[发明专利]电介质天线和根据雷达原理工作的料位测量设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种电介质天线，其具有至少一个馈送元件和至少一个由至少一种电介质材料构成的透镜，其中所述馈送元件发射电磁辐射并且给所述透镜施加该电磁辐射，其中所述透镜进一步引导和发射该电磁辐射。此外，本发明涉及一种根据雷达原理工作的料位测量设备。

背景技术

在工业测量技术中经常使用雷达料位测量设备，以便确定介质譬如液体、散装货以及在容器如罐或筒仓内的料浆的料位。通过该测量设备实现的传播时间方法基于物理规律，即例如电磁信号的运行路程等于传播时间与传播速度之积。在测量介质（例如液体或散装货）在容器中的料位的情况下，运行路程两倍于发射以及又接收电磁信号的天线与介质表面之间的距离。有用回波信号（即介质表面反射的信号）及其传播时间借助所谓的回波函数或数字化的包络曲线来确定。包络曲线代表作为“天线-介质表面”的距离的函数的回波信号的幅度。料位可以根据在天线距容器底部的已知距离与通过测量确定的介质表面距天线的距离之间的差来计算。被发射的和被接收的电磁信号大部分是微波辐射。

通常，电介质谐振器用作天线。这种电介质天线具有与波导类似的谐振特性，但也可以发射电磁能量和由此用作天线，因为其并不拥有金属壁。在不同技术领域中在此已经已知了多种结构形式，其中每种电介质材料例如陶瓷用于传导和发射电磁波。通常使用具有低介电常数的低损耗的材料（介电常数的另一名称是介质电导）。例如使用特氟龙或聚丙烯。

尤其是在散装货的情况下，由于出现堆料锥体而会产生确定料位时的困难。此外在任意类型的介质的情况下，在容器中还会有诸如搅拌器的物体，其反射雷达波并且由此干扰料位的测量。因此在一些应用中有利的是不仅测定介质表面的区域而且确定介质的分布，即表面分布。因此，在几种应用中针对相应地分布在介质表面上的多个测量点或测量区确定距天线的相应距离。

为了测定这样的表面轮廓，特别有利的是，所使用的天线具有尽可能窄的主发射方向即在主发射方向上的窄的方向性特征。窄方向性特征在此通常要求发射区段的大孔径即开口面积。为了也在窄主发射方向的意义下使用孔径，由天线的发射区段发射的电磁辐射必须具有尽可能平坦的相前。在现有技术中已知的波导中，窄的方向性特征随着天线的大几何尺寸而出现。然而在工业测量技术中通常优选小的并且紧凑的测量设备。因此在现有技术中也使用电介质透镜，其通常由于树脂（例如聚丙烯、聚乙烯或聚苯乙烯）和陶瓷粉末构成。例如凸面的放大透镜的作用在于，透镜将近轴的射束相对于边缘射束延迟。折射的射束在穿过透镜之后是平行的且同相的。

EP 1 701 142 A2描述了一种用于根据雷达原理测量介质的表面分布的装置，其中使用多个发射天线和多个接收天线。发射天线和接收天线单独彼此组合，以便测定介质表面的多个区域。然而由于有多个天线所以该结构非常复杂。

例如在DE 10 2008 020 036 A1中找到构造拥有作为带有透镜状的发射区段的馈送元件的波导的电介质天线的细节。

DE 10 2008 008 715 A1示出了一种至少在发射方向上椭圆体构造的透镜天线。通过天线的形状将球形波转换成具有平行相前的波。如果在馈送元件和天线之间的距离改变，则发射方向由此也改变。然而缺点在于，在发射方向移动时天线特性劣化。随之出现在测量对象的不同部位处即在测定的容器中的介质表面处的分辨率降低。

从US 2003/0006941 A1可以获知雷达测量设备的圆形透镜。在此，设置多个馈送元件，其被单独地激励，以便有目的地改变发射方向。

从DE 38 40 451 A1可以获知带有馈送元件的透镜天线。透镜轮廓在此特别地构建，使得球形波在几个平面中转换成具有平坦的相前的波并且转换成具有非平坦的相前的波。为了调节发射的平面，设计的是使馈送元件转动。此外，为了调节目的可以改变馈送元件与天线之间的距离。

在DE 602 03 320 T2中描述了一种用于校准雷达天线的设备。在此，设置一种透镜，其具有凹面侧和凸面侧。

在现有技术中总共已知了许多种天线，利用其可以实现对介质的表面测量。通常有问题的是大开销或位置需求或在所有测定的空间区域中不均匀的测量精度。

发明内容

因此，本发明所基于的技术问题是提出一种电介质天线和一种具有这种天线的料位测量设备，其允许以基本上恒定的测量精度测定介质表面。