本發(fā)明涉及一種用于發(fā)射和接收電磁波(em波)，以用于通過(guò)em波的行進(jìn)時(shí)間的方式來(lái)確定和監(jiān)測(cè)容器中的介質(zhì)的填充水平的設(shè)備。

背景技術(shù)：

常規(guī)脈沖雷達(dá)的、填充水平測(cè)量裝置有規(guī)則地具有帶有連接到控制單元的脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)。脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)為每個(gè)測(cè)量產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，該發(fā)射信號(hào)由固定預(yù)定的中心頻率和預(yù)定的脈沖重復(fù)頻率的微波脈沖組成。微波脈沖具有例如26ghz或78ghz的固定預(yù)定中心頻率。將天線安裝在將要測(cè)量的最高填充水平之上的容器上，該天線被定向?yàn)槌蛱畛湮镔|(zhì)并且將發(fā)射信號(hào)發(fā)送到該容器中。隨后，在根據(jù)到填充物質(zhì)距離的行進(jìn)時(shí)間之后，天線接收作為接收信號(hào)的、朝向填充水平測(cè)量裝置在填充物質(zhì)上反射回的信號(hào)部分。將接收的信號(hào)饋送到與發(fā)射系統(tǒng)連接的和與天線連接的信號(hào)處理系統(tǒng)中，以及信號(hào)處理系統(tǒng)基于所接收的信號(hào)來(lái)確定填充水平。

在這種情況下，有規(guī)則地得出測(cè)量曲線，該測(cè)量曲線根據(jù)對(duì)到填充物質(zhì)的路徑和返回需要的它們的行進(jìn)時(shí)間將所接收的信號(hào)的幅度示出。從這些測(cè)量曲線的峰值的行進(jìn)時(shí)間，然后，基于微波脈沖的傳播速度，能夠確定填充物質(zhì)與填充水平測(cè)量裝置的距離。

如今對(duì)于填充水平測(cè)量，應(yīng)用了通常被稱作為回波識(shí)別方法的大量不同的評(píng)估方法，利用上述方法，測(cè)量曲線被使用以確定那個(gè)峰值將會(huì)歸因于填充物質(zhì)的表面上的反射。例如，第一出現(xiàn)峰值或具有最大幅度的峰值能夠被選擇作為將會(huì)歸因于填充物質(zhì)的表面上的反射的特定測(cè)量曲線的峰值。根據(jù)與這個(gè)峰值相關(guān)聯(lián)的行進(jìn)時(shí)間，基于微波脈沖的傳播速度，推導(dǎo)從填充水平測(cè)量裝置到填充物質(zhì)的表面的距離，然后基于天線的安裝高度，將該距離轉(zhuǎn)換成填充水平-因此在容器中的填充物質(zhì)的填充水平。

這些填充水平測(cè)量裝置在大量不同的應(yīng)用中傳遞可靠的測(cè)量結(jié)果。然而，對(duì)于散裝貨物的填充水平測(cè)量，這種測(cè)量裝置通常不是最佳適用的，因?yàn)樯⒀b貨物規(guī)則地形成山形和谷形的散裝貨物錐體，其表面輪廓未注冊(cè)到這些填充水平測(cè)量裝置，使得表面輪廓不能夠被考慮用于該填充水平確定。

同樣，在給定情況下，有問(wèn)題的是在應(yīng)用中使用具有單一、剛性地安裝的天線的常規(guī)填充水平測(cè)量裝置，其中在容器中安裝的對(duì)象(在下文中被稱作為干擾件)橫向突出到發(fā)射信號(hào)的波束路徑中。因此，存在諸如其它測(cè)量裝置或填充注嘴的物體。

de102012109101a1描述了一種用于測(cè)量容器中填充物質(zhì)的填充水平的填充水平測(cè)量裝置。這種填充水平測(cè)量裝置包括天線，該天線將具有不同中心頻率的發(fā)射信號(hào)發(fā)送到容器中，并且在天線的方向上接收作為接收信號(hào)的、在容器中反射回的它們的信號(hào)部分。另外，根據(jù)發(fā)射信號(hào)的中心頻率，天線對(duì)于不同的中心頻率具有不同的空間輻射特征。信號(hào)處理系統(tǒng)基于相關(guān)聯(lián)的發(fā)射信號(hào)的微波脈沖的中心頻率和天線的空間輻射特征的中心頻率相關(guān)性來(lái)評(píng)估所接收的信號(hào)。

