EP2926411B1

EP2926411B1 - Antennenvorrichtung zur übertragung von daten eines füllstandsmessgeräts

Info

Publication number: EP2926411B1
Application number: EP13798306.0A
Authority: EP
Inventors: Thomas Blödt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2033-11-26
Also published as: US20150325916A1; WO2014086616A1; CN104956544A; DE102012111732A1; US9812781B2; CN104956544B; EP2926411A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung zur Übertragung von Daten eines Füllstandsmessgeräts sowie ein Verfahren zum Betrieb der Antennenvorrichtung.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Bestimmung, Optimierung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung von Prozessvariablen dienen Sensoren, wie beispielsweise Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, Leitfähigkeitsmessgeräte, usw., welche die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur bzw. Leitfähigkeit erfassen. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter Feldgeräten also auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein Geräte verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte werden von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Entscheidend für eine Antennenvorrichtung sind seine Abmessungen im Verhältnis zur Wellenlänge. Weitere Eigenschaften der Antennenvorrichtungen sind der Grad der Bündelung, sowie die Reichweite, die ein Nahfeld von einem Fernfeld trennt. Ein höherer Grad der Bündelung ist gleichbedeutend mit einem kleineren "Öffnungswinkel" der gesendeten elektromagnetischen Strahlen. Der Grad der Bündelung bestimmt, wie stark eine Antenne fokussieren kann. Wenn die Antennenvorrichtung beispielsweise eine größere TV-Antenne darstellt, hat die Antennenvorrichtung einen kleineren Empfamgswinkelbereich und kann genauer auf den Sender ausgerichtet werden. Je höher der Grad der Bündelung, desto paralleler treten abgestrahlte Wellenfronten aus einer Antenne aus. Darüber hinaus gibt es weitere Eigenschaften, wie beispielsweise Breitbandigkeit, Anpassung (Reflexionsarmut), Apertur, Druckbeständigkeit und (Energie-)Wirkungsgrad, die gleichzeitig gegeneinander optimiert werden müssen.
Das Nahfeld ist bezüglich der Wellenlänge der unmittelbar einer Antennenvorrichtung anliegende Bereich und das Fernfeld befindet sich im Verhältnis der Wellenlänge in näherungsweise ausreichender Distanz zu der Antennenvorrichtung. Fernfeld bedeutet, quasi keinen Phasenunterschied zwischen elektrischem und magnetischem Feld und ihre Auslenkungsrichtungen stehen senkrecht aufeinander. Dies ist insbesondere vorteilhaft für Datenverbindungen über weite Distanzen gemessen an der Wellenlänge, bei hohen Datenraten, wie beispielsweise mobile Telefonie, WLAN, Richtfunkstrecken, Bluetooth, UMTS und LTE, da die abgestrahlte Energie gleichmäßig in die jeweils gewünschte(n) Richtung(en) abgestrahlt wird. Ein Wellenwiderstand ergibt sich aus den Eigenschaften der umgebenden Atmosphäre bzw. des umgebenden Materials. Der Wellenwiderstand ergibt sich für elektrisch nichtleitende Materialien aus der Quadratwurzel des Verhältnisses von komplexer Permeabilität zu komplexer Permittivität.
Im Nahfeld ergibt sich aus einer Auswertung eines Poynting-Vektors in einem Sendefall ein Energieübertrag zurück in die Antennenvorrichtung, um anschließend wieder abgestrahlt zu werden. Es entsteht ein komplexer Wellenwiderstand. Der Anteil der direkt zurück in die Antennenvorrichtung gelangten Energie kann durch geeignete Dimensionierung gewählt werden. Hierdurch lassen sich Transformatoren sowie NFC-/RFID-Systeme innerhalb des Nahfeldbereichs realisieren. Bei RFID-Systemen ist die übertragene Energie ausreichend, um eine kleine Elektronikeinheit, welche beispielsweise einen Transmitter sowie weitere Elemente enthält, vollständig zu versorgen.
Eine Richtantenne mit drei Spulenelementen ist aus der Anmeldung US2009/0251376 A1 bekannt.
