用于测量介电值的天线的制作方法

1.本发明涉及一种用于基于高频的介电值测量的天线。


背景技术：

2.在自动化技术中，特别是在过程自动化中，经常使用用于检测各种测量变量的现场设备。待确定的测量变量例如能够是加工厂中介质的填充水平、流量、压力、温度、ph值、氧化还原电势、电导率或介电值。为了检测对应的测量值，现场设备分别包括合适的传感器或基于合适的测量方法。endress+hauser集团公司生产和销售各种类型的现场设备。
3.从复值介电值(也称为“介电常量”或“相对介电常数”)，能够导出当前介质的各种测量变量，诸如水分含量、物质成分或任何杂质。因此，例如介电值的确定对于固体介质(诸如水泥或谷物)以及液体和气体介质(诸如燃料、废水、气体或化学品)都具有重要意义。在这种情况下，原则上能够在存储和流动的介质这两者中确定介电值。因此，术语“容器”在本发明的上下文中被定义为例如罐、筒仓、水池或一段管线。
4.除了用于确定介电值的电感和电容测量原理外，主要使用基于高频的测量原理。在这方面，本专利申请上下文中的术语“高频”是指频率在0.03ghz和300ghz之间的对应信号。除了tdr原理(“时域反射计”)之外，还可以借助于透射或反射高频测量来确定介电值。在透射测量原理的情况下，具有限定频率或频率变化的高频信号被耦合到测量路径中，该测量路径引导通过包含待检查介质的容器内部的介质。在这种情况下，在通过测量路径之后测量振幅/振幅变化和/或相位/相移，以便从中基于对应的校准测量确定例如可能的复值介电值。例如在德国公布de 10 2017 130 728 a1中更详细地描述了一种透射操作的介电值测量设备。
5.取决于加工厂，对基于高频的介电值测量仪器的天线提出了各种设计要求，因为天线可能是与介质直接接触的唯一部件：例如，天线必须耐受，一方面，对于腐蚀性介质、高压和高温。此外，如果可能的话，天线可能不会伸入到容器中。另一方面，天线必须表现出高效的高频信号传输行为。
6.英国专利gb 2 293 014描述了一种基于波导的天线以用于基于高频的介电值测定。在这种情况下，波导由玻璃陶瓷填充物熔入其中的不锈钢主体形成。玻璃填充使天线对容器中的条件具有很高的抵抗力。然而，玻璃填充与复杂的制造相关联。此外，天线不可避免地具有较大的体积，因为玻璃陶瓷具有较低的介电常数。


技术实现要素：

7.因此，本发明的目的在于提供一种耐高压和高温、制造紧凑和易于制造的高效天线用于高频介电值测量。
8.本发明通过一种用于发射和/或接收高频信号的天线来实现该目的，该天线至少包括以下部件：
[0009]-高频波导，高频信号能够借助于该高频波导沿特别地直线波导轴线传输，该高频
波导具有
[0010]
o第一端面，其被定向成近似正交于波导轴线以发射或接收高频信号，并且具有
[0011]
o馈通件，其与波导轴线大致成直角延伸，用于
[0012]-同轴导体，以便将待发射的高频信号耦合到高频波导中，或分接所接收的高频信号，具有
[0013]
o电外导体，其电连接到高频波导，
[0014]
o导体末端，其被设计成使得待耦合或待分接的高频信号在该导体末端处被反射，以及
[0015]
o连接装置，其与导体末端相对以用于天线的高频接触。
[0016]
根据本发明，同轴导体远超出馈通件延伸，使得同轴导体在馈通件和导体末端之间形成限定的电容。
[0017]
以此方式，同轴导体在高频技术方面与高频波导最佳匹配，而不必为此目的集成附加的电气部件。这导致了高效的高频天线，由于其部件很少，因此能够很容易地制造。
[0018]
如果高频波导和同轴导体在结构上至少在馈通件和导体末端之间被载体主体包围，则可以通过将载体主体设计为高频波导的负形状而将高频波导设计为全导体。在这种情况下，载体主体必须被设计成至少在该负形状的表面上是导电的，假设该载体主体不是完全由诸如钢的导电材料制成。作为波导设计的可替选方案，也可以考虑将高频波导设计为介电波导。
[0019]
即使高频波导被设计成波导，如果高频波导填充有在高频信号的对应频率处具有至少2的介电常数的、诸如特别是氧化钛、氧化铝或氧化锆的介电材料，则也是有利的。结果，与充气波导相比，高频波导的尺寸能够显著减小。此外，这些材料在化学和物理方面都非常坚固，这允许天线具有很强的耐压和耐温性。
[0020]
从高频的角度来看，如果相对于波导轴线与第一端面相对的高频波导的第二端面以180