在這種填充水平測(cè)量裝置的情況下的缺點(diǎn)在于必須改變發(fā)射信號(hào)的中心頻率，以便改變發(fā)射信號(hào)的微波脈沖的輻射特征。這意旨這種填充水平測(cè)量裝置的發(fā)射信號(hào)是寬帶信號(hào)。

具有寬帶發(fā)射信號(hào)的填充水平測(cè)量裝置不能夠很好解決天線和填充物質(zhì)之間的間隔，并且因此不能夠如所希望的那樣精確地確定填充水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能夠精確地確定容器中的介質(zhì)的填充水平的設(shè)備。

通過(guò)本發(fā)明的主題來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的。本發(fā)明的主題是一種發(fā)射和接收電磁波(em波)，以用于通過(guò)em波的行進(jìn)時(shí)間的方式來(lái)確定和監(jiān)測(cè)容器中的介質(zhì)的填充水平的設(shè)備。該設(shè)備包括：第一空心導(dǎo)體，第一空心導(dǎo)體具有用于出耦合(out-coupling)和入耦合(in-coupling)em波的第一耦合元件，其中，第一空心導(dǎo)體的第一端面閉合，第一空心導(dǎo)體的第二端面打開(kāi)，使得經(jīng)由第一耦合元件出耦合的em波越過(guò)第二端面發(fā)射，并且越過(guò)第一空心導(dǎo)體的第二端面接收的em波入耦合到第一耦合元件；至少一個(gè)第二空心導(dǎo)體，第二空心導(dǎo)體具有用于輸出和入耦合em波耦合的第二耦合元件，其中第二空心導(dǎo)體的第一和第二端面打開(kāi)，以及其中，第二空心導(dǎo)體的第一端面與第一空心導(dǎo)體的第二端面相接，使得由第二空心導(dǎo)體傳送從第一空心導(dǎo)體發(fā)射的em波，并且由第一空心導(dǎo)體接收由第二空心導(dǎo)體傳送的em波；喇叭形輻射器，該喇叭形輻射器用于輻射和聚焦em波，其中，喇叭形輻射器的引入口與第二空心導(dǎo)體的第二端面連通，使得從喇叭形輻射器輻射從第二空心導(dǎo)體發(fā)射的em波，并且將由喇叭形輻射器接收的em波聚焦到第二空心導(dǎo)體中，其中，以在第一空心導(dǎo)體中能夠產(chǎn)生第一電磁波模式的方式實(shí)現(xiàn)第一空心導(dǎo)體，其中，第二空心導(dǎo)體以在第二空心導(dǎo)體中能夠產(chǎn)生第二電磁波模式的方式實(shí)現(xiàn)，其中，以下述方式設(shè)計(jì)第一空心導(dǎo)體和第二空心導(dǎo)體的尺寸，使得從喇叭形輻射器分散地并以低強(qiáng)度地輻射從第一耦合元件和第二耦合元件出耦合的em波，或者由喇叭形輻射器接收的分散且低強(qiáng)度的em波耦合到第一耦合元件和第二耦合元件，并且使得僅從第一耦合元件出耦合的em波從喇叭形輻射器聚焦地并且以高強(qiáng)度輻射，或者由喇叭形輻射器接收的聚焦且高強(qiáng)度的em波僅耦合到第一耦合元件中。

通過(guò)第二、可選的添加模式實(shí)現(xiàn)較弱的聚焦，其通過(guò)在第一基本模式上疊加而導(dǎo)致擴(kuò)展輻射波瓣。能夠通過(guò)小的控制電壓ms來(lái)添加這個(gè)第二波形模式。控制電壓ms達(dá)幾伏(例如，1...4v)，在這種情況下需要的電流汲取在微安或更低的范圍內(nèi)。

