CN103292864A - 微波窗和按照雷达原理工作的料位测量系统 - Google Patents

Abstract

微波窗和按照雷达原理工作的料位测量系统。描述和示出了一种用于在空间上将第一空间（2）与第二空间（3）分隔和以微波方式连接第一空间（2）和第二空间（3）的微波窗（1），该微波窗（1）具有至少部分地微波能透过的片材（8），所述片材（8）具有两个彼此相对的侧面（6，7）。本发明所基于的任务是提出一种使得能够可替换地减少波的反射的微波窗。该任务在所讨论的天线的情况下通过如下方式解决，即片材（8）在侧面（6）上具有至少一个凹陷（9）。另外，本发明涉及一种按照雷达原理工作的具有本发明微波窗（1）的料位测量系统（10）。

Description

微波窗和按照雷达原理工作的料位测量系统

技术领域

本发明涉及一种用于在空间上将第一空间与第二空间分隔和以微波方式连接第一空间与第二空间的微波窗，该微波窗具有至少部分地微波能透过的片材，该片材具有两个彼此相对的侧面。另外，本发明涉及一种按照雷达原理工作的料位测量系统，该料位测量系统具有至少一个发射电磁辐射的天线。

背景技术

在工业测量技术中常常采用雷达料位测量设备，以便确定如储罐或者筒仓的容器内的介质的料位，所述介质例如液体、散料或者泥料。通过该测量设备实施的运行时间方法基于这样的物理法则，即例如电磁信号的运行路段等于运行时间和传播速度的乘积。在对容器中的介质——例如液体或者散料——的料位进行测量的情况下，运行路段对应于发射电磁信号并且再次接收的天线与介质表面之间的距离的两倍。有效回波信号——也就是在介质表面处反射的信号——及其运行时间根据所谓的回波函数或数字化的包络曲线被确定。该包络曲线将回波信号的幅度表现为“天线-介质表面”距离的函数。料位可以由天线到容器底部的已知距离与通过测量确定的介质表面到天线的距离之间的差来计算。所发送的和所接收的电磁信号大多数是微波辐射。

根据介质的种类或者占主导的过程条件，在容器中可充斥着低压或者非常高的过压、非常低或非常高的温度，此外介质可能非常有侵蚀性和/或腐蚀性。大多数情况下还需要容器是密封的，从而介质不能泄露到环境中。为了使这种一般的以及特定于测量设备的可能敏感的组成部分（例如电子部件的温度敏感性）满足相关的安全方面，在现有技术中已知开头所述的微波窗。这种窗优选在存在高压时由玻璃或者陶瓷、例如金属玻璃、石英或者硼硅玻璃构成，或者在所需的抗压强度降低时由例如聚丙烯、聚四氟乙烯或者聚醚醚酮（PEEK）的塑料构成。

DE 195 42 525 C2描述了一种微波窗，该微波窗布置在空心波导内。这种空心波导一般用于在产生信号或处理接收到的信号的电子单元与发射或接收的天线之间传输电磁信号。微波窗一方面引起容器的内部空间与外部空间之间的压力密封和扩散密封的分隔，并且另一方面引起空间之间的微波传输。

在DE 43 36 494 A1中描述了一种测量装置，在该测量装置中测量设备完全布置在容器以外，并且在该测量装置中用于外部空间与容器内部空间之间的微波通道的微波窗被装入到容器壁中。

前述微波窗的问题是在其上出现的波反射。为了降低这种反射，窗厚度例如被选择等于为了测量所发送的测量信号的波长的一半的奇数多倍，使得所反射的波破坏性地重叠。在DE 43 36 494 A1中设置衰减层，该衰减层使测量信号和所反射的信号衰减，但是该衰减层使所反射的信号更剧烈地衰减，因为该反射的信号经历多次反射。另一变型方案在于，在窗的片材上施加匹配层，通过该匹配层应实现所反射的波的破坏性的干涉。为了达到这一点，匹配层的厚度等于测量信号的波长的四分之一的奇数多倍。匹配层的介电常数此外应等于与该匹配层接界的介质的介电常数的几何平均值。对于两种与匹配层接界的介质的情况，这意味着匹配层的介电常数等于这两种接界介质的介电常数的乘积的平方根。这种匹配层或衰减层的缺点是在制造和施加到片材上方面的提高的费用以及这些层必须同样适用于应用条件的需求。

