DE102013104699A1

DE102013104699A1 - Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes mittels einer Helixantenne

Info

Publication number: DE102013104699A1
Application number: DE102013104699.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Blödt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2014-11-13
Also published as: US20140333470A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter, umfassend mindestens zwei Antennen (2, 4), wobei eine erste Antenne (2) elektromagnetische Wellen in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet und eine zweite Antenne (4) reflektierte Wellen empfängt, mindestens eine Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeitdifferenz der ausgesendeten und der reflektierten elektromagnetischen Wellen den Füllstand in dem Behälter ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen (2, 4) Helixantennen sind, um zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen zu senden bzw. zu empfangen, und dass die Auswerteeinheit eine Drehrichtungsänderung zwischen der ausgesendeten Welle und der reflektierten Welle ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Füllstandsmessung werden Mikrowellen mittels einer Antenne zur Oberfläche eines Füllguts gesendet und die an der Oberfläche reflektierten Echowellen empfangen. Die Echowellen werden als eine Echofunktion dargestellt, aus der die Laufzeit bestimmt wird. Aus der Laufzeit wird der Abstand zwischen der Füllgutoberfläche und der Antenne bestimmt.
Es können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Mikrowellen zu messen. Die bekanntesten Beispiele sind das Pulsradar und das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar).
Beim Pulsradar werden periodisch kurze Mikrowellen-Sendeimpulse, im Folgenden als Wellen bezeichnet, gesendet, die von der Füllgutoberfläche reflektiert und nach einer abstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen werden. Die empfangene Signalamplitude als Funktion der Zeit stellt die Echofunktion dar. Jeder Wert dieser Echofunktion entspricht der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand von der Antenne reflektierten Echos.
Beim FMCW-Verfahren wird eine kontinuierliche Mikrowelle gesendet, die periodisch linear frequenzmoduliert ist, beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion. Die Frequenz des empfangenen Echosignals weist daher gegenüber der Augenblicksfrequenz, die das Sendesignal zum Zeitpunkt des Empfangs hat, eine Frequenzdifferenz auf, die von der Laufzeit des Echosignals abhängt. Die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal, die durch Mischung beider Signale und Auswertung des Fourierspektrums des Mischsignals gewonnen werden kann, entspricht somit dem Abstand der Oberfläche des Füllguts von der Antenne. Ferner entsprechen die Amplituden der Spektrallinien des durch Fouriertransformation gewonnenen Frequenzspektrums den Echoamplituden. Dieses Fourierspektrum stellt daher in diesem Fall die Echofunktion dar.
Mit Mikrowellen arbeitende Füllstandsmessgeräte werden in sehr vielen Industriezweigen, z. B. in der Chemie oder in der Lebensmittelindustrie, eingesetzt. Typischerweise ist der Füllstand in einem Behälter zu messen. Diese Behälter weisen üblicherweise eine Öffnung auf, an der ein Stutzen oder ein Flansch zur Befestigung von Messgeräten vorgesehen ist.
Je nach Anwendung werden in der Füllstandsmesstechnik üblicherweise Parabol-, Horn- oder Stab- oder Patchantennen eingesetzt. Die Hornantennen sind grundlegend so aufgebaut, dass an einen Hohlleiter in Füllgut zugewandter Richtung ein trichterförmiges metallisches Horn ausgeformt ist. Der Aufbau einer Parabolantenne lässt sich vereinfacht so beschreiben, dass die Mikrowellen in einem Hohlleiter geführt, im Brennpunkt des Parabolspiegels direkt oder mittels eines Reflektors abgestrahlt und/oder wieder eingekoppelt werden. Eine Stabantenne besteht grundlegend aus einem Hohlleiter, der zumindest teilweise mit einem Stab aus einem Dielektrikum ausgefüllt ist und der in Füllgut-zugewandter Richtung eine Auskoppelungsstruktur in der Form eines Tapers oder eines Kegels aufweist. Diese drei freiabstrahlenden Antennentypen werden üblicherweise über eine Koaxialleitung gespeist, die an ein in den Hohlleiter hineinragendes Erregerelement angeschlossen ist.
Eine Helixantenne ist eine wendelförmige Antenne zum Senden und Empfangen zirkular polarisierter elektromagnetischer Wellen. Die Helixantenne besteht bei unsymmetrischer (koaxialer) Speisung aus einem oder bei symmetrischer Speisung aus zwei schraubenförmig gewundenen Leitern (Band oder Draht).
Die ebenfalls teilweise als Helixantennen bezeichneten Spulenantennen bestehen ganz oder teilweise aus einer einlagigen Zylinderspule, die jedoch Dimensionen aufweist, die klein gegenüber der Wellenlänge sind. Diese Antennen sind vom Prinzip her verkürzte Viertelwellen-Dipole.