通過(guò)在窄波瓣和寬波瓣之間切換——尤其是在具有可調(diào)加寬的實(shí)施例的情況下——關(guān)于距離能夠識(shí)別某些干擾，因?yàn)樵谡ò甑那闆r下，與寬波瓣情況進(jìn)行比較，這些干擾較少?gòu)?qiáng)烈地出現(xiàn)或者甚至不出現(xiàn)。這個(gè)對(duì)于具有相當(dāng)?shù)偷牟僮黝l率(例如6ghz或10ghz)的雷達(dá)系統(tǒng)的情況下尤其是有益的。在波表面的情況下、在低填充水平的情況下的干擾的安裝對(duì)象以及傾斜的、圓柱管的情況下在產(chǎn)生強(qiáng)反射的擬真性計(jì)算的情況下——這些產(chǎn)生強(qiáng)反射——這種切換是有益的。此外，選項(xiàng)是定期使用寬波瓣，以及尤其是使用fmcw雷達(dá)系統(tǒng)記錄完整的測(cè)量范圍，然后利用窄波瓣僅精確記錄僅預(yù)期存在填充水平的距離范圍。

在有利的進(jìn)一步發(fā)展中，第一空心導(dǎo)體至少部分地被填充有至少第一介電材料，和/或第二空心導(dǎo)體至少部分地被填充有至少第二介電材料。以這種方式，能夠使用具有較小直徑的空心導(dǎo)體。此外，因?yàn)橛商畛洳牧厦芊馊腭詈显?，所以能夠省略喇叭的寬端上的保護(hù)蓋。

在有利的進(jìn)一步發(fā)展中，與至少第二材料相比，至少第一材料具有更小的介電常數(shù)。為了通過(guò)本發(fā)明的設(shè)備輻照大的區(qū)域，有利的是將第二空心導(dǎo)體的直徑選擇為大于第一空心導(dǎo)體的直徑。如果第二空心導(dǎo)體被填充有介電材料，則其尺寸能夠更小。以這種方式，第一空心導(dǎo)體和第二空心導(dǎo)體的直徑能夠被選擇為相等，由此該設(shè)備更容易制造，并且第一耦合元件和第二耦合元件位于共享平面內(nèi)。以這種方式，第一耦合元件和第二耦合元件能夠被布置在單個(gè)電路卡上，在這種情況下，電路卡延伸到天線設(shè)備。

在有利的變型中，至少第二介電常數(shù)和至少第一介電常數(shù)之間的比率為約2.5。以這種方式，第一空心導(dǎo)體和第二空心導(dǎo)體的直徑能夠被選擇為相等，其中能夠擴(kuò)大最小可能的輻射角與最大可能的輻射角之間的差。

在有利的變型中，第一耦合元件和第二耦合元件之間在em波的發(fā)射方向上的間隔與相對(duì)應(yīng)，在這種情況下，λ為em波的波長(zhǎng)，n為自然數(shù)0，1，2...。以這種方式，產(chǎn)生經(jīng)由第一耦合元件和第二耦合元件出耦合或入耦合的波的構(gòu)造性疊加。

在實(shí)施例的有利形式中，第一耦合元件的長(zhǎng)度至多達(dá)到λ/4，并且第二耦合元件的長(zhǎng)度至多達(dá)到λ/2。通過(guò)設(shè)定第一耦合元件和第二耦合元件的長(zhǎng)度的上限，實(shí)現(xiàn)了在第一耦合元件中盡可能激發(fā)基本模式，并且在第二耦合元件中激發(fā)更高階的模式。第一耦合元件和第二耦合元件的另一個(gè)尺寸設(shè)計(jì)將會(huì)在第一空心導(dǎo)體的第一端面處給出不太有利的反射。

