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Dokumentenidentifikation DE4405855A1 24.08.1995
Titel Antenneneinrichtung für ein Füllstandmeßgerät
Anmelder VEGA Grieshaber KG, 77709 Wolfach, DE
Erfinder Storz, Gregor, 78713 Schramberg, DE
Vertreter Westphal, K., Dipl.-Ing.; Mußgnug, B., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., 78048 Villingen-Schwenningen; Buchner, O., Dr.rer.nat., 80336 München; Neunert, P., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 78048 Villingen-Schwenningen
DE-Anmeldedatum 23.02.1994
DE-Aktenzeichen 4405855
Offenlegungstag 24.08.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.1995
IPC-Hauptklasse H01Q 13/24
IPC-Nebenklasse H01P 1/08   H01P 7/10   G01F 23/28   G01S 7/02   
Zusammenfassung Die Antenneneinrichtung für ein Füllstandmeßradargerät weist eine Vorrichtung, z. B. einen Resonator, zum Einkoppeln von HF-Energie und eine Antenne in Form eines Stabstrahlers zum Abstrahlen von aus der einkoppelbaren HF-Energie erzeugten Mikrowellen durch eine Öffnung in den Innenraum eines Behälters auf. Orthogonal zur Achse des Stabstrahlers ist eine Platte einstückig angeformt, die ausreichend groß ist, um die Öffnung des Behälters abzudecken. Der Stabstrahler mit angeformter Platte besteht aus dielektrischem Material.
Vorteile: Hohe chemische Beständigkeit, hohe Druckfestigkeit, einfache Konstruktion.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Antenneneinrichtung für ein Füllstandmeßradargerät gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Solche Antenneneinrichtungen für Füllstandmeßradargeräte sind hinlänglich bekannt und werden von der Anmelderin in verschiedensten Ausführungen unter der Bezeichnung VEGAPULS hergestellt und vertrieben. Die Radar-Sensoren der Serie VEGAPULS werden zur kontinuierlichen Füllstandmessung sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei Schüttgütern eingesetzt. Das Meßprinzip beruht darauf, kurze Mikrowellenpulse von einer Hornantenne abzustrahlen. In einem kombinierten Sende- und Empfangssystem werden die vom Füllgut reflektierten Pulse erfaßt und durch Laufzeitmessung dieser Pulse der Abstand zum Füllgut ermittelt. Die Einkopplung der Mikrowellen in das Behälterinnere erfolgt über einen abgedichteten Hohlleiter, so daß sich im Behälter keinerlei temperaturempfindliche Komponenten befinden. Eine gute Abdichtung ist hierbei wesentlich.

Aus der DE 41 00 922 C2 ist bekannt, zum Trennen des Behälterinnenraumes von dem elektronischen Sende- und Empfangsteil des Füllstandmeßradargerätes in dem durch das Behälterdach ragenden Hohlleiter ein zylinderförmiges Hohlleiterfenster, z. B. aus Quarzglas, anzuordnen, das einen für die Durchlässigkeit der Mikrowellen günstigen niedrigen dielektrischen Verlustfaktor besitzt. Dieses Hohlleiterfenster dient zur Abtrennung der die elektronischen Bauteile aufweisenden Teile vom Innenraum des Behälters. Allerdings besteht bei Druckeinwirkung von der Gehäuseseite her oder bei einem Unterdruck auf der Behälterseite, insbesondere bei Einwirkung hoher oder niedriger Temperaturen, die Gefahr, daß das Hohlleiterfenster aus dem Hohlleiter herausgedrückt wird. Um ein solches Herausdrücken des Hohlleiterfensters zu vermeiden, ist vorgesehen, den Hohlleiter und das Hohlleiterfenster für eine axiale Abstützung mit konisch ausgebildeten Abschnitten auszubilden, so daß das Hohlleiterfenster bei einer axialen Einwirkung am Hohlleiterrohr abgestützt wird.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 93 12 251.9 der Anmelderin ist ein Füllstandmeßradargerät bekannt, bei dem zwischen Erregerteil des Hohlleiterantennensystems und dem Gehäuse des Sende- und Empfangsteils eine diffusions- und druckdichte Glasdurchführung angeordnet ist, welche eine Füllstandmessung auch in Behältern mit brennbaren und/oder explosiblen Medien erlaubt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenneneinrichtung für ein Füllstandmeßradargerät anzugeben, das sich durch einen einfachen technischen Aufbau auszeichnet und leicht zu montieren ist. Darüber hinaus soll die erfindungsgemäße Antenneneinrichtung eine gute chemische Beständigkeit und hohe Druckfestigkeit aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht also im wesentlichen darauf, die Antenne als Stabstrahler auszubilden und an diesen Stabstrahler eine orthogonal zur Achse des Stabstrahlers liegende Platte einstückig anzuformen. Die Platte ist dabei ausreichend groß auszubilden, um die Öffnung zum Innenraum des Behälters abzudecken. Erfindungsgemäß besteht der Stabstrahler und die an dem Stabstrahler angeformte Platte aus einem dielektrischen Material.

