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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter mit einer Signalerzeugungseinheit, die hochfrequente Messsignale mit einer Frequenz größer als oder im Wesentlichen gleich 26 GHz erzeugt, mit einer als Antenneneinheit ausgestalteten Sende- und/oder Empfangseinheit, die die Messsignale in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet und die die an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Echosignale empfängt, und mit einer Regel-/Auswerteeinheit, die anhand der Laufzeit der Messsignale den Füllstand des Füllguts in dem Behälter ermittelt. Die Antenneneinheit weist einen Hohlleiter auf, wobei in einem dem Füllgut zugewandten Endbereich des Hohlleiters eine erste gasdichte Prozesstrennung vorgesehen ist, die zumindest teilweise aus einem keramischen Material gefertigt ist und die derart ausgestaltet ist, dass sie die Messsignale nahezu reflektionsfrei passieren lässt.
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Radar-Messgeräte bestimmen den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter über die Laufzeit von Messsignalen. Bei Laufzeitverfahren wird die physikalische Gesetzmäßigkeit ausgenutzt, dass die Laufstrecke gleich dem Produkt aus Laufzeit und Ausbreitungsgeschwindigkeit der Messsignale ist. Im Falle der Füllstandsmessung entspricht die Laufstrecke dem doppelten Abstand zwischen Antenne und Oberfläche des Füllguts. Handelt es sich bei den Messsignalen um Mikrowellen-Messsignale, so wird jeweils das Nutzechosignal, also der Anteil der Messsignale, der an der Oberfläche des Füllguts reflektiert wird, und dessen Laufzeit anhand der sog. Echofunktion bzw. der digitalen Hüllkurve bestimmt. Die Hüllkurve gibt die Amplituden der Echosignale als Funktion des Abstandes 'Antenne-Oberfläche des Füllguts' wieder. Der Füllstand selbst lässt sich dann aus der Differenz zwischen dem bekannten Abstand der Antenne von dem Boden des Behälters und dem durch die Messung bestimmten Abstand der Oberfläche des Füllguts von der Antenne bestimmen.
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Bei Mikrowellen-Messgeräten wird unterschieden zwischen Messgeräten, die nach dem Pulsradar-Verfahren arbeiten und breitbandige Hochfrequenzpulse nutzen, und FMCW-Messgeräten (Frequency Modulated Continous Wave), bei denen kontinuierliche Mikrowellen periodisch linear, z. B. mit einer Sägezahnspannung, frequenzmoduliert sind.
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Um eine gleich bleibend gute Messperformance zu gewährleisten, sind die die Messsignale abstrahlenden und empfangenden Antennenelemente und die Messelektronik prozessseitig mit Prozesstrennelementen gegen Umgebungseinflüsse versiegelt. Je nach Einsatzort sind die Füllstandsmessgeräte hohen Temperaturen, hohen Drücken und/oder aggressiven chemischen Medien ausgesetzt. In Abhängigkeit von den am Messort herrschenden Bedingungen sind die Anforderungen, die an den Schutz der empfindlichen Elektronikkomponenten gestellt werden, entsprechend hoch.
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Aus der
WO 2012/007294 A1 ist ein Füllstandsmessgerät zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines im Prozessraum eines Behälters befindlichen Mediums mittels eines Mikrowellen-Laufzeitmessverfahrens bekannt geworden. Das Füllstandsmessgerät besteht aus einer Antenneneinheit und einem Messumformer. Die Antenneneinheit weist einen Hohlleiter und ein Abstrahlelement auf. Ein für Mikrowellen im Wesentlichen durchlässiges Prozesstrennelement ist zwecks Prozesstrennung in den Hohlleiter zwischen dem Messumformer und dem in den Prozessraum hineinragenden Abstrahlelement eingefügt. Um sicherzustellen, dass das Prozesstrennelement thermisch und chemisch den Belastungen standhalten kann, ist das Prozesstrennelement aus einer Keramik gefertigt und weist einen rohrförmigen Hohlkörperbereich und einen sich an den Hohlkörperbereich anschließenden Spitzhohlkörperbereich auf. Der Hohlkörperbereich ist bezüglich seiner Dimensionierung im Wesentlichen an die Form des Hohlleiters angepasst. Die Wandstärke des Spitzhohlkörperbereichs beträgt ungefähr eine halbe Wellenlänge oder ein Vielfaches der halben Wellenlänge der Mikrowellensignale. Hierdurch wird erreicht, dass die Mikrowellensignale möglichst reflexions- und resonanzfrei abgestrahlt bzw. empfangen werden.