发明内容

因此，本发明所基于的任务是，提出一种微波窗和一种配备该微波窗的料位测量系统，它们使得能够可替换地减小波的反射。

所示的任务根据本发明首先并且基本上在所讨论的微波窗的情况下通过如下方式解决，即片材在至少一个侧面上具有至少一个凹陷。本发明微波窗的片材具有至少一个凹陷，其中片材在凹陷下方的区域可以让微波辐射通过并且微波窗的在侧面由于凹陷而变薄的层用作为匹配层以降低反射。在一种构型中，在所述侧面设置——相同或者不同构造的——多个凹陷。通过凹陷构成的匹配层的介电常数小于透镜的位于该匹配层下方的无凹陷的层，并且取决于凹陷的尺寸和凹陷的面积份额与没有通过凹陷而变薄的面积份额的比例。对于预先给定凹陷的形式来说，例如可以使用模拟。优点在于，由凹陷作为片材的一种类型的稀薄部（Verdünnung）得出的匹配层是微波窗的整体组成部分。所述凹陷在此可以以机械或者化学方式嵌入到坚固的片材中，或者片材已经被制造、例如浇注得具有凹陷。

当凹陷的尺寸、也就是在表面中实现的结构与要穿过微波窗传输的电磁辐射的波长相比小时，通过凹陷得出的匹配层对于穿透的电磁辐射来说实际上是均匀的。当所述凹陷至少在微波窗层面中的一个方向上具有小于要通过微波窗传输的电磁辐射的波长的尺寸时，微波窗同样在该方向上具有所期望的滤波特性；如此使得实现极化效应。

一种构型规定，配备有凹陷的面积在量上不同于、也就是大于或小于无凹陷的面积。由凹陷的深度确定的层具有两个不同的面：一种是具有凹陷的区域，即没有片材材料的空间，以及还有位于凹陷之间的区域。该构型规定，凹陷的面积大于片材的该被考察的侧面的其余面积。在该构型中，总体上在该被考察的层中没有片材材料的空间占大多数。在此，根据片材的材料特性以及所使用微波信号的波长得出尺寸。

当微波窗或匹配层的面积份额x由于一个或多个凹陷变小并且因此微波窗的面积份额（1-x）由阶梯构成时，匹配层的有效介电常数近似得出为                                                

，其中

是由凹陷提供的体积的介电常数，并且其中

是仍存在的窗材料的介电常数。当凹陷简单地用周围空气填充时，

基本上等于1。在该情况下，由于已知的和上面示出的针对匹配层的关系，匹配层的介电常数应等于微波窗或微波窗的阶梯的材料的介电常数和凹陷的介电常数的乘积的平方根，也就是匹配层的相对有效的介电常数应等于阶梯的材料的相对介电常数的平方根。如果微波窗的材料例如是具有

=5.4的相对介电常数的硼硅玻璃，则在=1时得出凹陷的所需面积份额x恰好为x=70%。匹配层的厚度必须是要传输的和在片材材料中引导的电磁辐射的波长的四分之一。

一种构型规定，凹陷的至少一部分以缝隙的形式构造。在此，缝隙形式的凹陷的至少一部分基本上相互平行地布置在承载凹陷的侧面上。缝隙的长度、宽度和深度可以根据应用的情况和要求——例如片材的材料、所使用的测量信号波长、反射降低的程度、测量信号的带宽等——来匹配。在一种构型中，缝隙尤其是垂直于所述侧面的面进入地在片材的方向上延伸。通过平行布置的缝隙形式的凹陷，得出片材的与方向有关的特性。

