EP2926411B1 - Antennenvorrichtung zur übertragung von daten eines füllstandsmessgeräts - Google Patents
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- EP2926411B1 EP2926411B1 EP13798306.0A EP13798306A EP2926411B1 EP 2926411 B1 EP2926411 B1 EP 2926411B1 EP 13798306 A EP13798306 A EP 13798306A EP 2926411 B1 EP2926411 B1 EP 2926411B1
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- H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
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- H01Q7/08—Ferrite rod or like elongated core
Definitions
- the invention relates to an antenna device for transmitting data of a level gauge and a method for operating the antenna device.
- field devices are often used which serve for the determination, optimization and / or influencing of process variables.
- Sensors such as level gauges, flowmeters, pressure and temperature gauges, conductivity meters, etc.
- process variables which record the corresponding process variables level, flow, pressure, temperature and conductivity.
- actuators such as valves or pumps, via which the flow of a liquid in a pipe section or the level in a container can be changed.
- field devices are all devices that are used close to the process and that provide or process process-relevant information. In the context of the invention, field devices are thus also understood as remote I / Os, radio adapters or general devices which are arranged on the field level. A large number of such field devices are produced and sold by Endress + Hauser.
- Decisive for an antenna device are its dimensions in relation to the wavelength. Other properties of the antenna devices are the degree of clustering, as well as the range that separates a near field from a far field. A higher degree of bundling is equivalent to a smaller "opening angle" of the transmitted electromagnetic radiation. The degree of bundling determines how much an antenna can focus. For example, if the antenna device is a larger TV antenna, the antenna device has a smaller receive angle range and can be more accurately aligned with the transmitter. The higher the degree of bundling, the more parallel emitted wavefronts emanate from an antenna. In addition, there are other properties, such as broadband, adaptation (low reflection), aperture, pressure resistance and (energy) efficiency, which must be optimized against each other at the same time.
- the near field is in wavelength with the area immediately adjacent to an antenna device, and the far field is in the ratio of the wavelength at approximately a sufficient distance from the antenna device.
- Far field means, virtually no phase difference between electric and magnetic field and their Deflection directions are perpendicular to each other. This is particularly advantageous for data links over long distances measured at the wavelength at high data rates, such as mobile telephony, WLAN, radio links, Bluetooth, UMTS and LTE, as the radiated energy evenly in the respective desired (s) direction (s) radiated becomes.
- a characteristic impedance results from the properties of the surrounding atmosphere or of the surrounding material.
- the characteristic impedance for electrically nonconducting materials results from the square root of the ratio of complex permeability to complex permittivity.
- the near field results from an evaluation of a Poynting vector in a transmission case, an energy transfer back into the antenna device to be subsequently radiated again.
- the result is a complex characteristic impedance.
- the proportion of the energy directly returned to the antenna device can be selected by suitable dimensioning. This makes it possible to realize transformers as well as NFC / RFID systems within the near field.
- the transmitted energy is sufficient to fully power a small electronic unit, which includes, for example, a transmitter and other elements.
- a directional antenna with three coil elements is from the application US2009 / 0251376 A1 known.
- An object of the invention is to provide an antenna device which generates signals with a higher selectivity.
- a coil core increases the magnetic field inside the coil.
- An antenna device is characterized by a spatially very limited near field and a very small dimension compared to the wavelength, whereby this is well suited, in particular in the field of digital communications, for example for WirelessHART, Bluetooth, WLAN, DMR446 or SRD (historically LPD), however due to the small near field range is rather unsuitable for NFC and RFID.
- the selectivity of the antenna device with respect to the frequency can be set extremely accurately, for example with a quartz, this is particularly advantageous for very narrow-band communication with low power, therefore power saving for the field over long distances. Also possible are short-distance connections.
- the phase differences ⁇ i can be varied over time.
- the phase differences ⁇ i can be half a period. If the phase difference ⁇ i is half a period, then the magnetic field lines that emerge, for example, from a magnetic north pole of the coil arrangement i + 1 can partially enter a magnetic south pole of the adjacent coil arrangement i and / or i + 2, etc.
- the superimposed Magnetic field lines that emerge from the coil arrangements i 1,2, .. n with each other and thus generate a plurality of small and / or large magnetic vortex fields that can propagate using the associated electric fields. In this case, several small and / or large magnetic vortex fields cause a greater selectivity, which is perceived by the receiver accordingly.
- the voltages U i comprise a digital signal.
- the voltages U i are sinusoidal.
- a sinusoidal voltage across the coil assemblies causes circular magnetic Vortex fields, which also spread in this form and arrive at the recipient.
- the voltages U i are formed sinusoidal and are triggered by a digital signal.
- the phase difference within a certain time namely when the voltage is constant, is set as a fixed phase difference to the other voltages.
