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Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Füllstands eines Schüttguts oder eines zähflüssigen Mediums nach dem Laufzeitprinzip, wobei die Vorrichtung mittels eines Pulsgenerators und einer Richtanordnung Sendepulse sendet und deren an der Oberfläche des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums reflektierten Empfangssignale nach einer vom zu messenden Füllstand abhängigen Laufzeit wieder empfängt und anhand von deren Laufzeiten den Füllstand des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums bestimmt.
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Zur Bestimmung der Laufzeiten können alle bekannten Verfahren angewendet werden, die es ermöglichen, verhältnismäßig kurze Entfernungen mittels reflektierter Mikrowellen zu messen. Die bekanntesten Beispiele sind das Pulsradar und das Frequenzmodulations-Dauerstrichradar (FMCW-Radar). Beim Pulsradar werden periodisch kurze Mikrowellen-Sendepulse gesendet, die von der Oberfläche des Schüttguts reflektiert und nach einer füllstandsabhängigen Laufzeit wieder empfangen werden. Es wird anhand des empfangenen Signals eine Echofunktion abgeleitet, welche die Amplituden des Empfangssignals als Funktion der Zeit wiedergibt. Jeder Wert dieser Echofunktion entspricht der Amplitude eines in einem bestimmten Abstand von der Antenne reflektierten Echos.
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Beim FMCW-Radar wird kontinuierlich ein Mikrowellensignal gesendet, das periodisch linear frequenzmoduliert ist, beispielsweise nach einer Sägezahnfunktion. Die Frequenz des empfangenen Echosignals weist daher gegenüber der Augenblicksfrequenz, die das Sendesignal zum Zeitpunkt des Empfangs hat, eine Frequenzdifferenz auf, die von der Laufzeit des Mikrowellensignals und dessen Echosignals abhängt. Die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal, die durch Mischung beider Signale und Auswertung des Fourierspektrums des Mischsignals gewonnen werden kann, entspricht somit dem Abstand der reflektierenden Fläche von der Antenne.
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Ferner entsprechen die Amplituden der Spektrallinien des durch Fouriertransformation gewonnenen Frequenzspektrums den Echoamplituden. Dieses Fourierspektrum stellt daher in diesem Fall die Echofunktion dar. Aus der Echofunktion wird mindestens ein Nutzecho bestimmt, das der Reflexion des Sendesignals an der Oberfläche des Schüttguts entspricht. Aus der Laufzeit des Nutzechos ergibt sich bei einer bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen unmittelbar die Wegstrecke, welche die Mikrowellen auf ihrem Weg vom Messgerät zur Oberfläche des Schüttguts und zurück durchlaufen. Anhand der Einbauhöhe des Messgeräts über dem Behälter lässt sich hieraus unmittelbar der gesuchte Füllstand berechnen.
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WO 2014019778 A1 beschreibt ein Verfahren zur abbildenden Erfassung eines Radargesichtsfeldes mittels einer Radarmessanordnung. Die Radarmessanordnung umfasst eine Sendeantennenanordnung mit einer Vielzahl von ersten Hornantennenelementen, die derart angeordnet sind, dass jedes Hornantennenelement seine Radarstrahlung in einer anderen Bestrahlungsebene emittiert. Ferner umfasst die Radarmessanordnung eine Empfangsantennenanordnung mit einer Vielzahl von zweiten Hornantennenelementen zum Empfangen der Radarstrahlung von dem Radargesichtsfeld. Das Verfahren umfasst das Emittieren der Radarstrahlung mittels der Sendeantennenanordnung, das Empfangen von Empfangssignalen mittels der Empfangsantennenanordnung, das Bestimmen der Winkelkoordinaten, unter denen die Empfangssignale von der Empfangsantennenanordnung empfangen werden, und das Erzeugen eines zweidimensionalen Bildes des Radarsichtfeldes mittels der Empfangssignale.