在實(shí)施例的有利形式中，第一耦合元件包括用于傳送在第一耦合元件處出耦合或入耦合的em波的第一端子，其中，第二耦合元件具有用于傳送在第二耦合元件處出耦合或入耦合的em波的第二端子，其中，在第一端子和第二端子之間提供分壓器，尤其是電容性分壓器，使得分壓器確定em波在第一耦合元件和第二耦合元件之間的劃分。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，分壓器包括電容和帶通濾波器。能夠通過(guò)第二電容的阻抗與帶通濾波器的阻抗的比率來(lái)設(shè)定功率在第一耦合元件和第二耦合元件之間的劃分。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，分壓器包括第二電容和半導(dǎo)體元件，優(yōu)選地為二極管，尤其優(yōu)選地為變?nèi)荻O管。二極管有利地是電容二極管。二極管通常被構(gòu)造為使得二極管的電容尤其地根據(jù)反向偏壓的大小而變化。由于第二電容與帶通濾波器的電容的比率決定了功率在一耦合元件和第二耦合元件之間的劃分，因此，反向偏置電壓的變化能夠調(diào)諧功率在第一耦合元件和第二耦合元件之間的劃分。第二電容用作高通濾波器，即其是反向偏置電壓的勢(shì)壘但讓波信號(hào)通過(guò)。

在有利的變型中，分壓器包括第二電容和振蕩電路。代替帶通濾波器，還能夠使用振蕩電路。在頻率被選擇為在包括諧振頻率的范圍內(nèi)的情況下，振蕩電路通過(guò)振幅根據(jù)頻率的非常大的變化來(lái)區(qū)分。以這種方式，在電容變化小——并且因此在二極管上的最大反向偏置電壓小——的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)功率在第一耦合元件和第二耦合元件之間的劃分的大變化，并且因此能夠?qū)崿F(xiàn)em波的輻射角的變化。為了在等電壓變化下在二極管中帶來(lái)更大的電容變化，還能夠使用具有更高摻雜的二極管。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)將會(huì)基于附圖對(duì)本發(fā)明更詳細(xì)地說(shuō)明，其附圖示出如下：

圖1示出用于發(fā)射和接收em波的本發(fā)明的設(shè)備1的示意圖，該設(shè)備1包括用于操作設(shè)備1的電路，

圖2a-2d在電路的不同設(shè)計(jì)的情況下示出來(lái)自如圖1中的設(shè)備1的em波的輻射的示意圖，

圖3在電路的分壓器是電容性的情況下示出設(shè)備1的附加實(shí)施例的示意圖，以及

圖4在圓錐形實(shí)施喇叭形輻射器的情況下示出設(shè)備1的附加實(shí)施例的示意圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出本發(fā)明的用于發(fā)射和接收電磁波(em波)，以通過(guò)em波的行進(jìn)時(shí)間來(lái)確定和監(jiān)視容器(未示出)中的介質(zhì)(未示出)的填充水平的設(shè)備1。設(shè)備1包括第一空心導(dǎo)體2，第一空心導(dǎo)體2具有用于出耦合(out-coupling)和入耦合(in-coupling)電磁波的第一耦合元件p1，其中第一空心導(dǎo)體2的第一端面3閉合并且第一空心導(dǎo)體2的第二端面4打開(kāi)。以這種方式，能夠經(jīng)由第二端面發(fā)射經(jīng)由第一耦合元件p1出耦合的em波，并且能夠在第一耦合元件p1處入耦合經(jīng)由第一空心導(dǎo)體的第二端面4接收到的em波。圓柱形地實(shí)施第一空心導(dǎo)體2，并且該第一空心導(dǎo)體2具有以僅激發(fā)基本模式的方式確定尺寸的直徑。優(yōu)選地，基本模式是具有非常低的截止頻率的模式，尤其是te01模式。然而，第一空心導(dǎo)體2還能夠具有橢圓形、二次形、n邊形或u形印跡(footprint)。

另外，設(shè)備1包括第二空心導(dǎo)體5，第二空心導(dǎo)體5具有用于出耦合和入耦合em波的第二耦合元件p2，其中第二空心導(dǎo)體5的第一端面6和第二端面7打開(kāi)。在這種情況下，第二空心導(dǎo)體5的第一端面6與第一空心導(dǎo)體2的第二端面4相接，使得由第二空心導(dǎo)體5傳送從第一空心導(dǎo)體2發(fā)射的em波，并且由第一空心導(dǎo)體2接收由第二空心導(dǎo)體5傳送的em波。能夠圓柱形地實(shí)施第二空心導(dǎo)體5。第二空心導(dǎo)體5能夠具有是正方形、橢圓形、n邊形或u形的印跡。第二空心導(dǎo)體5以這種方式設(shè)計(jì)：與在第一空心導(dǎo)體2中的模式相比激發(fā)更高的模式。該更高的模式能夠是例如tm11-、te21-、te11-或tm21模式。