Die Windungsrichtung der Helixantenne bestimmt die Drehrichtung der abgestrahlten Welle. Analog werden bei einer Helixantenne die elektromagnetischen Wellen am verlustärmsten empfangen, welche die gleiche Drehrichtung aufweisen, wie die Windungsrichtung der Helixantenne. Wellen, die eine andere Drehrichtung aufweisen als die Windungsrichtung der Helixantenne, werden dagegen stark unterdrückt empfangen. Jede Helixantenne ist in der Lage, in beliebiger Richtung linear polarisierte Wellen zu empfangen. Daher setzt man sie oft auch in Fällen ein, bei denen unbestimmt linear polarisierte Wellen empfangen werden sollen.
Die EP 2 060 883 A1 beschreibt einen Füllstandsensor, der eine erste Antenne zum Senden eines Sendesignals zu einer Füllgutoberfläche und eine zweite Antenne zum Empfangen eines von der Füllgutoberfläche reflektierten Empfangssignals aufweist. Ferner weist der Füllstandsensor ein Gehäuse auf, welches als Außenhülle zur Aufnahme der ersten und zweiten Antenne dient. Des Weiteren weist das Gehäuse eine zylindrische oder kegelförmige Außenform auf, wobei die erste und die zweite Antenne als Hornantennen ausgeführt sind.
Der bekannte Füllstandsensor empfängt die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen ungeachtet dessen, wo sie reflektiert worden sind. Die Wellen können an der Oberfläche des Füllguts oder an einer Wandung des Behälters oder an Störern, wie Rührwerke oder ähnlichem, reflektiert worden sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Füllstandsensor bereitzustellen, der einen zuverlässigen Wert für den Füllstand ermittelt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Der Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter, umfassend mindestens zwei Antennen, wobei eine erste Antenne elektromagnetische Wellen in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet und eine zweite Antenne reflektierte Wellen empfängt, mindestens eine Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeitdifferenz der ausgesendeten und der reflektierten elektromagnetischen Wellen den Füllstand in dem Behälter ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen Helixantennen sind, um zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen zu senden bzw. zu empfangen, und dass die Auswerteeinheit eine Drehrichtungsänderung zwischen der ausgesendeten Welle und der reflektierten Welle ermittelt.
Wird eine zirkular polarisierte Welle lediglich an der Füllgutoberfläche reflektiert, ändert sich die Drehrichtung der Welle. Wird eine zirkular polarisierte Wellen an der Füllgutoberfläche und an einem weiteren Objekt, wie die Behälterwand oder Rührern reflektiert, ändert sich die Drehrichtung der Welle zweimal und die Welle hat am Empfänger die gleiche Drehrichtung wie am Sender. Folglich ergibt sich eine Änderung der Drehrichtung der zirkular polarisierten Wellen, die eine ungerade Anzahl an Reflektionen erfahren und keine Änderung der Drehrichtung der zirkular polarisierten Wellen, die eine gerade Anzahl an Reflektionen erfahren. Folglich werden die zirkular polarisierten Wellen, die mit der gleichen Drehrichtung beim Empfänger ankommen, wie sie vom Sender gesendet wurden, für die Laufzeitmessung nicht betrachtet, weil sie an der Füllgutoberfläche und an mindestens einer weiteren Fläche reflektiert worden sind. Auf diese Weise lässt sich ein Teil der Wellen, welche die Laufzeitmessung verfälschen können, eliminieren.
Gemäß einer Weiterbildung sind zwei Antennen vorgesehen, wobei eine erste Antenne als eine Sendeantenne und eine zweite Antenne als eine Empfangsantenne ausgebildet ist, wobei die erste Antenne eine der zweiten Antenne entgegengesetzte Polarisationsrichtung aufweist. Die entgegengesetzte Polarisationsrichtung wird erreicht durch eine jeweils entgegengesetzte Windungsrichtung einer Helixantenne.