- the coil lengths l i of i to i + 1 by a length ⁇ l i between 1 10 l i and 5 10 l i . preferably between 2 10 l i and 4 10 l i and more preferably between 3 10 l i and 4 10 l i reduced, l i +1 l i - ⁇ l i .
- An ideal (passive) antenna has a port with a guided waveguide / signal line and a second port as an opening. If a signal is applied or received at one of these gates, it is transmitted to the other gate. In technical antennas, additional losses occur in this transmission (dielectric losses, ohmic losses of metal elements, conversion into heat). Thus, every technically feasible antenna device reflects a low power component (technical term "finite antenna adaptation"). If the coil lengths of the coil assemblies halve along their order, then the end regions of the coil assemblies are equidistant from each other. This is particularly advantageous for a field removal process. This reflects back a uniform blasting and a very small proportion of power during this detachment.
- an antenna device k is shown with a first coil arrangement a, a first coil C and a first U-shaped coil core B, wherein the first coil core B is formed as a ferrite rod.
- a second coil arrangement b with a second U-shaped coil core D and a second coil E is located at a distance s 1 from the first coil arrangement a.
- the first and the second coil arrangements a, b are arranged in the drawing plane and both have a common straight line e, the straight line e being identical to the transverse axis of both coil arrangements a, b.
- the coil arrangements a, b have end regions A which are arranged equidistant from one another in a second plane which is perpendicular to the plane of the drawing.
- the coil arrangements a, b can also be rotated with the straight line e as a rotation axis against each other or arranged crosswise.
- a point j is arranged, in the directions of which the first and the second coil arrangements a, b are curved.
- the first coil arrangement a has a first coil length l 1 and the second coil arrangement b has a coil length l 2 , wherein the coil lengths l 1 , l 2 are respectively measured between the end areas A of the respective coil arrangement a, b.
- the distance s 1 of the first coil arrangement a to the second coil arrangement b is in this embodiment a quarter l .
- the coil assemblies a, b each include a cutting angle g with the straight line e, which is 90 ° in this embodiment. Furthermore, the coil arrangements a, b each have a first and a second coil diameter d 1 or d 2 .
- a first voltage U 1 is applied to the first coil core C, then a first magnetic field H is generated with a first outer direction l and a first inner direction J, the magnetic field H entering and leaving through the end regions A of the first coil core B (see FIG Fig. 2a ).
- a second voltage U 2 is applied to the second coil core E, then a second magnetic field G with a second outer direction K and a second inner direction L is generated.
- first voltage U 1 and the second voltage U 2 are the same polarity, then the external directions K, I and the internal directions L, J are in the same direction.
- the magnetic fields G, H interact substantially only outside the coil cores B, D above a plane F.
- the coil cores B, D If the voltages U 1 , U 2 applied to the coil cores B, D are of opposite polarity, the coil cores B, D generate magnetic fields G, H with opposite directions I, J or K, L.
- PIN diodes so-called PIN diodes, and SMD RF transistors which can be used at a frequency up to 26.5 GHz and few other RF transistors beyond the frequency of 100 GHz.
- Phase locked loop also referred to as PLL circuit, from design variant with reconstruction of the transmitter phase position.
- the coil arrangements a, b must be dimensioned differently, so that the shortest possible near field area, and the widest possible antenna lobe in the antenna pattern is achieved in order to achieve the best possible and clean detachment of the magnetic field from the antenna device k.
- a first field configuration M and a second field configuration N of magnetic fields are shown.
- the first field configuration M shows the first magnetic field Q of a first coil arrangement a and the second magnetic field R of a second coil arrangement b.
- the coils C, E of the coil arrangements a, b are so applied to the first and the second voltage U 2 that the first magnetic field Q and the second magnetic field R are in opposite directions.
- a field change P can take place between the field configuration M and the field configuration N.
- the coils C, E of the coil arrangements a, b are now subjected to such a degree to the first and the second voltage U 2 , that the first magnetic field Q and the second magnetic field R are in the same direction.
- a wiring is digital or quasi-digital, ie without intermediate pauses.
- the current direction of the first coil arrangement a is kept constant, and the current direction of the second coil arrangement b is reversed abruptly.
- this is relatively easy to implement and possible by inexpensive digital technology, for example, on two CMOS-compatible output channels of an existing microprocessor. This allows the RF electronics essentially into a microprocessor be relocated, the frequency fidelity is accommodategesteilt example, by a quartz circuit.
- a current flowing through the first coil core B of the first coil arrangement a is switched off after a reversal of the polarity of the second coil core D of the second coil arrangement b.
