JP4206340B2

JP4206340B2 - 据付用ねじ山付きロッドアンテナ

Info

Publication number: JP4206340B2
Application number: JP2003566939A
Authority: JP
Inventors: グラハム，フレイザーマクレガー，
Original assignee: シーメンスミルトロニクスプロセスインストルメンツインク．
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2023-02-03
Also published as: US20030169197A1; CA2370433A1; WO2003067708A1; US6825798B2; AU2003202383A1; JP2005517334A; EP1472759A1

Description

本発明はアンテナに関し、特にレーダーによる水準測定器（ｌｅｖｅｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ、レベル測定器、液位測定器）、または飛行時間型測距システムのアンテナ構成に関する。

飛行時間型測距システムは水準測定用途において通常利用され、水準測定システム（ｌｅｖｅｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ、レベル測定システム、液位測定システム）と呼ばれている。水準測定システムでは、エネルギーパルス、またはエネルギー波を送信した後で、反響を受信するまでの時間を測定することで、反射器、つまり反射性表面までの距離を決定する。このようなシステムでは、標準的には超音波やパルスレーダー信号、またはマイクロ波信号を利用する。

パルスレーダーによる水準測定システムとマイクロ波による水準測定システムが好ましいのは、容器の中の大気が、伝搬に影響しうる、大きな温度変化、高湿度、ほこり、そしてその他の条件を受けやすい用途である。十分な受信応答を提供するために、高利得アンテナが標準的に使用される。通常は、高利得であるとアンテナが大きくなる。

マイクロ波による水準測定システムでは、標準的には二種類のアンテナ設計がある。ロッドアンテナとホーンアンテナである。ロッドアンテナは細く伸びた形状であり、開口部またはフランジが小さく、アンテナを収容するために十分な高さを持つ容器に適している。他方、ホーンアンテナはロッドアンテナよりも広く短い。ホーンアンテナは、浅い容器や器などの空間的に制限のある据付けにおいて標準的に使用される。

水準測定器ではハウジングと導波管（つまりアンテナ）を備えている。水準測定器は容器または器の上端に取り付けられ、アンテナは器の中へ延びている。そして水準測定器は標準的には、容器の開口部回りのフランジにボルト締めされる。ハウジングには電子的な回路が保持される。アンテナはハウジングに結合され器の中に延びており、アンテナは変換器として機能し、回路によって起動されて器の中へ電磁エネルギーパルスを送信し、器の中に入っている物質の表面から反射されたパルスを受信する。アンテナとフランジ開口部間で良好な封止を提供するために、オーリングとガスケットが採用される。標準的には、アンテナ構成の中でオーリング、またはガスケットを利用し、耐液体のアンテナ・器取付け構成を提供している。

オーリングとガスケットの追加が据付け手順に加えられることが理解されるであろう。さらに、定期的に検査され必要時に交換されることがない場合には、これらの部品には故障する可能性がある。

したがって、マイクロ波、またはレーダーによる水準測定システムでは、これらの不十分な点を克服するアンテナ構成が必要である。

本発明では、パルスレーダー、またはマイクロ波による飛行時間型測距システムと水準測定器での使用に適しているアンテナ構成を提供する。

第一の形態において、本発明は、容器内に入っている物質の水準（ｌｅｖｅｌ、レベル、液位、液面、水位、表面）を測定する水準測定器での使用に適しているアンテナ構造を提供するが、そのアンテナ構造は、（ａ）水準測定器に接続し、容器上の適合するねじ山部分と結合する据付用ねじ山を備える上部と、（ｂ）アンテナを含む下部で、アンテナは水準測定器に反応し、電磁エネルギーパルスを放射して（ｅｍｉｔｔｉｎｇ、発して）容器内に入っている物質から反射される電磁エネルギーパルスを受信する、下部とを備える。

別の形態において、本発明は水準測定システムを提供し、水準測定システムは（ａ）電磁エネルギーを放射し、反射された電磁エネルギーを結合する（ｃｏｕｐｌｉｎｇ、連結する、組み込む、組み合わせる）変換器と、（ｂ）受信機コンポーネントと送信機コンポーネントを持つ制御器とを備え、（ｃ）変換器は、送信機コンポーネントと動作可能状態で結合し、送信機コンポーネントに反応して電磁エネルギーを放射する入力ポートと、受信機コンポーネントと動作可能状態で結合し、変換器と結合した反射された電磁エネルギーを出力する出力ポートとを備え、（ｄ）受信機コンポーネントは反射された電磁エネルギーを対応する電気信号に変換し、制御器は電磁エネルギーが進んだ距離を決定するプログラムコンポーネントを含み、（ｅ）変換器はアンテナ組立品を含み、アンテナ組立品は水準測定器と接続するための上部と、アンテナを持つ下部とを含み、上部は据付用ねじ山を含み、アンテナは水準測定器に反応し、電磁エネルギーパルスを放射して容器内に入っている物質から反射される電磁エネルギーパルスを受信する。