Weisen die Sende- und die Empfangsantenne entgegensetzte Windungsrichtungen auf, werden durch die Empfangsantenne nur die zirkular polarisierten Wellen empfangen, die eine entgegengesetzte Drehrichtung relativ zu den gesendeten zirkular polarisierten Wellen aufweisen. Daher werden zur Laufzeitbestimmung nur die Wellen mit einer ungeraden Zahl an Reflektionen berücksichtigt, während die störenden mehrfach reflektierten Wellen eliminiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung sind drei Antennen vorgesehen, wobei eine erste Antenne als eine Sendeantenne, eine zweite und eine dritte Antenne als Empfangsantennen ausgebildet sind, wobei die zweite Antenne eine zur ersten Antenne gleichsinnige Windungsrichtung und die dritte Antenne eine zur ersten Antenne entgegengesetzte Windungsrichtung aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltungsform sind drei Antennen vorgesehen, wobei eine erste Antenne als eine Empfangsantenne und eine zweite und eine dritte Antenne als Sendeantennen ausgebildet sind, wobei die zweite Antenne eine zur ersten Antenne gleichsinnige Windungsrichtung und die dritte Antenne eine zur ersten Antenne entgegengesetzte Windungsrichtung aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Windungen der Antenne konisch, insbesondere kegelförmig, ausgebildet.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Antenne trichterförmig mit zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen ausgebildet, und die elektromagnetischen Wellen treten aus einer ersten Öffnung aus, die eine größere Öffnungsfläche aufweist als eine zweite Öffnung.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Antenne trichterförmig mit zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen ausgebildet, und die elektromagnetischen Wellen treten aus einer ersten Öffnung aus, die eine kleinere Öffnungsfläche aufweist als eine zweite Öffnung.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Antenne zumindest teilweise mit einem Dielektrikum, insbesondere Kunststoff gefüllt.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Antenne ein für elektromagnetische Wellen durchlässiges Gehäuse.
Gemäß einer Weiterbildung sind mindestens zwei der Antennen mittels einer Trennwand getrennt, so dass die elektromagnetischen Wellen der zwei Antennen sich nicht innerhalb des Gehäuses überlagern.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: ein Füllstandsmessgerät nach dem Stand der Technik mit einer Antenne, die sowohl zum Senden als auch zum Empfangen geeignet ist,
2: ein Füllstandsmessgerät nach dem Stand der Technik mit einer separaten Sendeantenne und einer separaten Empfangsantenne,
3: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer separierten Sende- und Empfangsschaltung,
4: eine Vorrichtung entsprechend 3, die jeweils zirkular polarisierte Wellen erzeugen,
5: eine Schaltung eines Füllstandsmessgeräts nach dem Stand der Technik,
6: eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei separaten Antennen, wobei sich eine zirkular polarisierte Antenne im Sendepfad und eine weitere polarisierte Antenne im Empfangspfad befindet,
7: eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei konischen Helixantennen, die mittels einer Trennwand entkoppelt sind,
8: eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit drei konischen Helixantennen, die mittels zweier Trennwände entkoppelt sind,
9a: drei konische Helixantennen in einer Kuppel, die jeweils mittels dreier Trennwände entkoppelt sind,
9b: zwei konische Helixantennen, die mittels einer Trennwand entkoppelt sind,
10: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Sendeantenne und zwei Empfangsantennen,
11: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Sendeantennen und einer Empfangsantenne,
12: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Zirkulator an der Sendeantenne zur Weiterleitung des Eingangssignals an den Ausgang, und um die Sendeantenne als eine zweite Empfangsantenne zu verwenden, damit Störsignale vermieden werden,
13: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Zirkulator an der Empfangsantenne, um die Empfangsantenne als eine zweite Sendeantenne zu verwenden und/oder um das Eingangssignal mit dem Ausgangssignal zu überlagern,
14: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Zirkulator an der Sendeantenne, um die Sendeantenne als eine zweite Empfangsantenne zu verwenden, um Störsignale zu vermeiden und/oder zur Weiterleitung des Eingangssignals an den Ausgang,
15a: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Mischern, wobei die Zwischenfrequenzsignale der beiden Mischer über einen Schalter zu einem Gesamtzwischenfrequenzsignal zusammengeschlossen werden können oder zeitlich nacheinander ausgewählt werden können,
15b: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Mischern, wobei eine Trennwand, die halb so groß ist wie die Antennen, die Antennen trennt,
15c: eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Mischern, wobei eine Trennwand, die genau so groß ist wie die Antennen, die Antennen trennt.
1 zeigt ein Füllstandsmessgerät 1 nach dem Stand der Technik, wie sie von der Anmelderin unter der Bezeichnung MICROPILOT vertrieben wird. Eine Antenne 2, 4, die sowohl als Sende- als auch Empfangsantenne agiert, ist mit einem Zirkulator 6 (beispielsweise des Typs FMR50 oder FMR54) verbunden. Der Zirkulator 6 führt einerseits zu der Empfängerschaltung 7 und andererseits zu der Senderschaltung 8. Eine elektromagnetische Welle, die von der Antenne 2, 4 empfangen wird, wird in elektrische Signale umgewandelt und an den Zirkulator 6 weitergeleitet. Durch den Zirkulator 6 erleidet das Signal nach zweifachem Passieren einen Leistungsverlust von ca. 6 dB.
2 zeigt eine schematische Darstellung von einer Antennenanordnung nach der EP 2060883 A1 . Eine erste Hornantenne 2 und eine zweite Hornantenne 4 sind in einem Gehäuse 25 angeordnet. Die erste Hornantenne 2 sendet eine elektromagnetische Welle aus, die durch die zweite Hornantenne 4 empfangen wird. Dabei überprüft die zweite Hornantenne 4, ob die empfangene Welle, die gleiche Polarisationsebene aufweist, wie die gesendete Welle.
