DE102015111595B4 - Level gauge for determining and monitoring a level - Google Patents

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Abstract

Füllstandmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter mittels Laufzeiten von elektromagnetischen Wellen (EM-Wellen), mit einem Antennenelement (1), umfassend:- einen Hohlleiter (2), wobei eine erste Stirnfläche (3) des Hohlleiters (2) geschlossen und eine zweite Stirnfläche (4) des Hohlleiters (2) geöffnet ist,- ein Koppelelement (5) zum Aus- und Einkoppeln der EM-Wellen, welches als eine Leiterbahn auf einer Leiterkarte (12) mit einer derartigen Länge L ausgestaltet ist, so dass die Länge L ein Viertel der Wellenlänge der aus dem Koppelelement (5) ausgekoppelten EM-Wellen beträgt, wobei das Koppelelement (5) in einen Innenraum (6) des Hohlleiters (2) hineinragt, so dass diejenigen EM-Wellen, die über das Koppelelement (5) auskoppeln, über die zweite Stirnfläche (4) ausgesendet werden und diejenigen EM-Wellen, die über die zweite Stirnfläche (4) des Hohlleiters (2) empfangen werden, an das Koppelelement (5) einkoppeln,- einen Hornstrahler (7) zum Ausstrahlen und Fokussieren der EM-Wellen, wobei eine Eintrittsöffnung (8) des Hornstrahlers (2) in die zweite Stirnfläche (4) des Hohlleiters (2) mündet, so dass die von dem Hohlleiter (2) übertragenen EM-Wellen von dem Hornstrahler (7) ausgestrahlt und die von dem Hornstrahler (7) empfangenen EM-Wellen in den Hohlleiter (2) fokussiert werden,- eine kreisförmige Leiterbahn (16), welche das Koppelelement (5) auf der Leiterkarte (12) dermaßen umgibt, dass eine Spitze des Koppelelements (5) in der Mitte der kreisförmigen Leiterbahn (16) angeordnet ist, wobei ein Durchmesser der kreisförmigen Leiterbahn (16) eine halbe Wellenlänge der aus dem Koppelelement (5) ausgekoppelten EM-Wellen beträgt, wobei der Hohlleiter (2) und/oder der Hornstrahler (7) mindestens eine Diskontinuität (14) zum Reflektieren der durch den Hohlleiter (2) bzw. den Hornstrahler (7) geführten EM-Wellen aufweisen, so dass die an der mindestens einen Diskontinuität (14) und der ersten Stirnfläche (3) reflektierten EM-Wellen und die von dem Koppelelement (5) ausgesendeten EM-Wellen überlagern und eine Gesamtwelle erzeugen, deren Hauptkeule begünstigt und deren Nebenkeulen unterdrückt sind.Level measuring device for determining and monitoring a level of a medium in a container by means of propagation times of electromagnetic waves (EM waves), with an antenna element (1), comprising: - a waveguide (2), a first end face (3) of the waveguide (2 ) is closed and a second end face (4) of the waveguide (2) is open, - a coupling element (5) for coupling the EM waves out and in, which is designed as a conductor track on a printed circuit board (12) with such a length L , so that the length L is a quarter of the wavelength of the coupling element (5) decoupled EM waves, wherein the coupling element (5) in an interior (6) of the waveguide (2) protrudes, so that those EM waves that via the coupling element (5), are emitted via the second end face (4) and couple those EM waves which are received via the second end face (4) of the waveguide (2) to the coupling element (5), - a horn radiator (7) for radiating and focusing the EM waves, with an entrance opening (8) of the horn radiator (2) opening into the second end face (4) of the waveguide (2), so that the EM waves transmitted by the waveguide (2). emitted by the horn radiator (7) and the EM waves received by the horn radiator (7) are focused in the waveguide (2), - a circular conductor track (16) which surrounds the coupling element (5) on the printed circuit board (12) in such a way that a tip of the coupling element (5) is arranged in the middle of the circular conductor track (16), a diameter of the circular conductor track (16) being half a wavelength of the coupling element (5) decoupled EM waves, the waveguide ( 2) and/or the horn (7) have at least one discontinuity (14) for reflecting the EM waves guided through the waveguide (2) or the horn (7), so that the at least one discontinuity (14) and the EM waves reflected from the first end face (3) and the EM waves emitted by the coupling element (5) superimpose and generate a total wave whose main lobe is favored and whose side lobes are suppressed.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Füllstandmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter mittels Laufzeiten von elektromagnetischen Wellen (EM-Wellen).The invention relates to a fill level measuring device for determining and monitoring a fill level of a medium in a container using transit times of electromagnetic waves (EM waves).

