用于测量容器中物位的物位雷达天线装置

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年7月10日提交的德国专利申请10 2018 211 422.6的优先权，其全部内容通过引入方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用于测量容器中的物位的物位雷达天线装置、具有这种物位雷达天线装置的物位雷达设备以及具有这种物位雷达设备的容器。

背景技术

用于测量存储有填充材料的容器中的物位的雷达传感器在现有技术中是已知的。在此，用于发射的天线和用于接收的天线分离地布置，由此能够显著提高雷达传感器的性能。

EP 3165883 A9公开了一种物位雷达传感器，该物位雷达传感器在外部安装在容器的封闭的顶盖上，并具有用于屏蔽在容器顶盖上反射的发射信号的信号分量的屏蔽罩，从而防止了接收天线装置接收这些信号分量。

发明内容

本发明的目的是改进雷达传感器对容器中的物位的测量，并同时将物位测量装置的空间需求保持为尽可能低。

该目的通过用于测量容器中物位的物位雷达天线装置、具有这种物位雷达天线装置的物位雷达设备以及具有这种物位雷达设备的容器来实现。有利的实施例和进一步改进在从属权利要求和以下说明中得出。

用于测量容器中的物位的物位雷达天线装置具有发射天线装置、接收天线装置和壳体。发射天线装置被构造为用于在容器中所存储的填充材料的填充材料表面的方向上发送发射信号，并且接收天线装置被构造为用于接收在填充材料表面上反射的发射信号。发射天线装置和接收天线装置被完全或部分地集成在壳体中，或至少被安装在壳体上，其中，发射天线装置大于接收天线装置。

被确定物位的容器可以填充有填充材料。填充材料可以是诸如水或化学品等液体介质或者诸如沙子、颗粒材料等固体。物位雷达天线装置可以安装在容器的外侧，优选地安装在容器顶盖上。在该情况下，容器顶盖可以是容器的布置成与填充材料相对的部分，即，在常规操作时位于容器的上部区域中。容器可以具有窗口，物位雷达天线装置可以通过该窗口测量物位。替代地，如果容器壁不是由金属制成的，则物位雷达天线装置通过穿过容器壁进行物位测量。

物位雷达天线装置可以布置在容器侧或容器盖的面向填充材料的一侧上。因此，没有必要打开容器来测量填充材料的物位。

在物位雷达天线装置的壳体中，发射天线装置和接收天线装置可以彼此分离地布置。例如，它们可以彼此相邻和/或彼此偏移地布置。优选地，发射天线装置和接收天线装置可以彼此相邻地布置在壳体中，这节省了物位雷达天线装置的空间。另外，这种布置允许发射天线装置和接收天线装置能够自动地相对彼此正确地对准，从而发射天线装置和接收天线装置不需要相对彼此调整。

为了发送发射信号，可以从发射天线装置穿过容器顶盖上的窗口或者还可以穿过容器的塑料壳体在填充材料表面的方向上辐射发射信号。接收天线装置可以检测在填充材料表面上反射的发射信号分量。发射天线装置和接收天线装置被设计成不同的尺寸。在此，发射天线装置需要具有足够好的辐射特性的最小尺寸，以便例如满足发射信号在填充材料方向上的期望的聚焦或遵守标准和规定。相反地，接收天线装置可以显著更小，使得其仍然能接收恰好足够的反射信号的能量，以便能够对其以期望的质量进一步处理并评估。以此方式，可以选择发射天线装置和接收天线装置各自的最小尺寸，以便物位雷达天线装置以尽可能紧凑的方式形成，由此能够节省构造物位雷达天线装置的空间。

发射天线装置和接收天线装置可以与诸如电池、显示器和通信设备等其它部件一起集成在壳体中。例如，物位雷达天线装置的壳体可以由塑料、玻璃或金属制成。壳体可以被构造为能够安装在容器的表面上。为此，壳体可以例如为立方体、圆柱形、圆锥形或半球形。

本发明的一个特别的优点在于，通过使用具有满足发射和接收要求的最小尺寸的发射天线装置和接收天线装置，可以紧凑地构造物位雷达天线装置。通过使用雷达传感器，可以容易地将用于测量物位的物位雷达天线装置紧固到容器的外侧，而不必打开容器。在此，容器应由可透过雷达辐射的材料制成。