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Wird das in der
WO 2012/007294 A1 beschriebene Prozesstrennelement starken mechanischen Belastungen ausgesetzt, z. B. einem entsprechend harten Schlag auf die Spitze, so wird es unter ungünstigen Umständen beschädigt. Selbst wenn das Prozesstrennelement nur eine geringe Beschädigung, z. B. einen Riss, aufweist und die gute Abstrahlcharakteristik der Mikrowellensignale weitgehend erhalten bleibt, so ist die Schutzfunktion, die das Prozesstrennelement erfüllen soll, nach Auftreten der Beschädigung nicht mehr in ausreichendem Maße sichergestellt. Zwar ist üblicherweise vor den zu schützenden Elektronikkomponenten des Messumformers noch eine Glasdurchführung vorgesehen, die entweder geklebt oder verschweißt realisiert ist, doch ist diese nicht dazu geeignet, hohen Drücken, hohen Temperaturen und aggressiven Medien standzuhalten.
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Aus der
EP 2 102 611 B1 ist ein keramisches, als Doppelkegel geformtes Prozesstrennelement bekannt geworden, das in den Hohlleiter eingeglast ist. Zwar ist die optimierte mechanische Belastbarkeit eines aus einer Vollkeramik gefertigten Prozesstrennelements gegeben, jedoch ist die Dimensionierung einer aus einer Vollkeramik gefertigten Prozesstrennung aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstanten der Keramik so klein, dass hier infolge von Ablagerungen von Kondensat oder Füllgut funktionelle Probleme auftreten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands vorzuschlagen, die höchsten Sicherheitsanforderungen auch unter extremen Prozessbedingungen genügt. Unter dem Einsatz bei extremen Prozessbedingungen wird im Zusammenhang mit der Erfindung verstanden, dass das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät insbesondere auch für Temperaturen bis zu 450°C und/oder für Drücke bis zu 160 bar geeignet ist.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem Hohlleiter eine zweite gasdicht ausgestaltete keramische Prozesstrennung vorgesehen ist, die so ausgestaltet ist, dass sie die Messsignale einerseits nahezu reflektionsfrei passieren lässt, und andererseits einer höheren mechanischen Belastung standhält als die erste Prozesstrennung.
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Die erste Prozesstrennung, die unmittelbar den Prozessbedingungen ausgesetzt ist, ist aufgrund ihrer z. B. als Hohlkörper ausgestalteten Form nicht so stabil wie ein Vollkörper aus Keramik. Dafür hat sie den Vorteil, dass sie relativ großzügig dimensioniert sein kann. Wird sie darüber hinaus so ausgestaltet, dass sie sich bevorzugt in Abstrahlrichtung verjüngt, kann Kondensat, das sich ggf. an der Prozesstrennung ablagert, abtropfen. Somit kann sich ablagerndes Kondensat keinen negativen Einfluss auf die Abstrahlcharakteristik und die Messperformance des Messgeräts ausüben.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die erste Prozesstrennung ein Hohlleiterelement aufweist, das näherungsweise den gleichen Innendurchmesser hat wie der Hohlleiter der Antenneneinheit, wobei sich das Hohlleiterelement in Abstrahlrichtung der Messsignale im Wesentlichen verjüngt. Je nach Querschnitt des Hohlleiters hat die Verjüngung entweder eine Kegelform oder eine Pyramidenform. Bevorzugt wird als erste Prozesstrennung, die dem Prozess unmittelbar ausgesetzt ist, ein Prozesstrennelement eingesetzt, wie es in der
WO 2012/007294 A1 detailliert beschrieben ist. Der Offenbarungsgehalt des
WO 2012/007294 A1 betreffend die Ausgestaltung des Prozesstrennelements ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung explizit zuzurechnen.