Eine Aufgabe der Erfindung lautet, eine Antennenvorrichtung zu schaffen, die Signale mit einer höheren Trennschärfe erzeugt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Gegenstand des Anspruchs 1 ist, eine Antennenvorrichtung zur Übertragung von Daten eines Füllstandsmessgeräts, mit mindestens zwei, bevorzugt drei Spulenanordnungen i = 1,2,..n, bei dem die Spulenanordnungen i = 1,2,..n eine Spulenlänge l_i und einen Spulendurchmesser d_i aufweisen, wobei der Spulendurchmesser d_i kleiner als die dazugehörige Spulenlänge l_i ist und die Spulenanordnungen i = 1,2,..n jeweils eine Gerade dermaßen schneiden, dass die Gerade und die Längsachse der Spulenanordnungen i = 1,2,..n am Schnittpunkt einen kleineren Schnittwinkel g von mindestens 60°, bevorzugt mindestens 75°, und besonders bevorzugt mindestens 85 ° bilden, und wobei der Schnittpunkt jeder Spulenanordnung i = 1,2,..n an einer Stelle zwischen $\frac{1}{3} l_{i}$
und $\frac{2}{3} l_{i}$
bevorzugt zwischen $\frac{2}{5} l_{i}$
und $\frac{3}{5} l_{i}$
besonders bevorzugt zwischen $\frac{3}{7} l_{i}$
und $\frac{4}{7} l_{i}$
angeordnet ist, und wobei die mindestens zwei, bevorzugt die drei Spulenanordnungen i = 1,2,..n entlang dieser Geraden in einer Reihenfolge angeordnet sind, bei welcher die Spulenlängen l_i der Spulenanordnungen i = 1,2,..n monoton abnimmt l ₁ > l ₂ > ... l_n , und wobei die mindestens zwei, bevorzugt die drei Spulenanordnungen i = 1, 2,..n, jeweils einen Abstand s_i entlang der Geraden zwischen der Spulenanordnung i und i + 1 aufweisen, der höchstens genauso groß, bevorzugt höchstens ein halb so groß und besonders bevorzugt höchstens ein viertel so groß ist wie die Spulenlänge l_i .
Erfindungsgemäß weisen die Spulenanordnungen i = 1,2,..n ein oder mehrere Spulenkerne auf. Durch einen Spulenkern wird das Magnetfeld im Inneren der Spule erhöht. Dabei sind die Spulenkerne der Spulenanordnungen i = 1,2,..n als Permanentmagnete ausgebildet. Wird an einer Spulenanordnung lediglich eine konstante Spannung angelegt, ist es ökonomisch und wirtschaftlich vorteilhaft, diese Spulenanordnung durch einen Permanentmagneten zu ersetzen.
Sind die Spulenanordnungen i = 1,2,..n in einer Reihenfolge angeordnet, in welcher die Spulenlängen monoton l ₁ > l ₂ > ... l_n abnehmen, dann wird die Überlagerung der elektromagnetischen Wellen jeder Spulenanordnung i = 1,2,..n von der Spulenanordnung i = 1 mit der größten Spulenlänge l ₁ in Richtung der Spulenanordnung i = n mit der kleinsten Spulenlänge l_n begünstigt. Die elektromagnetischen Wellen, die aus den einzelnen Endbereichen der Spulenanordnungen i = 1,2,..n aus- bzw. eintreten, überlagern sich in dieser Richtung zu einer Gesamtwellenfront.
Eine erfindungsgemäße Antennenvorrichtung zeichnet sich durch ein räumlich sehr begrenztes Nahfeld und eine im Vergleich zur Wellenlänge sehr kleine Abmessung aus, wodurch diese insbesondere im Bereich digital communications gut geeignet ist, beispielsweise für WirelessHART, Bluetooth, WLAN, DMR446 oder SRD (historisch LPD), jedoch aufgrund des kleinen Nahfeldbereichs eher ungeeignet ist für NFC und RFID. Durch eine geeignete und ebenfalls beschriebene Beschaltung lässt sich die Trennschärfe der Antennenvorrichtung in Bezug auf die Frequenz beispielsweise mit einem Quarz extrem genau einstellen, dies ist insbesondere von Vorteil bei sehr schmalbandiger Kommunikation mit wenig Leistung, daher stromsparend fürs Feld über weite Strecken. Ebenso möglich sind Kurzstreckenverbindungen.
Gemäß einer Weiterbildung weist die Spulenanordnungen i = 1,2,..n eine Krümmung in Richtung eines Punktes auf der Geraden auf, der von der Spulenanordnung n mit der kleinsten Spulenlänge l_n aus betrachtet auf einer gegenüberliegenden Seite, der übrigen Spulenanordnungen i = 1,2,..n - 1 liegt. Werden die Spulenanordnungen i = 1,2,..n in Richtung eines Punktes auf der Geraden gekrümmt, dann wird die Überlagerung der elektromagnetischen Wellen, die aus den Endbereichen der jeweiligen Spulenanordnungen i = 1,2,..n austreten, noch weiter begünstigt. Diese elektromagnetischen Wellen überlagern sich dann noch effektiver zu einer Gesamtwellenfront, die sich bevorzugt in Richtung der Krümmung ausbreitet.