Als Dielektrikum eignen sich die meisten Kunststoffe. Darüber hinaus kann der Stabstrahler samt Platte auch aus Glas bzw. Keramik bestehen. Der Stabstrahler und die sich vom Stabstrahler orthogonal wegerstreckende Platte kann auch aus einer Mischung der genannten Materialien hergestellt sein.

Durch die einstückige Ausbildung von Stabstrahler und Platte, die zugleich als Dichtelement zum diffusionsdichten Abschließen der Behälteröffnung dient, ist eine besonders einfache und rationelle Herstellung der Antenneneinrichtung möglich. Darüber hinaus wird durch die einstückige Ausbildung von Stabantenne und angeformter Platte eine einfache Montage von Stabstrahler und Platte im Füllstandmeßradargerät möglich. Die Platte, die scheibenförmig ausgebildet sein kann, besitzt keine systematische Begrenzung hinsichtlich ihres Durchmessers, wird zweckmäßigerweise jedoch so groß gewählt, daß die Öffnung zum Innenraum des Behälters sicher abgedeckt werden kann.

Wird für das Dielektrikum ein chemisch beständiges Material ausgewählt und der Durchmesser der Platte passend zu einem Behälterflansch an der Öffnung des Behälters dimensioniert, so erhält man eine chemisch beständige Antenne, die zusammen mit bekannten Füllstandmeßradargeräten zur Füllstandmessung eingesetzt werden kann.

Obwohl die einstückig an den Stabstrahler angeformte Platte bzw. Scheibe eine Dicke von mehr als 20 mm besitzen kann, ist es zweckmäßig, die Platte gerade so dick zu wählen, daß sie einerseits EEx-technischen Sicherheitsaspekten entspricht und andererseits eine diffusionsdichte Abschließung des Behälterinnenraumes sichergestellt ist. Unter EEx-Sicherheitsaspekten sind dabei die von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) erlassenen Richtlinien für den Explosionsschutz in explosionsgefährdeten Betriebsstätten, d. h. in Bereichen, in denen explosionsfähige Atmosphäre vorhanden ist, zu verstehen. Bei der Füllstandmessung müssen alle Komponenten der Meßeinrichtung eine solche Zulassung besitzen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, zum Einkoppeln von HF-Energie in den erfindungsgemäßen Stabstrahler aus Dielektrikum einen Resonator mit einem becherartigen Metallmantel aufweist. Der becherartige Metallmantel ist beispielsweise mit einer rohrförmigen Seitenwandung und einer an einem Ende der Seitenwandung angeordneten Deckelwandung versehen. In diesem becherartigen Metallmantel sitzt der Stabstrahler mit seinem einen Ende, wobei der Metallmantel zusätzlich noch mit einer Öffnung zum Durchführen eines im Stabstrahler angeordneten Erregerelementes versehen ist. Das andere Ende des Stabstrahlers ragt dagegen bei montiertem Füllstandmeßradargerät durch die hierfür vorgesehene Öffnung in den Innenraum des Behälters.

Durch eine derartige Ausbildung von Resonator und Stabstrahler wird eine gute HF-Einkopplung der HF-Energie in das eine Ende des dielektrischen Stabstrahlers gewährleistet. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, in der Öffnung im Metallmantel des Resonators eine koaxiale Durchführung anzuordnen, über welche das in dem Ende des Stabstrahlers sitzende Erregerelement, beispielsweise über ein Koaxialkabel, vom Sende- und Empfangsteil des Füllstandmeßradargerätes mit HF-Energie versorgt wird.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der becherartige Metallmantel des Resonators an seiner der Deckelwandung gegenüberliegenden offenen Seite mit einer sich von der Seitenwandung und vom Stabstrahler wegerstreckenden und mindestens annähernd orthogonal zur Achse des Stabstrahlers angeordneten Platte, vorzugsweise eine Metallplatte, versehen ist. An dieser Metallplatte kann die mit dem Stabstrahler einstückig verbundene dielektrische Platte flächig anliegen. Aus fertigungstechnischen Gründen wird die parallel zur dielektrischen Platte liegende Platte vorteilhafterweise ebenfalls einstückig mit der Deckelwandung bzw. Seitenwandung des Resonators hergestellt. Durch das Anliegen der dielektrischen Platte an der Platte des Resonators kann die dielektrische Platte wirksam gestützt werden, so daß höhere Druckbelastungen möglich sind. So kann beispielsweise auf der Behälterseite ein größerer Unterdruck herrschen. Darüber hinaus sind auch durch die mechanische Stabilisierung höhere Temperaturschwankungen möglich.