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Wie bereits in der
WO 2012/007294 A1 offenbart, entspricht die Wandstärke des als erste Prozesstrennung ausgebildeten Hohlleiterelements im Wesentlichen einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen der halben Wellenlänge der Mittenfrequenz der Messsignale. Die Dimensionierung einer reflexionsfrei bzw. reflexionsarm agierenden Prozesstrennung ist immer abhängig von der Wellenlänge der verwendeten Mikrowellen. Je kleiner die Wellenlänge ist, desto kleiner dimensioniert sind üblicherweise auch die Antenneneinheit und die Prozesstrennungen. Übliche Frequenzen, die bei den erfindungsgemäßen Mikrowellen-Messgeräten verwendet werden, liegen bei 26 GHz oder 77 GHz. Es versteht sich von selbst, dass die Nennung dieser Frequenzen bezüglich dem Erfindungsgegenstand keine Einschränkung bedeutet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung handelt es sich bei der zweiten Prozesstrennung um einen Zonentrennkegel, also einen Doppelkegel, der aus einer massiven Keramik gefertigt ist und der in dem Hohlleiter befestigt ist. Ein geeigneter Zonentrennkegel ist beispielsweise aus der
EP 2 102 611 B1 oder der
US 7,283,086 B1 bekannt geworden. Der die Doppelkegel betreffende Offenbarungsgehalt der beiden Patentschriften ist explizit dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung zuzurechnen.
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Wie bereits an vorhergehender Stelle, ist die aus einer Vollkeramik gefertigte zweite Prozesstrennung wesentlich kleiner dimensioniert als die erste Prozesstrennung. Erfindungsgemäß treten an dieser zweiten Prozesstrennung jedoch keine Kondensatablagerung auf, da die zweite Prozesstrennung im Normalfall durch die erste Prozesstrennung geschützt ist. Bevorzugt sind die erste Prozesstrennung und die zweite Prozesstrennung übrigens aus Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid gefertigt oder weisen Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid zumindest als Bestandteil bzw. als Bestandteile auf.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die erste Prozesstrennung und die zweite Prozesstrennung über eine Löt- und/oder Schweißverbindung mit dem Hohlleiter verbunden sind. Diese Verbindungen sind so ausgelegt, dass sie auch extremen Prozessbedingungen widerstehen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, dass sich in Abstrahlrichtung der Messsignale ein Abstrahlelement an den Hohlleiter anschließt. Bei dem Abstrahlelement handelt es sich bevorzugt um ein hornförmiges Element, das in dem Bereich der ersten Prozesstrennung vorgesehen ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung schlägt vor, dass zumindest eine Temperaturreduktionseinheit vorgesehen ist, die den Hohlleiter radial umgibt und die in einem Bereich zwischen der zweiten Prozesstrennung und der Regel-/Auswerteeinheit angeordnet ist.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass – in Abstrahlrichtung gesehen – vor der zweiten Prozesstrennung eine Glasdurchführung angeordnet ist. Die Glasdurchführung ist hierbei entweder zwischen der zweiten Prozesstrennung und der Regel-/Auswerteeinheit oder zwischen der Temperaturreduktionseinheit und der Regel-/Auswerteinheit angeordnet. Somit sind die Elektronikkomponenten dreifach durch Prozesstrennungen abgesichert.
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Nachfolgend sind die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung noch einmal zusammengefasst:
- – Die durch die hohe Dielektrizitätskonstante von Keramik bedingte klein dimensionierte zweite Prozesstrennung ist im Normalfall nicht unmittelbar den mitunter extremen Prozessbedingungen ausgesetzt. Somit tritt die Kondensatproblematik, die die Funktion des Füllstandsmessgeräts erheblich beeinträchtigen kann, nicht auf.
- – Die zweite Prozesstrennung kann als zweite Absicherung oder Barriere – Dual Seal – hinter einer beliebig ausgestalteten ersten Prozesstrennung eingebaut werden. Beim Versagen der ersten Prozesstrennung verhindert die zweite Prozesstrennung, dass die empfindlichen Elektronikteile in Kontakt mit der Prozessumgebung kommen.