另外，設(shè)備1包括用于輻射、接收和聚焦em波的擴(kuò)寬的喇叭形輻射器8。喇叭形輻射器8的引入口與第二空心導(dǎo)體5的第二端面7連通，使得從喇叭形輻射器8輻射從第二空心導(dǎo)體5傳送的em波，并且將由喇叭形輻射器8接收的em波聚焦到第二空心導(dǎo)體2中。

以這種方式實(shí)施第一空心導(dǎo)體2：第一電磁波模式可產(chǎn)生在第一空心導(dǎo)體2中，以及以這種方式實(shí)施第二空心導(dǎo)體5：第二電磁波模式可在第二空心導(dǎo)體5中傳送。

以這種方式尺寸上設(shè)計(jì)第一空心導(dǎo)體2和第二空心導(dǎo)體5：從第一耦合元件p1和第二耦合元件p2出耦合的em波疊加并且從喇叭形輻射器8分散地并且以低強(qiáng)度地輻射，或者由喇叭形輻射器8接收的分散且弱強(qiáng)度的em波耦合到第一耦合元件p1和第二耦合元件p2中。從第一耦合元件p1單獨(dú)出耦合的em波從喇叭形輻射器8聚焦地并且以高強(qiáng)度地輻射，以及由喇叭形輻射器8接收的聚焦且高強(qiáng)度em波耦合到第一耦合元件p1。

另外，第一空心導(dǎo)體2被填充有第一介電材料，第二空心導(dǎo)體5被填充有第二介電材料。第一介電材料能夠是來(lái)自環(huán)境的空氣。可替選地，能夠?qū)⒌谝豢招膶?dǎo)體抽真空。第二介電材料的介電常數(shù)是第一材料的介電常數(shù)的2.5倍。

第一耦合元件p1和第二耦合元件p2之間在em波的發(fā)射方向上的間隔a等于其中λ為em波的波長(zhǎng)并且n為自然數(shù)0，1，2，……。第一耦合元件p1的長(zhǎng)度等于λ/4，以及第二耦合元件p2的長(zhǎng)度等于λ/2。

另外，設(shè)備1包括用于操作設(shè)備1的電路11。現(xiàn)將會(huì)更詳細(xì)地描述電路11。從第二空心導(dǎo)體5的第一節(jié)點(diǎn)k1引導(dǎo)到第二節(jié)點(diǎn)k2是第一線路l1。第二線路l2將第二節(jié)點(diǎn)k2與第二耦合元件p2連接。第三線路l3將第二節(jié)點(diǎn)k2與第一電感js連接，其中第一電感js經(jīng)由二極管ds連接到第三節(jié)點(diǎn)k3。將第一電容cs并聯(lián)連接到第一電感js和二極管ds。第一電容cs與第一電感js和二極管ds一起形成帶通濾波器l5。

將第三節(jié)點(diǎn)k3經(jīng)由第二電感jb和限流電阻器rv連接到第一端子p3。

第四線路l4將第一耦合元件p1與第四節(jié)點(diǎn)k4連接，其中將第四節(jié)點(diǎn)k4連接到第二端子p4。

經(jīng)由第二電容cb，將第三節(jié)點(diǎn)k3與第四節(jié)點(diǎn)k4連接。

帶通濾波器l5與第二電容cb形成電容性分壓器12。第二電容cb的大小決定發(fā)送到第一耦合元件p1和第二耦合元件p2的功率。由于第二空心導(dǎo)體5的較大直徑，與在第一空心導(dǎo)體2相比在空心導(dǎo)體5中激發(fā)更高的模式。第二空心導(dǎo)體5的更高模式在喇叭形天線8的輸出處擴(kuò)展到寬波瓣。

帶通濾波器l5用作帶阻濾波器，由此沒(méi)有功率到達(dá)第二耦合元件p2。限流電阻器rv是高電阻，因此沒(méi)有功率能夠經(jīng)由第二端子p4汲取。第一線路l1至第四線路l4的長(zhǎng)度被列于下面的表中。