°
的相位跳变来反射高频信号，则也是有利的。如果高频波导是基于介电材料制造的，则能够在第二端面处实现对应的相位跳变，例如，当高频波导的第二端面设置有金属化层时。在高频波导被设计为空心导体的情况下，能够通过第二端面的导电设计实现对应的相位跳变。
[0021]
假设天线与介质之间的高频信号的耦合出和耦合入是最佳的，则这能够最大化介电值测量的灵敏度。因此，如果天线具有比高频信号的(最低)频率低至少10％的截止频率则是有利的。在这方面首先要优化的参数是高频波导的横截面。高频波导中馈通件与第二端面之间的距离应优选地选择为对应于高频信号波长的四分之一。结合在高频波导的第二端面处的180
°
的相位跳变，这导致高频信号在高频波导中产生正向干扰，其将高频信号最大化地耦合入或耦合出高频波导。
[0022]
高频波导中的馈通件与导体末端之间的同轴导体的所得电容被优化地设计使得其补偿高频波导的寄生电容。就此而言，如果同轴导体的导体末端被设计成使得待耦合或待分接的高频信号在导体末端处在没有相位跳变的情况下被反射(例如，借助于同轴导体与载体主体之间的空腔)，则是有利的。
[0023]
根据本发明的天线的简单制造是可能的，特别是，如果高频波导借助于螺纹插入件被固定在载体主体中，该螺纹插入件能够在同轴导体的方向上经由导体末端被拧入到载
体主体中。一种对应的用于制造天线的简单方法包括以下方法步骤：
[0024]-提供高频波导、同轴导体和载体主体，
[0025]-通过用于高频波导的第一端面的在载体主体中的对应开口，将高频波导插入到载体主体中，
[0026]-将同轴导体插入到用于高频波导的馈通件中，以及
[0027]-通过将螺纹插入件拧入到载体主体中来固定高频波导和/或同轴导体。
[0028]
能够在根据本发明的天线的基础上实现用于确定介质的介电值的基于高频的测量设备。为此目的，测量设备包括以下部件：
[0029]-至少一个根据前述实施例变体之一的天线，以便朝向介质发射高频信号，和/或在与介质相互作用之后接收高频信号，
[0030]-信号生成单元，其连接到发射天线的连接装置以生成待发射的高频信号，如果需要，经由发射/接收开关，以及
[0031]-评估单元，其再次可能经由发射/接收开关而连接到用于接收天线的连接装置，以便基于所接收的高频信号来确定介电值。
[0032]
在本发明的上下文中，术语“相互作用(interaction)”是指沿着定义的测量路径(即，在发射天线和接收天线之间)通过介质的传输，或者是指从介质的反射。
[0033]
至少在透射测量原理的情况下，评估单元能够基于接收到的高频信号的振幅、相位或信号传播时间将介质的介电值确定为复值。在此上下文中，原则上，在本发明范围内的术语“单元”被理解为意指针对预期用途而适当设计的任何电子电路。取决于要求，它因此能够是用于生成或处理对应的模拟信号的模拟电路。但是，它也能够是数字电路，诸如fpga或与程序配合的存储介质。该程序旨在执行对应的方法步骤或为相应单元应用必要的计算操作。在此上下文中，用于本发明意义上的测量设备的不同电子单元也能够潜在地访问共同的物理存储器或借助于相同的物理数字电路来操作。
附图说明
[0034]
将参考以下附图更详细地解释本发明。示出如下：
[0035]
图1：管线部段上的基于高频的介电值测量设备，以及
[0036]
图2：根据本发明的用于基于高频的介电值测量的天线的横截面视图。
具体实施方式
[0037]
在图2中图示了管线部段3的横截面视图用于发射介电值测量的一般理解。诸如丙烷、氮气等的气体介质2或诸如燃料、饮料或具有固体状沉积物的废水的液体介质2流过管线部段3。在这种情况下，介质2的介电值dk待确定。为此，发射天线10和接收天线10'彼此相对地布置在管线部段3的内壁上并且彼此对准。发射天线10用于向介质2发射高频信号s
hf
，而接收天线10'接收经过所得测量路径后的高频信号e
hf
。
[0038]
高频信号s
hf
由对应设计的信号生成单元12生成，该信号生成单元为此目的连接到发射天线10。基于接收到的信号e
hf
，介电值测量设备1进而确定介质2的介电值dk。为此目的，介电值测量设备1的评估单元12按顺序连接到接收天线10'以检测接收信号e
hf
的相位、信号传播时间和/或幅度。据此，评估单元12能够例如基于对应的校准数据进而确定介质2
