ist, sind drei Ein- und drei Auskoppelöffnungen vorgesehen, in die pulsartig nacheinander die Mikrowellenenergie ein- und ausge¬ koppelt wird. Zur Ermittlung der Förderstärke werden die aus¬ gekoppelten Mikrowellen mit einem Referenzwert ohne Förderlei- tungsbeladung sowohl nach deren Dämpfung in der Amplitude als auch nach deren Phasenverschiebung verglichen. Die Abweichung von diesem Referenzwert ist dabei proportional der Beladungs¬ dichte auf der Messstrecke. Durch eine Kreuzkorrelation wird zusätzlich die Fördergeschwindigkeit ermittelt, aus der durch Multiplikation mit der Beladungsdichte auf der Messstrecke die Förderstärke bzw. der Massenstrom errechenbar ist.
Die dabei eingesetzten Koppelöffnungen oder -schlitze speisen die Mikrowellenenergie im Grunde gleichmäßig in beide axiale Rohrrichtungen ein, so dass in Messrichtung maximal 50% der eingespeisten Mikrowellenenergie zur Auswertung zur Verfügung steht. Zur genauen Auswertung der eingekoppelten Mikrowellen¬ energie über eine notwendige Messstreckenlänge innerhalb des Förderrohres sind deshalb verhältnismäßig hohe Mikrowellen- energien notwendig, die durch die ungerichtete Ausbreitung auch zu Reflektionen führen können, die das Messsignal stören und nur durch geeignete Zeitfenster und damit nur in einem Pulsbetrieb verringerbar sind. Hierfür ist allerdings ein ver¬ hältnismäßig hoher Aufwand zur Ein- und Auskopplung der Mikro¬ wellenenergie und zu deren Auswertung notwendig.
Eine spezielle Antenneneinrichtung zur Einkopplung von Mikro¬ wellen in einen röhrförmigen Hohlkörper zur Messung eines dar¬ in befindlichen Volumenanteils ist aus der DE 94 12 243 Ul be¬ kannt, die eine Mikrowellenstrahlung in eine axiale Richtung des Hohlkörpers ermöglicht. Diese Antenneneinrichtung wird zur Füllstandsmessung in einem rohrförmigen Behälter eingesetzt und verfügt über eine Stabstrahlerantenne, die die Mikrowel¬ lenenergie in eine axiale Längsrichtung des rohrförmigen Hohl¬ körpers abstrahlt, dessen Abstrahlenergie in diese Richtung einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Bei einem durchströmenden rohrförmigen Hohlkörper würde sich diese Stabstrahlerantenne aber im Förderstrom befinden und hier nicht nur den Partikel¬ strom stören, sondern von diesem auch je nach Abrasion einer Abnutzung unterworfen sein.
Eine weitere Antenneneinrichtung zur Füllstandsmessung in ei¬ nem rohrförmigen Hohlkörper ist aus der DE 198 00 306 Al be¬ kannt, die eine axial gerichtete Mikrowelleneinkopplung mit¬ tels eines sogenannten flachen Patch-Elements vorsieht. Dazu ist am Stirnende eines Hohlleiters ein planares Strahlerele¬ ment vorgesehen, das im wesentlichen aus einer flachen elekt¬ risch leitfähigen Metallscheibe besteht, die auf einem plat- tenförmigen dielektrischen Substrat aufgebracht ist. Oberhalb des dielektrischen Substrats ist eine elektrisch leitende Schicht oder ein Teil der metallischen Hohlleiterrückwand an¬ gebracht, durch die die Hochfrequenzenergie eingekoppelt wird. Dazu ist ein Koaxialanschluss außerhalb der Rohrwandung vorge¬ sehen, bei dem der Innenleiter mit dem Patch-Element und der Außenleiter mit der metallischen Rohrwand oder der elektrisch leitfähigen Schicht verbunden ist. Dabei wird die zugeführte Mikrowellenenergie nur in einer axialen Richtung in den rohr- förmigen Hohlleiter durch das flache Patch-Element eingekop¬ pelt, so dass mit dieser Antenneneinrichtung nahezu die gesam¬ te Mikrowellenenergie in Messrichtung abgestrahlt wird, wo¬ durch ein hoher Wirkungsgrad bei einer gezielten Auskopplung auf einer Messstrecke erreichbar wäre. Würde man allerdings ein derartiges Patch-Element in ein durchströmbares Förderrohr einsetzen, so müsste es quer im Förderstrom angeordnet werden und würde ebenfalls den Partikelstrom erheblich beeinträchti¬ gen und einem Verschleiß durch den Partikelstrom ausgesetzt sein.