3 zeigt eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit einer separierten Sende- und Empfangsschaltung.
4 zeigt eine Vorrichtung 1 entsprechend 3. Eine Senderschaltung 8 emittiert mittels einer Sendeantenne 2 eine elektromagnetische Welle mit einer ersten Drehrichtung 9. Eine reflektierte Welle der ausgesendeten Welle wird mittels einer Empfangsantenne 4 empfangen. Die reflektierte Welle weist eine zweite Drehrichtung 10 auf, die der ersten Drehrichtung 9 der ausgesendeten Welle entgegengesetzt ist. Die reflektierte Welle wird mittels der Empfangsantenne 4 an eine Empfängerschaltung 7 weitergeleitet.
5 beschreibt eine Schaltung eines Füllstandmessgeräts 1 nach dem Stand der Technik. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Sendeoszillator 11, dessen Signal mittels eines ersten Verstärkers 14 an eine Sende-/Empfangsweiche 6 übertragen wird. Die Sende-/Empfangsweiche 6 überträgt das Signal an eine Antenne 2, 4, die das Signal in elektromagnetische Wellen umwandelt und aussendet. Die an der Füllgutoberfläche reflektierte elektromagnetische Welle wird mittels der Antenne 2, 4 empfangen und über die Sende-/Empfangsweiche 6 an einem ersten Empfangsverstärker 17 übertragen. Der erste Empfangsverstärker 17 leitet das Signal an einen Mischer 19 weiter. Dem Mischer 16 wird ein weiteres Signal eines Empfangsoszillators 21 über einen Mischer-Treiberverstärker 16 zugeführt. Hierdurch entsteht an einem Ausgang 22 des Mischers 19 nach dem Prinzip eines Überlagerungsempfängers u.a. ein Zwischenfrequenzsignal 12, aus dem die Laufzeit bestimmt wird.
Die Sende-/Empfangsweiche 6 führt bei dieser Ausgestaltung als ein Richtkoppler mit einseitig angepasstem Abschluss zu einer Verlustleistung von ca. 6 bis 8 dB. Bei der Verwendung eines Zirkulators beträgt die Verlustleistung ca. 1 bis 2 dB.
6 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 arbeitet mit zwei separaten Antennen 2, 4, die als eine Sendeantenne 2 und eine Empfangsantenne 4 ausgebildet sind. Da kein Zirkulator benötigt wird, tritt beim Senden und Empfangen der elektromagnetischen Welle keine Verlustleistung auf.
Eine konkrete Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 7 dargestellt. Die Antennen 2, 4 sind jeweils als eine trichterförmige Helixantenne ausgebildet, wobei die Empfangsantenne 4 eine entgegengesetzte Windungsrichtung aufweist, als die Sendeantenne 2. Die Antennen 2, 4 sind beide in einer Kuppel 25 angeordnet, die für elektromagnetische Wellen durchlässig ist. Die Kuppel 25 ist topfförmig ausgebildet und mittels einer Reflektorplatte 24, die als eine Art Deckel des topfförmigen Kuppels 25 fungiert abgeschlossen. Die Reflektorplatte 24 ist zumindest teilweise, bevorzugt ganz aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. Metall, ausgebildet, die elektromagnetische Wellen reflektieren kann. Die Antennen 2, 4 sind dermaßen in der Kuppel 25 angeordnet, dass eine bevorzugte Wellenausbreitungsrichtung 27 der Reflektorplatte 24 entgegengerichtet ist. Ferner weisen die Antennen 2, 4 auf einer der Wellenausbreitungsrichtung 27 entgegengesetzten Ende Kabeldurchführungen 26 auf, die durch die Reflektorplatte 24 zu den elektronischen Bauteilen der Vorrichtung 1 führen. Die Reflektorplatte 24 ist mittels einer Signalmasse 23 geerdet. Die Kuppel 25 kann auch als galvanische Trennung prozessseitig für das System dienen.
Wird eine elektromagnetische Welle in der Sendeantenne 2 erzeugt, verlässt die elektromagnetische Welle die Sendeantenne 2 aufgrund der Wendelform als eine zirkular polarisierte Welle. Trifft die zirkular polarisierte Welle auf die Füllgutoberfläche ändert sich Ihre Drehrichtung. Die reflektierte Welle weist also eine umgekehrte Drehrichtung auf als die gesendete Welle. Die Empfangsantenne 4 hat eine umgekehrte Windungsrichtung wie die Sendeantenne 2. Nun weist die reflektierte Welle die gleiche Drehrichtung auf wie die Windungsrichtung der Empfangsantenne 4. Folglich wird die reflektierte Welle von der Empfangsantenne 4 besonders verlustarm empfangen.
