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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung beziehungsweise
ein Verfahren gemäß den Oberbegriffen
des Hauptbeziehungsweise Nebenanspruchs.
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Die
Füllstandsmessung
mittels Radar (radio detecting and ranging) ist, insbesondere in
der chemischen Industrie, sehr verbreitet. Gemäß den herkömmlichen Messverfahren wird
ein Radarsignal, das in einem bestimmten Frequenzband liegt, in Richtung
eines Messobjektes ausgesendet. Bildlich kann davon gesprochen werden,
dass dieses Messobjekt "beleuchtet" wird. Die von dem
Messobjekt erzeugten Reflexionen können dann mittels einer elektronischen
Vorrichtung ausgewertet werden. Je nach der Art des Messverfahrens
kann eine Entfernungsinformation beispielsweise in Form einer von
der Laufzeit abhängigen
charakteristischen Phaseninformation oder direkt durch ein Laufzeitverhalten
ermittelt werden.
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Zum
Stand der Technik wird auf die Doktorarbeit von Herrn Dr. Martin
Nalezinski "FMCW-Radarsensoren
bei 24 GHz im planaren Aufbau zur Füllstandsmessung" der Fakultät für Elektro-
und Informationstechnik an der Universität der Bundeswehr in Neubiberg
bei München,
insbesondere Seite 5 bis Seite 19 hingewiesen, deren Inhalt hier
vollständig zur
Offenbarung dieser Anmeldung gehört.
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Gemäß herkömmlichen
Entfernungsmesssystemen auf Radarbasis ist die Messgenauigkeit unmittelbar
von der zur Verfügung
stehenden Bandbreite des Radarsignals abhängig. Größere zur Verfügung stehende
Bandbreiten erlauben höhere Messgenauigkeiten
und bessere Einzelzielauflösungen.
Dies ergibt sich aus der Messung im Frequenzbereich mit anschließender Fourier-Transformation
in den Zeitbereich (siehe Gleichung 2.40 der vorstehend genannten
Doktorarbeit von Dr. Nalezinski).
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Eine
hohe Messbandbreite bewirkt gemäß der Radartheorie
unmittelbar eine vergleichsweise bessere räumliche Auflösung, dadurch
ein besseres Abbild der Umgebung und dadurch in der Praxis eine umfassendere
Verwendungsmöglichkeit
eines entsprechenden Radars.
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Herkömmliche
Systeme umfassen eine Sende- und eine Empfangseinrichtung, wobei
je nach Sensoraufbau lediglich eine Antenne ausreichend sein kann.
Herkömmlicherweise
werden ebenso getrennte Antennen für das Senden beziehungsweise Empfangen
verwendet. Eine herkömmliche
mögliche Variante,
neben der Wellenausbreitung im freien Raum, ist das Messen mittels
geführter
Wellen, wobei die Mikrowellensignale nicht abgestrahlt werden, sondern
in einer geeignet ausgeführten
Leitungsanordnung geführt
werden. Eine Verwendung einer solchen Messanordnung ist beispielsweise
die Füllstandsmessung
in Flüssigkeitstanks
ohne Rührwerk. Eine
herkömmlich
verwendete Leitung zur Wellenführung
ist beispielsweise eine Zweidrahtleitung. Ebenso werden Hohlleiter
verwendet. Entlang dieser Leitungen breiten sich die Mikrowellensignale
aus und werden beispielsweise an der Grenzfläche von Luft zum zu messenden
Medium reflektiert. Dabei muss die Zweidrahtleitung in das zu messende
Medium eintauchen. Abschließend
werden Phasen- oder Laufzeitinformationen ausgewertet. Herkömmlicherweise
werden Mikrowellen mittels Zweidrahtleitungen hinsichtlich ihrer
Wellenausbreitung derart geführt,
dass auf dieser Grundlage die benötigten Sendeleistungen niedrig
sein können.
Im Hinblick auf störende
Mehrwegausbreitungseffekte ergeben sich sehr robuste Lösungen.