他の形態において、本発明は、容器内に入っている物質の水準を決定するレーダーによる水準測定システムを提供し、そのシステムは、（ａ）レーダーパルスを放射し、物質の表面から反射されたレーダーパルスを結合する変換器と、（ｂ）受信機コンポーネントと送信機コンポーネントを持つ制御器とを備え、（ｃ）変換器は、前記送信機コンポーネントと動作可能状態で結合し、送信機コンポーネントに反応してレーダーパルスを放射する入力ポートと、受信機コンポーネントと動作可能状態で結合し、変換器と結合した反射されたレーダーパルスを出力する出力ポートとを備え、（ｄ）受信機コンポーネントは反射されたレーダーパルスを対応する電気信号に変換し、制御器はレーダーパルスが進んだ距離を決定するプログラムコンポーネントを含み、（ｅ）変換器は、水準測定器と接続するための上部と、アンテナを持つ下部とを備えるアンテナ構造を含み、上部はねじを切った部分を含み、そのねじを切った部分は容器のねじを切った部分と結合し、アンテナは水準測定器と動作可能状態で結合し、電磁エネルギーパルスを放射して、容器内にある物質から反射される電磁エネルギーパルスを受信する。

本発明のほかの様態や特性は、添付の図面とともに本発明の具体的な実施例についての以下の記載を検討することで、当業者にとって明白になるであろう。

本発明の好適な実施例を、例示の形で示す添付図面を参照する。

図１を参照するが、図１では本発明によるアンテナ組立品、またはアンテナ構成を持つ、レーダーによる、またはマイクロ波による水準測定器１０の概略を示す。

図１に示すように、物質２００，たとえば、液体やスラリー（ｓｌｕｒｒｙ、乳化液、懸濁液、半液）、または固体を入れてある容器１００の上端に水準測定器１０が取り付けられる。水準測定器１０を使用して容器１００内に入っている物質２００の水準を決定する。容器１００にはねじ山を切った部分１０４を持つ開口部１０２がある。水準測定器１０は開口部１０２のねじ山を切った部分１０４に結合される、たとえば、ねじ入れたり、ねじ込む。水準測定器１０にはハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ、筐体）１２と変換器１４が備わっている。ハウジング１２には後述するように電気的または電子的回路が含まれている。変換器１４は容器１００の内部へと延びており、本発明によるアンテナ組立品１６が備わっている。

水準測定器１０にはマイクロコントローラユニット１８とアナログ−デジタル変換器２０が備わっている。また、水準測定器１０には電流ループインターフェース（４−２０ｍＡ）モジュール２２を含んでいてもよい。変換器１４は送信機２２を通してマイクロコントローラ１８に接続される。マイクロコントローラ１８では送信機２２を利用して変換器１４を起動し、レーダーパルスまたはマイクロ波の形で電磁エネルギーを放射させる。反射された電磁エネルギー、つまり反射されたレーダーパルスは変換器１４に結合され、受信機２４で電気信号に変換される。

水準測定器１０は、液体などの物質２００を含む、例えばタンクや器である容器１００に据え付けられ、物質２００の上面によりその水準が決まる。物質２００の上面は反射面、または反射器となるが、参照番号２０１で示され、変換器１４の放出部、つまりアンテナ組立品１６で生成されたレーダーパルスを反射する。反射されたレーダーパルスは変換器１４に結合され、受信機２４で電気信号に変換される。受信された電気信号は、マイクロコントローラ１８によるさらなる処理のために、Ａ／Ｄ変換器２０によって標本化されデジタル化される。マイクロコントローラ１８では、受信信号を識別し検証し、反射面２０１の範囲を計算するアルゴリズムが実行される。この範囲とは、反射されたパルスが反射面２０１から変換器１４上の受信機２４まで進むためにかかる時間である。この計算から、物質の表面２０１までの距離、そしてそれにより物質、たとえば、器１００内の液体２００の水準が決定される。マイクロコントローラ１８により、電流ループインターフェース２２を介してデータと制御信号の送信も制御される。当業者の理解できる範囲内で、マイクロコントローラ１８はこれらの動作を実行するように適切にプログラムされる。これらの技法はすでに付与されている特許に記載されているが、例を上げれば、米国特許４８３１５６５と米国特許５２６７２１９がある。