Wird dagegen die ausgesendete Welle an der Füllgutoberfläche und an einer weiteren Fläche reflektiert, weist sie nach zweifacher Änderung ihrer Drehrichtung die gleiche Drehrichtung auf wie die ausgesendete Welle. Da die reflektierte Welle nun eine umgekehrte Drehrichtung hat wie die Empfangsantenne 4 wird die Welle besonders verlustreich empfangen.
Dies lässt den Umkehrschluss zu, dass ein besonders verlustreicher Empfang der reflektierten Welle eine entgegengesetzte Drehrichtung aufweisen muss wie die Windungsrichtung der Empfangsantenne 4 und ein besonders verlustarmer Empfang der reflektierten Welle die gleiche Drehrichtung aufweisen muss wie die Windungsrichtung der Empfangsantenne 4.
Somit hat die verlustreich empfangene Welle eine gerade Anzahl an Reflektionen durchlaufen und die verlustarm empfangene Welle eine ungerade Anzahl an Reflektionen. Eine gerade Anzahl an Reflektionen zeigt, dass die Welle an der Füllgutoberfläche und an mindestens einer weiteren Fläche reflektiert wurde. Somit wird die verlustarm empfangene Welle nicht für die Laufzeitbestimmung herangezogen. Auf diese Weise lassen sich die Wellen, welche die Laufzeitmessung verfälschen eliminieren. Aufgrund des exponentiellen Abfalls der Amplitude bei jeder Reflektion lässt sich ermitteln welche verlustarm empfangene Welle lediglich eine Reflektion durchlaufen hat. Es wird dann lediglich diese Welle zur Laufzeitbestimmung herangezogen.
Bei einigen Wellen findet bei der Reflektion keine einhundertprozentige Änderung der Drehrichtung statt. Bezogen auf die Leistung trifft dies auf ca. 1 % der Wellen zu. Dieser Rest wird bei verlustarm reflektierten Wellen empfangen.
8 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit drei Antennen 2, 4, 5. Eine Sendeantenne 2, eine erste und eine zweite Empfangsantenne 4, 5, die als trichterförmige Helixantennen ausgebildet sind. Alle drei Antennen 2, 4, 5 sind in einer Kuppel 25 angeordnet, wobei die Kuppel 25 mittels einer Reflektorplatte 24 abgeschlossen ist. Alle drei Antennen 2, 4, 5 weisen eine bevorzugte Wellenausbreitungsrichtung 27 auf, die der Reflektorplatte 24 entgegengerichtet ist. Kabelführungen 26 sind an einer der bevorzugten Wellenausbreitungsrichtung 27 entgegengesetzte Enden der Antennen 2, 4, 5 angeordnet, die über die Reflektorplatte 24 zu den elektronischen Bauteilen der Vorrichtung 1 führen. Eine Kabeldurchführung 26 führt von der Sendeantenne 2 zu einem ersten Verstärker 14 und anschließend zu einem Sendeoszillator 11, der das Sendesignal erzeugt. Von der ersten und zweiten Empfangsantenne 4, 5 führt jeweils eine Kabeldurchführung 26 zu einem ersten und einem zweiten Empfangsverstärker 17, 18. Die Ausgänge des ersten und des zweiten Empfangsverstärkers 17, 18 führen jeweils zu einem ersten und zweiten Mischer 19, 20. Der erste Mischer 19 stellt das erste und der zweite Mischer 20 stellt das zweite Zwischenfrequenzsignal 12, 13 zur Verfügung. Die Ausgänge des ersten und des zweiten Mischers 12, 13 führen zu einem dritten Verstärker 16 und anschließend zu einem Empfangsoszillator 21.
Die Sendeantenne 2 sendet eine zirkular polarisierte Welle aus. Erfährt diese Welle eine ungerade Anzahl an Reflektionen, kommt die Welle mit einer umgekehrten Drehrichtung an der Kuppel 25 an. Da die erste Empfangsantenne 4 die gleiche Windungsrichtung aufweist wie die Sendeantenne 2, wird die Welle von der ersten Empfangsantenne 4 nach einer einmaligen Reflexion an einer Oberfläche besonders verlustreich empfangen. Die zweite Empfangsantenne 5 weist eine umgekehrte Windungsrichtung auf als die Sendeantenne 2. Die Welle wird daher von der zweiten Empfangsantenne 5 besonders verlustarm empfangen. Die elektronische Schaltung kann das erkennen und zieht diese Welle zur Laufzeitmessung heran. Darüber hinaus kann die Differenz zwischen dem Signal des ersten und des zweiten Mischers 12, 13 zur Detektion des Nahbereichs bei der Auswertung einer Hüllkurve herangezogen werden.