Herkömmliche Pulsradar-Füllstandsmessgeräte weisen regelmäßig eine Sendeeinrichtung mit einer an eine Steuerung angeschlossenen Pulserzeugungseinrichtung auf. Die Pulserzeugungseinrichtung erzeugt für jede Messung ein Sendesignal, welches aus Mikrowellenpulsen einer fest vorgegebenen Mittenfrequenz besteht und eine vorgegebene Pulswiederhohlrate aufweist. Die Mikrowellenpulse weisen beispielsweise fest vorgegebene Mittenfrequenzen von 26 GHz oder 78 GHz auf. Die Antenne ist oberhalb des höchsten zu messenden Füllstands am Behälter montiert, in Richtung des Füllguts ausgerichtet und sendet die Sendesignale in den Behälter. Nachfolgend empfängt die Antenne die an dem Füllgut in Richtung des Füllstandsmessgerätes zurück reflektierten Signalanteile nach einer von der Entfernung des Füllguts abhängigen Laufzeit als Empfangssignale. Letztere werden einer an die Sendeeinrichtung und die Antenne angeschlossenen Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt, die anhand der Empfangssignale den Füllstand bestimmt.Conventional pulse radar fill level measuring devices regularly have a transmitting device with a pulse generating device connected to a controller. For each measurement, the pulse generating device generates a transmission signal which consists of microwave pulses with a fixed, predetermined center frequency and has a predetermined pulse repetition rate. The microwave pulses have, for example, fixed center frequencies of 26 GHz or 78 GHz. The antenna is mounted on the container above the highest level to be measured, aligned in the direction of the filling material and transmits the transmission signals into the container. The antenna then receives the signal components reflected back on the filling material in the direction of the filling level measuring device as received signals after a transit time that is dependent on the distance from the filling material. The latter are fed to a signal processing device which is connected to the transmission device and the antenna and which uses the received signals to determine the filling level.

Dabei werden regelmäßig Messkurven abgeleitet, die die Amplituden der Empfangssignale als Funktion von deren für den Weg zum Füllgut und zurück benötigten Laufzeit wiedergeben. Aus den Laufzeiten der Maxima dieser Messkurven kann nun anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellenpulse die Entfernung des Füllguts vom Füllstandsmessgerät bestimmt werden.In doing so, measurement curves are regularly derived which reflect the amplitudes of the received signals as a function of the transit time required for the route to the filling material and back. From the transit times of the maxima of these measurement curves, the distance of the filling material from the filling level measuring device can now be determined using the propagation speed of the microwave pulses.

Zur Füllstandsmessung werden heute eine Vielzahl unterschiedlicher häufig als Echoerkennungsverfahren bezeichnete Auswertungsverfahren eingesetzt, mit denen anhand der Messkurven das jeweils darin enthaltene, auf die Reflektion an der Füllgutoberfläche zurückzuführende Maximum ermittelt wird. Dabei kann beispielsweise das erste auftretende Maximum oder das die größte Maximalamplitude aufweisende Maximum als das gesuchte auf die Reflektion an der Füllgutoberfläche zurückzuführende Maximum der jeweiligen Messkurve bestimmt werden. Aus der Laufzeit dieses Maximums wird anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellenpulse die Entfernung der Füllgutoberfläche vom Füllstandsmessgerät abgeleitet, die dann anhand der Einbauhöhe der Antenne in den Füllstand - also die Füllhöhe des Füllguts im Behälter - umrechenbar ist.A large number of different evaluation methods, often referred to as echo detection methods, are used today for level measurement, with which the maximum contained in the measurement curves and attributable to the reflection on the surface of the filling material is determined. In this case, for example, the first maximum that occurs or the maximum having the greatest maximum amplitude can be determined as the searched maximum of the respective measurement curve that can be attributed to the reflection on the surface of the filling material. The distance between the filling material surface and the filling level measuring device is derived from the propagation time of this maximum based on the propagation speed of the microwave pulses.

Das Maximum resultiert aus einer Hauptkeule des Antennendiagramms. Neben der Hauptkeule weist das Antennendiagramm mehrere Nebenkeulen auf, die sich mit Nebenamplituden in der Messkurve bemerkbar machen. Liegen die Nebenamplituden zeitlich nah an der Hauptamplitude, die von der Hauptkeule herrühren, wird die Hauptamplitude verfälscht, wodurch der Messwert des Füllstands ebenfalls verfälscht wird.The maximum results from a main lobe of the antenna pattern. In addition to the main lobe, the antenna diagram has several side lobes that are noticeable in the measurement curve with side amplitudes. If the secondary amplitudes are close in time to the main amplitude, which originate from the main lobe, the main amplitude is falsified, which means that the measured value of the fill level is also falsified.