Die Messgenauigkeit in Bezug auf die verfügbare Mikrowellenbandbreite
ist im Vergleich zur ungeführten
Wellenausbreitung jedoch nicht verbessert. Ebenso ist bei Verwendung
von Zweidrahtleitungen im Allgemeinen die Mehrzielauflösungsfähigkeit über den
Abstand, im Vergleich zu Bestrahlten Wellen nicht höher. Eine
hinreichende Mehrzielauflösungsfähigkeit
ist insbesondere für
die Ausblendung von Störzielen
erforderlich. Beim Stand der Technik stehen insbesondere Bandbreiten
von etwa 100 MHz im 2,45 GHz ISM-Band zur Verfügung – "ISM" ist
die Abkürzung
für "Industrial, Scienti fic, Medical" und bezeichnet ein
Frequenzband, das frei von (insbesondere rechtlichen) Nutzungsbeschränkungen
ist, beispielsweise große
Sendeleistungen erlaubt und beispielsweise bei Mikrowellenöfen oder medizinischen
Geräten
genutzt wird. Bei 24 GHz beträgt
die nutzbare Bandbreite beispielsweise 250 MHz. Diese Frequenzen
gelten heute als technologisch erschlossen und erlauben Sensorikanwendungen
bei wirtschaftlichen Hardwarekosten. Die Mehrzielauflösung dieser
Systeme, die bei 2,45 GHz etwa einen Meter beträgt und bei 24 GHz bei etwas
unter einem halben Meter liegt, ist jedoch niedrig.
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Es
ist damit Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung beziehungsweise
ein Verfahren zur Radarmessung des Füllstands eines Füllmediums
in einem Behältnis
derart bereitzustellen, dass lediglich eine niedrige Sendeleistung
erforderlich ist, im Hinblick auf Mehrwegeausbreitungseffekte Robustheit
gegeben ist sowie eine hohe Messgenauigkeit und ein hohes Auflösungsvermögen bewirkt
werden.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und mittels
eines Verfahrens gemäß dem Nebenanspruch
gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt die Ausbreitungseigenschaften von Wellen
auf bestimmten Verzögerungsleitungen
zur Steigerung insbesondere der Auflösungsfähigkeit von radargestützten Füllstandsmessanlagen.
Zur Führung
der Welle in einem solchen System kann beispielsweise eine so genannte Helixleitung
verwendet werden, deren Dispersionsrelation, auch k-Faktor genannt,
sich im Vergleich zu beispielsweise TEM-Leitungsstrukturen vor allem im Anstieg
des k-Faktors mit der Frequenz unterscheidet. "TEM" ist
eine Abkürzung
von "transversal
elektromagnetisch" und
bedeutet, dass das elektrische Feld und das Magnetfeld senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung liegen. Ein Beispiel für eine TEM-Leitungsstruktur
ist ein Koaxialkabel. Hohlleiter und Helixleiter sind keine TEM-Leitungsstrukturen.
Im Freiraum, also für
Bestrahlte Wellen, beträgt
der k-Faktor k = ω/c
(k: Wellenzahl, ω:
Kreisfrequenz; c: Lichtgeschwindigkeit im die Leitung einbettenden
Medium, zumeist Luft). Bei geführten
Wellen auf Zweidrahtleitungen wird der k-Faktor durch vorstehende
Gleichung beschrieben. Im Unterschied dazu gibt es eine Klasse so
genannter "längsinhomogener" Leitungen, bei denen
der Zusammenhang von k und ω nicht
dieser einfachen Beziehung folgt. Leitungen, bei denen der k-Faktor
größer als ω/c ist,
nennt man auch Verzögerungsleitungen.
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Die
Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen in der Möglichkeit,
ein Radarsystem bei hohen Frequenzen und mit hoher Bandbreite durch
ein System mit niedriger Bandbreite bei niedrigeren Frequenzen zu
ersetzen. Sowohl die Bandbreite, als auch die Frequenz einer Radarmessvorrichtung
bzw. eines Radarmessverfahrens haben starken Einfluss auf die technische
Ausführbarkeit
und die Kosten eines solchen Systems. Zudem ermöglicht die Erfindung erstmals
die Realisierung entsprechender Radare im 2,4 GHz-Band, das das
einzige weltweit zugelassene ISM-Band ist, und schafft damit a priori
die teilweise erheblichen Hürden
nationaler Funkzulassungsverfahren bereits aufgrund dieser Lösung.