Wird die gesendete Welle dagegen an der Füllgutoberfläche und an einer weiteren Fläche reflektiert, ändert sich Ihre Drehrichtung nicht. Diese Welle wird von der ersten Empfangsantenne 4 verlustarm und von der zweiten Empfangsantenne 5 verlustreich empfangen und daher von der elektronischen Schaltung nicht zur Laufzeitmessung herangezogen.
9a zeigt, die drei Antennen 2, 4, 5 der in 8 dargestellten Vorrichtung 1 von der bevorzugten Wellenausbreitungsrichtung 27 aus gesehen. Die Sendeantenne 2, die erste und die zweite Empfangsantenne 4, 5 bilden die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks. Die Kuppel 25 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Trennwände 28 trennen die drei Antennen 2, 4, 5 voneinander, so dass elektromagnetische Wellen der einen Antenne nicht innerhalb der Kuppel 25 mit den elektromagnetischen Wellen einer anderen Antenne überlagert werden. Auf diese Weise wird eine Kreuzpolarisation zwischen den Antennen verhindert. Daher müssen die Trennwände 28 elektrisch leitfähig sein.
9b zeigt zwei Antennen 2, 4 in einer Kuppel 25, wie sie im Ausführungsbeispiel entsprechend 7 angeordnet sind. Eine Trennwand 28 trennt beide Antennen 2, 4, so dass elektromagnetische Wellen der einen Antenne nicht innerhalb der Kuppel 25 mit den elektromagnetischen Wellen der anderen Antenne überlagert werden.
10 zeigt, die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 entsprechend 8, mit lediglich einem ersten Mischer 19. Die Ausgänge des ersten und des zweiten Empfangsverstärkers 17, 18 führen zu dem ersten Mischer 19, wobei der Ausgang des ersten Mischers 19 zu dem dritten Verstärker 16 und dem Empfangsoszillator 21 führt. Der erste Mischer 19 stellt das erste Zwischenfrequenzsignal 12 zur Verfügung. Die empfangenen Signale der ersten und der zweiten Empfangsantenne 4, 5 können mittels dem ersten und dem zweiten Empfangsverstärker 17, 18 abwechselnd durchgelassen werden, um den Einfluss von Signalen, die nicht zur Laufzeitbestimmung herangezogen werden zu minimieren.
11 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Bei dieser Ausgestaltungsform weist die Vorrichtung 1 eine erste und eine zweite Sendeantenne 2, 3 und eine Empfangsantenne 4 auf. Die erste Sendeantenne 2 weist eine entgegengesetzte Windungsrichtung auf wie die zweite Sendeantenne 3. Die zweite Sendeantenne 3 weist eine identische Windungsrichtung auf wie die Windungsrichtung der Empfangsantenne 4. Alle drei Antennen 2, 3, 4 sind in einer Kuppel 25 angeordnet, wobei die Kuppel mit einer Reflektorplatte 24 verschlossen ist. Die Antennen 2, 3, 4 weisen eine bevorzugte Wellenausbreitungsrichtung 27 auf, die der Reflektorplatte 24 entgegengerichtet ist. An einer der bevorzugten Ausbreitungsrichtung 27 gegenüberliegenden Ende der drei Antennen 2, 3, 4 sind Kabeldurchführungen 26 angeordnet, die nach Außerhalb des Kuppels 25 führen. Auf diese Weise ist die erste Sendeantenne 2 mit einem ersten Verstärker 14 und die zweite Sendeantenne 3 mit einem zweiten Verstärker 15 ausgangsseitig verbunden. Eingangsseitig sind der erste und der zweite Verstärker 14, 15 mit einem Sendeoszillator 11 verbunden. Die Empfangsantenne 4 ist mit dem Eingang eines ersten Empfangsverstärkers 17 verbunden, wobei der erste Empfangsverstärker 17 ausgangsseitig mit einem ersten Mischer 19 verbunden ist. Der erste Mischer 19 ist ausgangsseitig mit einem dritten Verstärker 16 verbunden, wobei der dritte Verstärker 16 eingangsseitig mit einem Empfangsoszillator 21 verbunden ist. Ferner stellt der erste Mischer 19 das erste Zwischenfrequenzsignal zur Verfügung.
Ein Signal des Sendeoszillators 11 wird zwischen dem ersten Verstärker 14 und dem zweiten Verstärker 15 umgeschaltet. Möglich wäre jedoch auch die Verwendung zweier Sendeverstärker mit jeweils einem separaten Oszillator. Bei der Verwendung der Verstärker als Schalter sollte die Rückwirkung (Streuparameter) möglichst gering sein.