- – Versagt die erste Prozesstrennung aufgrund mechanischer Überbeanspruchung, und es lagert sich Kondensat an der zweiten Prozesstrennung ab, so kann beispielsweise ein von der Regel-/Auswerteeinheit detektierter Signalverlust dazu herangezogen werden, einen Ausfall der ersten Prozesstrennung zu signalisieren. Somit lässt sich ein Funktionsfehler detektieren. Das Füllstandsmessgerät kann ausgetauscht werden, bevor es vollends den Dienst versagt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die den Füllstand eines Füllguts in einem Behälter detektiert, und
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2: einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung der Antenneneinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Füllgut
2 ist in dem Behälter
4 gelagert. Zur Bestimmung des Füllstandes dient das Füllstandsmessgerät
1, das in einer Öffnung
12 im Deckel
10 des Behälters
4 montiert ist. Über die Antenneneinheit
11 werden die in der Signalerzeugungseinheit
5 erzeugten Messsignale in Richtung der Oberfläche
3 des Füllguts
2 abgestrahlt. An der Oberfläche
3 werden die gesendeten Signale als Echosignale teilweise reflektiert. Diese Echosignale werden in der Regel-/Auswerteeinheit
7,
8 ausgewertet. Der Regel-/Auswerteeinheit
8 ist eine Verzögerungsschaltung
6 zugeordnet, wie sie beispielsweise in der
DE 31 07 444 A1 beschrieben ist. Die korrekte Taktung von Absendung der Sendesignale und Empfang der Echosignale erfolgt über die Sende-Empfangsweiche
9. Die Komponenten
5,
6,
8,
9 sind Teil des Messumformers und üblicherweise in einem in der
1 nicht gesondert dargestellten Messumformergehäuse angeordnet.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausgestaltung der Antenneneinheit 11 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Antenneneinheit 11 weist einen Hohlleiter 10 zur Führung der Mikrowellen auf. Die Mikrowellen, die in der Signalerzeugungseinheit erzeugt werden, werden über eine Einkopplung in den Hohlleiter 10 eingekoppelt.
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In dem prozessseitigen Endbereich 16 des Hohlleiters 10 der Antenneneinheit 11 ist die erste gasdichte Prozesstrennung 14 vorgesehen. Diese besteht zumindest teilweise aus einem keramischen Material, das auch den extremen Prozessbedingungen standhält, und ist derart ausgestaltet, dass sie die Messsignale nahezu reflektionsfrei passieren lässt. Das Augenmerk ist bei dieser ersten Prozesstrennung 14 neben einem geeigneten Transmissionsverhalten gegenüber Mikrowellen darauf gerichtet, dass die Ausgestaltung so optimiert ist, dass keine Kondensatproblematik auftritt. Zwar geht dies auf Kosten der mechanischen Belastbarkeit der ersten Prozesstrennung 14, jedoch sind die Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit bei der erfindungsgemäßen Lösung weniger streng, da die zweite Prozesstrennung 15 vorhanden ist, die in jeder Situation die Aufgabe einer mechanisch höchst belastbaren Prozesstrennung erfüllt.
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In Abstrahlrichtung gesehen vor der ersten Prozesstrennung 14 ist in dem Hohlleiter 10 die zweite gasdicht ausgestaltete, bevorzugt keramische Prozesstrennung 15 angeordnet. Diese ist gleichfalls so ausgestaltet, dass sie die Messsignale einerseits nahezu reflektionsfrei passieren lässt und andererseits einer höheren mechanischen Belastung standhält als die erste Prozesstrennung 14. Bei der Ausgestaltung und Dimensionierung der zweiten Prozesstrennung 15 muss keine Rücksicht auf die Kondensatempfindlichkeit genommen werden. Das Augenmerk kann hier voll auf das gute Transmissionsverhalten gerichtet werden. Vorteilhafterweise wird als zweite Prozesstrennung 15 ein Doppelkegel aus einer Keramik eingesetzt.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die erste Prozesstrennung 14 ein Hohlleiterelement 17 auf, das näherungsweise den gleichen Innendurchmesser hat wie der Hohlleiter 10 der Antenneneinheit 11. Das Hohlleiterelement 17 verjüngt sich in Abstrahlrichtung der Messsignale im Wesentlichen kegelförmig, falls der Querschnitt des Hohlleiterelements 17 rund ist, und pyramidenförmig, falls der Querschnitt des Hohlleiterelements 17 rechteckig ist. Die Wandstärke des als erste Prozesstrennung 14 ausgebildeten Hohlleiterelements 17 entspricht im Wesentlichen einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen der halben Wellenlänge der Mittenfrequenz der gesendeten und empfangenen Messsignale.
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Um extremen Temperaturen und Drücken ebenso wie chemisch aggressiven Medien standhalten zu können, ist die erste Prozessdichtung
14 aus einer Keramik gefertigt. Bevorzugt kommen Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid zum Einsatz. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der ersten Prozessdichtung
14 ist in den Figuren
3,
4 und
5 und der entsprechenden Beschreibung der
WO 2012/007294 A1 offenbart. Diese Offenbarung ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung zuzurechnen.