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Herkömmliche
Vorrichtungen zur Radarmessung weisen insbesondere eine Steuerung,
eine entsprechende Signalerzeugungseinrichtung, Sende- und Empfangszweige,
insbesondere eine Mischeinrichtung zur Mischung von Sende- und Empfangssignal
sowie eine Radarauswerteeinrichtung auf.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Verzögerungsleitung mindestens eine
mäanderförmig verlaufende
Leitung aufweisen. Auf diese einfach Weise kann der erforderliche
k-Faktor größer als ω/c erzeugt
werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Verzögerungsleitung
mindestens eine spiralförmig
verlaufende Leitung aufweisen. Mit dieser ebenso Helixleitung genannten
Ausführungsform
kann mit dem Verhältnis
von Helixumfang zu Helixsteigung ein Übersetzungsverhältnis eingestellt werden,
das näherungsweise
das Verhältnis
der Ausbreitungskonstanten der geführten Welle zu denen einer
Freiraumwelle bestimmt. Bei gleicher Frequenz können mittels einer Verzögerungsleitung
wesentlich kleinere Wellenlängen
im Vergleich zu einer Freiraumwelle erzeugt werden. Eine Verzögerungsleitung
kann beispielsweise als Doppel- oder Mehrfachhelixleitung geschaffen
sein.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung können
die verwendbaren Radarfrequenzen im 2,45 GHz-ISM-Band liegen. Das
heißt,
bereits mit diesen niedrigen Radarfrequenzen können die zur Füllstandsmessung
erforderlichen Radarwellenlängen erzeugt
werden. Dieses 2,45 GHz ISM-Band ist besonders bevorzugt, da dieses
im Wesentlichen frei von Beschränkungen
hinsichtlich der Verwendung ist, und zwar global.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich die Leitungsanordnung
in dem das Füllmedium
aufnehmenden Behältnis
vollständig vertikal.
Die Leitungsanordnung reicht bevorzugt von in Schwerkraftrichtung
oben bis zum Boden des Behältnisses.
Mit anderen Worten kann sich die Leitungsanordnung bevorzugt von
einer möglichen
Decke des Behältnisses
bis zum Boden des Behältnisses
erstrecken. Beispielsweise ist die Radarvorrichtung, und zwar ohne
die Leitungsanordnung, oberhalb der Decke des Behältnisses
angeordnet. Die Leitungsanordnung erstreckt sich beispielsweise
von oben in das Volumen des Behältnisses.
Mittels dieser Ausgestaltung können
alle Füllstände beziehungsweise
Füllmediumshöhen auf
einfache Weise erfasst werden. Die Leitungsanordnung kann am Boden
des Behältnisses
fixiert werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung durchstößt die Leitungsanordnung lediglich die
möglichen
Grenzflächen
von einem, insbesondere gasförmigen,
Restmedium zum, insbesondere flüssigen
Füllmedium.
Das Restmedium ist das Medium, mit dem das Füllmedium das Volumen des Behältnisses
teilt.
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Die
Leitungsanordnung erstreckt sich bevorzugt von dem möglichen
Höchststand
bis zum möglichen
Tiefststand des Füllmediums.
Genügt
die geometrische Anordnung der Vorrichtung zur Radar-Messung zu
dem Behältnis,
und damit zu dem Füllmedium,
dieser Bedingung, muss sich die Leitungsanordnung nicht entlang
der gesamten vertikalen Ausdehnung des Behältnisses vertikal erstrecken.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Behältnis ein Tank, insbesondere
ein Tank für
Flüssigkraftstoffe,
ein See oder ein Fluss. Die vorliegende Erfindung kann damit speziell
für diese
Art der Behältnisse
vorteilhaft angewendet werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Füllmedium Wasser oder Flüssigkraftstoff.
Das gasförmige
(Rest-) Medium kann beispielsweise Luft sein. Damit ist die vorliegende
Erfindung vielseitig verwendbar.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die elektrisch leitende
Verzögerungsleitung
eine Oberflächenbeschichtung
aus einem Kunststoff auf. Auf diese Weise wird eine Schutzschicht
zur Vermeidung einer chemischen Reaktion der Verzögerungsleitung
mit dem Füllmedium
erzeugt. Andere dem Schutz dienende Materialien sind ebenso denkbar.
Die Dicke der Schutzschicht sollte zur ausreichenden Erfassung der
Füllstandshöhe klein
sein.
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Gemäß einem
erfindungsgemäßen Verfahren
gemäß dem Nebenanspruch
werden zur Radar-Messung des Füllstands
eines ein Behältnis
auffüllenden
Füllmediums
elektromagnetische Wellen entlang einer als Leitungsanordnung dienenden
Verzögerungsleitung
geführt.
Das Füllmedium
füllt das Behältnis bis
zu einer bestimmten Füllhöhe. Diese Füllhöhe wird
erfasst.
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Radarvorrichtungen
werden gesteuert. Es werden Signale erzeugt, die gesendet und empfangen
werden. Sende- und Empfangssignale werden herkömmlicher Weise gemischt und
hin sichtlich der Abstandsinformation ausgewertet. Die Signale sind elektromagnetische
Wellen.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer herkömmlichen
Vorrichtung zur Radarmessung;
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer herkömmlichen
Füllstandsmessung
mittels Radar;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer herkömmlichen
Füllstandsmessung
mittels Radar;
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4 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Füllstandsmessung
mittels Radar.