12 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die einen ähnlichen Aufbau aufweist wie die Ausgestaltungsform in 7. Der Unterschied besteht darin, dass die Sendeantenne 2 einerseits zu einem Zirkulator 6 und der Zirkulator 6 zu dem ersten Verstärker 14 und zu dem Sendeoszillator 11 führt. Andererseits führt der Zirkulator 6 zu einem zweiten Signalpfad, der parallel zu einem ersten Signalpfad der Empfangsantenne 4 verläuft. Der erste und der zweite Signalpfad verlaufen jeweils über den ersten und den zweiten Empfangsverstärker 17, 18 und jeweils über den ersten und den zweiten Mischer 19, 20 und werden dann zusammengeführt bevor sie den dritten Verstärker 16 und den Empfangsoszillator 21 erreichen. Der erste und der zweite Mischer 19, 20 stellen jeweils den ersten und den zweiten Zwischenfrequenzsignal zur Verfügung.
Durch das Vergleichen des ersten und des zweiten Signalpfads können ebenfalls bestimmte Signale, die nicht zur Auswertung bzw. zur Laufzeitbestimmung herangezogen werden eliminiert werden.
13 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, bei dem das Signal des Sendoszillators 11 an einem ersten und einem zweiten Verstärker 14, 15 eingangsseitig weitergeleitet wird. Der erste Verstärker 14 speist ausgangsseitig die Sendeantenne 2. Der zweite Verstärker 15 ist ausgangsseitig mit dem Zirkulator 6 verbunden, wobei der Zirkulator 6 sowohl mit der Empfangsantenne 4 als auch eingangsseitig mit dem ersten Empfangsverstärker 17 verbunden ist. Ausgangsseitig ist der erste Empfangsverstärker 17 mit dem ersten Mischer 19 verbunden. Der erste Mischer 19 führt einerseits zu dem dritten Verstärker 16 und anschließend zu dem Empfangsoszillator 21. Andererseits stellt der erste Mischer 19 das erste Zwischenfrequenzsignal 12. Der erste und zweite Verstärker 14, 15 werden abwechselnd in Durchlass und Sperrrichtung geschaltet, wobei die Rückwirkung des ersten und des zweiten Verstärkers 14, 15 im ausgeschalteten Zustand die Kreuzpolarisationsdämpfung der Sende- und Empfangsantenne nicht übersteigen sollte.
14 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die so ähnlich aufgebaut ist wie die Ausgestaltungsform entsprechend 12. Bei dieser Ausgestaltungsform wird lediglich ein Mischer 19 verwendet. Hierdurch werden die Kosten eines zweiten Mischers eingespart. Der erste und der zweite Empfangsverstärker 17, 18 führen beide zu dem ersten Mischer 19. Der erste Mischer 19 ist ausgangsseitig mit dem dritten Verstärker 16 verbunden und stellt das erste Zwischenfrequenzsignal zur Verfügung. Der erste und der zweite Empfangsverstärker 17, 18 werden abwechselnd auf Durchlass- und Sperrrichtung geschaltet.
15a zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die so ähnlich aufgebaut ist wie die Vorrichtung 1 in 12. Der Unterschied zu der Vorrichtung entsprechend 12 besteht darin, dass das erste Zwischenfrequenzsignal 12 des ersten Mischers 19 und das zweite Zwischenfrequenzsignal 13 des zweiten Mischers 20 eingangsseitig über einen Umschalter 29 zusammengeführt werden. Der Umschalter 29 stellt dadurch ausgangsseitig ein Gesamtzwischenfrequenzsignal 30 zur Verfügung, der aus dem ersten Zwischenfrequenzsignal 12 und dem zweiten Zwischenfrequenzsignal 13 durch sequenzielles Zusammenfügen gebildet wird.
In dieser Ausgestaltungsform fließt ein Teil eines Anregungssignals des Sendeoszillators 11 über den Zirkulator 6 an einem zweiten Signalpfad durch den zweiten Empfangsverstärker 18 und den zweiten Mischer 20. Das Signal des zweiten Signalpfads wird mit einem ersten Signalpfad, der durch den ersten Empfangsverstärker 17 und den ersten Mischer 19 fließt im über den dritten Verstärker 16 und den Empfangsoszillator 21 verglichen. Ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Signalpfad kann mittels dem ersten und dem zweiten Empfangsverstärker 17, 18 erfolgen. Durch den Vergleich zwischen dem ersten und dem zweiten Signalpfad erfolgt eine Identifikation von Signalen, die nicht zur Laufzeitbestimmung herangezogen werden.
15b zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 15a mit einer Trennwand 28 zwischen der Sendeantenne 2 und der Empfangsantenne 4. Die Trennwand 28 ist ca. halb so lang wie die Antennen 2, 4.
15c zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß 15b mit einer Trennwand 28 zwischen der Sendeantenne 2 und der Empfangsantenne 4, wobei die Trennwand 28 ungefähr genau so lang ist wie die Antennen 2, 4.