In einer weiteren Ausgestaltung wird an den Spulenanordnungen i = 1,2,.. n eine periodische Spannung U_i angelegt und die Spannung U_i jeder Spulenanordnung weist einen Phasenunterschied ϕ_i zu den beiden benachbarten Spulenanordnungen i = 1,2,..n auf ϕ _i-1 ≠ ϕ_i ≠ ϕ _i+1. Weisen die Spulenanordnungen i = 1,2,.. n einen Phasenunterscheid ϕ_i auf, dann treten die Magnetfeldlinien, die aus einem der Spulenanordnungen i = 1,2,..n austreten in sämtliche andere Spulenanordnungen i = 1,2,.. n ein. Dies ergibt eine konstruktive Überlagerung der Magnetfeldlinien aller Spulenanordnungen i = 1, 2,..n.
Gemäß einer Weiterbildung können die Phasenunterschiede ϕ_i zeitlich variiert werden. Insbesondere können die Phasenunterschiede ϕ_i eine halbe Periode betragen. Beträgt der Phasenunterschied ϕ_i eine halbe Periode, dann können die Magnetfeldlinien, die beispielsweise aus einem magnetischen Nordpol der Spulenanordnung i + 1 austreten, teilweise in einem magnetischen Südpol der benachbarten Spulenanordnung i und/oder i + 2 eintreten, usw. So überlagern sich die Magnetfeldlinien, die aus den Spulenanordnungen i = 1,2,..n austreten, untereinander und erzeugen so mehrere kleine und/oder große magnetische Wirbelfelder, die sich mit Hilfe der dazugehörigen elektrischen Felder ausbreiten können. In diesem Fall bewirken mehrere kleine und/oder große magnetische Wirbelfelder eine größere Trennschärfe, die vom Empfänger dementsprechend wahrgenommen wird.
In einer weiteren Ausgestaltungsform sind die Spannungen U_i der ungradzahligen und/oder gradzahligen Spulenanordnungen i = 1,2,..n gleichphasig ϕ ₁ = ϕ ₃ = ϕ ₅ = ··· und/oder ϕ ₂ = ϕ ₄ = ϕ ₆ = ···. Sind die Phasen jeder zweiten Spulenanordnung gleich, dann gibt es lediglich eine konstruktive Überlagerung der Feldlinien von benachbarten magnetischen Polen der Spulenanordnungen i = 1,2,.. n. Das überlagerte Magnetfeld lässt sich dadurch besser steuern.
Gemäß einer Weiterbildung umfassen die Spannungen U_i ein Digitalsignal. Dadurch herrscht innerhalb der Zeitspanne, in welcher das Digitalsignal, an einer der Spulenanordnungen i = 1,2,..n angelegt wird, eine konstante Phasenbeziehung zu den anderen Spulenanordnungen.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Spannungen U_i sinusförmig ausgebildet. Eine sinusförmige Spannung an den Spulenanordnungen bewirkt zirkulare magnetische Wirbelfelder, die sich auch in dieser Form ausbreiten und beim Empfänger ankommen.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Spannungen U_i sinusförmig ausgebildet und werden mit einem Digitalsignal getriggert. Dadurch wird der Phasenunterschied innerhalb einer bestimmten Zeit, nämlich wenn die Spannung konstant ist, als ein fester Phasenunterschied zu den anderen Spannungen eingestellt.
Gemäß einer Weiterbildung sind die Spulenlängen l_i von i zu i + 1 um eine Länge Δl_i zwischen $\frac{1}{10} l_{i}$
und $\frac{5}{10} l_{i},$
bevorzugt zwischen $\frac{2}{10} l_{i}$
und $\frac{4}{10} l_{i}$
und besonders bevorzugt zwischen $\frac{3}{10} l_{i}$
und $\frac{4}{10} l_{i}$
verkleinert, l _i+1 = l_i - Δl_i .