図１に示すように、アンテナ組立品１６は開口部１０２から器またはタンク１００の内部へと延びている。アンテナ組立品１６はタンク１００の開口部１０２のねじ山を切った部分１０４へねじ込まれていて、変換器として機能し、結合された送受信デバイスである。アンテナ組立品１６には適切な内部金属構造（図示せず）が含まれ、器１００内の物質２００の表面２０１上へ電磁信号を送信する。電磁信号は物質２００の表面２０１で反射され、反響信号はアンテナ組立品１６で受信される。反響信号は上記のように処理され、器１００内の物質２００の水準が計算される。

次に図２を参照する。図２には、本発明のアンテナ組立品１６をより詳細に示してある。アンテナ組立品１６は上部３０と下部３２を備える。上部３０はハウジング１２と結合され、測定器１０の変換器インターフェースに動作可能状態（ｏｐｅｒａｔｉｖｅｌｙ、動作可能に）で結合される。下部３２はマイクロ波パルスを器１００に発射し、反射パルスを受信するロッドアンテナ３６を含んでいる。

本発明の一つの形態によれば、上部３０には据付用ねじ山３４が備わっている。据付用ねじ山３４は、アンテナ組立品１６の上部３０と一体的に形成されていてもよい。据付用ねじ山３４は、器１００の開口部１０２にあるねじ山を切った部分１０４と適合するピッチと直径（図１で参照番号１０５で示す）を持つ。利点としては、据付用ねじ山３４は器の開口部と噛み合い、たとえば、開口部にねじ込まれ、開口部を封止するためのオーリングやガスケットの必要性がなくなることである。図に示すように、アンテナ組立品１６には、器１００の開口部１０２に対して締め付けるねじ山を切ったナット３５が備わっていてもよい（図１に示すように）。

ほかの形態によれば、アンテナ組立品１６の上部３０にはシールドされた延長部があり、それは図２において参照番号３８で示されている。シールドされた延長部３８によりアンテナ組立品１６を分離することになり、それによって長く細い開口部またはノズルを持つ器１００にアンテナ組立品１６を据え付けることができるようになる。アンテナ組立品１６のこの構成により、器１００内の下部３４に形成されたロッドアンテナ３６によってマイクロ波エネルギーが放射されるまでマイクロ波エネルギーを保持していることでノズル干渉をなくす。

特定の用途に基づいて選択した耐薬品性ポリマーからアンテナ組立品１６を構成する。適切なポリマーとしてはＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ポリプロピレン、ポリエチレンを挙げることができる。

本発明のアンテナ構成は用途の化学的な互換性、つまり、器の材質に基づいて単一の物質から形成してもよい。アンテナ組立品１６は、据付用ねじ山とともに単一ユニット、または一体品として成形した単一ユニットとして形成してもよい。また、アンテナ組立品１６は、上部３０と据付用ねじ山３４，下部３２とロッドアンテナ３６について個別または別々のポリマー部品を用いて構成してもよい。そして上部３０と下部３２は、部品の材質組成に適合性のある既知の技法を使用して、たとえば、超音波溶接、加熱板溶接、スピン溶接により互いに溶接する。シールドされた部分３８は単一成形構造とするために上部３０（または下部３２）に成形してもよいし、または、別の部品として成形し既知の技法で上部３０と下部３２に溶接してもよい。

本発明はその趣旨や基本的な特性から離れることなく、ほかの特定の形で実施化してもよい。本発明のある程度の適応や変更は当業者にとって自明であろう。したがって、現在論じた実施例は例示であり制限的ではないと考えるべきであり、本発明の範囲は上記の記述ではなく添付の請求項によって示され、請求項と同等の意味と範囲内において起こるすべての変更は、そこに包含されるものである。