In DE 100 51 297 A1 wird ein Füllstandsmessgerät gezeigt, bei dem das auszusendende Mikrowellensignal über ein Koppelelement in eine Hohlleiter-Antenne eingekoppelt wird. Dabei ist das Koppelelement als Leiterbahn auf einer Leiterplatte ausgelegt, welche in den Hohlleiter absteht, um das Mikrowellensignal möglichst in der Grundmode TE11 abzustrahlen.In DE 100 51 297 A1 shows a level gauge in which the microwave signal to be emitted is coupled into a waveguide antenna via a coupling element. The coupling element is designed as a conductor track on a printed circuit board, which protrudes into the waveguide in order to emit the microwave signal in the TE11 fundamental mode as far as possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Füllstandmessgerät vorzuschlagen, welches in der Lage ist den Füllstand genauer zu bestimmen.The invention is based on the object of proposing a filling level measuring device which is able to determine the filling level more precisely.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein Füllstandmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter mittels Laufzeiten von elektromagnetischen Wellen (EM-Wellen), mit einem Antennenelement, umfassend einen Hohlleiter, wobei eine erste Stirnfläche des Hohlleiters geschlossen und eine zweite Stirnfläche des Hohlleiters geöffnet ist, ein Koppelelement zum Aus- und Einkoppeln von EM-Wellen, welches als eine Leiterbahn auf einer Leiterkarte mit einer derartigen Länge ausgestaltet ist, so dass die Länge ein Viertel der Wellenlänge der aus dem Koppelelement ausgekoppelten EM-Wellen beträgt. Dabei ragt das Koppelelement in einen Innenraum des Hohlleiters hinein, so dass diejenigen EM-Wellen, die über das Koppelelement auskoppeln, über die zweite Stirnfläche ausgesendet werden und diejenigen EM-Wellen, die über die zweite Stirnfläche des Hohlleiters empfangen werden, an das Koppelelement einkoppeln, einen Hornstrahler zum Ausstrahlen und Fokussieren der EM-Wellen, wobei eine Eintrittsöffnung des Hornstrahlers in die zweite Stirnfläche des Hohlleiters mündet, so dass die von dem Hohlleiter übertragenen EM-Wellen von dem Hornstrahler ausgestrahlt und die von dem Hornstrahler empfangenen EM-Wellen in den Hohlleiter fokussiert werden, und eine kreisförmige Leiterbahn, welche das Koppelelement auf der Leiterkarte dermaßen umgibt, dass eine Spitze des Koppelelements in der Mitte der kreisförmigen Leiterbahn angeordnet ist, wobei ein Durchmesser der kreisförmigen Leiterbahn eine halbe Wellenlänge der aus dem Koppelelement ausgekoppelten Wellen beträgt.The object of the invention is achieved by the subject matter of the invention. The subject matter of the invention is a fill level measuring device for determining and monitoring a fill level of a medium in a container by means of propagation times of electromagnetic waves (EM waves), with an antenna element comprising a waveguide, with a first face of the waveguide being closed and a second face of the waveguide being open is a coupling element for coupling EM waves out and in, which is designed as a conductor track on a printed circuit board with such a length that the length is a quarter of the wavelength of the EM waves coupled out of the coupling element. The coupling element protrudes into an interior of the waveguide, so that those EM waves that couple out via the coupling element are emitted via the second end face and those EM waves that are received via the second end face of the waveguide couple into the coupling element , a horn for radiating and focusing the EM waves, wherein an entrance opening of the horn opens into the second end face of the waveguide, so that the EM waves transmitted by the waveguide are radiated from the horn and the EM waves received by the horn into the Waveguides are focused, and a circular conductor track, which surrounds the coupling element on the printed circuit board in such a way that a tip of the coupling element is arranged in the center of the circular conductor track, with a diameter of the circular conductor track being half a wavelength of the waves coupled out of the coupling element.

Erfindungsgemäß weisen der Hohlleiter und/oder der Hornstrahler mindestens eine Diskontinuität zum Reflektieren der durch den Hohlleiter bzw. den Hornstrahler geführten EM-Wellen auf, so dass die an der mindestens einen Diskontinuität und der ersten Stirnfläche reflektierten EM-Wellen und die von dem Koppelelement direkt ausgesendeten EM-Wellen überlagern und eine Gesamtwelle erzeugen, deren Hauptkeule begünstigt und deren Nebenkeulen unterdrückt sind.According to the invention, the waveguide and/or the horn have at least one discontinuity for reflecting the EM waves guided through the waveguide or the horn, so that the EM waves reflected at the at least one discontinuity and the first end face and those from the coupling element directly superimpose the transmitted EM waves and produce an overall wave whose main lobe is favored and whose side lobes are suppressed.