Eine ideale (passive) Antenne weist ein Tor mit einem geführten Wellenleiter/Signalleitung und ein zweites Tor als Öffnung auf. Wird an einem dieser Tore ein Signal angelegt bzw. empfangen, wird dieses zum jeweils anderen Tor transmittiert. Bei technischen Antennen treten zusätzliche Verluste in dieser Transmission auf (Dielektrizitätsverluste, ohmsche Verluste an Metallelementen, Umwandlung in Wärme). Also reflektiert jede technisch realisierbare Antennenvorrichtung einen geringen Leistungsanteil (Fachausdruck "endliche Antennenanpassung"). Halbieren sich die Spulenlängen der Spulenanordnungen entlang Ihrer Reihenfolge, dann sind die Endbereiche der Spulenanordnungen äquidistant zueinander. Dies ist besonders vorteilhaft für einen Feldablöseprozess. Dadurch wird ein gleichmäßiges Abstrahlen und ein sehr kleines Leistungsanteil bei dieser Ablösung zurückreflektiert.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren erläutert. Es zeigt:

Fig. 1: eine Antennenvorrichtung aus zwei Spulenanordnungen mit jeweils einer Spule und einem Spulenkern
Fig. 2a: eine Antennenvorrichtung aus zwei Spulenanordnungen mit jeweils einer Spule und einem Spulenkern und dazugehörigen gleichsinnigen Magnetfeldlinien
Fig. 3: eine Antennenvorrichtung aus zwei Spulenanordnungen mit jeweils einer Spule und einem Spulenkern und dazugehörigen gegensinnigen Magnetfeldlinien
Fig. 4: eine Änderung der Magnetfeldlinien einer Antennenvorrichtung mit zwei Spulenanordnungen während einer Umpolung einer Spulenanordnung
Fig. 5a: eine Änderung der Magnetfeldlinien einer Antennenvorrichtung mit zwei Spulenanordnungen während einer Umpolung einer Spulenanordnung
Fig. 5b: eine Änderung der Magnetfeldlinien einer Antennenvorrichtung mit zwei Spulenanordnungen während einer Umpolung einer Spulenanordnung und zwischenliegenden Zeitabschnitten ohne Magnetfelderzeugung
Fig. 5c: eine Änderung der magnetischen Feldlinien einer Antennenvorrichtung mit zwei Spulenanordnungen während einer Umpolung einer Spulenanordnung
Fig. 6: Magnetfeldlinien, die sich mit Hilfe der entsprechenden elektrischen Feldlinien ausbreiten
Fig. 7a: Magnetfeldlinien zweier Spulenanordnungen, die nicht gleichzeitig betrieben werden
Fig. 7b: Magnetfeldlinien zweier Spulenanordnungen, die gleichzeitig betrieben werden
Fig. 8a: Magnetfeldlinien zweier Spulenanordnungen, die sich gegenseitig überlagern
Fig. 8b: überlagerte Magnetfeldlinien zweier Spulenanordnungen, die neue magnetische Wirbelfelder erzeugen
Fig. 9a: neu erzeugte magnetische Wirbelfelder und die nächste Periode an noch nicht überlagerten Magnetfeldlinien zweier Spulenanordnungen
Fig. 9b: neu erzeugte magnetische Wirbelfelder und die nächste Periode an noch nicht überlagerte Magnetfeldlinien zweier Spulenanordnungen
Fig. 10: überlagerte Magnetfeldlinien dreier Spulenanordnungen

In Fig. 1 ist eine Antennenvorrichtung k mit einer ersten Spulenanordnung a, einer ersten Spule C und einem ersten U-förmigen Spulenkern B dargestellt, wobei der erste Spulenkern B als ein Ferritstab ausgebildet ist. Eine zweite Spulenanordnung b mit einem zweiten U-förmigen Spulenkern D und einer zweiten Spule E befindet sich in einem Abstand s ₁ von der ersten Spulenanordnung a. Die erste und die zweite Spulenanordnungen a, b sind in der Zeichenebene angeordnet und weisen beide eine gemeinsame Gerade e auf, wobei die Gerade e mit der Querachse beider Spulenanordnungen a, b identisch ist. Ferner weisen die Spulenanordnungen a, b Endbereiche A auf, die äquidistant zueinander in einer zweiten Ebene, die senkrecht zur Zeichenebene steht, angeordnet sind. Die Spulenanordnungen a, b können jedoch auch mit der Geraden e als Drehachse gegeneinander verdreht oder über Kreuz angeordnet sein. Auf der Geraden e ist ein Punkt j angeordnet, in dessen Richtungen die erste und die zweite Spulenanordnungen a, b gekrümmt sind. Die erste Spulenanordnung a weist eine erste Spulenlänge l ₁ und die zweite Spulenanordnung b eine Spulenlänge l ₂ auf, wobei die Spulenlängen l ₁, l ₂ jeweils zwischen den Endbereichen A der jeweiligen Spulenanordnung a, b gemessen sind. Der Abstand s ₁ der ersten Spulenanordnung a zur zweiten Spulenanordnung b beträgt in dieser Ausführung ein Viertel l ₁. Ferner schließen die Spulenanordnungen a, b jeweils einen Schnittwinkel g mit der Geraden e ein, der in dieser Ausführung 90° beträgt. Des Weiteren weisen die Spulenanordnungen a, b jeweils einen ersten und einen zweiten Spulendurchmesser d ₁ bzw. d ₂ auf.