的介电值dk。因此也能够相对于待发射的高频信号s
hf
确定相位或幅度，评估单元12在需要时对应地连接到信号生成单元11，如图1所示。在这种情况下，图1所示的介电值测量设备1中的信号生成单元11例如能够基于pll(“锁相环”)。在此上下文下，信号生成单元11和评估单元12例如能够一起设计为网络分析器。
[0039]
作为图1所示的介电值测量设备1的实施例的可替选方案，介电值测量设备1的天线10、10'中的一个也能够被设计为组合发射/接收天线，而用于高频信号s
hf
、e
hf
的反射器附接在另一个天线10、10'的位置。在这种情况下，信号生成单元11和评估单元12分别经由发射/接收开关各自连接到发射/接收天线。在其另一种变体中，反射器也能够省去，使得评估单元12经由组合发射/接收天线确定的不是发射分量e
hf
，而是在发射/接收天线处反射的所生成的高频信号s
hf
的分量。类似于透射方法，在这种反射方法的情况下，介质2的介电值能够经由所生成的高频信号s
hf
的反射分量来确定。
[0040]
图2示出了根据本发明的天线结构，其能够是设计紧凑、易于生产并且允许大的耐压和耐温性。此处所示的天线结构——其能够用作发射天线10和接收天线10'这两者——的核心是高频波导100，其中待发射的高频信号s
hf
和待接收的高频信号e
hf
能够沿直线波导轴线a传输。朝向介质2，高频波导100终止于第一端面1001。因此待发射的高频信号s
hf
能够经由第一端面1001以低损耗耦合到介质2中，或者使得待接收的高频信号e
hf
能够以低损耗耦合到高频波导100中，第一端面1001的朝向与波导轴线a近似正交。高频波导100沿波导轴线a的横截面形状(例如圆形或矩形)和横截面尺寸针对高频信号s
hf
、e
hf
的频率进行优化。
[0041]
在图2所示的实施例中，高频波导100由介电材料制成。在这种情况下，高频波导100的尺寸能够设计得越小，介电材料在高频信号s
hf
、e
hf
的对应频率下的介电常数越高。适用于此目的的材料——其具有大于二的介电常数并且附加地具有可靠的耐压性和/或耐温性——例如是氧化钛、氧化铝或氧化锆。可选地，除了第一端面1001之外，hf波导100能够在外部提供金属化以进一步改善高频波导100内的传输。在此上下文中，如果高频波导100的与第一端面1001的波导轴线a相对的第二端面1003以180
°
的相位跳变来反射高频信号s
hf
、e
hf
则是有利的。
[0042]
在高频方面，高频波导100由信号生成单元11或评估单元12经由诸如同轴电缆的同轴电导体101驱动。经由该同轴导体101，信号生成单元11能够将待发射的高频信号s
hf
耦合到高频波导100中，或者评估单元12能够经由同轴导体101分接接收到的高频信号e
hf
。为此目的，连续馈通件1002与波导轴线a成直角地进入到高频波导100，其直径与同轴导体101的外径匹配。在这种情况下，用于同轴导体101的外导体1011电连接到高频波导100。用于同轴导体101的内导体延伸穿过馈通件1002直到同轴导体101的导体末端1012。在这种情况下，馈通件1002被最佳地附接，使得高频波导100的第二端面1003到同轴导体101的距离d对应于高频信号s
hf
、e
hf
的波长的四分之一。结合在第二端面1003处的180
°
的相位跳变，这优化了高频波导100中的传输。
[0043]
在端侧，同轴导体101具有连接装置1013——诸如卡口连接，以用于到同轴导体101或天线10、10'的相应单元11、12的高频连接。与在同轴导体101上的连接装置1013相对的、用于同轴导体101的导体末端1012被设计成使得待耦合或待分接的高频信号s
hf
、e
hf
在那里被反射而没有相位跳变。为此目的，在图2所示的实施例中，同轴导体101被设计为开口导体端。此外，同轴导体101被引导穿过馈通件1002，使得导体末端1012不与馈通件1002齐
平地终止，而是使得导体末端1012以限定的过量长度l突出超过馈通件1002。因此，限定的电容c能够被分配给馈通件1002与导体末端1012之间的同轴导体101。在这种情况下，电容c是根据高频波导100的寄生电容来测量的。
[0044]
为了最大化来自天线10、10'或进入到天线10、10'的高频信号s