Gemäß einer vorteilhaften Variante weist der Hornstrahler eine Bündelungseinrichtung zum Begünstigen der Hauptkeule auf.According to an advantageous variant, the horn has a focusing device for promoting the main lobe.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Hornstrahler eine Parallelisierungseinrichtung zum Unterdrücken der Nebenkeulen auf.According to an advantageous embodiment, the horn has a parallelization device for suppressing the side lobes.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Hornstrahler eine Linse, insbesondere eine dielektrische Linse zum Begünstigen der Hauptkeule und zum Unterdrücken der Nebenkeulen auf.According to an advantageous embodiment, the horn radiator has a lens, in particular a dielectric lens, for promoting the main lobe and for suppressing the side lobes.

Gemäß einer günstigen Ausführungsform ist der Hohlleiter an der Stelle, an dem das Koppelelement in den Hohlleiter hineinragt, und an einer dem Koppelelement gegenüberliegenden Stelle unterbrochen.According to a favorable embodiment, the waveguide is interrupted at the point at which the coupling element protrudes into the waveguide and at a point opposite the coupling element.

Gemäß einer günstigen Ausgestaltung ist die mindestens eine Diskontinuität als eine Änderung des Durchmessers des Hohlleiters und/oder des Hornstrahlers ausgestaltet.According to an advantageous embodiment, the at least one discontinuity is designed as a change in the diameter of the waveguide and/or the horn.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die mindestens eine Diskontinuität als ein Material mit einer anderen Dielektrizitätszahl ausgestaltet.According to an advantageous embodiment, the at least one discontinuity is designed as a material with a different dielectric constant.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Hohlleiter mit einem Dielektrikum, insbesondere Kunststoff gefüllt, wobei das Dielektrikum eine Dielektrizitätszahl aufweist, der annähernd eine Dielektrizitätszahl der Leiterkarte entspricht, auf der das Koppelelement angeordnet ist.According to a further embodiment, the waveguide is filled with a dielectric, in particular plastic, the dielectric having a dielectric constant which approximately corresponds to a dielectric constant of the printed circuit board on which the coupling element is arranged.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

  • 1: einen Längsschnitt eines Antennenelements nach dem Stand der Technik,
  • 2: einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Antennenelements,
  • 3: eine Draufsicht auf eine Leiterkarte eines erfindungsgemäßen Antennenelements entsprechend 2, und
  • 4: eine Draufsicht auf eine Leiterkarte entsprechend 3, bei dem die kreisförmige Leiterbahn zwei Unterbrechungen aufweist.
The invention is explained in more detail with reference to the following drawings. It shows:
  • 1 : a longitudinal section of an antenna element according to the prior art,
  • 2 : a longitudinal section of an antenna element according to the invention,
  • 3 : a plan view of a printed circuit board of an antenna element according to the invention 2 , and
  • 4 : a plan view of a printed circuit board accordingly 3 , in which the circular track has two breaks.

1 zeigt einen Längsschnitt eines Antennenelements 1 eines Füllstandsmessgeräts (nicht dargestellt) nach dem Stand der Technik. Das Füllstandmessgerät dient der Ermittlung und Überwachung eines Füllstands eines Mediums (nicht dargestellt) in einem Behälter (nicht dargestellt) mittels Laufzeiten von elektromagnetischen Wellen (EM-Wellen). Das Antennenelement 1 umfasst einen Hohlleiter 2, wobei eine erste Stirnfläche 3 des Hohlleiters 2 geschlossen und eine zweite Stirnfläche 4 des Hohlleiters 2 geöffnet ist. Ein Koppelelement 5 ragt in einen Innenraum 6 des Hohlleiters 2, und dient zum Aus- und Einkoppeln von EM-Wellen. EM-Wellen, die über das Koppelelement 5 auskoppeln werden über die zweite Stirnfläche 4 ausgesendet und EM-Wellen, die über die zweite Stirnfläche 4 des Hohlleiters 2 empfangen werden, koppeln an das Koppelelement 5 ein. 1 shows a longitudinal section of an antenna element 1 of a fill level measuring device (not shown) according to the prior art. The fill level measuring device is used to determine and monitor a fill level of a medium (not shown) in a container (not shown) by means of propagation times of electromagnetic waves (EM waves). The antenna element 1 comprises a waveguide 2, a first end face 3 of the waveguide 2 being closed and a second end face 4 of the waveguide 2 being open. A coupling element 5 protrudes into an interior 6 of the waveguide 2 and is used to couple EM waves out and in. EM waves that are coupled out via the coupling element 5 are emitted via the second end face 4 and EM waves that are received via the second end face 4 of the waveguide 2 couple to the coupling element 5 .