本発明のアンテナ構造を持つレーダーによる水準測定器の概略を示す。本発明のアンテナ構造を示す。

Claims

容器内に入っている物質のレベルを測定するレベル測定器での使用に適しているアンテナ構造であって、
（ａ）前記レベル測定器に接続するための上部であって、前記上部は据付用ねじ山を備え、前記据付用ねじ山は前記容器の開口部の適合するねじ山部分と該開口部を封止するためのオーリング及びガスケットなしに直接結合する、前記上部と、
（ｂ）アンテナを含む下部であって、前記アンテナは前記レベル測定器に反応し、電磁エネルギーパルスを前記容器内に発して前記容器内に入っている前記物質から反射される電磁エネルギーパルスを受信する前記下部と
を備え、
（ｃ）前記上部と前記下部は単一の物質で形成され、前記上部と前記下部は内部金属構造に対する外部のアンテナ構造を形成し、
前記単一の物質はポリマー物質である前記アンテナ構造。
前記上部と前記下部の間にシールド延長部をさらに備える、請求項１に記載のアンテナ構造。
前記上部と前記下部は、ポリマー物質から単一ユニットとして成形される、請求項１に記載のアンテナ構造。
前記上部、前記下部及び前記シールド延長部は、単一ユニットとして成形される、請求項２に記載のアンテナ構造。
前記上部、前記下部及び前記シールド延長部は、ポリマー物質から形成される、請求項４に記載のアンテナ構造。
前記上部と前記下部は別々の部品で構成され、前記部品は互いに溶接される、請求項１に記載のアンテナ構造。
シールド部をさらに備え、前記シールド部は、前記上部と前記下部に溶接される、請求項６に記載のアンテナ構造。
レベル測定システムであって、
（ａ）電磁エネルギーを物質の入っている容器内に発し、該容器内の物質の表面で反射された電磁エネルギーを結合するための変換器と、
（ｂ）受信機コンポーネントと送信機コンポーネントを有する制御器と
を備え、
（ｃ）前記変換器は、前記送信機コンポーネントと動作可能状態で結合し、前記送信機コンポーネントに反応して前記電磁エネルギーを前記容器内に発するための入力ポートと、前記受信機コンポーネントと動作可能状態で結合し、前記容器内の物質の表面で反射され前記変換器により結合された電磁エネルギーを出力するための出力ポートとを有し、
（ｄ）前記受信機コンポーネントは、前記反射された電磁エネルギーを対応する電気信号に変換し、及び、前記制御器は、前記電磁エネルギーが進んだ距離を決定するプログラムコンポーネントを含み、
（ｅ）前記変換器はアンテナ組立品を含み、前記アンテナ組立品は上部とアンテナを有する下部とを含み、前記上部は据付用ねじ山を含み、該据付用ねじ山は前記容器の開口部のねじを切った部分と該開口部を封止するためのオーリング及びガスケットなしに直接結合し、前記アンテナは前記送信機コンポーネントに反応し、電磁エネルギーパルスを前記容器内に発して該容器内に入っている物質から反射される電磁エネルギーパルスを受信し、
（ｆ）前記上部と前記下部は単一の物質で形成され、前記上部と前記下部は内部金属構造に対する外部のアンテナ構造を形成し、
前記単一の物質はポリマー物質である前記レベル測定システム。
前記上部と前記下部の間にシールド延長部をさらに備える、請求項８に記載のレベル測定システム。
前記上部と前記下部はポリマー物質から単一ユニットとして成形される、請求項８に記載のレベル測定システム。
前記上部と前記下部は個別の部品で構成され、前記部品は互いに溶接される、請求項８に記載のレベル測定システム。
容器内に入っている物質のレベルを決定するための、レーダーによるレベル測定システムであって、
（ａ）レーダーパルスを前記容器内に放射し、該容器内の前記物質の表面から反射されたレーダーパルスを結合する変換器と、
（ｂ）受信機コンポーネントと送信機コンポーネントを有する制御器と
を備え、
（ｃ）前記変換器は、前記送信機コンポーネントと動作可能状態で結合され、前記送信機コンポーネントに反応して前記レーダーパルスを前記容器内に発するための入力ポートと、前記受信機コンポーネントと動作可能状態で結合され、前記容器内の物質の表面で反射され前記変換器により結合されたレーダーパルスを出力するための出力ポートとを有し、
（ｄ）前記受信機コンポーネントは前記反射されたレーダーパルスを対応する電気信号に変換し、及び、前記制御器は前記レーダーパルスが進んだ距離を決定するプログラムコンポーネントを含み、