此外，还可以减少或甚至完全消除在穿过容器顶盖进行测量时的干扰影响。通过使用分离的发射天线装置和接收天线装置，对用户有很多优点，例如，传感器的调试更容易，没有繁琐的电子干扰信号抑制，减小了传感器的死区或增大了测量范围(有效范围)。此外，通过分离的发射天线装置和接收天线装置可以显著减少“振铃(Klingeln)”，由于在此回波信号不会或至少较不明显地被振铃叠加，因此特别在近距离中存在相当大的优势。

特别是在IBC容器(IBC：中型散装容器)的情况下，当容器几乎装满时，近距离的精确测量是有利的。

在一实施例中，发射天线装置或接收天线装置具有孔径辐射器。孔径辐射器或喇叭辐射器是通过辐射开口(孔径)发射或接收电磁能的天线。孔径辐射器或喇叭辐射器属于平面天线，其将在平面范围处(例如，在波导系统中的开口(孔径)处)的由波导引导的波转换为自由空间波，反之亦然。由此，在很大程度上保持了所馈入的波的场分布，并且向自由空间的过渡几乎没有反射。为此，雷达传感器布置在填充材料的相反方向上，并且波导和孔径布置在填充材料的方向上。

在一实施例中，发射天线装置的孔径大于接收天线装置的孔径。

在一实施例中，发射天线装置的孔径的有效面积大于接收天线装置的孔径的有效面积的两倍。

为了满足辐射要求，发射天线装置可以具有将发射信号聚焦到自由空间所需的最小尺寸或最小孔径面积。为了获得足够的信号质量，有利的是，接收天线装置具有聚焦接收信号的最小尺寸或最小孔径面积。因此，发射天线装置的孔径或有效面积可以大于接收天线装置的孔径或有效面积，优选地大于接收天线装置的孔径的两倍。在此，孔径可以被设计成诸如圆形、椭圆形或矩形等不同的形状，并且孔径的尺寸可以通过各个孔径的直径或对角线长度来确定。

在一实施例中，发射天线装置和接收天线装置的孔径面积之和大于布置有发射天线装置和接收天线装置的孔径的壳体的面积的50％，优选地大于该面积的90％。

壳体可以被尽可能紧凑地设计。在此，发射天线装置和接收天线装置可以布置成彼此紧密相邻。另外，发射天线装置和接收天线装置的孔径可以很大程度地占据布置有发射天线装置和接收天线装置的孔径的区域。因此，发射天线装置和接收天线装置的孔径面积之和可以至少为布置有发射天线装置和接收天线装置的孔径的壳体的面积的50％，优选为该面积的90％。

在一实施例中，发射天线装置具有喇叭天线。在一实施例中，接收天线装置具有喇叭天线。孔径辐射器或喇叭辐射器是通过辐射开口(孔径)发射或接收电磁能的天线。喇叭天线或喇叭辐射器是由金属体制成的微波天线，该金属体近似于指数曲线漏斗或中空锥体的形状，即，通常通过波导馈入的指数线。孔径辐射器通常具有逐渐变宽以形成喇叭的波导形状。与波长相比，喇叭天线的有效面积的几何尺寸越大，则聚束的辐射功率就越强，由此实现更高的方向性因子。为此，发射天线装置和/或接收天线装置可以包括喇叭天线。在此，喇叭天线可以具有不同的喇叭天线形状，例如，角锥形、圆锥形或指数曲线形。

在一实施例中，喇叭天线具有透镜。可以将透镜安装到喇叭天线的孔径上，该透镜可用于进一步聚焦发射信号或接收信号。

在一实施例中，发射天线装置具有贴片天线。在一实施例中，接收天线装置具有贴片天线。作为孔径辐射器的替代，发射天线装置和/或接收天线装置可以包括贴片天线。贴片天线通常为矩形的金属面，其长边对应于波长长度的一半。贴片天线也可以被设计成阵列。该阵列可以包括多个单独的金属面，每个金属面的长边可以为波长的一半。这意味着金属面用作谐振器，并且贴片天线可以具有方向效应。通过使用平面辐射器元件(即，贴片天线)，可以降低制造成本，并且可以确保分离的发射天线装置和接收天线装置的简单构造。因此，物位雷达天线装置可以被设计为以下形式：

i)发射天线装置-喇叭天线，接收天线装置-喇叭天线

ii)发射天线装置-喇叭天线，接收天线装置-贴片天线

iii)发射天线装置-贴片天线，接收天线装置-喇叭天线

iv)发射天线装置-贴片天线，接收天线装置-贴片天线

本发明还包括一种物位雷达设备，其具有上述的物位雷达天线装置。物位雷达设备还可包括用于操作物位雷达设备的电池、用于显示例如存储有填充材料的容器中的物位的显示器和/或用于例如经由蓝牙、WLAN等传输物位的通信装置。集成在物位雷达设备中的物位雷达天线装置使物位雷达设备能够紧固在容器的外侧，优选地紧固在外部容器顶盖上。以此方式，即使可靠地测量了物位，容器仍可以保持封闭。通过将发射天线装置和接收天线装置相邻放置在物位雷达天线装置中，可以以紧凑的方式构造物位雷达设备，这有助于实用且容易地处理物位雷达设备。