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anten¬ neneinrichtung zum Ein- oder Auskoppeln von elektromagneti¬ scher Hochfrequenzenergie in einen durchströmbaren rohrförmi- gen Hohlkörper zu schaffen, die eine Einkopplung mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht und den Innenbereich des Hohlkörpers möglichst wenig beeinträchtigt oder verändert. Gleichzeitig soll mit dieser Antenneneinrichtung eine Vorrichtung zur Er¬ fassung des Massestroms in einem derartigen rohrförmigen Hohl¬ körper geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 und Patentan¬ spruch 11 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Einlassung von Patch-Element Paaren in die innere Rohrwandung eine Integrati¬ on in den Hohlkörper entsteht, bei dem der innere Querschnitt des durchströmbaren Rohres unverändert bleibt. Dadurch wird gleichzeitig die Entstehung von Turbulenzen beim Durchströmen von mehrphasigen pulverförmigen oder flüssigen Medien verhin- dert, deren ungehinderter Durchfluss für die nachfolgenden Prozesse häufig notwendig ist. Dabei hat sich insbesondere die Integration von zwei gegenüberliegend angeordneten gekrümmten Patch-Elementen als vorteilhaft erwiesen, da damit eine i gleichmäßige Ausbreitung über den gesamten Querschnittsbereich mit ausbreitungsfähigen Mikrowellen als elektromagnetische Wellen möglich ist, durch die die Dielektrizitätsschwankungen durch mehrphasige Partikelströme genau erfassbar sind. Mit ei¬ ner derartigen integrierten Antenneneinrichtung sind aber auch i andere, längere Hochfrequenzübertragungen in offenen, rohrför- migen Hohlleitern mit hohem Wirkungsgrad möglich, die insbe¬ sondere durch eine gerichtete Einkopplung wenig störungsbehaf¬ tet sind. Durch die Verwendung derartig integrierter Patch- Elemente in der inneren Rohrwandung kann beispielsweise durch einen Koaxialleiteranschluss auf einfache Weise eine Mikrowel- leneinspeisung oder auch -auskopplung vorgenommen werden, durch die verhältnismäßig wenig Verluste auftreten, insbeson¬ dere bei einer gerichteten Einkopplung.
Bei einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Einspeisung 'der Mikrowellenenergie außermittig zur Patch- Elementenbreite vorzusehen, das den Vorteil hat, dass dadurch eine axial gerichtete Wellenausbreitung im rohrförmigen Hohl¬ körper erfolgt, wodurch sich der Wirkungsgrad in Ausbreitungs¬ richtung erhöht und gleichzeitig die Störungen durch eine re¬ flektierende Wellenausbreitung beim Auskoppeln vermindert wer¬ den. Damit kann nicht nur die Messgenauigkeit bei einer Parti¬ kelverteilung oder einer Massenstromermittlung verbessert wer¬ den, sondern dadurch lässt sich auch die Übertragungsgüte der Mikrowellenausbreitung in offenen Hohlleiterstrukturen erhö¬ hen. Denn auch für reine Übertragungszwecke kann dadurch ein Wirkungsgrad zwischen den Ein- und Auskoppelstellen von weit über 50% erzielt werden. Deshalb sind vorteilhafterweise mit relativ geringen Einkoppelenergien relativ lange Mikrowellen- Übertragungsstrecken oder bei vorgegebenen Messstrecken hohe Messgenauigkeiten erzielbar.
Derartige Antenneneinrichtungen können vorteilhafterweise auch als Kapazitäten genutzt werden, mit denen geförderte Partikel¬ anteile elektrostatisch aufladbar sind und so an anderer Stel¬ le beispielsweise zur Durchflussgeschwindigkeitsbestimmung de- tektierbar sind.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische Seitenansicht eines Rundhohl¬ leiters mit integrierer Antenneneinrichtung;
Fig. 2: eine schematische Vorderansicht auf den Rund¬ hohlleiter mit integrierer Antenneneinrichtung;
Fig. 3: einen schematischen Feldlinienverlauf der Grund¬ welle (TEn Mode) im Querschnitt des Rundhohl¬ leiters an der Einkoppelstelle, und
Fig. 4: eine Streifenleitereinkopplung an einer Anten¬ neneinrichtung in einem Rundhohlleiter.
In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Antenneneinrichtung zur Hoch¬ frequenzeinspeisung oder -auskopplung in einen rohrförmigen Hohlkörper 1 als Hohlleiter dargestellt, die aus sogenannten Patch-Elementen 2, 3 besteht, die in der Innenwand 5 des rohr¬ förmigen Hohlkörpers 1 integriert sind.