Ferner umfasst das Antennenelement 1 einen Hornstrahler 7 zum Ausstrahlen und Fokussieren von EM-Wellen, wobei eine Eintrittsöffnung 8 des Hornstrahlers 7 in die zweite Stirnfläche 4 des Hohlleiters 2 mündet. Die von dem Hohlleiter 2 übertragenen EM-Wellen werden von dem Hornstrahler 7 ausgestrahlt und die von dem Hornstrahler 7 empfangenen EM-Wellen werden in den Hohlleiter 2 fokussiert.The antenna element 1 also includes a horn emitter 7 for emitting and focusing EM waves, with an entry opening 8 of the horn emitter 7 opening into the second end face 4 of the waveguide 2 . The EM waves transmitted from the waveguide 2 are radiated by the horn 7 and the EM waves received by the horn 7 are focused into the waveguide 2 .

2 zeigt einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Antennenelements 1. Das Koppelelement (nicht dargestellt) ist als eine Leiterbahn auf einer Leiterkarte 12 ausgestaltet. Die Leiterkarte 12 ist dermaßen in dem Hohlleiter 2 angeordnet, dass EM-Wellen des Koppelelements in den Hohlleiter 2 ein und auskoppeln können. 2 shows a longitudinal section of an antenna element 1 according to the invention. The printed circuit board 12 is arranged in the waveguide 2 in such a way that EM waves of the coupling element can couple into and out of the waveguide 2 .

Ferner weist der Hornstrahler 7 drei Diskontinuitäten 14 auf. Eine an dem Koppelement erzeugt EM-Welle breitet sich in Richtung des Hornstrahlers 7 aus. Diese EM-Wellen werden an den drei Diskontinuitäten 14 zurück in Richtung der ersten Stirnfläche 3 reflektiert. Nach einer nochmaligen Reflektion an der ersten Stirnfläche 3 breiten sich die EM-Wellen wieder in Richtung des Hornstrahlers 7 und überlagern sich mit den EM-Wellen, die in dem Augenblick von dem Koppelelement 5 auskoppeln zu einer Gesamtwelle, wobei die Gesamtwelle von dem Hornstrahler 7 ausgestrahlt wird.Furthermore, the horn 7 has three discontinuities 14 . An EM wave generated at the coupling element propagates in the direction of the horn 7 . These EM waves are reflected back towards the first face 3 at the three discontinuities 14 . After another reflection at the first end face 3, the EM waves propagate again in the direction of the horn 7 and are superimposed with the EM waves, which are decoupled from the coupling element 5 at the moment to form a total wave, with the total wave from the horn 7 is broadcast.

Der Abstand zwischen der ersten Stirnfläche 3 und den Diskontinuitäten 14 ist dermaßen gewählt, dass ein Antennendiagramm der Gesamtwelle eine ausgeprägte Hauptkeule und so gut wie gar keine Nebenkeulen aufweist.The distance between the first end face 3 and the discontinuities 14 is selected in such a way that an antenna diagram of the overall wave has a pronounced main lobe and almost no side lobes at all.

Ferner weist der Hornstrahler 7 eine Bündelungseinrichtung 9 zum Bündeln der Gesamtwelle und eine Parallelisierungseinrichtung 10 zu Parallelisieren der Gesamtwelle, und eine dielektrische Linse 11 zum Fokussieren der Gesamtwelle auf. Die Bündelungseinrichtung 9, die Parallelisierungseinrichtung 10, und die dielektrische Linse 11 dienen dazu die Hauptkeule des Antennendiagramms des Antennenelements 1 zu verstärken und die Nebenkeulen des Antennendiagramms zu unterdrücken.Furthermore, the horn radiator 7 has a bundling device 9 for bundling the overall wave and a paralleling device 10 for parallelizing the overall wave, and a dielectric lens 11 to focus the overall wave. The bundling device 9, the paralleling device 10, and the dielectric lens 11 serve to reinforce the main lobe of the antenna pattern of the antenna element 1 and to suppress the side lobes of the antenna pattern.