Wird eine erste Spannung U ₁ an dem ersten Spulenkern C angelegt, dann wird ein erstes Magnetfeld H mit einer ersten Außenrichtung l und einer ersten Innenrichtung J erzeugt, wobei das Magnetfeld H durch die Endbereiche A des ersten Spulenkerns B ein- bzw. austritt (siehe Fig. 2a). Wird eine zweite Spannung U ₂ an dem zweiten Spulenkern E angelegt, dann wird ein zweites Magnetfeld G mit einer zweiten Außenrichtung K und einer zweiten Innenrichtung L erzeugt.
Sind die erste Spannung U ₁ und die zweite Spannung U ₂ gleich gepolt, dann sind die Außenrichtungen K, I und die Innenrichtungen L, J gleichsinnig. Die Magnetfelder G, H wechselwirken im Wesentlichen nur außerhalb der Spulenkerne B, D oberhalb einer Ebene F.
Sind die an die Spulenkerne B, D angelegten Spannungen U ₁ , U ₂ entgegengesetzter Polung, erzeugen die Spulenkerne B, D Magnetfelder G, H mit gegensinnigen Richtungen I, J bzw. K, L.
Ein ständiger Wechsel zwischen gleichsinnigen und gegensinnigen Magnetfelder G, H, wird beispielsweise durch Umpolen einer der Spulen C, E und Beschaltung der jeweils anderen Spule C, E mit Gleichspannung erreicht, falls die Antennenvorrichtung k elektromagnetische Wellen empfangen soll. Soll die Antennenvorrichtung k elektromagnetische Wellen empfangen wird die erste Spule C direkt mit dem Empfänger verbunden und die zweite Spule E mit einer halben Periode der zu empfangenden Frequenz kontinuierlich umgepolt. Technisch geeignet sind hierzu beispielsweise sog. PIN-Dioden, sowie SMD-HF-Transistoren welche sich bei einer Frequenz bis zu 26.5 GHz einsetzbar sind und wenige andere HF-Transistoren jenseits der Frequenz von 100 GHz.
Wird die Umschaltung der Spulen C, E beispielsweise durch einen Quarz, eine geregelte Schaltung oder eine andere Referenz gesteuert, ist eine sehr gute Trennschärfe bezüglich Frequenz oder Synchronisation zwischen Empfänger und Sender möglich. Eine Variante hiervon wäre eine sog. Phasenregelschleife, auch als PLL-Beschaltung bezeichnet, aus Ausgestaltungsvariante mit Rekonstruktion der Senderphasenlage.
Die Spulenanordnungen a, b müssen unterschiedlich dimensioniert werden, damit ein möglichst kurzer Nahfeldbereich, sowie eine möglichst breite Antennenkeule im Antennendiagramm erreicht wird, um ein möglichst gutes und sauberes Ablösen des Magnetfeldes von der Antennenvorrichtung k zu erreichen.
In Fig. 4 sind eine erste Feldkonfiguration M und eine zweite Feldkonfiguration N von Magnetfeldern dargestellt. Die erste Feldkonfiguration M zeigt das erste Magnetfeld Q einer ersten Spulenanordnung a und das zweite Magnetfeld R einer zweiten Spulenanordnung b. Die Spulen C, E der Spulenanordnungen a, b sind dermaßen mit der ersten und der zweiten Spannung U ₂ beaufschlagt, dass der erste Magnetfeld Q und der zweite Magnetfeld R gegensinnig sind. Innerhalb einer bestimmten Zeit kann ein Feldwechsel P zwischen der Feldkonfiguration M und der Feldkonfiguration N statt. Die Spulen C, E der Spulenanordnungen a, b sind jetzt dermaßen mit der ersten und der zweiten Spannung U ₂ beaufschlagt, dass der erste Magnetfeld Q und der zweite Magnetfeld R gleichsinnig sind. Unwesentlich ist, welches dieser beiden Magnetfelder Q, R verändert wurde, ebenso können eines oder beide Spulenanordnungen a, b gegeneinander verdreht werden, wobei eine Drehung zeitlich variiert werden kann. Wesentlich ist, dass die Magnetfelder Q, R relativ zueinander eine Richtungsänderung vollführen.