Der rohrförmige Hohlkörper 1 stellt den Ausschnitt eines ein¬ fachen Rundrohres dar, wie es zur pneumatischen Förderung von Kohlenstaub in der Zementindustrie verwendet wird, das vor¬ zugsweise aus Metall besteht. Allerdings kann der Hohlkörper 1 auch einen nicht zur Förderung bestimmten Hohlleiter darstel¬ len, wie er beispielsweise zur Übertragung von Hochfrequenz¬ wellen in der Mikrowellentechnik verwendet wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, mit¬ tels zweier Antenneneinrichtungen die in dem als Förderrohr ausgebildeten Hohlkörper 1 durchströmenden Kohlenstaubpartikel quantitativ zu ermitteln. Mit einer derartigen Antennenein¬ richtung können aber auch andere Partikel- oder Flüssigkeits¬ ströme erfasst werden, die anhand ihrer dielektrischen Eigen¬ schaften im betrachteten Frequenzbereich die Wellen sowohl in ihrem Betrag als auch in ihrer Phase abhängig von der Dichte des Partikel- oder Flüssigkeitsstroms beeinflussen.
Um einen derartigen mehrphasigen Partikelstrom aus Kohlenstaub im Fördermedium Luft im Förderrohr 1 messtechnisch mittels e- lektromagnetischer Wellen erfassen zu können, werden vorzugs¬ weise Mikrowellen im Gigahertz-Bereich verwandt. Dazu ist es notwendig, die Mikrowellen in das Förderrohrinnere mindestens an einer Stelle einzukoppeln und an anderer Stelle wieder aus¬ zukoppeln, um eine Beeinflussung durch das durchströmende Koh¬ lenstaub-Luft-Gemisch gegenüber der Einkopplung auszuwerten.
Dazu schlägt die Erfindung eine Antenneneinrichtung zum Ein- oder Auskoppeln der Mikrowellenenergie vor, die als sogenannte Patch-Antenne ausgebildet ist. Dabei enthält die Antennenein¬ richtung ein oder mehrere, in der Rohrinnenwand 5 gegenüber¬ liegend angeordnete Patch-Elemente-Paare 2,3, die aus einem rechteckförmigen elektrisch leitfähigen Metallteil bestehen. Die einzelnen Patch-Elemente 2, 3 besitzen eine vorbestimmbare Länge L und eine davon unterschiedliche Breite W und bestehen vorzugsweise aus einem Substrat mit einer sehr gut leitenden Schicht wie z. B. einem dünnen Kupferblech, die in ihrer Längsrichtung quer zur Längsrichtung des Förderrohres 1 ange¬ bracht ist. Dabei ist das Patch-Element-Paar 2, 3 nicht wie üblich planar ausgeführt, sondern konform an die gekrümmten Flächen der Rohrinnenwand 5 angepasst und in einer Aussparung voneinander isoliert eingelassen. Die Patch-Elemente 2, 3 sind dabei so in die Rohrinnenwand 5 integriert, dass deren Krüm¬ mungsradius gleich dem des Innenwandradius entspricht.
Vorzugsweise wird die Antenneneinrichtung als separates ring¬ förmiges Rohrstück ausgebildet, das in ein bestehendes Rohr¬ system 1 als kleines, muffenartiges Zwischenstück 4 einsetzbar ist. Dazu ist ein separater Metallring vorgesehen, dessen Durchmesser so bemessen ist, dass darin die vorhandenen För¬ derrohrenden eingeklemmt oder eingeschraubt werden können. Das beschriebene Ausführungsbeispiel geht dabei von einem Zwi¬ schenstück 4 mit einem Innendurchmesser von ca. 32 mm aus, bei dem sich vorzugsweise Mikrowellen mit einer Frequenz ab ca. 5,5 GHz im Grundmode (TEn Mode) ausbreiten können. Es sind a- ber auch größere oder kleinere rohrförmigen Hohlkörper 1 bzw. Zwischenstücke 4 verwendbar, in denen dann entsprechend aus¬ breitungsfähige Mikrowellen mit niedrigeren oder höheren Fre¬ quenzen einzukoppeln sind.