Die Bündelungseinrichtung 9 sorgt für eine gute Ausformung der Hauptkeule. Die Parallelisierungseinrichtung 10 sorgt für eine weitgehende Unterdrückung von Nebenkeulen. Die dielektrische Linse 11 ist mit einer scharfen „Spitze“ nach unten (nicht dargestellt) ausgestaltet, um Kondensat gut ablaufen zu lassen, da Wassertropfen die Radarwellen streuen und dämpfen.The bundling device 9 ensures good shaping of the main lobe. The paralleling device 10 ensures extensive suppression of side lobes. The dielectric lens 11 is designed with a sharp "point" down (not shown) to allow condensate to drain well as water droplets scatter and attenuate the radar waves.

Der Hohlleiter 2 weist einen konischen Bereich auf, der aufgeweitet ist, wodurch der Leistungsanteil höherer Moden begünstigt wird. Eine besonders effektive Unterdrückung der Nebenkeulen und Begünstigung der Hauptkeule wird durch ein Zusammenspiel aus den Diskontinuitäten 14, Bündelungseinrichtung 9, Parallelisierungseinrichtung 10 und der Linse 11 erreicht. Die Diskontinuitäten 14 sorgen für eine Wandlung der verschiedenen Moden zu einer stark ausgeprägten einzelnen Mode, beispielsweise einer TE11-Mode.The waveguide 2 has a conical area that is widened, whereby the power component of higher modes is favored. A particularly effective suppression of the side lobes and promotion of the main lobe is achieved through an interaction of the discontinuities 14, bundling device 9, parallelization device 10 and the lens 11. The discontinuities 14 convert the different modes into a strong single mode, for example a TE11 mode.

3 zeigt eine Draufsicht auf eine Leiterkarte 12 eines erfindungsgemäßen Antennenelements entsprechend 2. Das Koppelelement 5 ist als eine Leiterbahn 16 auf der Leiterkarte 12 ausgestaltet. Eine kreisförmige Leiterbahn 16 umgibt das Koppelelement 5 ermaßen, dass eine Spitze des Koppelelements 5 in der Mitte der kreisförmigen Leiterbahn 16 angeordnet ist. 3 FIG. 1 shows a plan view of a printed circuit board 12 of an antenna element according to the invention 2 . The coupling element 5 is designed as a conductor track 16 on the printed circuit board 12 . A circular conductor track 16 surrounds the coupling element 5 in such a way that a tip of the coupling element 5 is arranged in the center of the circular conductor track 16 .

Eine Länge L des Koppelelements 5 beträgt ein Viertel der Wellenlänge der aus dem Koppelelement 5 ausgekoppelten EM-Wellen. Ein Durchmesser der kreisförmigen Leiterbahn 16 beträgt einer halben Wellenlänge der aus dem Koppelelement 5 ausgekoppelten Wellen. Ist der Hohlleiter (siehe 2) mit einem dielektrischen Material gefüllt, dann muss der Durchmesser der kreisförmigen Leiterbahn 16 16 λ 2 ∗ 1 / D K

Figure DE102015111595B4_0001
betragen, wobei DK die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials ist.A length L of the coupling element 5 is a quarter of the wavelength of the EM waves coupled out of the coupling element 5 . A diameter of the circular strip conductor 16 is half the wavelength of the waves coupled out of the coupling element 5 . If the waveguide (see 2 ) filled with a dielectric material, then the diameter of the circular conductor track must be 16 16 λ 2 ∗ 1 / D K
Figure DE102015111595B4_0001
 be where DK is the dielectric constant of the dielectric material.

Hierdurch sind größere Bandbreiten bei der vorliegenden Erfindung möglich. Ferner werden einerseits die Erzeugung höherer Moden begünstigt und andererseits die Verluste vermindert. Im Stand der Technik beträgt der Durchmesser der kreisförmigen Leiterbahn höchstens einer Viertelwellenlänge der aus dem Koppelelement 5 ausgekoppelten Wellen. An das Koppelement 5 ist eine Zuleitung angeordnet, über die das Koppelelement 5 mit einer Radar-Sensorelektronik verbunden ist.As a result, larger bandwidths are possible with the present invention. Furthermore, on the one hand the generation of higher modes is favored and on the other hand the losses are reduced. In the prior art, the diameter of the circular conductor track is at most a quarter wavelength of the waves decoupled from the coupling element 5 . A supply line is arranged on the coupling element 5, via which the coupling element 5 is connected to radar sensor electronics.