Um den Feldwechsel P auszuführen, sind drei Methoden vorgesehen (siehe Fig. 5a). Eine Beschaltung erfolgt digital oder quasi-digital, d.h. ohne zwischenliegende Pausen. Dabei wird die Stromrichtung der ersten Spulenanordnung a konstant gehalten, und die Stromrichtung der zweiten Spulenanordnung b wird abrupt umgepolt. Schaltungstechnisch ist dies relativ einfach zu realisieren und durch kostengünstige Digitaltechnik möglich, beispielsweise an zwei CMOS-kompatiblen Ausgangs-Kanälen eines vorhandenen Mikroprozessors. Hierdurch kann die HF-Elektronik im Wesentlichen in einen Mikroprozessor verlagert werden, dessen Frequenztreue beispielsweise durch einen Quarzbeschaltung sichergesteilt ist.
In Fig. 5b werden zusätzlich zu der Vorgehensweise in Fig. 5a ein Strom, der durch den ersten Spulenkern B der ersten Spulenanordnung a fließt nach einer Umpolung des zweiten Spulenkerns D der zweiten Spulenanordnung b ausgeschaltet. Zu diesem Zweck wird ein sinusförmiger oder sinusähnlicher (beispielsweise nach raised-cosine oder zwei quasi-sinus-Digitalausgängen einer Digitalschaltung, PWM, Analogfilter, Glättungskondensator etc.) Strom angewendet. Hierdurch lässt sich ein besseres Verhalten der Antennenvorrichtung k realisieren als gemäß Fig. 5a.
Eine weitere Variante ist in Fig. 5c, unter Verwendung von Gleichspannung bei einer der Spulenanordnungen a, b oder der Verwendung eines Permanentmagneten, dargestellt. Hier wird der Strom durch den ersten Spulenkern B konstant gehalten und der Strom durch den zweiten Spulenkern D abwechselnd umgepolt und/oder ausgeschaltet.
Ebenso sind Mischformen möglich, beispielsweise eine sinusförmige (Fig. 5b) oder digitale (Fig. 5a) Ansteuerung einer Spulenanordnung a, b zusammen mit einer Gleichspannung (Fig. 5c) oder die digitale Ansteuerung (Fig. 5a) einer der Spulenanordnungen a, b und eine sinusförmige Ansteuerung (Fig. 5b) einer der anderen Spulenanordnungen a, b.
Eine Verteilung der Magnetfelder und ihre Ablösung von der Antennenvorrichtung k sind in Fig. 6 dargestellt und werden im Folgenden unter Zuhilfenahme weiterer Abbildungen detailliert beschrieben.
Zuerst wird die Verteilung der Magnetfelder zweier Spulenanordnungen a, b entsprechend Fig. 3 betrachtet. In Fig. 7a sind analog zu Fig. 3 ein drittes Magnetfeld S der ersten Spulenanordnung a und ein viertes Magnetfeld T einer zweiten Spulenanordnung b dargestellt. Die Magnetfelder S, T weisen jeweils eine erste Außenrichtung I bzw. eine zweite Außenrichtung L auf. Jedes der Magnetfelder S, T wird durch mehrere Magnetfeldlinien dargestellt. Die Anzahl der Magnetfeldlinien ist proportional zu der jeweiligen Felddichte des jeweiligen Magnetfelds S, T. Folglich weist das erste Magnetfeld S eine kleinere Felddichte auf als das zweite Magnetfeld T. Des Weiteren sind die Außenrichtungen I, L gegensinnig.