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Nachteilig an solch einer Radarmessanordnung ist, dass eine Vielzahl von Hornantennenelementen zum Senden und zum Empfangen der Sende- und Empfangssignale benötigt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die mit einfachen und kostengünstigen Mitteln den Füllstand eines Schüttguts oder eines zähflüssigen Mediums bestimmt.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstad der Erfindung gelöst. Der Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Füllstands eines Schüttguts oder eines zähflüssigen Mediums, umfassend einen ersten Pulsgenerator zum Erzeugen mindestens eines elektromagnetischen Sendepulses, eine erste Richtanordnung zum Richten des mindestens einen Sendepulses in Richtung des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums, dermaßen dass ein Teilbereich der Oberfläche des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums mittels des mindestens einen Sendepulses bestrahlt wird, und der mindestens eine Sendepuls von dem bestrahlten Teilbereich der Oberfläche des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums in Form eines Empfangspulses reflektiert wird, eine Sammellinse zum Erstellen eines Abbilds der Oberfläche des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums mittels des mindestens einen reflektierten Empfangspulses, wobei die Sammellinse das Abbild auf einer Empfangsanordnung sammelt, wobei die Empfangsanordnung mehrere Empfangszellen zum Empfangen des mindestens einen Empfangspulses aufweist, eine Regel-/Auswerteeinheit zum Ermitteln der Laufzeit des mindestens einen Sende- und Empfangspulses mittels eines Laufzeitverfahrens, wobei die Regel-/Auswerteeinheit dermaßen ausgestaltet ist, dass die Regel-/Auswerteeinheit aufgrund der Laufzeit des mindestens einen Sende- und Empfangspulses und des Abbilds der Oberfläche des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums den gemittelten Füllstand des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums bestimmt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird also dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Richtanordnung umfasst, welche die Sendepulse in verschiedene Richtungen auf das Schüttgut oder das zähflüssige Medium umlenkt und eine Empfangsanordnung aufweist, welche die Empfangspulse unabhängig von deren Einfallswinkel empfängt. Vorteilhaft an solch einer Vorrichtung ist, dass lediglich ein Pulsgenerator und eine Empfangsanordnung notwendig sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die erste Richtanordnung ein Antennenelement mit einem Abstrahlelement auf, welches den mindestens einen Sendepuls dermaßen verbreitert, dass der Teilbereich der Oberfläche des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums bestrahlt wird. Da der eine Sendepuls auf dem Teilbereich der Oberfläche des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums verbreitert wird, sind zur Bestrahlung des Teilbereichs der Oberfläche des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums keine weiteren Sendepulse notwendig. Der nachfolgende Sendepuls wird ebenfalls auf demselben Teilbereich der Oberfläche des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums verbreitert, wodurch der Füllstand zu einem späteren Zeitpunkt bestimmt werden kann. So wird ein sich schnell ändernder Füllstand bestimmt.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung weist die erste Richtanordnung mindestens einen beweglichen Spiegel auf, der die Sendepulse des ersten Pulsgenerators nacheinander in verschiedene Richtungen auf das Schüttgut oder das zähflüssige Medium umlenkt, so dass diskrete Bereiche des Teilbereichs der Oberfläche des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums bestrahlt werden. Sind die diskreten Bereiche nah genug beieinander, kann der Füllstand zuverlässig bestimmt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist jeder Empfangszelle ein Hochfrequenzmischer zugeordnet, wobei ein zweiter Pulsgenerator zum Erzeugen mindestens eines Referenzpulses vorgesehen ist, der von einem der Hochfrequenzmischer empfangen wird, wobei jeder Hochfrequenzmischer den Referenzpuls und den Empfangspuls nach dem Pulskorrelationsprinzip zu einem Zwischenfrequenzsignal mischt und das Zwischenfrequenzsignal der Regel-/Auswerteeinheit zur Bestimmung der Laufzeit zuführt. Durch das Pulskorrelationsprinzip werden nicht alle Empfangspulse durch die Regel-/Auswerteeinheit ausgewertet, sondern lediglich die Empfangspulse, die mit dem Referenzpuls korrelieren, wodurch die Regel-/Auswerteeinheit entlastet wird.
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Gemäß einer günstigen Ausführungsform weist der erste und/oder der zweite Pulsgenerator einen CW-Signalgenerator zum Erzeugen von CW-Signalen auf, wobei der erste und/oder der zweite Pulsgenerator jeweils einen optischen Chopper zum Zerhacken des jeweiligen CW-Signals in Sende- bzw. Referenzpulse aufweist, wobei der jeweilige Chopper einen prismenförmigen Körper umfasst, der mittels eines Chopper-Motors um seine Symmetrieachse gedreht wird, und wobei die Seitenflächen des prismenförmigen Körpers verspiegelt sind. Der Umlenkwinkel des auf einer der Seitenflächen einfallenden CW-Signals wird durch Drehung des prismenförmigen Körpers verändert. Dadurch werden in einer bestimmten Richtung des prismenförmigen Körpers, aufgrund der Drehung und daraus resultierenden abwechselnden Bestrahlung der Seitenflächen, Sendepulse erzeugt.