4 zeigt eine Draufsicht auf eine Leiterkarte 12 eines Antennenelements entsprechend 3, bei dem die kreisförmige Leiterbahn zwei Unterbrechungen aufweist, welche die kreisförmige Leiterbahn in zwei Abschnitte 16a und 16b unterteilt ist. Das Koppelelement 5 ragt von einer ersten Unterbrechung in das Innere der kreisförmigen Leiterbahn. Die zweite Unterbrechung ist an einer dem Koppelelement 5 gegenüberliegende Stelle der kreisförmigen Leiterbahn angeordnet. Hierdurch wird die Grundmode fast vollständig unterdrückt und die Hauptkeule wird überwiegend aus höheren Moden zusammengesetzt. Da die höheren Moden geringere Unterscheide in der Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweisen, lassen sich die Diskontinuitäten derart dimensionieren, dass eine sehr kurze Antenne mit der gleichen Nebenkeulenunterdrückung einer langen Antenne nach dem Stand der Technik erreicht wird. Dies bewirkt, dass für ein Gerät ein kompaktes, handliches und billiges Gehäuse mit weniger Kunststoff und Metall konstruiert werden kann. 4 FIG. 12 shows a plan view of a printed circuit board 12 of an antenna element accordingly 3 , in which the circular track has two breaks, which divides the circular track into two sections 16a and 16b. The coupling element 5 protrudes from a first interruption into the interior of the circular conductor track. The second interruption is arranged at a point of the circular conductor path opposite the coupling element 5 . As a result, the fundamental mode is almost completely suppressed and the main lobe is mainly composed of higher modes. Because the higher modes have smaller differences in propagation velocity, the discontinuities can be dimensioned to achieve a very short antenna with the same sidelobe suppression as a long prior art antenna. This has the effect that a compact, handy and inexpensive housing can be constructed with less plastic and metal for a device.

BezugszeichenlisteReference List

11
Antennenelementantenna element
22
Hohlleiterwaveguide
33
Erste StirnflächeFirst face
44
Zweite StirnflächeSecond Face
55
Koppelelementcoupling element
66
Innenrauminner space
77
Hornstrahlerhorn radiator
88th
Eintrittsöffnungentry opening
99
Bündelungseinrichtungbundling facility
1010
Parallelisierungseinrichtungparallelization facility
1111
Linselens
1212
Leiterkartecircuit board
1313
Durchmesserdiameter
1414
Diskontinuitätdiscontinuity
1515
AbstandDistance
1616
Kreisförmige LeiterbahnCircular trace
16a16a
Erster Abschnittfirst section
16b16b
Zweiter Abschnittsecond part
LL
Längelength

Claims (8)