hf
、e
hf
的耦合出和耦合入，设置天线10、10'的截止频率，使得截止频率至少比高频信号s
hf
、e
hf
的(最低)频率低10％也是有利的。在此上下文中的主要相关参数是高频波导100相对于波导轴线a的横截面几何形状。另外，高频波导100沿轴线a的全长，即高频波导100的第一端面1001与第二端面1003之间的长度，也必须被设计成使得同轴导体101与高频波导100之间的高频耦合最大。
[0045]
如图2所示，除了连接装置1013之外和除了第一端面1001之外，高频波导100和同轴导体101都被载体主体102包围。在这种情况下，载体主体102以形状配合的方式包围hf波导100，直到高频波导100的第二端面1003形成限定的空腔为止。在这种情况下，该空腔用于借助于粘合剂永久地固定高频波导100。同轴导体101也以形状配合的方式包围载体主体102，直到馈通件1002与导体末端1012之间的长度l。原则上，在假设载体主体102的形状配合设计的情况下，天线10、10'能够密封管线部段3的相应开口，天线10、10'附接在该开口上以抵抗超压。
[0046]
在天线10、10'的完成状态下，高频波导100最初唯一地借助于螺纹插入件1021被固定在载体主体102中。从图2中能够看出，为此目的借助于对应的螺纹而提供载体主体102和螺纹插入件1021，使得螺纹插入件1021能够经由在同轴导体101的方向上的导体末端1012被拧入到载体主体102中。结果，当处于拧入状态时，螺纹插入件1021经由与波导轴线a正交的弹簧元件1022将高频波导100压靠在载体主体102上。附加的粘合剂可以被注入到第二端面1003后面的空腔中以永久地固定高频波导100。在这种情况下，围绕同轴导体101的密封圈1023被附加地布置在弹簧元件1022与高频波导100之间以用于对介质2或粘合剂进行密封。然而，为了制造天线10、10'，高频波导100必须首先经由用于第一端面1001的载体主体102中的对应开口而被插入，在装配状态下、在拧入之前，该第一端面1001朝向介质2。此外，必须将同轴导体101插入到高频波导100的馈通件1002中，其中这能够在拧入螺纹插入件1021之前或之后进行。总的来说，因此天线10、10'能够在几个制造步骤中生产。
[0047]
附图标记列表
[0048]
1介电值测量设备
[0049]
2介质
[0050]
3管线部段
[0051]
10发射天线
[0052]
10'接收天线
[0053]
11信号生成单元
[0054]
12评价单元
[0055]
100高频波导
[0056]
101同轴导体
[0057]
102载体主体
[0058]
1001高频波导的第一端面
[0059]
1002高频波导中的馈通件
[0060]
1003高频波导的第二端面
[0061]
1011同轴导体的电外导体
[0062]
1012同轴导体的导体末端
[0063]
1013连接装置
[0064]
1021螺纹插入件
[0065]
1022弹簧元件
[0066]
1023密封圈
[0067]
a波导轴线
[0068]
c同轴导体的电容
[0069]
dk介电值
[0070]
d第二端面到馈通件的距离
[0071]ehf
所接收的高频信号
[0072]
l馈通件后方的同轴导体的长度
[0073]shf
高频信号

技术特征：
1.一种用于发射和/或接收高频信号(s
f
、e
hf
)的天线(10、10')，包括：-高频波导(100)，所述高频信号(s
hf
，e
hf
)能够借助于所述高频波导沿波导轴线(a)发射，所述高频波导具有o第一端面(1001)，所述第一端面被定向为与所述波导轴线(a)近似正交，以用于分别向介质(2)发射所述高频信号(s
hf
，e
hf
)和从所述介质(2)接收所述高频信号(s
hf
，e
hf
)，以及具有o近似正交于所述波导轴线(a)延伸的馈通件(1002)，用于-同轴导体(101)，所述同轴导体用于将待发射的高频信号(s
hf
)耦合到所述高频波导(100)中，或用于分接所接收的高频信号(e
hf
)，所述同轴导体具有o电外导体(1011)，所述电外导体电连接到所述高频波导(101)，o导体末端(1012)，所述导体末端被设计成使得待耦合或待分接的高频信号(s
hf
，e
hf