在两种接下来的构型中，凹陷的分别至少一部分基本上构造为圆柱形的。圆柱体在此在片材的方向上以其纵轴尤其是垂直于所述侧面的层面延伸。在一种构型中，圆柱形凹陷的至少一部分作为基本上笛卡尔坐标系的点布置在侧面上，并且在另一构型中，圆柱形凹陷的至少一部分作为基本上六边形坐标系的点布置在侧面上。可具有圆形、角形或者任意构造的基面的圆柱形凹陷在两种构型中在片材的所述侧面上分布。在此，两种构型在布置类型上区分开。通过在两种构型中基本上均匀的分布，基本上不出现片材的反射特性的方向相关性。孔的直径及其在侧面上的间距例如可以通过模拟被优化。在其中一种构型中，凹陷布置在笛卡尔或直角坐标系的点上，并且在其中另一构型中布置在六边形坐标系的点上。在一个可替换的构型中，圆柱形凹陷混乱地分布在所述侧面上并且达到尽可能各向同性的传输特性。

在一种构型中，片材的两侧都分别配备至少一个凹陷。在一种构型中，两个侧面也具有多个凹陷。该构型对应于片材在两侧都配备匹配层的情况。

在一种构型中附加地在片材的至少一个侧面上还设置附加的覆盖层，该覆盖层在一个变型方案中至少部分地布置在至少一个凹陷中并且在另一变型方案中露出至少一个凹陷或多个凹陷。

此外，之前导出的和示出的任务在本发明的另一教导中在前面提到的按照雷达原理工作的料位测量系统的情况下通过如下方式解决，即所述料位测量系统具有根据上述构型之一的至少一个微波窗。所述微波窗在此在一个构型中是空心波导的组成部分并且在另一构型中嵌入在容器中，介质位于该容器中并且在该容器以外存在实际测量设备的其它构件，如天线、波导或者电子部件。

料位测量系统的一个构型在于，至少一个凹陷的深度基本上等于由天线发射的电磁辐射的波长的四分之一。如果凹陷的深度对应于作为测量信号发射的电磁辐射的波长的四分之一，则片材的与凹陷接界的区域的厚度同样为波长的四分之一，因为在反射波的情况下导致破坏性的干涉并且由于能量守恒实现了更高的透射率。在一种构型中，尤其是与具有凹陷的层连接的无凹陷层的厚度等于测量信号的半波长的多倍。

附图说明

具体地存在许多可能性来构造和扩展本发明的微波窗和本发明的料位测量系统。对此，一方面参见从属于权利要求1和9的权利要求，另一方面参照结合附图对实施例进行的下列描述。在附图中

图1示出具有本发明料位测量系统的料位测量装置的示意性的和非按照比例的图示，

图2示出本发明微波窗的片材的表明了结构布置的示意图的非比例正确的截面图，

图3示出第一变型方案的本发明微波窗的非按照比例的片材的俯视图，

图4示出第二变型方案的本发明微波窗的非按照比例的片材的俯视图，

图5示出第三变型方案的本发明微波窗的非按照比例的片材的俯视图。

具体实施方式

在图1中示意性地示出测量装置。图2示出示意性地示出的用于这种测量的微波窗的截面图。在图3至5中分别表面本发明微波窗的片材的变型方案的基本形式。

图1示出本发明的微波窗1如何布置在第一空间2与第二空间3之间。第二空间3在此是由容器4包括的并且介质5位于其中的内部空间。第一空间2是围绕该容器4的环境。微波窗1具有两个侧面6、7，其中侧面6朝向第一空间2、即在此是环境，并且另一侧面7朝向容器4的内部空间、也就是第二空间3。用于测量介质5的料位的微波、即测量信号的通道由片材8提供，该片材8例如由玻璃、陶瓷或者塑料构成并且对于微波是能透过的。微波窗1是具有完全布置在容器4以外的实际测量设备的测量系统10的一部分，该测量设备在此示出为具有天线11和电子部件12。因此，测量系统10总体上由分开的测量仪器和嵌入到容器4中的窗1构成。由天线11作为测量信号发射的电磁辐射——其尤其是微波——穿过微波窗1到达容器4中的第二空间3中。在介质5表面处反射的微波信号反向地再次穿过微波窗1射出到包围容器4的第一空间2中，以便由天线11接收并由电子部件12分析或者继续处理。如果微波窗1尤其是被构造为压力密封的和扩散密封的，则第一空间2和第二空间3彼此分隔，但是关于微波信号相互连接。