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Gemäß einer günstigen Variante ist die Empfangsanordnung als eine Leiterplatte mit einer ersten Leiterplattenlage und einer zweiten Leiterplattenlage ausgestaltet, wobei die Empfangszelle eine erste Metallschicht zum Empfangen der Empfangspulse und eine zweite Metallschicht zum Empfangen der Referenzpulse umfasst, wobei die erste Metallschicht auf der ersten Leiterplattenlage und die zweite Metallschicht auf der zweiten Leiterplattenlage der Leiterplatte angeordnet ist, wobei der Hochfrequenzmischer sowohl mit der ersten Metallschicht als auch mit der zweiten Metallschicht elektrisch verbunden ist, so dass der Hochfrequenzmischer von der ersten Metallschicht empfangene Referenzpulse und von der zweiten Metallschicht empfangene Empfangspulse nach dem Pulskorrelationsprinzip zu einem Zwischenfrequenzsignal mischt und den Zwischenfrequenzsignal an die Regel-/Auswerteeinheit weitergeleitet. Es versteht sich von selbst, dass die Ausgestaltung der Empfangszelle nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist. Es kommen selbstverständlich auch CCD-Chips in Frage, welche die entsprechende Empfindlichkeit im Mikrowellenbereich aufweisen, um die Empfangspulse zu empfangen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt der elektrische Kontakt zwischen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht mittels einer Durchkontaktierung, die von der ersten Leiterplattenlage zu der zweiten Leiterplattenlage der Leiterplatte führt. Dies ist eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, einen elektrischen Kontakt zwischen der ersten und zweiten Metallschicht herzustellen.
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Gemäß einer günstigen Weiterbildung weist die Leiterplatte eine Metallschicht auf dem Potential einer Signal-Bezugsmasse Masseschicht auf, die bevorzugt zwischen der ersten und zweiten Leiterplattenlage angeordnet ist, so dass die Referenzpulse und die Empfangspulse bezogen auf die Masseschicht gemessen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Oberflächenreflektivität der Oberfläche des Schüttguts oder des zähflüssigen Mediums mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt. Das Verfahren betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Oberflächenreflektivität einer Oberfläche eines Schüttguts oder eines zähflüssigen Mediums, mittels einer Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Verfahrensschritte, Bestimmen einer Amplitude des mindestens einen Sendepulses, Bestimmen einer Amplitude des mindestens einen Empfangspulses, Ermitteln eines Amplitudenverhältnisses zwischen der Amplitude des mindestens einen Sendepulses und der Amplitude des mindestens einen Empfangspulses, Bestimmen der Oberflächenreflektivität der Oberfläche anhand eines Vergleichs zwischen dem ermittelten Amplitudenverhältnis mit einem zu erwartenden Amplitudenverhältnis.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Verfahrensschritte von der Regel-/Auswerteeinheit durchgeführt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1: eine Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem eine Empfangsanordnung beidseitig bestrahlt wird,
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2: eine Skizze des Referenzpfads der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend 1, bei dem die Empfangsanordnung einseitig bestrahlt wird,
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3: eine Skizze des Referenzpfads der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend 2, bei dem die Empfangszellen matrixförmig angeordnet sind,
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4: eine Skizze einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Antennenelement als Richtanordnung,
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5: eine Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend 4, bei dem die Empfangszellen matrixförmig angeordnet sind,
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6: ein Längsschnitt durch eine Empfangsanordnung,
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7: eine skizzierte Ansicht einer Empfangszelle, und
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8: eine skizzierte Ansicht einer Empfangsanordnung mit einer besonderen Anordnung der Empfangszellen.
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1 zeigt eine Skizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1a zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Füllstands eines Schüttguts 13 oder eines zähflüssigen Mediums (nicht dargestellt). Die Vorrichtung umfasst einen ersten Pulsgenerator, der aus einem ersten CW-Signalgenerator 1, einer ersten Parallellinse 3 und einen ersten optischen Chopper 5 besteht. Der erste CW-Signalgenerator 1 sendet CW-Sendesignale 2a und ist im Fokus der ersten Parallellinse 3 angeordnet. Die CW-Sendesignale 2a des CW-Signalgenerators 1 werden mittels der ersten Parallellinse 3 parallelisiert und treffen auf den ersten optischen Chopper 5. Alternativ können die CW-Sendesignale 2a des CW-Signalgenerators 1 mittels einer kleinen Richtantenne (nicht abgebildet) parallelisiert werden.
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Der erste optische Chopper 5 umfasst einen prismenförmigen Körper (nicht dargestellt) und einen ersten Chopper-Motor 4, der den prismenförmigen Körper um seine Symmetrieachse dreht. Der prismenförmigen Körper (nicht dargestellt) weist mehrere, beispielsweise fünf Seitenflächen 5a auf, die für Mikrowellen verspiegelt sind, beispielsweise durch eine aufgedampfte oder massive Metallschicht. Rotiert der prismenförmigen Körper (nicht dargestellt) dermaßen um seine Symmetrieachse, dass das CW-Sendesignal 2a jede der Seitenflächen 5a nacheinander bestrahlt, so können in einer bestimmten Richtung relativ zum ersten Chopper 5 Sendepulse 2bi erzeugt werden. Mit dem ersten Chopper 5 wird das CW-Sendesignal 2a des CW-Signalgenerators 1 zu mehreren Sendepulsen 2bi zerhackt, wobei die Anzahl der Sendepulse 2bi in diesem Ausführungsbeispiel zehn beträgt (i = 10).