Füllstandmessgerät zur Ermittlung und Überwachung eines Füllstands eines Mediums in einem Behälter mittels Laufzeiten von elektromagnetischen Wellen (EM-Wellen), mit einem Antennenelement (1), umfassend: - einen Hohlleiter (2), wobei eine erste Stirnfläche (3) des Hohlleiters (2) geschlossen und eine zweite Stirnfläche (4) des Hohlleiters (2) geöffnet ist, - ein Koppelelement (5) zum Aus- und Einkoppeln der EM-Wellen, welches als eine Leiterbahn auf einer Leiterkarte (12) mit einer derartigen Länge L ausgestaltet ist, so dass die Länge L ein Viertel der Wellenlänge der aus dem Koppelelement (5) ausgekoppelten EM-Wellen beträgt, wobei das Koppelelement (5) in einen Innenraum (6) des Hohlleiters (2) hineinragt, so dass diejenigen EM-Wellen, die über das Koppelelement (5) auskoppeln, über die zweite Stirnfläche (4) ausgesendet werden und diejenigen EM-Wellen, die über die zweite Stirnfläche (4) des Hohlleiters (2) empfangen werden, an das Koppelelement (5) einkoppeln, - einen Hornstrahler (7) zum Ausstrahlen und Fokussieren der EM-Wellen, wobei eine Eintrittsöffnung (8) des Hornstrahlers (2) in die zweite Stirnfläche (4) des Hohlleiters (2) mündet, so dass die von dem Hohlleiter (2) übertragenen EM-Wellen von dem Hornstrahler (7) ausgestrahlt und die von dem Hornstrahler (7) empfangenen EM-Wellen in den Hohlleiter (2) fokussiert werden, - eine kreisförmige Leiterbahn (16), welche das Koppelelement (5) auf der Leiterkarte (12) dermaßen umgibt, dass eine Spitze des Koppelelements (5) in der Mitte der kreisförmigen Leiterbahn (16) angeordnet ist, wobei ein Durchmesser der kreisförmigen Leiterbahn (16) eine halbe Wellenlänge der aus dem Koppelelement (5) ausgekoppelten EM-Wellen beträgt, wobei der Hohlleiter (2) und/oder der Hornstrahler (7) mindestens eine Diskontinuität (14) zum Reflektieren der durch den Hohlleiter (2) bzw. den Hornstrahler (7) geführten EM-Wellen aufweisen, so dass die an der mindestens einen Diskontinuität (14) und der ersten Stirnfläche (3) reflektierten EM-Wellen und die von dem Koppelelement (5) ausgesendeten EM-Wellen überlagern und eine Gesamtwelle erzeugen, deren Hauptkeule begünstigt und deren Nebenkeulen unterdrückt sind.Fill level measuring device for determining and monitoring a fill level of a medium in a container using propagation times of electromagnetic waves (EM waves), with an antenna element (1), comprising: - a waveguide (2), a first end face (3) of the waveguide (2) being closed and a second end face (4) of the waveguide (2) being open, - a coupling element (5) for coupling the EM waves out and in , which is designed as a conductor track on a printed circuit board (12) with such a length L that the length L is a quarter of the wavelength of the coupling element (5) decoupled EM waves, the coupling element (5) in an interior space (6) of the waveguide (2) protrudes, so that those EM waves that couple out via the coupling element (5) are emitted via the second end face (4) and those EM waves that come out via the second end face (4) of the waveguide (2) are received, to the coupling element (5), - a horn (7) for emitting and focusing the EM waves, with an entry opening (8) of the horn (2) in the second end face (4) of the waveguide (2) opens, so that the of the waveguide (2) overt projecting EM waves are emitted by the horn radiator (7) and the EM waves received by the horn radiator (7) are focused in the waveguide (2), - a circular conductor track (16) which connects the coupling element (5) on the printed circuit board ( 12) surrounds such that a tip of the coupling element (5) is arranged in the center of the circular conductor track (16), a diameter of the circular conductor track (16) being half a wavelength of the EM waves coupled out of the coupling element (5), wherein the waveguide (2) and/or the horn (7) have at least one discontinuity (14) for reflecting the EM waves guided through the waveguide (2) or the horn (7), so that the at least one discontinuity (14) and the first end face (3) reflected EM waves and from the coupling element (5) superimpose emitted EM waves and generate a total wave whose main lobe is favored and whose side lobes are suppressed. Füllstandmessgerät nach Anspruch 1, wobei der Hornstrahler (7) eine Bündelungseinrichtung (9) zum Begünstigen der Hauptkeule aufweist.level gauge claim 1 , wherein the horn (7) has a bundling device (9) for promoting the main lobe. Füllstandmessgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hornstrahler (7) eine Parallelisierungseinrichtung (10) zum Unterdrücken der Nebenkeulen aufweist.level gauge claim 1 or 2 , wherein the horn radiator (7) has a paralleling device (10) for suppressing the side lobes. Füllstandmessgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hornstrahler (7) eine Linse (11), insbesondere eine dielektrische Linse zum Begünstigen der Hauptkeule und zum Unterdrücken der Nebenkeulen aufweist.Level measuring device according to at least one of the preceding claims, wherein the horn radiator (7) has a lens (11), in particular a dielectric lens, for promoting the main lobe and for suppressing the side lobes. Füllstandmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiter (2) an einer Stelle, an der das Koppelelement (5) in den Hohlleiter (2) hineinragt, und an einer dem Koppelelement (5) gegenüberliegenden Stelle unterbrochen ist.Level measuring device according to one of the preceding claims, wherein the waveguide (2) is interrupted at a point at which the coupling element (5) protrudes into the waveguide (2) and at a point opposite the coupling element (5). Füllstandmessgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Diskontinuität (14) als eine Änderung des Durchmessers des Hohlleiters (2) und/oder des Hornstrahlers (7) ausgestaltet ist.Level measuring device according to at least one of the preceding claims, wherein the at least one discontinuity (14) is designed as a change in the diameter of the waveguide (2) and/or the horn radiator (7). Füllstandmessgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Diskontinuität (14) als ein Material mit einer anderen Dielektrizitätszahl ausgestaltet ist.Level measuring device according to at least one of the preceding claims, wherein the at least one discontinuity (14) is designed as a material with a different dielectric constant. Füllstandmessgerät nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiter (2) mit einem Dielektrikum, insbesondere Kunststoff gefüllt ist, und wobei das Dielektrikum eine Dielektrizitätszahl aufweist, die annähernd einer Dielektrizitätszahl der Leiterkarte (12) entspricht, auf der das Koppelelement (5) angeordnet ist.Level measuring device according to at least one of the preceding claims, wherein the waveguide (2) is filled with a dielectric, in particular plastic, and the dielectric has a dielectric constant which approximately corresponds to a dielectric constant of the printed circuit board (12) on which the coupling element (5) is arranged is.
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