為了產(chǎn)生聚焦的和高強(qiáng)度的em波，將高頻信號(hào)hf施加到第二端子p4。將高頻信號(hào)hf經(jīng)由第四線路l4傳送到第一耦合元件p1并且經(jīng)由喇叭形輻射器8單模輻射(在輻射中僅一種模式為主)。

置于設(shè)備1的第一端子p3上的是控制電壓ms，其經(jīng)由限流電阻器rv和第二電感jb影響二極管ds的陰極。由于二極管ds的陽(yáng)極經(jīng)由第一電感js和第一線路l1與第二空心導(dǎo)體5連接，并且從那里與第三端子p5(信號(hào)接地電位)連接，所以控制電壓ms影響二極管ds。因?yàn)榭刂齐妷鹤饔迷诙O管ds的反向方向上，所以僅非常小的電流流過(guò)第一線路l1。在具有反向方向上施加的電壓的情況下，二極管ds用作電容，由此帶通濾波器l5為設(shè)備1的操作頻率確定通過(guò)頻率。

圖2a示出了em輻射，其僅從第一耦合元件p1(一種模式操作)出耦合并且從喇叭形輻射器8聚焦地和以高強(qiáng)度輻射。

圖2b、圖2c和圖2d各自示出表示由分壓器的設(shè)計(jì)以及由從第一耦合元件p1和第二耦合元件p2出耦合的em波的疊加產(chǎn)生的em波的輻射(見(jiàn)圖1和圖1的描述)。能夠通過(guò)模擬或數(shù)字控制電壓ms的方式發(fā)生圖2a的輻射與圖2b、圖2c和圖2d的輻射之間的切換。

圖3示出在分壓器12是電容性的并且僅由cb和d1形成情況下的另一個(gè)實(shí)施例。以這種方式，能夠根據(jù)控制電壓ms產(chǎn)生從圖2a的輻射到圖2b-d的輻射的無(wú)階躍過(guò)渡，其中，在不具有所施加的控制電壓ms的情況下，實(shí)現(xiàn)圖2a的輻射，并且隨著控制電壓ms增加，輻射在圖2d的輻射方向上越來(lái)越多地變化。由于二極管d1是非常高的電阻，并且還為了使得能夠從d)快速切換回到a)，提供可選的非常高歐姆(10...100兆歐姆或更多)的電阻器ru，通過(guò)電阻器ru能夠?qū)枚O管d1形成的電容(在幾pf的范圍內(nèi))放電。

圖4通過(guò)簡(jiǎn)化的電路11示出與圖3的設(shè)備不同的本發(fā)明的設(shè)備的另一個(gè)實(shí)施例。代替基于阻抗的電容性分壓器和帶通濾波器或電容和諧振電路，這里的基于阻抗的分壓器由二極管d1和第二電容cb組成。第二電容cb表示用于與由二極管d1提供的勢(shì)壘等效的控制電壓ms的勢(shì)壘。電感jd將二極管d1與端子p5上的信號(hào)接地電位相連。具有電路11的本發(fā)明的設(shè)備作為整體實(shí)現(xiàn)成本有效。

在圖1至圖4所示的實(shí)施例的全部示例中，已經(jīng)描述了設(shè)備1的em波的發(fā)射。由設(shè)備1接收em波類似于em波的發(fā)射。

1設(shè)備

2第一空心導(dǎo)體

3第一空心導(dǎo)體的第一端面

4第一空心導(dǎo)體的第二端面

5第二空心導(dǎo)體

6第二空心導(dǎo)體的第一端面

7第二空心導(dǎo)體的第二端面

8喇叭形輻射器

9第一直徑

10第二直徑

11電路

12分壓器

a間隔

p1第一耦合元件

p2第二耦合元件

λem波的波長(zhǎng)

n自然數(shù)0，1，2，...

p3第一端子

p4第二端子

p5第三端子

ds二極管

cs第一電容

js第一電感

cb第二電容

jb第二電感

rv限流電阻

k1第一節(jié)點(diǎn)

k2第二節(jié)點(diǎn)

k3第三節(jié)點(diǎn)

k4第四節(jié)點(diǎn)

l1第一線路

l2第二線路

l3第三線路

l4第四線路

l5帶通濾波器

ru電阻器

jd電感