Der Querschnitt dieses Antennenzwischenstücks 4 als rohrförmi- ger Hohlkörper 1 ist in Fig. 2 der Zeichnung im einzelnen dar¬ gestellt. Wie daraus ersichtlich ist, sind die beiden gegenü¬ berliegenden Patch-Elemente 2, 3 symmetrisch zu einer in Rohr¬ längsrichtung verlaufenden Mittenebene 6 in einer Aussparung der Rohrinnenwand 5 angebracht und bilden somit ein in das Förderrohr 1 integriertes Antennenpaar. Die beiden Patch- Elemente 2, 3 sind gegenüber der äußeren leitfähigen Ringwand bzw. Rohraußenwand 7 durch ein dielektrisches Substrat 8 e- lektrisch isoliert angeordnet. Das erste Patch-Element 2 ist dabei von außen mit einem Koaxialanschluss 9 zur Einspeisung der Mikrowellenenergie versehen, dessen Außenleiter 10 mit dem äußeren Ringwand 7 und dessen Innenleiter 11 mit dem ersten Patch-Element 2 elektrisch verbunden ist. Das zweite Patch- Element 3 des Antennenpaares enthält keinen elektrischen An- schluss und dient im wesentlichen der Strahlformung und der Einstellung der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen. Zur Ver- besserung der Richtwirkung der Antenneneinrichtung kann auch im zweiten Patch-Element 3 eine zusätzliche Mikrowellenein- speisung vorgenommen werden.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades und der Verminderung von Störungen wird die Einspeisung der Mikrowellenenergie im ers¬ ten Patch-Element 2 vorzugsweise nicht zentral im Kreuzungs¬ punkt seiner beiden Mittellinien 12, 13 eingeleitet, sondern in Rohrlängsrichtung außermittig. Deshalb ist der Innenleiter 11 auf der Längsmittellinie 13 des Patch-Elements 2, die or¬ thogonal zu einer Längskante 14 verläuft, aber versetzt zur Quermittellinie 12, die parallel zur Längskante 14 verläuft, angeordnet, wodurch sich eine gerichtete Abstrahlung zu einer Längsrichtung des Förderrohres 1 ergibt. Deshalb ist vorzugs¬ weise auch im zweiten Patch-Element 3 ein dem Innenleiteran- schluss 11 gegenüberliegendes Anpasselement 16 vorgesehen, das das zweite Patch-Element 3 für die Hochfrequenzwellen elekt¬ risch abgeschlossen mit der Rohraußenwand 7 verbindet. Aller¬ dings ist die erfindungsgemäße Antenneneinrichtung auch bei einer mittigen Einspeisung in das erste Patch-Element 2 und ohne Anpasselement 16 zur Ein- und Auskoppelung der Mikrowel¬ lenenergie einsetzbar.
Das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel erzeugt eine Mikrowel- leneinspeisung in einen rohrförmigen Hohlkörper nach folgenden physikalischen Verfahren:
Bei einer Einspeisung einer Mikrowellenenergie von vorzugswei¬ se größer gleich 5,5 GHz als elektromagnetische Hochfrequenz¬ welle durch den Koaxialanschluss 9 und einer mittigen Einspei¬ sung in das erste rechteckige Patch-Element 2 bildet sich an dessen beiden Längskanten 14 ein elektrisches Feld aus. Dabei ist die Länge L des ersten Patch-Elements 2 so bemessen, dass sich in dem Förderrohr 1 eine stehende Welle im Grundmode (TEn-Welle) ausbreiten kann. Die Länge L errechnet sich be- kannterweise aus einem Vielfachen der halben Wellenlänge λ/2 und einer experimentellen Anpassung wegen der gekrümmten Flä¬ chen, wodurch sich für das erste Patch-Element 2 vorzugsweise eine Länge von ca. 30 mm ergibt. Da bei Patch-Elementen grund¬ sätzlich eine Abstrahlung an allen vier Kanten 14, 15 möglich ist, wenn sich diese durch ihre vorgegebene Länge in Resonanz befinden, wird für die Breite W der Patch-Elemente 2, 3 vor¬ zugsweise nur etwa die Hälfte der Länge L gewählt. Dadurch werden weitgehend Ausbreitungseffekte an den Querkanten 15 sowohl im Grundmode als auch in den übrigen Ausbreitungsmoden vermieden, so dass für das erste Patch-Element 2 im wesentli¬ chen nur eine Mikrowellenabstrahlung in Rohrlängsrichtung er¬ folgt. Bei einer mittigen Einspeisung geschieht die Abstrah¬ lung allerdings gleichmäßig in beide Längsrichtungen, so dass sich bei einer beidseitigen Ausbreitung bei einer vorgegebenen Messstrecke in nur einer Richtung maximal nur 50% der abge¬ strahlten Mikrowellenenergie in die gewünschte Richtung aus¬ breitet und mit einer gleichartigen Auskopplung max. 25% der abgestrahlten Mikrowellenenergie auskoppelbar ist. Dies würde zu Messzwecken zwar ausreichend sein aber wegen störender Re- flektionen der anderen Ausbreitungsrichtungen zu einem erhöh¬ ten Auswerteaufwand führen oder gegebenenfalls zum Verlust der Nutzinformation führen.