Zur Erzielung einer möglichst optimalen Abstrahlung der Mikrowellen in den Behälterinnenraum ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Stabstrahler in etwa mittig zur dielektrischen Platte anzuordnen. Hierdurch wird der Stabstrahler automatisch im Zentrum der Behälteröffnung plaziert, so daß eine unsymmetrische Beeinflussung der abgestrahlten Mikrowellen aufgrund von Behälterflanschwandungen des Behälters vermieden wird.

Erfindungsgemäß kann der dielektrische Stabstrahler samt dielektrischer Platte miteinander verschweißt, in einem Stück gesintert oder komplett durch Spritzguß hergestellt werden.

Die Erfindung und deren Vorteile wird im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel anhand einer Figur eingehend erläutert.

Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen Behälterflansch 11 eines nicht näher gezeigten Behälters, dessen Füllstand mit einem Füllstandmeßradargerät ermittelt werden soll. Der Behälterflansch 11 weist eine beispielsweise kreisförmige Öffnung 8 auf, die in einen Innenraum 10 des Behälters führt. Auf den Behälterflansch 11 ist die Unterseite des Füllstandmeßradargerätes montiert.

Das lediglich ausschnittsweise dargestellte Füllstandmeßradargerät weist eine Vorrichtung, z. B. einen Resonator, zum Einkoppeln von HF-Energie und einen Stabstrahler 2 zum Abstrahlen von aus der eingekoppelten HF-Energie erzeugten Mikrowellen auf. Die HF-Energie kann aufbeliebig geeignete Weise eingekoppelt werden. Wesentlich ist lediglich, wie in der Figur gezeigt, ein mit Dielektrikum gefüllter Hohlleiter. Der Stabstrahler 2 und Resonator ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zu einer Achse A rotationssymmetrisch aufgebaut. Der aus dielektrischem Material, beispielsweise Kunststoff, Glas, Keramik oder einer Mischung aus diesen Elementen bestehende Stabstrahler 2 sitzt mit seinem einen Ende 2a in einem becherartigen Metallmantel und ragt mit seinem anderen Ende 2b durch die Öffnung 8 in den Innenraum 10 des Behälters. Der becherartige Metallmantel verfügt über eine rohrförmige Seitenwandung 3, welche auf der dem Behälterflansch 11 abgewandten Seite mit einer Deckelwandung 4 abschließt. In diesem becherartigen Metallmantel sitzt formschlüssig das eine Ende 2a des dielektrischen Stabstrahlers 2. Die Seitenwandung 3 der becherartigen Metallwandung weist darüber hinaus noch eine radial angeordnete Öffnung 6 auf, in welcher beispielsweise eine Koaxialbuchse 14 zum Hindurchführen einer Zuleitung 13 befestigt ist. Die Zuleitung 13 dient zum Zuführen von HF-Energie eines nicht dargestellten Sende- und Empfangsteiles des Füllstandmeßradargerätes zu einem Erregerelement 7, das in einer Ausnehmung des einen Endes 2a des dielektrischen Stabstrahlers 2 sitzt. Der becherartige Metallmantel samt einem Ende 2a des dielektrischen Stabstrahlers 2 und Erregerelement 7 bilden den Resonator 1 der dargestellten Antenneneinrichtung.

Erfindungsgemäß ist an den dielektrischen Stabstrahler 2 eine Platte 2c, die beispielsweise scheibenförmig ausgebildet sein kann, einstückig angeformt. Diese Platte 2c besteht aus dem gleichen Material wie der Stabstrahler 2. Die dielektrische Platte 2c bzw. Scheibe erstreckt sich orthogonal zur Achse A des Stabstrahlers 2, wobei der Stabstrahler 2 mindestens annähernd mittig zur Platte 2c angeordnet ist.

Die dielektrische Platte 2c weist einen größeren Durchmesser als die Öffnung 8 des Behälterflansches 11 auf, so daß ein sicheres Abdichten bzw. Aufliegen der Platte 2c auf dem Behälterflansch 11 gewährleistet ist.

Parallel zur dielektrischen Platte 2c liegt eine weitere Platte 12, die beispielsweise aus Metall bestehen kann und einstückig mit der Seitenwandung 3 des Resonators in Verbindung steht. Diese Platte 12 kann als Montageflansch dienen.