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Bevorzugt handelt es sich bei der zweiten Prozesstrennung
15 um einen Zonentrennkegel, also einen Doppelkegel, der aus einer massiven Keramik gefertigt ist und der in dem Hohlleiter
10 befestigt ist. Als Materialien kommen insbesondere Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid zum Einsatz. Der Doppelkegel
15 ist in eine Metallbefestigung
23 eingebracht und über die Metallbefestigung
23 in den Hohlleiter
10 eingebracht. Ein geeigneter Zonentrennkegel
15 mit Befestigung ist beispielsweise aus der
EP 2 102 611 B1 oder der
US 7,283,086 B1 bekannt geworden.
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Die Prozesstrennungen 14, 15 sind in den Hohlleiter 10 der Antenneneinheit 11 eingefügt. Die einzelnen Komponenten, wie die Komponenten 24, 25, 26 und die Prozesstrennungen 14, 15 der Antenneneinheit 11 sind miteinander verschweißt oder verlötet. Die in der 2 gezeigte Dichtung 20 ist bevorzugt als Graphit-Stopfbuchsenpackung ausgestaltet. Die Dämpfungsscheibe 21, die gleichfalls aus einer Keramik gefertigt ist, dient der Dämpfung. Sie ist bevorzugt aus Siliziumkarbid gefertigt. Weiterhin ist eine sog. Anlaufscheibe 22 zwischen den Metallkomponenten der Antenneneinheit 11 vorgesehen.
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Wie bereits an vorhergehender Stelle erwähnt, ermöglicht die doppelte Ausführung der Prozesstrennungen 14, 15 eine Fehlererkennung: Versagt die erste Prozesstrennung 14 aufgrund mechanischer Überbeanspruchung, und als Folge eines Lecks lagert sich Kondensat an der zweiten Prozesstrennung 15 ab, so detektiert die Regel-/Auswerteeinheit 8 eine Abschwächung der empfangenen Messsignale oder sogar im Extremfall einen Signalverlust. Eine Änderung in der Signalstärke oder ein detektierter Signalverlust kann nunmehr dazu herangezogen werden, einen Ausfall der ersten Prozesstrennung 14 zu signalisieren. Ein Funktionsfehler des Füllstandsmessgeräts 1 lässt sich somit detektieren. Das Füllstandsmessgerät 1 kann ausgetauscht werden, bevor es vollends den Dienst versagt.
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Die Temperaturreduktionseinheit 18 umgibt den Hohlleiter 10 im Wesentlichen radial und ist in einem Bereich zwischen der zweiten Prozesstrennung 15 und der Regel-/Auswerteeinheit 8 angeordnet. Desweiteren ist eine Glasdurch-führung 19 zwischen der zweiten Prozesstrennung 15 bzw. der Temperaturreduktionseinheit 18 und der Regel-/Auswerteeinheit 8 vorgesehen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erfindungsgemäße Vorrichtung
- 2
- Füllgut
- 3
- Oberfläche des Füllguts
- 4
- Behälter
- 5
- Signalerzeugungseinheit
- 6
- Verzögerungsschaltung
- 7
- Deckel
- 8
- Regel-/Auswerteeinheit
- 9
- Sende-/Empfangsweiche
- 10
- Hohlleiter
- 11
- Antenneneinheit
- 12
- Öffnung
- 13
- Abstrahlelement
- 14
- erste Prozesstrennung
- 15
- zweite Prozesstrennung
- 16
- Endbereich
- 17
- Hohlleiterelement
- 18
- Temperaturreduktionseinheit
- 19
- Glasdurchführung/26 Ghz Glasdurchführung mit Finneneinkopplung
- 20
- Dichtung/Stopfbuchspackung
- 21
- Dämpfungskeramik
- 22
- Anlaufscheibe
- 23
- Metallbefestigung
- 24
- Sensoradapter
- 25
- Prozessadapter
- 26
- Zwischenadapter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/007294 A1 [0005, 0006, 0011, 0011, 0012, 0028]
- EP 2102611 B1 [0007, 0013, 0029]
- US 7283086 B1 [0013, 0029]
- DE 3107444 A1 [0023]