（ｅ）前記変換器は、上部とアンテナを有する下部とを備えるアンテナ構造を含み、前記上部はねじを切った部分を含み、前記ねじを切った部分は前記容器の開口部のねじを切った部分と該開口部を封止するためのオーリング及びガスケットなしに直接結合し、前記アンテナは前記送信機コンポーネントと動作可能状態で結合され、レーダーパルスを前記容器内に発し、及び、前記容器内にある前記物質から反射されるレーダーパルスを受信し、
（ｆ）前記上部と前記下部は単一の物質で形成され、前記上部と前記下部は内部金属構造に対する外部のアンテナ構造を形成し、
前記単一の物質はポリマー物質である
前記レーダーによるレベル測定システム。
前記上部と前記下部の間にシールド延長部をさらに備える、請求項１２に記載のレーダーによるレベル測定システム。
前記上部と前記下部はポリマー物質から一つのユニットとして成形される、請求項１２に記載のレーダーによるレベル測定システム。
前記上部と前記下部は分離した部品からなり、前記部品は互いに溶接される、請求項１２に記載のレーダーによるレベル測定システム。
容器内に入っている物質のレベルを測定するレベル測定器での使用に適しているアンテナ構成であって、
前記レベル測定器に接続するための上部であって、前記上部は据付用ねじ山を備え、前記据付用ねじ山は前記容器の開口部の適合するねじ山部分と該開口部を封止するためのオーリング及びガスケットなしに直接結合する、前記上部と、
アンテナを含む下部であって、前記アンテナは前記レベル測定器に反応し、電磁エネルギーパルスを前記容器内に発して前記容器内に入っている前記物質から反射される電磁エネルギーパルスを受信する、前記下部と
を備え、
前記上部と前記下部はポリマー物質から一体品として成形され、内部金属構造に対する外部のアンテナ構造を形成する
前記アンテナ構成。
容器内に入っている物質のレベルを測定するレベル測定器での使用に適しているアンテナ構成であって、
前記レベル測定器に接続するための上部であって、一体化した据付用ねじ山を含み、前記据付用ねじ山は前記容器の開口部の適合するねじ山部分と該開口部を封止するためのオーリング及びガスケットなしに直接結合する、前記上部と、
一体化したアンテナを含む下部であって、前記アンテナは前記レベル測定器に反応し、電磁エネルギーパルスを前記容器内に発して前記容器内に入っている前記物質から反射される電磁エネルギーパルスを受信する、前記下部と
を備え、
前記上部と前記下部はポリマー部品で構成され、及び、前記部品は互いに溶接され、
前記上部と前記下部は内部金属構造に対する外部のアンテナ構造を形成する
前記アンテナ構成。
容器内に入っている物質のレベルを測定するレベル測定器での使用に適しているアンテナ構成であって、
前記レベル測定器に接続するための上部であって、一体化した据付用ねじ山を有し、前記据付用ねじ山は前記容器の開口部の適合するねじ山部分と該開口部を封止するためのオーリング及びガスケットなしに直接結合する前記上部と、
アンテナを含む下部であって、前記アンテナは前記レベル測定器に動作可能状態で結合され、電磁エネルギーパルスを前記容器内に発して前記容器内に入っている前記物質から反射される電磁エネルギーパルスを受信する、前記下部と、
前記上部と前記下部の間のシールド延長部と
を備え、
前記上部、前記下部及び前記シールド延長部は、ポリマー物質から一体品として成形され、前記上部と前記下部は内部金属構造に対する外部のアンテナ構造を形成する
前記アンテナ構成。
容器内に入っている物質のレベルを測定するレベル測定器での使用に適しているアンテナ構成であって、
前記レベル測定器に接続するための上部であって、前記上部は一体化した据付用ねじ山を有し、前記据付用ねじ山は前記容器の開口部の適合するねじ山部分と該開口部を封止するためのオーリング及びガスケットなしに直接結合する、前記上部と、
一体化したアンテナを含む下部であって、前記アンテナは前記レベル測定器に反応し、電磁エネルギーパルスを前記容器内に発して前記容器内に入っている前記物質から反射される電磁エネルギーパルスを受信する、前記下部と、
前記上部と前記下部の間のシールド延長部と
を備え、
前記上部、前記下部及び前記シールド延長部は、別々の部品から形成され、前記別々の部品は互いに溶接され、内部金属構造に対する外部のアンテナ構造を形成し、
前記上部、前記下部は単一の物質で形成され、該単一の物質はポリマー物質である
前記アンテナ構成。