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Der erste Chopper 5 sendet die Sendepulse 2bi nacheinander in Richtung einer ersten Blende 6, welche die Pulsbreite der Sendepulse 2bi verkleinert. Nach dem Passieren der ersten Blende 6 treffen die Sendepulse 2bi auf eine erste Richtanordnung, die einen ersten Spiegel 8 umfasst, der mittels eines ersten Motors 7 um seine Längsachse drehbar gelagert ist. Ferner umfasst die erste Richtanordnung einen zweiten Spiegel 9, wobei der erste Spiegel 8 die Sendepulse 2bi auf den zweiten Spiegel 9 umlenkt, der ebenfalls mittels eines zweiten Motors 10 um seine Längsachse drehbar gelagert ist. Die Sendepulse 2bi werden nacheinander von dem zweiten Spiegel 9 auf eine Streulinse 11 umgelenkt.
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Der erste und zweite Spiegel 8, 9 sind mittels des ersten und zweiten Motors 4, 7 dermaßen drehbar gelagert, dass die Sendepulse 2bi je nach Position des ersten und zweiten Spiegels 8, 9 auf verschiedene Stellen der Streulinse 11 auftreffen. In diesem Ausführungsbeispiel weisen der erste und zweite Spiegel 8, 9 zehn verschiedene Positionen auf, so dass die zehn Sendepulse 2bi auf zehn verschiedene Stellen der Streulinse 11 auftreffen.
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Betrachtet man sämtliche zehn Sendepulse 2bi, die nacheinander auf die Streulinse 11 auftreffen, so definieren die zehn Sendepulse 2bi einen Sendestrahl 2b. Die Streulinse 11 ist dermaßen dimensioniert, dass sie den Sendestrahl 2b aufweitet, so dass eine Oberfläche 13 des Schüttguts 12 großflächig durch den Sendestrahl 2b bestrahlt wird. Der Sendestrahl 2b wird an der Oberfläche 13 des Schüttguts 12 in Form eines Empfangsstrahl 2c reflektiert, wobei der Empfangsstrahl 2c wiederum durch mehrere Empfangspulse 2ci definiert wird. Eine dielektrische Sammellinse 14 fängt den Empfangsstrahl 2c ein und fokussiert den Empfangsstrahl 2c auf eine Empfangsanordnung 15. Die Empfangsanordnung 15 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus zehn Empfangszellen 32, die jeweils einen der Empfangspulse 2ci empfangen. Es versteht sich von selbst, dass die Empfangspulse 2ci nicht zeitgleich bei den Empfangszellen 32 ankommen, sondern in der Reihenfolge, in der sie an der Oberfläche 13 des Schüttguts 12 reflektiert werden.
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Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen zweiten Pulsgenerator zum Erzeugen von Referenzpulsen. Der zweite Pulsgenerator umfasst einen zweiten CW-Signalgenerator 18, eine zweite Parallellinse 19 und einen zweiten optischen Chopper 21. Der zweite CW-Signalgenerator 18 erzeugt ein CW-Referenzsignal 2d, der mittels der zweiten Parallellinse 19 parallelisiert wird und mittels des zweiten optischen Choppers 21 zu Referenzpulsen 2ei zerhackt wird. Die Funktionsweise des zweiten Choppers 21 ist analog zu dem ersten Chopper 5. Mittels des zweiten Choppers 21 kann jede der Empfangszellen 32 gezielt mittels einem der Referenzpulse 2ei bestrahlt werden.
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Der zweite Chopper 21 lenkt die jeweiligen Referenzpulse 2ei auf die jeweilige Empfangszelle 32 der Empfangsanordnung 15. Die Referenzpulse 2ei treffen auf eine erste Seite der Empfangsanordnung 15 und die Empfangspulse 2ci auf eine zweite Seite der Empfangsanordnung 15.
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Die zehn Empfangszellen 32 mischen die jeweiligen Empfangspulse 2ci mit den entsprechenden Referenzpulsen 2ei zu einem Zwischenfrequenzsignal ZFi, wobei i = 0 ... 10 ist. Das Mischen der Empfangspulse 2ci mit den dazugehörigen Referenzpulsen 2ci erfolgt nach dem Pulskorrelationsprinzip und ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird hier nicht diskutiert.