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1 zeigt
eine herkömmliche
Vorrichtung zur Radarmessung, insbesondere den Aufbau eines kohärenten Radarsensors.
Diese herkömmliche
Vorrichtung zur Radarmessung weisen insbesondere einen Rampengenerator,
eine Signalquelle, einen Zirkulator, eine Antenne, einen Empfangsmischer
sowie eine Radarauswerteeinrichtung auf. Es werden Radar-Signale
erzeugt, die über
die Antenne gesendet und empfangen werden. Sende- und Empfangssignale
werden herkömmlicher
Weise gemischt und danach hinsichtlich der Abstandsinformation ausgewertet.
Das Sendesignal wird einer Übergangsfläche zwischen
verschiedenen Medien mit unterschiedlichen Brechungszahlen zugesendet
und dort zurückreflektiert.
Das empfangene Signal wird zur Ermittlung des Abstandes der Übergansfläche zur
Radarvorrichtung verwendet. Es ist ein Mischer dargestellt, der
das Empfangssignal mit dem Sendesignal vergleicht und das so erzeugte
Basisbandsignal einer geeigneten Radarauswertung zuführt.
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2 stellt
die Radar-Messung eines Füllstands
eines Füllmediums
in einem Behältnis
mittels Freiraumwellen dar. Es kann hier ebenso von einer Füllstandsmessung
mit einem frei strahlenden Radar gesprochen werden. Dazu wird lediglich
das in Verbindung mit 1 dargestellte Prinzip verwendet. Die Übergangsfläche ist
hier beispielsweise die zwischen Flüssigkraftstoff und Luft, die
in einem Fahrzeugtank enthalten sind. Von der Seite der Decke des
Tanks werden Radarwellen durch Luft senkrecht zur freien Oberfläche des
Flüssigkraftstoffs
aus gesendet. An diesem Spiegel des Flüssigkraftstoffs werden die
Radarwellen reflektiert und durch die Luft hindurch zur Radarmessvorrichtung
zurück
gesendet. In der Radarauswerteeinrichtung erfolgt die Abstands-
beziehungsweise die Füllstandshöhenermittlung
für den
Flüssigkraftstoff.
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3 zeigt
schematisch die Messung mittels Zweidrahtleitung geführter Wellen.
Das Messprinzip entspricht dem, der 1 und 2,
allerdings mit dem Unterschied, dass die Radarwellen entlang zweier
Drahtleitungen geführt
werden und sich damit nicht ungeführt im freien Raum ausbreiten.
Die Zweidrahtleitung erstreckt sich im Wesentlichen vertikal im
Tank. Die zwei Drahtleitungen verlaufen geradlinig und zueinander
parallel.
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4 veranschaulicht
das Radar-Messen des Füllstands
eines Füllmediums
in einem Behältnis,
wobei eine Verzögerungsleitung
zur Führung
der der Messung dienenden elektromagnetischen Radarwellen verwendet
wird.
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Die
Ausführung
der Verzögerungsleitung
ist innerhalb sehr vieler Freiheitsgrade möglich. Als Beispiel können verschiedene
Mäanderleitungen
genannt werden. Bereits genannt wurde die Helixleitung, die auch
zwei- oder mehrlagig gewickelt sein kann.
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Von
Bedeutung ist lediglich, dass die Leitung die Wellenausbreitung
in geeigneter Weise verzögert und
die Gruppenlaufzeit der verwendeten elektromagnetischen Wellen auf
der Leitung im Vergleich zu einer Zweidrahtleitung gleicher Länge erhöht ist.
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Versuche
zur Erfindung wurden durchgeführt mit
einer Spiralfeder mit einem Drahtdurchmesser von 0,8 mm, einem Durchmesser
von 14 mm und einer Steigung von 2 mm.
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Durch
die im Vergleich zur Freiraumwelle wesentlich größeren Ausbreitungskonstanten
der auf der Verzögerungsleitung
geführten
Welle kommt es auf der Leitung bei gleicher Frequenz zu wesentlich kleineren
Wellenlängen.
Dieses Übersetzungsverhältnis im
Vergleich zur Freiraumwelle kann durchaus um etwa 10 herum oder
noch größer sein
und kann in etwa mit dem Verhältnis,
im Fall einer Helixleitung, vom Helixumfang zu Helixsteigerung angenähert werden.