Zur gleichmäßigen Ausbreitung des elektrischen Feldes über den Rohrquerschnitt ist das gegenüberliegende zweite Patch-Element 3 vorgesehen, mit dessen Hilfe vorzugsweise bei mehrphasigen Partikelströmungen die Verteilung über den gesamten Quer¬ schnitt genau erfassbar ist, ohne dass weitere um den Umfang verteilte zusätzliche Mikrowelleneinkopplungen notwendig wä¬ ren.
Ein Feldlinienverlauf bei einer Mikrowelleneinkopplung mit au¬ ßermittiger Einspeisung bezogen auf die Rohrlängsrichtung und mit einem Anpasselement 16 im zweiten Patch-Element 3 ist in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt. Dabei wird der Feldlinien¬ verlauf an der Längskante 14 schematisch dargestellt, die eine gerichtete Abstrahlung in eine Rohrlängsrichtung zeigt. Dabei geben die Pfeile 17 die Richtung und Stärke des elektrischen Feldes innerhalb des Förderrohres 1 an. Aus der Stärke ist zu erkennen, dass sich beide Patch-Elemente 2,3 in Resonanz be¬ finden. Dabei entspricht der Feldlinienverlauf innerhalb des Förderrohres 1 dem einer TEn-Welle und damit dem einer aus¬ breitungsfähigen Welle innerhalb eines Rundhohlleiters. Durch die Phasenverschiebung der die Patch-Elemente anregenden Mik¬ rowellen wird eine gerichtete Abstrahlung primär in nur einer Längsrichtung des Förderrohres 1 erreicht, so dass nahezu die gesamte Mikrowellenenergie in Richtung der Messstrecke abs- trahlbar ist. Der Wirkungsgrad wird deshalb mit einer derartig gerichteten Strahlung auf mehr als 90% erhöht, welches zu ei¬ nem Verhältnis von Nutzsignalanteil zum eingestrahlten Mikro¬ wellenanteil von ca. 0,9 führt. Da bei einer derartig gerich¬ teten Abstrahlung kaum reflektierende Mikrowellen auftreten, ist auch der Störsignalanteil sehr gering, so dass zeitlich gepulste synchronisierte Ein- und Auskopplungen entbehrlich sind.
Eine derart gerichtete Abstrahlung wird dadurch erreicht, dass zwischen den beiden Längskanten 14 des ersten Patch-Elements 2 durch die außermittige Einkopplung eine Phasenverschiebung eintritt. Dies wird dadurch hervorgerufen, dass an der Längs¬ kante 14 in Abstrahlrichtung eine maximale Feldstärke anliegt, während an der gegenüberliegenden Längskante die Feldstärke ein Minimum aufweist und dadurch vorzugsweise nur eine Ab¬ strahlung in Messrichtung erreicht wird. Eine Verstärkung die¬ ser Richtwirkung wird gleichzeitig mit dem Anpasselement 16 beim zweiten Patch-Element 3 bewirkt. Dieses Anpasselement 16 wird vorzugsweise ebenfalls außermittig versetzt, und zwar ge¬ nau gegenüberliegend zum Einspeisungspunkt des Innenleiteran- schlusses. Soweit dieses Anpasselement 16 nicht in einem Feld- stärkeminimum liegt, entsteht dadurch eine Veränderung der Feldverteilung auf dem zweiten Patch, das zu einer Phasenver¬ schiebung zwischen den abstrahlenden Längskanten 14 führt. Mit diesen beiden Möglichkeiten zur Phasenverschiebung zwischen den beiden Längskanten kann die Ausbreitungsrichtung der in¬ nerhalb des Hohlkörpers ausbreitungsfähigen Mikrowellen zwi¬ schen 50 % in beide und mehr als 90% in eine Längsrichtung be¬ liebig eingestellt werden.