- a sinusoidal or sine-like (for example, raised-cosine or two quasi-sine digital outputs of a digital circuit, PWM, analog filter, smoothing capacitor, etc.) current is used. This makes it possible to realize a better behavior of the antenna device k than according to FIG Fig. 5a ,
- FIG. 5c Another variant is in Fig. 5c , using DC voltage in one of the coil arrangements a, b or the use of a permanent magnet, shown.
- the current through the first bobbin B is kept constant and the current through the second bobbin D alternately reversed and / or turned off.
- a sinusoidal ( Fig. 5b ) or digital ( Fig. 5a ) Driving a coil arrangement a, b together with a DC voltage ( Fig. 5c ) or the digital control ( Fig. 5a ) one of the coil arrangements a, b and a sinusoidal control ( Fig. 5b ) one of the other coil arrangements a, b.
- a distribution of the magnetic fields and their detachment from the antenna device k are in Fig. 6 and are described in detail below with the aid of further illustrations.
- Fig. 7a are analogous to Fig. 3 a third magnetic field S of the first coil arrangement a and a fourth magnetic field T of a second coil arrangement b are shown.
- the magnetic fields S, T each have a first outer direction I and a second outer direction L, respectively.
- Each of the magnetic fields S, T is represented by several magnetic field lines. The number of magnetic field lines is proportional to the respective field density of the respective magnetic field S, T. Consequently, the first magnetic field S has a smaller field density than the second magnetic field T.
- the external directions I, L are in opposite directions.
- Fig. 7a were the magnetic fields S, T shown on the premise that the coil cores C, E of the coil assemblies a, b applied sequentially with power become.
- the coil cores C, E In order to achieve an interaction of the magnetic fields S, T, the coil cores C, E must be supplied with current at the same time. If these fields interact with each other, a distribution of the magnetic fields according to Fig. 7b with a first region V and a second region W in which the magnetic fields S, T attract. By this attraction, a third region U is created, in which the magnetic field T (considered in two dimensions) expands with a lesser extent in an opposite direction to the antenna device k.
- FIG. 10 In contrast to the previous figures, an antenna device k with three coil arrangements a, b, c are shown. These can be rotated against each other, the line e serves as a rotation axis.
- a three-dimensional spread can be favored; also by a plurality of at a fixed angle to each other - for example, 90 °, 60 ° or 45 ° - arranged coil assemblies a, b, c, which are each driven in parallel or slightly offset in time.
- a suitable choice of parameters for example, a circular polarization or an elliptical main lobe can be achieved.
Landscapes
- Near-Field Transmission Systems (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
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 li und einen Spulendurchmesser di aufweisen, wobei der Spulendurchmesser di kleiner als die dazugehörige Spulenlänge li 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
- 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 > ... ln 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 ln 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 ln 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 Ui angelegt und die Spannung Ui jeder Spulenanordnung weist einen Phasenunterschied ϕi zu den beiden benachbarten Spulenanordnungen i = 1,2,..n auf ϕ i-1 ≠ ϕi ≠ ϕ i+1. Weisen die Spulenanordnungen i = 1,2,.. n einen Phasenunterscheid ϕi 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 ϕi zeitlich variiert werden. Insbesondere können die Phasenunterschiede ϕi eine halbe Periode betragen. Beträgt der Phasenunterschied ϕi 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 Ui 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 Ui 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 Ui 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 Ui 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.
-
- 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 inFig. 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 gemäßFig. 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. InFig. 7a sind analog zuFig. 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 gemäßFig. 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 zuFig. 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.
-
- 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 (9)
- 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 (li ) und einen Spulendurchmesser (di ) aufweisen, wobei der Spulendurchmesser (di ) kleiner ist als die dazugehörige Spulenlänge (li ),
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
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 li der Spulenanordnungen (i = 1,2,..n) monoton abnimmt l 1 > l 2 > ln , wobei die mindestens zwei, bevorzugt die drei Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n), jeweils einen Abstand (si ) 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 (li ),
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 (ln ) aus betrachtet auf einer gegenüberliegenden Seite, der übrigen Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n - 1) liegt.
- Verfahren zum Betrieb der Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei an den Spulenanordnungen (i = 1, 2,..n) eine periodische Spannung (Ui ) angelegt wird und die Spannung (Ui ) jeder Spulenanordnung einen Phasenunterschied (ϕi ) zu den beiden benachbarten Spulenanordnungen (i = 1,2,.. n) aufweist ϕ i-1 ≠ ϕi ≠ ϕ i+1.
- Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Phasenunterschiede (ϕi ) zeitlich variiert werden können, insbesondere eine halbe Periode betragen können.
- Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Spannungen (Ui ) 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 (Ui ) ein Digitalsignal umfassen.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Spannungen (Ui ) Sinusförmig und/oder Cosinus-förmig ausgebildet sind.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Spannungen (Ui ) Sinusförmig und/oder Cosinus-förmig ausgebildet sind und mit einem Digitalsignal getriggert werden.
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