In Fig. 7a wurden die Magnetfelder S, T unter der Prämisse dargestellt, dass die Spulenkerne C, E der Spulenanordnungen a, b nacheinander mit Strom beaufschlagt werden. Um eine Wechselwirkung der Magnetfelder S, T zu erreichen müssen die Spulenkerne C, E gleichzeitig mit Strom beaufschlagt werden. Wechselwirken diese Felder miteinander, ergibt sich eine Verteilung der Magnetfelder gemäß Fig. 7b mit einem ersten Bereich V und einem zweiten Bereich W in denen sich die Magnetfelder S, T anziehen. Durch diese Anziehung wird ein dritter Bereich U erzeugt, in welchem sich das (zweidimensional betrachtet eingeschlossene) Magnetfeld T mit geringerer Ausdehnung in einer der Antennenvorrichtung k entgegengesetzter Richtung ausweitet.
In einem weiteren Ablöseprozess der Magnetfeldlinien der Magnetfelder S, T von der Antennenvorrichtung k schließen sich die Magnetfeldlinien der Magnetfelder S, T außerhalb der Spulenanordnungen a, b (siehe Fig. 8a). Diese außerhalb der Spulenanordnungen a, b geschlossenen Magnetfeldlinien werden als Majoritäten X bezeichnet und von den vierten Bereichen Y getrennt. Ferner entstehen weitere Magnetfeldlinien Z, welche durch die Spulenanordnungen a, b gehen und von den Hauptaustrittsbereichen A der ersten Spulenanordnung a austreten und in die Endbereiche A der zweiten Spulenanordnung b eintreten und umgekehrt; genau genommen durchlaufen diese Magnetfeldlinien Z beide Spulenanordnungen a, b. Da die vierten Bereiche Y relativ klein sind, sind die Majoritäten X relativ nahe an der Antennenvorrichtung k. Im weiteren zeitlichen Verlauf (Fig. 8b) entfernen sich die Majoritäten X weiter und es entstehen weitere geschlossene Magnetfeldlinien außerhalb der Spulenanordnungen a, b mit kleineren Durchmessern als die Majoritäten X, die als Minroitäten O bezeichnet werden.
Im weiterfolgenden zeitlichen Verlauf (Fig. 9a) werden nun die Magnetfelder G, H wie beschrieben gleichsinnig in Richtung I, K analog zu Fig. 2a erzeugt. Hiermit ergibt sich eine weitere Ablösung mehrerer Minoritäten O, aus denen die Nebenkeulen in einem Antennendiagramm resultieren, sowie die weitere Ablösung der Majoritäten X aus denen die Hauptkeule des Antennendiagramms resultiert, die einen sehr breiten Winkel aufweist. Durch den weiteren zeitlichen Verlauf werden die Nebenkeulen verursachenden Minoritäten O (Fig. 9b) weiter zur Seite gedrängt. Dies führt zu einer Verbreiterung der Minoritäten O. Eine breite Hauptkeule bedeutet eine sehr gleichförmige Abstrahlung der elektromagnetischen Welle, die dann annähernd Halbkugelförmig wird.
In Fig. 10 sind im Gegensatz zu den bisherigen Figuren eine Antennenvorrichtung k mit drei Spulenanordnungen a, b, c dargestellt. Diese können gegeneinander verdreht werden, wobei die Gerade e als Drehachse dient.
Durch den exakten Zeitpunkt des Wechsels lässt sich eine dreidimensionale Ausbreitung begünstigen; ebenso durch mehrere in einem festen Winkel zueinander - beispielsweise 90°, 60° oder 45° - angeordnete Spulenanordnungen a, b, c, welche jeweils parallel oder leicht zeitversetzt angesteuert werden. Durch eine geeignete Wahl von Parametern lässt sich beispielsweise eine zirkulare Polarisation oder eine elliptische Hauptkeule erreichen.