在图2中示出本发明微波窗1的示意性片材8的截面图。片材8在此在该变型方案中通过金属支架13装配。凹陷9的大小比例和数量是纯粹示范性选择的，以便表明原理上的结构。片材8在侧面6上具有三个在此以矩形空隙的形式给出的凹陷9或稀薄部。凹陷9的深度限定了片材2的片段的高度，以便所述凹陷被无凹陷的层超出并且所述凹陷和无凹陷的层一起充当匹配层。为了降低反射，该深度应当等于测量信号波长的四分之一的奇数多倍。此外，无凹陷的层的厚度等于半个波长的整数多倍。两种构型单独地或者一起降低片材8处的反射。在一种构型中，在另一个侧面7上同样存在凹陷。

图3至图5示出在片材8的一个侧面上的凹陷9或其布置的构型的三种不同的变型方案。片材8在此在所示的变型方案中分别构造为圆形的。此外，凹陷9的面积分别比侧面6的无凹陷的面积大。在图3的变型方案中，凹陷被构造为彼此平行布置的缝隙。通过这样的栅格结构，得出用于测量的微波的极性与片材8之间的相互作用的相关性。在图4和图5的变型方案中，凹陷9分别是具有基本上圆形的基面的圆柱体。所述圆柱体的纵轴尤其是垂直于凹陷9位于其中的侧面6的面延伸。图4和图5的变型方案的圆柱形的凹陷9分别布置在分别以统一的步宽张开的坐标系的点上，该坐标系一种是笛卡尔的（图4），一种是六边形的（图5）。由此消除了如根据图3的变型方案中的取向的明显相关性。

Claims (10)

1.用于在空间上将第一空间（2）与第二空间（3）分隔和以微波方式连接第一空间（2）和第二空间（3）的微波窗（1），该微波窗（1）具有至少部分地微波能透过的片材（8），所述片材（8）具有两个彼此相对的侧面（6，7），

其特征在于，

所述片材（8）在至少一个侧面（6）上具有至少一个凹陷（9）。

2.根据权利要求1的微波窗（1），其特征在于，在所述侧面（6）上设置多个凹陷（9）。

3.根据权利要求2的微波窗（1），其特征在于，侧面（6）的配备有凹陷（9）的面积大于或者小于无凹陷的面积。

4.根据权利要求1至3之一的微波窗（1），其特征在于，所述凹陷（9）至少在微波窗（1）层面中的一个方向上具有比要穿过微波窗（1）传输的电磁辐射的波长小的尺寸。

5.根据权利要求2至4之一的微波窗（1），其特征在于，凹陷（9）的至少一部分以缝隙的形式构造，并且缝隙形式的凹陷（9）的至少一部分基本上相互平行地布置在所述侧面（6）上。

6.根据权利要求2至4之一的微波窗（1），其特征在于，凹陷（9）的至少一部分基本上构造为圆柱形的，并且圆柱形的凹陷（9）的至少一部分作为基本上为笛卡尔坐标系的点布置在所述侧面（6）上。

7.根据权利要求2至4之一的微波窗（1），其特征在于，凹陷（9）的至少一部分基本上构造为圆柱形的，并且圆柱形的凹陷（9）的至少一部分作为基本上为六边形坐标系的点布置在所述侧面（6）上。

8.根据权利要求1至7之一的微波窗（1），其特征在于，片材（8）在两个侧面（6，7）上分别具有至少一个凹陷（9）。

9.按照雷达原理工作的料位测量系统（10），该料位测量系统（10）具有至少一个发射电磁辐射的天线（11）并且具有至少一个根据权利要求1至8之一的微波窗（1）。

10.根据权利要求9的料位测量系统（10），其特征在于，至少一个凹陷（9）的深度基本上等于在片材（8）中引导的电磁辐射的波长的四分之一。

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