)在所述导体末端处被反射，以及o连接装置(1013)，所述连接装置与所述导体末端(1012)相对，以用于所述天线(10、10')的高频接触，其中，所述同轴导体(101)超出地(l)被引导穿过所述馈通件(1002)，使得所述同轴导体(101)在所述馈通件(1002)与所述导体末端(1012)之间形成限定的电容(c)。2.根据权利要求1所述的天线，包括：-载体主体(102)，所述载体主体至少在所述馈通件(1002)与所述导体末端(1012)之间包围所述高频波导(100)和所述同轴导体(101)。3.根据权利要求1或2所述的天线，其中，所述高频波导(100)被设计为波导或介电波导。4.根据权利要求3所述的天线，其中，在所述高频波导(100)被设计为介电波导的前提下，所述高频波导(100)由在所述高频信号(s
hf
，e
hf
)的对应频率下具有至少2的介电常数的介电材料、特别是tiox、alox或zrox制成。5.根据权利要求3或4所述的天线，其中，在所述高频波导(100)被设计为介电波导的前提下，所述高频波导(100)除了所述第一端面(1001)外均镀有电镀层。6.根据前述权利要求中至少一项所述的天线，其中，所述高频波导(100)包括第二端面(1003)，所述第二端面针对所述第一端面(1001)关于所述波导轴线(a)相对，并且以180
°
的相位跳变来反射所述高频信号(s
hf
，e
hf
)。7.根据权利要求6所述的天线，其中，所述馈通件(1002)与所述第二端面(1003)之间的距离(d)为所述高频信号(s
hf
，e
hf
)的波长的四分之一。8.根据前述权利要求中任一项所述的天线，其中，所述高频波导(100)的横截面的尺寸被设计为使得所述天线(10、10')的截止频率比所述高频信号(s
hf
，e
hf
)的频率低至少10％。9.根据前述权利要求中的一项所述的天线，其中，用于所述同轴导体(101)的所述导体末端(1012)被设计成使得待耦合或待分接的高频信号(s
hf
，e
hf
)在所述所述导体末端处在没有相位跳变的情况下被反射。10.根据权利要求2至9中至少一项所述的天线，其中，所述高频波导(100)借助于螺纹插入件(1021)被固定在所述载体主体(102)中，所述螺纹插入件能够在所述同轴导体(101)的方向上经由所述导体末端(1012)被拧入到所述载体主体(102)中。
11.一种用于制造根据权利要求10所述的天线(10、10')的方法，包括以下方法步骤：-提供高频波导(100)、同轴导体(101)和载体主体(102、1021、1022、1023)，-通过用于所述高频波导(100)的第一端面(1001)的在所述载体主体(102)中的对应开口，将所述高频波导(100)插入到所述载体主体(101)中，-将所述同轴导体(101)插入到用于所述高频波导(100)的所述馈通件(1002)中，以及-通过将所述螺纹插入件(1021)拧入到所述载体主体(101)中来固定所述高频波导(100)和/或所述同轴导体(101)。12.一种用于确定介质(2)的介电值(dk)的基于高频的测量设备(1)，包括：-至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的天线(10、10')，以便朝向所述介质(2)发射高频信号(s
hf
)，和/或在与所述介质(2)相互作用后接收所述高频信号(e
hf
)，-信号生成单元(11)，所述信号生成单元连接到用于发射天线(10)的连接装置(1013)以生成待发射的高频信号(s
hf
)，以及-评估单元(12)，所述评估单元连接到用于接收天线(10、10')的连接装置(1013)，以用于至少基于所接收的高频信号(e
hf
)来确定所述介电值(dk)。13.根据权利要求12所述的介电值测量设备，其中，所述评估单元(12)被设计成基于所接收的高频信号(e
hf
)的振幅、相位或信号传播时间来确定所述介电值(dk)。

技术总结
本发明涉及一种用于基于高频的测量设备(1)的天线(10、10')，其用于确定介质(2)的介电值。为了发射和/或接收对应的高频信号(S


技术研发人员：斯特凡
受保护的技术使用者：恩德斯+豪斯流量技术股份有限公司
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2023/8/24