Mit einer derartigen in der Rohrinnenwand 5 eines rohrförmigen Hohlkörpers 1 integrierten Antenneneinrichtung lassen sich ausbreitungsfähige elektromagnetische Hochfrequenzwellen so¬ wohl einkoppeln als auch nach einer vorgesehenen Übertragungs¬ strecke wieder auskoppeln. Vorzugsweise dienen diese Antennen¬ einrichtungen aber zur messtechnischen Auswertung der einge¬ koppelten Mikrowellenenergie. Deshalb werden in einem vorgege¬ benen Rohrabstand von mehreren Wellenlängen von vorzugsweise ca. I m jeweils mindestens ein Antennenpaar zur Ein- und min¬ destens ein weiteres Antennenpaar zur Auskopplung der Mikro¬ wellenenergie vorgesehen. Befindet sich nun in diesem Rohrab- schnitt als Messstrecke ein durchströmendes Luft- Kohlenstaubgemisch, so ändern sich dadurch die dielektrischen Eigenschaften des Gemisches gegenüber einem Referenzwert in Luft oder Vakuum. Gleichfalls ändert sich auch bei Beladungs¬ schwankungen der Kohlenstaubpartikelanteil auf der Messstrecke pro Messzyklus, was ebenfalls zu einer Veränderung der Dämp¬ fung und einer Phasenverschiebung gegenüber der eingekoppelten Mikrowellenenergie führt. Bei einem Vergleich der Amplitude, sowie der Phase des Mikrowellensignals mit einem vorgesehenen Referenzwert z. B. beim nur luftdurchflossenen Hohlleiter, kann der Anteil des Kohlenstaubs in der Messstrecke bestimmt werden. Insbesondere bei der gerichteten Mikrowelleneinkopp- lung ist am Ende der Messstrecke noch ein verhältnismäßig gro¬ ßer weitgehend von Störungen freier Signalanteil auskoppelbar, so dass die Dämpfung der Mikrowellenamplitude oder die Phasen- Verschiebung nahezu nur von dem Kohlenstaubanteil auf der Messstrecke abhängig ist, so dass auch mit einfachen Auswerte¬ methoden bereits genaue Messergebnisse erzielbar sind. Zur Er¬ höhung der Messgenauigkeit können in der Rohrinnenwand auch mehrere Antennenpaare jeweils zur Ein- und Auskopplung vorge¬ sehen werden. Diese sind vorzugsweise gegeneinander um 90° am Umfang der Rohrwandung versetzt angeordnet, so dass sich die ausbreitungsfähigen Mikrowellen nicht sötrend beeinflussen.
Mit Hilfe der Frequenzverschiebung aufgrund des Dopplereffek¬ tes oder mit Hilfe der Korrelation von Beladungsschwankungen kann mittels einer Durchflussmessvorrichtung zusätzlich noch die Durchströmgeschwindigkeit ermittelt werden. Aus dem Koh¬ lenstaubpartikelanteil innerhalb der Messstrecke multipliziert mit der Förder- oder Durchströmgeschwindigkeit ist gleichzei¬ tig mit einer entsprechenden elektronischen Auswertevorrich¬ tung auch der Massestrom quantitativ als Förderstärke oder in Summe als Fördermenge bestimmbar. In praktischen Versuchen sind mit einer derartigen Vorrichtung zur Bestimmung der För¬ derstärke Dichtemessgenauigkeiten von 0,5 % bei einem Koh¬ lenstaubanteil von durchschnittlich etwa 5 % in Luft erreicht worden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Antenneneinrichtung ist in Fig. 4 der Zeichnung dargestellt. Bei dieser Antennenein¬ richtung ist ebenfalls in einem als Förderrohr 1 ausgebildeten rohrförmigen Hohlkörper ein Antennenpaar aus zwei gegenüber¬ liegenden rechteckigen flachen Patch-Elementen 2, 3 integ¬ riert. Diese sind dabei ebenfalls wie bereits zu Fig. 1 und 2 beschrieben ausgebildet und in einer Aussparung elektrisch i- soliert von der elektrisch leitfähigen Rohraußenwand 7 ange¬ ordnet. Die Antenneneinrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 1 und 2 dargestellten lediglich durch die Art der Mikro- wellenein- bzw. -auskopplung. Dazu ist im elektrisch leitfähi¬ gen Teil des Ring- oder Rohrkörpers mittig oder außermittig zum darunter angeordneten ersten Patch-Element 2 ein Koppel¬ loch 18 oder ein Koppelschlitz zur sogenannten Aperturkopplung vorgesehen.
Oberhalb des Loches 18 bzw. Schlitzes sind Streifenleiter 19 zur Heranführung der Mikrowellenenergie befestigt. Dabei ist auch bei der Aperturkopplung vorzugsweise eine Frequenz der Mikrowellen im Beispiel größer gleich. 5,5 GHz bei vergleich¬ barem Rohrquerschnitt notwendig, um ausbreitungsfähige Mikro¬ wellen im Innenraum des Förderrohres 1 zu erzeugen. Die Aus¬ breitungsfähigkeit bestimmter Mikrowellenfrequenzen in rohr.- förmigen Hohlkörpern 1 ist im wesentlichen vom Hochpasscharak¬ ter des Hohlleiters abhängig, nach dem niedrigere Frequenzen unterhalb des Grundmodes nicht ausbreitungsfähig sind. Dabei hat die Einkopplung der Mikrowellen im Grundmode TE11 Mode den Vorteil, dass keine niedrigeren Frequenzen, die für die Pha¬ senmessung störend wirken könnten, ausbreitungsfähig sind.