Werden in dieser Platte 12 und im Behälterflansch 11 des Behälters zueinander gegenüberliegende Befestigungsbohrungen angebracht, wie dies anhand der Bezugszeichen 15 in der Figur angedeutet ist, so ist eine einfache Montage des Füllstandmeßradargerätes auf dem Behälterflansch 11 mittels Schrauben und Muttern möglich. Die dielektrische Platte 2c kann klemmend zwischen dem Behälterflansch 11 und der Platte 12 gehalten werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Platte 2c mit geeigneten Bohrungen zu versehen, um die Platte 12 samt dielektrischer Platte 2c am Behälterflansch 11 zu befestigen. Es ist zu erwähnen, daß die Platte 12 nicht unbedingt notwendig ist. So kann die dielektrische Platte 2c allein am Behälterflansch 11 befestigt werden. Wesentlich ist lediglich, daß ein diffusionsdichtes Abschließen der Öffnung 8 gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß können der dielektrische Stabstrahler 2 und die dielektrische Platte 2c miteinander verschweißt sein, in einem Stück gesintert oder komplett durch Spritzguß hergestellt werden.

Wie in der Darstellung des Ausführungsbeispiels zu erkennen, kann der in die Öffnung 8 des Innenraumes 10 des Behälters ragende Teil 2b des dielektrischen Stabstrahlers konisch ausgebildet sein. Eine in Richtung des Behälterinnenraumes verjüngte Ausbildung des Stabstrahlers 2 hat sich für die Abstrahlung der Mikrowellen als günstig erwiesen.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Stabstrahler

3 Seitenwandung

4 Deckelwandung

6 Öffnung

7 Erregerelement

8 Öffnung

10 Innenraum des Behälters

11 Behälterflansch

12 Platte

13 Zuleitung

14 Koaxialbuchse

15 Befestigungsbohrung

A Achse

2a ein Ende des Stabstrahlers

2b anderes Ende des Stabstrahlers

2c Platte


Anspruch[de]
  1. 1. Antenneneinrichtung für ein Füllstandmeßradargerät mit einer Vorrichtung (1) zum Einkoppeln von HF-Energie und mit einer Antenne zum Abstrahlen von aus der einkoppelbaren HF-Energie erzeugten Mikrowellen durch eine Öffnung (8) in einen Innenraum (10) eines Behälters, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne ein Stabstrahler (2) ist, daß an den Stabstrahler (2) eine mindestens annähernd orthogonal zur Achse des Stabstrahlers (2) liegende Platte (2c) einstückig angeformt ist, daß die Platte (2c) ausreichend groß ausgebildet ist, um die Öffnung (8) des Behälters abzudecken, und daß der Stabstrahler (2) und die Platte (2c) aus dielektrischem Material bestehen.
  2. 2. Antenneneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) zum Einkoppeln von HF-Energie ein Resonator ist.
  3. 3. Antenneneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator einen becherartigen, mit einer Seitenwandung (3) und einer Deckelwandung (4) versehenen Metallmantel aufweist, in welchem der Stabstrahler (2) mit seinem einen Ende (2a) sitzt, wobei der Metallmantel mit einer Öffnung (6) zum Durchführen eines im Stabstrahler (2) angeordneten Erregerelementes (7) versehen ist, und daß das andere Ende (2b) des Stabstrahlers (2) zum Hineinragen durch die Öffnung (8) in den Innenraum (10) des Behälters vorgesehen ist.
  4. 4. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabstrahler (2) in etwa mittig zur Platte (2c) angeordnet ist.
  5. 5. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (2c) scheibenförmig ausgebildet ist.
  6. 6. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material Kunststoff, Glas oder Keramik oder ein Mischprodukt aus diesen Materialien ist.
  7. 7. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabstrahler (2) und die Platte (2c) miteinander verschweißt sind.
  8. 8. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabstrahler (2) und die Platte (2c) aus einstückig gesintertem Material bestehen.
  9. 9. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabstrahler (2) und die Platte (2c) als gemeinsames Teil durch Spritzguß hergestellt sind.
  10. 10. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der becherartige Metallmantel des Resonators an seiner der Deckelwandung (4) gegenüberliegenden offenen Seite mit einer sich von der Seitenwandung (3) und vom Stabstrahler (2) weg erstreckenden und orthogonal zur Achse (A) des Stabstrahlers (2) angeordneten Platte (12) versehen ist, an welcher die dielektrische Platte (2c) flächig anliegt.
  11. 11. Antenneneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Platte (2c) eine ausreichende Dicke aufweist, um den Innenraum (10) des Behälters diffusionsdicht abzudecken, vorzugsweise eine Dicke von 2 mm bis 5 mm.






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