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Die Zwischenfrequenzsignale ZFi werden nicht zeitgleich, sondern mit einer Zeitverzögerung erzeugt, da die Empfangspulse 2ci nicht zeitglich bei den jeweiligen Empfangszellen 32 ankommen. Die Auswertung der Zwischenfrequenzsignale ZFi ermöglicht aufgrund der jeweiligen Laufzeiten der Sendepulse 2bi und der Empfangspulse 2ci eine Auskunft über die zurückgelegten Strecken. Aufgrund der Laufzeiten, die aus den Zwischenfrequenzsignalen ZFi ermittelt werden, kann eine zweidimensionale Wölbung der Oberfläche 13 des Schüttguts 12 erfasst werden, wodurch der Füllstand des Schüttguts 12 genauer bestimmbar ist.
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Ein Betrieb ohne CW-Modulation ist ebenfalls möglich. Hierzu sind die Messwerte der der Füllgutoberfläche 13 des Schüttguts 12 periodisch zwischen zu speichern und zu einen Hüllkurve zusammen zu setzen, wodurch eine verringerte Messrate (Messwerte pro Zeiteinheit) und eine Signalverarbeitung mit hohem Bedarf an Arbeitsspeicher/Zwischenspeicher resultieren.
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2 zeigt einen vergrößerten Teilbereich eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Sammellinse 14 fokussiert den Empfangsstrahl 2c dermaßen auf die Empfangsanordnung 15, dass die Empfangspulse von einer der zehn Empfangszellen 32 empfangen werden. Der zweite optische Chopper 21 sendet bei diesem Ausführungsbeispiel die Referenzpulse 2ei des Referenzstrahls 2e in Richtung der jeweiligen Empfangszellen 32. Hierzu weist die Empfangsanordnung 15 eine zweite Blende 22 auf.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend 2, bei dem die Empfangszellen 32 der Empfangsanordnung 15 matrixförmig angeordnet sind. Der zweite CW-Signalgenerator 18 erzeugt ein linienförmiges CW-Referenzsignal 2d, das mittels des zweiten Choppers 21 in linienförmige Referenzpulse 2ei zerhackt wird. Die linienförmigen Referenzpulse bestrahlen eine Spalte der matrixförmig angeordneten Empfangszellen 32. Das Aktivieren lediglich einer einzigen Reihe 24 an Empfangszellen 32 mittels einer Regel-/Auswerteeinheit (nicht dargestellt) führt dazu, dass das Zwischenfrequenzsignal ZFi einer einzigen Empfangszelle 32 ausgewertet wird. Aufgrund der Position des prismenförmigen Köpers (nicht dargestellt) des zweiten Choppers 21 ist es möglich zu bestimmen, welche Empfangszelle 32 gerade bestrahlt wird.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der zweite Chopper 21 umfasst einen prismenförmigen Körper 25 mit einer fünfeckigen Grundfläche. Der prismenförmige Körper 25 ist mittels eines zweiten Chopper-Motors 20 um seine Symmetrieachse drehbar gelagert. Auf diese Weise kann das CW-Referenzsignal 2d des zweiten CW-Signalgenerators 18 in einen Referenzstrahl 2e aus mehreren Referenzpulsen zerhackt werden.
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Die Referenzpulse treffen auf eine flächige Empfangsanordnung 15, die mittig ein Antennenelement 26 aufweist. Das Antennenelement 26 ist mit einem ersten CW-Signalgenerator 1 verbunden, wobei der erste CW-Signalgenerator 1 im Gegensatz zu den vorigen Ausführungsbeispielen lediglich ein einziger Sendepuls 2b1 erzeugt und mittels des Antennenelements 26 aussendet. Der abgestrahlte Sendepuls 2b1 wird von einer dielektrischen Sammellinse 14 aufgeweitet und anschließend großflächig auf die Oberfläche 13 des Schüttguts 12 geworfen, von wo der Sendepuls 2b1 in Form eines einzigen Empfangspulses 2c1 reflektiert wird. Der Empfangspuls 2c1 wird von der Sammellinse 14 auf die Empfangsanordnung 15 fokussiert, wo das Zwischenfrequenzsignal ZF1 zur Bestimmung des Füllstands des Schüttguts 12 erzeugt wird.
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Die Betriebsfrequenz liegt im Bereich zwischen 6 GHz und 160 GHz. In anderen (insbesondere höheren) Frequenzbereichen ist eine Linse bestehend aus einem Magnetfeld vorteilhafter.
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Das Antennenelement 26 ist derart dimensioniert und ausgestaltet, dass ein möglichst großer Bereich der Sammellinse 14 bestrahlt wird. Dadurch entsteht ein relativ breiter Abstrahlwinkel des Antennenelements 26, wodurch nur eine kleine Antennenapertur für das Antennenelement 26 und somit eine geringe Ausdehnung für das Antennenelement 26 notwendig wird. Aufgrund solch einer Dimensionierung des Antennenelements 26 ergibt sich ebenfalls nur eine geringe Abschottung (blinder Fleck) auf der Empfangsanordnung 15.