Auch mit einer derartigen Aperturkopplung kann eine weitere Antenneneinrichtung zur Auskopplung in vorgegeben axialem Ab¬ stand vorgesehen werden, wodurch eine Messstrecke zur Ermitt¬ lung beispielsweise der Kohlenstaubdichte entsteht. Mittels einer Korrelationsmessung ist mittels einer Durchflussmessvor- richtung zusätzlich auch die Staubgeschwindigkeit ermittelbar, - so dass aus der Staubdichte und dem Volumen der Messstrecke und dem Produkt mit der Durchflussgeschwindigkeit der Masse¬ strom bzw. die Förderstärke errechenbar ist. Allerdings ist der Wirkungsgrad bei einer derartigen Aperturkopplung wegen der zusätzlichen Abstrahlung außerhalb des Rohrinnenraums we¬ sentlich schlechter als bei der Koaxialankopplung, so dass diese Art der Ankopplung vorzugsweise nur aus Kosten- oder Platzgründen vorgesehen wird.
Eine derartige Antenneneinrichtung aus den integrierten Patch- Element-Paaren 2, 3 kann gleichzeitig auch als Plattenkonden- sator eingesetzt werden, da sich zwischen den beiden Patch- Elementen 2, 3 Luft oder ein anderes Dielektrikum befindet. Legt man nun an die beiden Patch-Elemente 2, 3 eine hohe e- lektrische Spannung, so werden beispielsweise die durchströ¬ menden Kohlenstaubpartikel durch das zwischen den Patch- Elementen 2, 3 aufgebaute elektrische Feld statisch aufgela¬ den. Diese elektrischen Ladungen können in Förderrichtung durch weitere Patch-Element-Paare 2, 3 wieder erfasst und z. B. zur Geschwindigkeitsmessung als Durchflussmessvorrichtung und dergleichen ausgewertet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Antenneneinrichtung zur Ein- oder Auskopplung von elektro¬ magnetischen Hochfrequenzwellen , insbesondere Mikrowel¬ len, in einen rohrförmigen Hohlkörper (1), die mindestens ein Strahlerelement aufweist, das als flaches Patch- Element (2, 3) ausgebildet und auf einem dielektrischen - Substrat (8) innerhalb eines Rohraußenwandteils (7) des Hohlkörpers (1) aufgebracht ist und eine Energiezuführung enthält, die die Hochfrequenzenergie durch die Rohraußen¬ wand (7) mindestens einem Patch-Element (2) zuführt, da¬ durch gekennzeichnet, dass das Strahlerelement in der Roh¬ rinnenwand (5) des Hohlkörpers (1) integriert und an die gekrümmte Längswandung des Hohlkörpers (1) durch gekrümmte Flächen angepasst ist, wobei das Patch-Element (2, 3) rechteckig ausgebildet und mit seiner Längsseite (14) quer zur Hohlkörperlängsrichtung angeordnet ist und gegenüber¬ liegend zum einspeisenden ersten Patch-Element (2) noch mindestens ein weiteres ähnliches zweites Patch-Element (3) in der Rohrinnenwand (5) vorgesehen ist.
2. Antenneneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass das erste Patch-Element (2) und zweite Patch- Element (3) ein Antennenpaar bildet, das in einer Ausspa¬ rung der Rohraußenwand (7) des rohrförmigen Hohlkörpers (1) unter dem dielektrischen Substrat (8) angeordnet ist, wobei das Antennenpaar (2, 3) gegenüber der metallischen Rohraußenwand (7) des Hohlkörpers (1) elektrisch isoliert ist.
3. Antenneneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Antennenpaar so in der Aussparung der Rohrinnenwand (5) des Hohlkörpers (1) angeordnet und an die Rundflächen der Rohrinnenwandung (5) so angepasst ist, dass der Querschnitt durch das Antennenpaar unverän¬ dert bleibt.
4. Antenneneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenpaar aus ei¬ ner flachen elektrisch leitfähigen Fläche besteht, deren Längskanten (14) so bemessen sind, dass im rohrförmigen Hohlkörper (1) eine Welle in seinem Grundmode (TEn Mode) oder höheren Moden ausbreitungsfähig ist, wobei die Breite (W) des Patch-Elementes (2, 3) kürzer als deren Länge (L) ist und dabei so bemessen wird, dass sich an deren Quer¬ kanten (15) keine Wellen ausbreiten können aber zur Strahlformung dient.
5. Antenneneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Patch-Elemente (2, 3) eines Antennenpaares symmetrisch zu einer Mittelebene (6) angeordnet sind, die in Längsrichtung des rohrförmigen
Hohlkörpers (1) verläuft.
6. Antenneneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass das Patch-Element (2, 3) zur Ein- oder Auskopplung der Hochfrequenzenergie mit ei¬ nem Koaxial- (9), Hohl- oder Streifenleiteranschluss (19) elektrisch verbunden ist, der die Hochfrequenzenergie durch die Rohraußenwandung (7) einspeist oder auskoppelt.
7. Antenneneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Hohlkör¬ per (1) als muffenförmiges Zwischenstück (4) ausgebildet ist, in dessen Rohrinnenwand (5) die Patch-Elemente (2, 3) eines Antennenpaares integriert sind, wobei das Zwischen¬ stück (4) in einen weiterführenden Hohlleiter oder ein Förderrohr (1) mit gleichbleibendem Innenquerschnitt ein¬ baubar ist.
8. Antenneneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü¬ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzenergie mittig in das erste Patch-Element (2) über einen Innenlei¬ ter (11) eines Koaxialanschlusses (9) oder über ein Koppe¬ loch (18) bzw. Koppelschlitz eines Streifenleiteranschlus¬ ses (19) ein- oder auskoppelbar ist.
9. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da- durch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzenergie außer¬ mittig zur Quermittellinie (12) des ersten Patch-Elements
(2) in dieses über einen Innenleiter (11) eines Koaxialan¬ schlusses (9) oder über ein Koppeloch (18) bzw. Koppel¬ schlitz in der Rohraußenwand (7) eines Streifenleiteran¬ schlusses (19) ein- oder auskoppelbar ist, wobei die Ab¬ weichung zur Patch-Element-Mitte so bemessen ist, dass im ausbreitungsfähigen Mode eine gerichtete Mikrowellenaus¬ breitung weitgehend nur in eine vorgesehene Längsrichtung des rohrförmigen Körpers (1) erfolgt.
10. Antenneneinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich¬ net, dass gegenüberliegend zum außermittigen Ein- oder Auskopplungspunkt des ersten Patch-Elements (2) am zweiten Patch-Element (3) ebenso ein oder mehrere aussermittig an¬ geordnete Anpasselemente (16) oder auch weitere Speiseele¬ mente zur Rohraußenwand (7) vorgesehen sind, die zur ge¬ richteten Wellenausbreitung im rohrförmigen Hohlkörper (1) dienen.
11. Vorrichtung zur Massenstrommessung mittels mindestens zweier Antenneneinrichtungen nach einem der Patentansprü- che 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden An¬ tenneneinrichtungen in einem Förderrohrabschnitt (1) axial beabstandet angeordnet sind und eine Messstrecke bilden, wobei mittels mindestens einer Antenneneinrichtung aus¬ breitungsfähige Mikrowellen in den rohrförmigen Hohlkörper (1) eingekoppelt und am Ende der Messstrecke mit mindes¬ tens einer zweiten Antenneneinrichtung wieder ausgekoppelt werden und mit einer Auswertevorrichtung die Dämpfung der eingekoppelten Mikrowellenamplituden und/oder die Phasen¬ verschiebung der Mikrowellen auf der Messstrecke gegenüber vorgesehenen Referenzwerten ermittelt wird, die einen Wert der Dichte eines Partikelstroms in einem Fördermedium dar¬ stellt.
12. Vorrichtung zur Massenstrommessung nach Anspruch 11, da¬ durch gekennzeichnet, dass jeweils zum Ein- und Auskoppeln von Mikrowellen jeweils mindestens zwei Antennenpaare (2, 3) vorgesehen sind, wobei am Umfang der Rohrinnenwand (5) das eine einkoppelnde Antennenpaar (2, 3) um 90° gegenüber einem weiteren einkoppelnden Antennenpaar versetzt ange¬ ordnet ist und mit dem entsprechend auch um 90° versetzten auskoppelnden Antennenpaar eine parallele Messstrecke bil¬ det.
13. Vorrichtung zur Massenstrommessung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Durchfluss- messvorrichtung die Durchflussgeschwindigkeit des Parti¬ kelstroms ermittelt wird und daraus durch die Auswertevor¬ richtung mit Hilfe der Durchflussdichte innerhalb der Messstrecke der Massestrom als Förderstärke und/oder För¬ dermenge errechnet wird.
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