Die Bedeutung dieses Übersetzungsverhältnisses
für die
Anwendung in Radarsystemen kann anschaulich wie folgt erklärt werden:
Das
Erreichen einer Radarwellenlänge
von 3 cm benötigt
bei Freiraumausbreitung eine Frequenz von etwa 24 GHz. Benötigt man
bei dieser Frequenz für seine
Messaufgabe eine Bandbreite von 500 MHz, so kann man eine Mehrzielauflösung von
etwas mehr als einem Meter erzielen. Eine Helixleitung gegebener
physikalischer Länge
mit dem Übersetzungsverhältnis von
10 erscheint nun elektrisch um den Faktor 10 verlängert, so
dass es möglich
ist, die gleiche geführte
Wellelänge
von 3 cm bei einer Frequenz von 2,4 GHz zu erzielen. Aufgrund des Übersetzungsverhältnisses
von 10 reduziert sich die notwendige Bandbreite ebenfalls auf etwa
1/10 (50 MHz).
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die bandbreitenabhängige Entfernungsauflösungsfähigkeit
eines Radars sich stets auf die elektrische Entfernung bezieht.
Eine elektrische Entfernung beziehungsweise Länge entspricht der Laufzeit
der Welle, die mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum multipliziert wird.
Eine Verzögerungsleitung "staucht" dabei die Wellenlänge und
verkleinert diese.
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Ist
die elektrische Länge
um den Faktor 10 höher
als die physikalische Länge,
die die tatsächliche
Länge ist,
so gilt ein solches Verhältnis
zwangsläufig
auch für
die elektrische und physikalische Auflösungsfähigkeit, die bei konstanter
Bandbreite mit dem Übersetzungsverhältnis der
Helix ansteigt.
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Gemäß 4 erstreckt
sich die Leitungsanordnung in dem das Füllmedium aufnehmenden Behältnis vollständig vertikal.
Die Leitungsanordnung dringt von oben in das Behältnis ein. Die Leitungsanordnung
kann alternativ auch vom Boden des Behältnisses in dieses eindringen.
Dazu muss jedoch die Eintrittsstelle für das Füllstandsmedium undurchlässig abgedichtet
sein. Grundsätzlich
kann die Leitungsanordnung beziehungsweise die Verzögerungsleitung
auch schräg,
also unter einem bestimmten Winkel zur Vertikalen angeordnet sein.
Zur Ermittlung der Füllstandshöhe muss
dann lediglich über Triangulationsrechnungen
die tatsächliche
Höhe ermittelt
werden. Die Verzögerungsleitung
kann an der der Auswerteeinrichtung abgewandten Seite an einer Wand
des Behältnisses
befestigt oder fixiert sein.
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Es
ist zudem ausreichend, wenn die Leitungsanordnung sich in dem das
Füllmedium
ausnehmenden Behältnis
lediglich von einem möglichen Höchststand
bis zu einem möglichen
Tiefststand des Füllmediums
erstreckt. Dabei kann die Orientierung der Verzögerungsleitung vertikal, aber
ebenso schräg
sein. Ebenso ist es möglich,
dass in einem Grundzustand die Verzögerungsleitung nicht in das Füllmedium
eintaucht. Es wird dann lediglich ein Ansteigen der Höhe des Füllmediums
im Behältnis
erfasst, falls das Füllmedium
die Verzögerungsleitung benetzt
beziehungsweise, dass der Füllstand
derart ansteigt, dass die Verzögerungsleitung
in das Füllmedium
eintaucht. Damit können
kritische Höhen
erfasst werden. Bei dieser Ausführung
kann eine Füllstandhöhe ab dem
Eintauchen der Verzögerungsleitung
erfasst werden. Es kann die Verzögerungsleitung
entlang einer bestimmten Höhe
ebenso horizontal oder ebenso schräg verlaufen.
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Hinsichtlich
des Füllmediums
und des Restmediums, die sich beide den Raum des Behältnisses teilen,
sind alle Kombinationen zwischen fest (beispielsweise ein Granulat
oder sandar tig), flüssig
und gasförmig
möglich,
solang eine Übergangsfläche zur Trennung
von Medien mit unterschiedlicher Lichtbrechzahl erzeugt wird. Es
können
ebenso zwei flüssige
Medien mittels einer festen Membran getrennt sein. Die Höhenposition
der Membran könnte
dann mittels einer Verzögerungsleitung
erfasst werden. Alle Ausführungsformen
sich beispielhaft und beschränken
die Idee der vorliegenden Erfindung nicht.
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Mögliche Anwendungen
der Erfindung sind allgemein Füllstandsmessungen,
Füllstandsmessungen
besonders in einem kleinen Tank, Füllstandsmessungen von Flüssen, Seen
usw. Insbesondere eignet sich die vorliegende Erfindung zur Anwendung besonders
für so
genannte Low-Cost-Sensorik-Lösungen.