Bezugszeichenliste

A.: Endbereiche der Spulenanordnungen
B.: Erster Spulenkern
C.: Erste Spule
D.: Zweiter Spulenkern
E.: Zweite Spule
F.: Ebene
G.: Zweites Magnetfeld
H.: Erstes Magnetfeld
I.: Erste Außenrichtung
J.: Erste Innenrichtung
K.: Zweite Außenrichtung
L.: Zweite Innenrichtung
M.: Erste Feldkonfiguration
N.: Zweite Feldkonfiguration
O.: Minoritäten
P.: Wechsel zwischen Feldkonfigurationen M und N
Q.: Erstes Magnetfeld mit zwei Feldlinien
R.: Zweites Magnetfeld mit drei Feldlinien
S.: Drittes Magnetfeld mit zwei Feldlinien
T.: Viertes Magnetfeld mit drei Feldlinien
U.: Dritter Bereich
V.: Erster Bereich
W.: Zweiter Bereich
X.: Majoritäten
Y.: Vierter Bereich
Z.: Weitere Magnetfeldlinien
a.: Erste Spulenanordnung i = 1
b.: Zweite Spulenanordnung i = 2
c.: Spulenanordnung i = 3
d.: Spulendurchmesser
e.: Gerade
f.: Faktor
g.: Schnittwinkel
h.: Winkel
j.: Punkt auf der Geraden e
k.: Antennenvorrichtung
l.: Spulenlänge (mit Index i für die jeweiligen Spulenanordnungen)

Claims

Antennenvorrichtung zur Übertragung von Daten eines Füllstandsmessgeräts, umfassend mindestens zwei, bevorzugt drei Spulenanordnungen (i = 1,2,..n), wobei die Spulenanordnungen i = 1, 2,..n eine Spulenlänge (l_i ) und einen Spulendurchmesser (d_i ) aufweisen, wobei der Spulendurchmesser (d_i ) kleiner ist als die dazugehörige Spulenlänge (l_i ),
wobei die Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n) jeweils eine Gerade (e) dermaßen schneiden, dass die Gerade (e) und die Längsachse der Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n) am Schnittpunkt einen kleineren Schnittwinkel (g) von mindestens 60°, bevorzugt mindestens 75°, und besonders bevorzugt mindestens 85 ° bilden,
wobei der Schnittpunkt jeder Spulenanordnung (i = 1,2,.. n) an einer Stelle zwischen $\frac{1}{3} l_{i}$
und $\frac{2}{3} l_{i}$
bevorzugt zwischen $\frac{2}{5} l_{i}$
und $\frac{3}{5} l_{i}$
besonders bevorzugt zwischen $\frac{3}{7} l_{i}$
und $\frac{4}{7} l_{i}$
angeordnet ist,
wobei die mindestens zwei, bevorzugt die drei Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n) entlang dieser Geraden (e) in einer Reihenfolge angeordnet sind, bei welcher die Spulenlängen l_i der Spulenanordnungen (i = 1,2,..n) monoton abnimmt l ₁ > l ₂ > l_n , wobei die mindestens zwei, bevorzugt die drei Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n), jeweils einen Abstand (s_i ) entlang der Geraden (e) zwischen der Spulenanordnung (i) und (i + 1) aufweisen, der höchstens genauso groß, bevorzugt höchstens ein halb so groß und besonders bevorzugt höchstens ein viertel so groß ist wie die Spulenlänge (l_i ),
wobei die Spulenanordnungen (i = 1,2,..n) ein oder mehrere Spulenkerne (B, D) aufweisen, und
wobei die Spulenkerne (B, D) der Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n) als Permanentmagnete ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n) eine Krümmung in Richtung eines Punktes (j) auf der Geraden (e) aufweisen, der von der Spulenanordnung (n) mit der kleinsten Spulenlänge (l_n ) aus betrachtet auf einer gegenüberliegenden Seite, der übrigen Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n - 1) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spulenlängen (l_i ) von (i) zu (i + 1) um eine Länge (Δl_i ) zwischen $\frac{1}{10} l_{i}$
und $\frac{5}{10} l_{i},$
bevorzugt zwischen $\frac{2}{10} l_{i}$
und $\frac{4}{10} l_{i}$
und besonders bevorzugt zwischen $\frac{3}{10} l_{i}$
und $\frac{4}{10} l_{i}$
verkleinert sind, l _i+1 = l_i - Δl_i .
Verfahren zum Betrieb der Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei an den Spulenanordnungen (i = 1, 2,..n) eine periodische Spannung (U_i ) angelegt wird und die Spannung (U_i ) jeder Spulenanordnung einen Phasenunterschied (ϕ_i ) zu den beiden benachbarten Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n) aufweist ϕ_i-1 ≠ ϕ_i ≠ ϕ _i+1.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Phasenunterschiede (ϕ_i ) zeitlich variiert werden können, insbesondere eine halbe Periode betragen können.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Spannungen (U_i ) der ungradzahligen und/oder gradzahligen Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n) gleichphasig sind ϕ ₁ = ϕ ₃ =
ϕ ₅ = ··· und/oder ϕ ₂ = ϕ ₄ = ϕ ₆ = ···.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Spannungen (U_i ) ein Digitalsignal umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Spannungen (U_i ) Sinusförmig und/oder Cosinus-förmig ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Spannungen (U_i ) Sinusförmig und/oder Cosinus-förmig ausgebildet sind und mit einem Digitalsignal getriggert werden.