Die Trennwände 28 dienen dem Zweck eine Kreuzpolarisation zu dämpfen und dafür zu sorgen, dass die elektromagnetischen Wellen, welche die Sendeantenne 2 aussendet nicht innerhalb der Kuppel 25 mit den elektromagnetischen Wellen, welche die Empfangsantenne 4 empfängt, überlagert werden.
Des Weiteren ist es möglich mit solch einer Vorrichtung und einem Reflektor, beispielsweise unter einem Winkel von 45°, in einen Behälter zu messen. Die elektromagnetischen Wellen werden im Sende- sowie Empfangspfad jeweils einmal um 180° in der Polarisationsrichtung gedreht. Der Bezug zwischen direktem und mehrfach reflektiertem Signal bleibt jedoch erhalten.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Erste Antenne (erste Sendeantenne)
3: Zweite Antenne (zweite Sendeantenne)
4: Dritte Antenne (erste Empfangsantenne)
5: Vierte Antenne (zweite Empfangsantenne)
6: Zirkulator bzw. Sende-/Empfangsweiche
7: Empfängerschaltung
8: Senderschaltung
9: Erste Drehrichtung
10: Zweite Drehrichtung
11: Sendeoszillator zur Erzeugung des Sendesignals
12: Erstes Zwischenfrequenzsignal
13: Zweites Zwischenfrequenzsignal
14: Erster Verstärker
15: Zweiter Verstärker
16: Dritter Verstärker
17: Erster Empfangsverstärker
18: Zweiter Empfangsverstärker
19: Erster Mischer
20: Zweiter Mischer
21: Empfangsoszillator
22: Ausgangssignal mit der Entfernungsinformation (Hüllkurvenerzeugung)
23: Signalmasse
24: Reflektor(-platte)
25: Kuppel
26: Kabeldurchführungen
27: Bevorzugte Wellenausbreitungsrichtung
28: Trennwand
29: Umschalter
30: Gesamtzwischenfrequenzsignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2060883 A1 [0011, 0046]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung oder Überwachung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter, umfassend mindestens zwei Antennen (2, 4), wobei eine erste Antenne (2) elektromagnetische Wellen in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet und eine zweite Antenne (4) reflektierte Wellen empfängt, mindestens eine Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeitdifferenz der ausgesendeten und der reflektierten elektromagnetischen Wellen den Füllstand in dem Behälter ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennen (2, 4) Helixantennen sind, um zirkular polarisierte elektromagnetische Wellen zu senden bzw. zu empfangen, und dass die Auswerteeinheit eine Drehrichtungsänderung zwischen der ausgesendeten Welle und der reflektierten Welle ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Antennen (2, 3, 4, 5) vorgesehen sind, wobei eine erste Antenne (2) als eine Sendeantenne und eine zweite Antenne (4) als eine Empfangsantenne ausgebildet ist, wobei die erste Antenne (2) eine der zweiten Antenne (4) entgegengesetzte Windungsrichtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass drei Antennen (2, 3, 4) vorgesehen sind, wobei eine erste und eine zweite Antenne (2, 3) als erste und zweite Sendeantennen und eine dritte Antenne (4) als eine erste Empfangsantenne (4) ausgebildet sind, wobei die erste Antenne (2) eine zur dritten Antenne (4) gleichsinnige Windungsrichtung und die zweite Antenne (3) eine zur ersten Antenne (2) entgegengesetzte Windungsrichtung aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass drei Antennen vorgesehen sind, wobei eine erste Antenne (2) als eine erste Sendeantenne, eine dritte und eine vierte Antenne (4, 5) als eine erste und eine zweite Empfangsantenne (4, 5) ausgebildet sind, wobei die dritte Antenne (4) eine zur ersten Antenne (2) gleichsinnige Windungsrichtung und die vierte Antenne (5) eine zur ersten Antenne (2) entgegengesetzte Windungsrichtung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen mindestens einer der Antennen (2, 3, 4, 5) konisch, insbesondere kegelförmig, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Antennen (2, 3, 4, 5) trichterförmig mit zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen ausgebildet ist, und dass die elektromagnetischen Wellen aus einer ersten Öffnung austreten, die eine größere Öffnungsfläche aufweist als eine zweite Öffnung.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Antennen (2, 3, 4, 5) trichterförmig mit zwei sich gegenüberliegenden Öffnungen ausgebildet ist, und dass die elektromagnetischen Wellen aus einer ersten Öffnung austreten, die eine kleinere Öffnungsfläche aufweist als eine zweite Öffnung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Antennen (2, 3, 4, 5) zumindest teilweise mit einem Dielektrikum, insbesondere Kunststoff gefüllt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Antennen (2, 3, 4, 5) ein für elektromagnetische Wellen durchlässiges Gehäuse umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Antennen (2, 3, 4, 5) mittels einer Trennwand (28) getrennt sind, so dass die elektromagnetischen Wellen der zwei Antennen sich nicht innerhalb des Gehäuses überlagern.