本发明还包括具有上述的物位雷达设备的容器。容器可以由塑料、玻璃或金属制成。容器可以例如为IBC容器(IBC：中型散装容器)或GRP罐(GRP：玻璃纤维复合材料)，其用于存储填充材料并通过盖子封闭。优选地，容器顶盖可以具有例如由塑料、玻璃或陶瓷制成的窗户，由此可以从物位雷达天线装置传输发射和接收信号。

在一实施例中，安装有物位雷达设备的容器的材料与物位雷达天线装置的壳体的材料相同。以此方式，可以避免在物位雷达天线装置与容器之间的发射和接收信号的阻抗跳跃，从而能够精确地测量容器中的物位。

本发明的其它特征、优点和可能的应用在以下的说明、实施例和附图中得出。说明的和/或示出的所有特征可以独立于它们在各个权利要求、附图、句子或段落中的表达彼此组合。在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的物体。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的物位雷达天线装置。

图2示出了根据另一实施例的物位雷达天线装置。

图3示出了根据另一实施例的物位雷达天线装置。

图4示出了根据另一实施例的物位雷达天线装置。

具体实施方式

图1和图2示出了用于测量容器中的物位的物位雷达天线装置10。物位雷达天线装置10具有发射天线装置20和接收天线装置30。发射天线装置20在容器所存储的填充材料的填充材料表面的方向上发送发射信号，并且接收天线装置30接收在填充材料表面上反射的发射信号。发射天线装置20和接收天线装置30在壳体40中彼此相邻地布置。因此，不需要将发射天线装置和接收天线装置相对彼此调整。壳体40可以是正方形、圆锥形、圆柱形或半球形的，并且例如由与容器相同的材料制成。发射天线装置20和接收天线装置30具有孔径辐射器(Aperturstrahler)，其中，发射天线装置20的孔径大于接收天线装置30的孔径。例如，发射天线装置20的孔径直径可以大于接收天线装置30的孔径直径的两倍。特别地，发射天线装置20可以具有满足辐射要求(例如，发射信号在填充材料方向上的聚焦)的最小尺寸。相反地，接收天线装置30可以明显更小，使得其仍然能接收恰好足够的反射信号的能量，以便能够以期望的质量对其进行进一步处理和评估。然而，接收天线装置30应足够大以接收信号。另外，为了使壳体40以及因此的物位雷达天线装置10尽可能紧凑，发射天线装置和接收天线装置的孔径面积的总和可以大于布置有发射天线装置和接收天线装置的孔径的壳体的面积的50％，优选地大于该面积的90％。在图1和图2中，具有透镜的喇叭天线用于发射天线装置20和接收天线装置30。可选地，发射天线装置和/或接收天线装置可以具有用于进一步聚焦信号的透镜。

图3示出了物位雷达天线装置10，其中发射天线装置和接收天线装置被设计为贴片天线。贴片天线能够实现物位雷达天线装置10的简单构造，并且能够更低成本地制造物位雷达天线装置10。在使用贴片天线时，发射天线装置20也可以大于接收天线装置30。特别地，发射天线装置20的天线面积可以大于接收天线装置30的天线面积的两倍，以便充分地聚焦发射信号。

图4示出了物位雷达天线装置10，其中，发射天线装置20为喇叭天线，而接收天线装置30为贴片天线。在此，发射天线装置20也可以具有最小尺寸，该最小尺寸大于接收天线装置30的天线面积并满足发射要求(例如，发射信号在填充材料方向上的聚焦)。在图4中，将用于进一步聚焦信号的透镜安装在发射天线装置20上。

另外，应指出，“包括”和“具有”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。还应指出，已经参考上述示例性实施例中的一者说明的特征或步骤也可以与上述其它示例性实施例的其它特征或步骤结合使用。权利要求中的附图标记不应视为是限制的。

附图标记列表

10 物位雷达天线装置

20 发射天线装置

30 接收天线装置

40 壳体