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Das Antennenelement 26 ist derart dimensioniert, dass die Empfangszellen der Empfangsanordnung 15 nicht direkt, sondern über die Sammellinse 14 und die Oberfläche 13 des Schüttguts 12 bestrahlt werden. Dies wird erreicht, in dem das Antennenelement 26 ein bündelndes Abstrahlelement (nicht dargestellt) aufweist, das in einer der Empfangsanordnung 15 entgegengesetzten Richtungen zeigt.
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5 zeigt die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend 4. Die linienförmigen Referenzpulse bilden sogenannte „Fächer“ 39, welche die Empfangszellen 32 der Empfangsanordnung 15 Spalte für Spalte in einer vorbestimmten Reihenfolge bestrahlen.
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Der zweite CW-Signalgenerator 18 erzeugt ein CW-Sendesignal, das über eine zweite Blende 22 auf den zweiten optischen Chopper 21 gelangt, der einen prismenförmigen Körper 25 aufweist, der mittels des zweiten Chopper-Motors 20 gleichmäßig gedreht wird. Die zweite Blende 22 und der prismenförmige Körper 25 sind derart dimensioniert, dass linienförmige Referenzpulse erzeugt werden und sich in Richtung der Empfangsanordnung 15 ausbreiten und dabei die Fächer 39 bilden. Der prismenförmige Körper 25 weist ein Fünfeck als Grundfläche auf. Es kommen selbstverständlich auch prismenförmige Körper in Frage, deren Grundflächen eine andere Anzahl an Ecken aufweisen, wie beispielsweise eine achteckige Grundfläche. Bei einem prismenförmigen Körper mit einer achteckigen Grundfläche, wird der achte Teil von 360 Grad überstrichen, d.h. 360°/8 = 45°.
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Durch die gleichmäßige Bewegung der Fächer 39, wird die Empfangsanordnung 15 in einer Richtung 31 abgetastet.
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Ein Sendepuls (siehe 4) wird über das Antennenelement (siehe 4) ausgesendet und über die Sammellinse 14 räumlich gleichmäßig auf die Oberfläche des Schüttguts (nicht dargestellt) abgestrahlt. Dieser Sendepuls wird an der Oberfläche des Schüttguts reflektiert, und über die Sammellinse 14 auf die Empfangsanordnung 15 projiziert. Die Dielektrizitätszahl, die Leitfähigkeit und die Oberflächenrauhigkeit des Schüttguts bestimmen den Reflexionsgrad und somit die Amplitude der ankommenden Empfangspulse.
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Die Empfangspulse werden während der Ausbreitung aufgeweitet, wodurch es zu einer Beeinflussung der Amplitude kommt, da mit zunehmender Aufweitung nur ein kleiner Anteil der reflektierten Empfangspulse von der Sammellinse 14 erfasst wird. Mit der Kenntnis des Füllstands und eines von der Auswerteeinheit errechneten Oberflächen-Höhenprofils kann auf den Reflexionsgrad der Oberfläche des Schüttguts geschlossen werden.
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Die Regel-Auswerteeinheit ist derart ausgestaltet, dass die Laufzeit und Amplitude der Sendepulse an den verschiedenen Empfangszellen einzeln ausgewertet werden können.
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6 zeigt eine vergrößerte Seitenansicht einer Empfangszelle 32 einer Empfangsanordnung 15. Die Empfangsanordnung 15 umfasst eine erste und eine zweite Leiterplattenlage 28, 27 mit einer dazwischenliegenden Masseschicht 29, wobei die erste Leiterplattenlage 28 der Sammellinse 14 und die zweite Leiterplattenlage 27 dem zweiten Chopper 21 zugewandt ist.
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Die Masseschicht 29 dient ebenfalls der Abschirmung der Empfangspulse und der Referenzpulse, so dass die Empfangspulse nicht den zweiten Pulsgenerator und die Referenzpulse nicht den ersten Pulsgenerator beeinflussen.
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Die erste Leiterplattenlage 28 weist eine erste Metallschicht 41 auf, die bevorzugt als eine Patch- oder Fraktalantenne ausgestaltet ist. Die erste Leiterplattenlage 28 kann jedoch auch als eine Patchantenne, die über mehrere Metallschichten geht, handeln. Solch eine Patchantenne ist breitbandiger bzgl. der Frequenz und daher besser geeignet für CW. Eine Durchkontaktierung 30 führt von der ersten Leiterplattenlage 27 zu der zweiten Leiterplattenlage 27. Auf der zweiten Leiterplattenlage 27 ist eine zweite Metallschicht 42 angeordnet, die zum Empfangen der Referenzpulse 2di dient.
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Ein einfallender Empfangspuls wird von der ersten Metallschicht 41 empfangen und über die Durchkontaktierung 30 an einen Hochfrequenzmischer 16 weitergeleitet. Der Hochfrequenzmischer 16 ist auf der zweiten Leiterplattenlage 27 angeordnet.
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Der Hochfrequenzmischer 16 erzeugt ein niederfrequentes Zwischenfrequenzsignal, aus dem eine Hüllkurve gewonnen wird. Hierbei arbeitet der Hochfrequenzmischer 16 nur, wenn über ein Zusatzantennenelement (nicht dargestellt) Leistung vom zweiten Chopper empfangen wird, oder die Fächer gerade diese beleuchten.
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Der Vorteil ist, dass der Hochfrequenzmischer 16 aus nur einer einzelnen Diode bestehen kann und der Rest der Empfangsanordnung 15 nur aus Leiterbahnen und Leitungselementen besteht, so dass die Empfangsanordnung 15 kostengünstig realisierbar ist.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Empfangsanordnung 15, die als eine radarsensitive Platte ausgestaltet ist. Die Empfangsanordnung 15 umfasst mehrere Empfangszellen 32, die entsprechend 6 matrixförmig angeordnet sind.
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Die Empfangszellen 32 sind in einem gleichmäßigen Raster angeordnet. Die Empfangszellen 32 können jedoch auch zufällig verteilt oder – insbesondere um große Raumwinkel abzudecken – in Form von Bahnen koaxialer Ringe angeordnet sein. Ferner kann der Raster gebogen sein.
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Die Empfangszellen 32 sind matrixförmig in Reihen 33a, b ... und in Spalten 34a, b ... angeordnet, wobei die einzelnen Empfangszellen 32 einer Spalte 34a nacheinander bestrahlt werden, bevor die Empfangszellen 32 der benachbarten Spalte 34b bestrahlt werden.
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Das Bestrahlen der Empfangszellen 32 erzeugt ein Mischertreibersignal, das jeweils eine Spalte 34a an Hochfrequenzmischern 16 der jeweiligen Empfangszellen 32 aktiviert. Sind die Hochfrequenzmischer 16 nur auf der Basis einer einzelnen Silizium-Diode realisiert, wird jeweils nur wenig Leistung pro Hochfrequenzmischer 16 benötigt. Diese Leistung liegt in der Größenordnung von 0.1 mW bis 5 mW. Für die notwendige Gesamtleistung ist diese Leistung mit der Anzahl an Hochfrequenzmischern 16 pro Spalte 34a zu multiplizieren.
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Die niederfrequenten Ausgänge der Hochfrequenzmischer 16 bzw. der einzelnen Empfangszellen 32 sind relativ hochohmig (Impedanz im Bereich 10KOhm bis 1MOhm), so dass eine ganze Zeile 33a ohne Addierschaltung oder ähnliches direkt zusammengeführt werden kann.
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Die einzelnen Reihen 33a, b, ... erzeugen jeweils ein niederfrequentes Zwischenfrequenzsignal ZF1, 2, ... aus denen die Hüllkurve durch eine Mischung aus Filterung und Gleichrichtung gewonnen werden kann. Dieses Verfahren ist ebenfalls aus dem Stand der Technik zum Pulskorrelationradar bekannt.
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Ein Umschalter 36 führt einer Filter-/Gleichrichtereinheit 37 jeweils einen der Signale der Reihen 33a, 33b, 33c ... der Empfangszellen 32 zu. Alternativ können Filter- oder Gleichrichtereinheiten in der Anzahl der Reihen oder der Anzahl eines geraden Teilers hiervon vorgesehen sein, wodurch jeweils mehrere Hüllkurven zeitgleich erzeugt werden, wodurch die Messrate erhöht wird.
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Durch die Kenntnis der Drehposition des zweiten Choppers (siehe 5) bzw. der daraus resultierenden bestrahlten Spalte 34a, 34b, 34c ... einerseits und die Kenntnis eines digitalen Signals 38 des Umschalters 36 andererseits, lässt sich genau bestimmen, welche der Empfangszellen 32 derzeit ein Signal zur Hüllkurve 35 liefert. Der Umschalter 36 ist in Form eines integrierten Bausteins ausgestaltet.
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Die Amplitude der Empfangspulse ist kleiner als die Amplitude der Sendepulse. Aufgrund dieser Amplitudenänderung lässt sich die Oberflächenreflektivität bestimmen.
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Mit einer rechenintensiveren Auswertung der Hüllkurve lässt sich zudem ein dreidimensionales Bild des Raumes zwischen der Sammellinse 14 und der Oberfläche des Schüttguts erfassen und hiermit beispielsweise Hindernisse wie Einbauten, Leitern und Heizspiralen erkennen und vom Schüttgut unterscheiden. Weiterhin ist die Erfassung eines kegelförmigen Schüttguts, beispielsweise von einem Sandberg in einem Kieswerk, oder von einem Aushub eines Tagebaubaggers möglich, wodurch sich deren Volumen und Masse berechnen lässt.
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Wird im Gegensatz zu 7 nur eine Reihe 33a an Empfangszellen verwendet oder wird alternativ zum zweiten Chopper 21 eine unbewegliche Richtanordnung (nicht dargestellt) verwendet, so ist die Erfassung einer zweidimensionalen Ebene sehr kostengünstig möglich. Dies kommt bei der Erfassung von Gegenständen auf einem Förderband oder der Beladung von vorbeifahrenden Eisenbahn-Waggons, oder zur Erkennung von Fahrzeugen wie Lastwagen zum Tragen.
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In einer weiteren Ausgestaltungsvariante werden anstelle eines Umschalters 36 mehrere Filter und Gleichrichter verwendet, wodurch die Anzahl an parallel erzeugten Hüllkurven der Anzahl der Reihen 33a, b ... an Empfangszellen entspricht und für jede Drehposition des zweiten Choppers 21 können jeweils alle Reihen 33a, b ... an Empfangszellen gleichzeitig erfasst werden.
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Alternativ kann der Umschalter 36 weggelassen werden. Solch eine Vorrichtung (siehe 3) eignet sich besonders für die Pulskorrelationsmethode, da durch parallele Auswertung ohne einen Umschalter die Messrate gegenüber einer Vorrichtung nach 2 mit der Anzahl der Zeilen multipliziert.
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8 zeigt eine alternative Anordnung der Empfangszellen 32 zu der Anordnung der Empfangszellen entsprechend 7. Der zweite Chopper (nicht dargestellt) ist an diese Anordnung anzupassen, um eine sich drehende Linie zu erzeugen, damit alle Empfangszellen 32, die auf einem Kreis liegen erfasst werden.
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In der Mitte der Empfangsanordnung 15 ist die Dichte der Empfangszellen 32 größer als an einem Rand der Empfangsanordnung 15. Dies ist vorteilhaft, da für kleinere Raumwinkel eine genauere Messung durchgeführt werden kann, als für größere Raumwinkel.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- Erfindungsgemäße Vorrichtung
- 1
- Erster CW-Signalgenerator
- 2a
- CW-Sendesignal
- 2bi
- Sendepuls i des Sendestrahls
- 2b
- Sendestrahl
- 2c
- Empfangsstrahl
- 2ci
- Empfangspuls i des Empfangsstrahls
- 2d
- CW-Referenzsignal
- 2e
- Referenzstrahl
- 2ei
- Referenzpuls i des Referenzstrahls
- 3
- Erste Parallellinse
- 4
- Erster Chopper-Motor
- 5
- Erster Optischer Chopper
- 5a
- Seitenfläche des ersten prismenförmigen Körpers
- 6
- Erste Blende
- 7
- Erster Motor
- 8
- Erster Spiegel
- 9
- Zweiter Spiegel
- 10
- Zweiter Motor
- 11
- Streulinse
- 12
- Schüttgut
- 13
- Oberfläche des Schüttguts
- 14
- Sammellinse
- 15
- Empfangsanordnung
- 16
- Hochfrequenzmischer
- ZF
- Zwischenfrequenzsignal
- 18
- Zweiter CW-Signalgenerator
- 19
- Zweite Parallellinse
- 20
- Zweiter Chopper-Motor
- 21
- Zweiter optischer Chopper
- 21a
- Seitenfläche des zweiten prismenförmigen Körpers
- 22
- Zweite Blende
- 23
- Winkel am Ausgang des zweiten Choppers
- 24
- Hochfrequenzmischer-Reihe
- 25
- Prismenförmiger Körper
- 26
- Antennenelement
- 27
- Zweite Leiterplattenlage
- 28
- Erste Leiterplattenlage
- 29
- Masseschicht
- 30
- Durchkontaktierung
- 31
- Richtung, in die Fächer bewegt werden
- 32
- Empfangszelle
- 33a, b ...
- Reihe der Empfangszellen
- 34a, b ...
- Spalte der Empfangszellen
- 35
- Hüllkurve
- 36
- Umschalter
- 37
- Filter-/Gleichrichtereinheit
- 38
- Signal des Umschalters
- 39
- Fächer
- 40
- Leiterplatte
- 41
- Erste Metallschicht
- 42
- Zweite Metallschicht
- 43
- Streu-/Sammellinse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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