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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet der Füllstandmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Radarfüllstandsensor zum Erfassen eines Füllstands eines Behälters, ein Verfahren zum Erfassen eines Füllstands eines Behälters, ein Programmelement sowie ein computerlesbares Medium.
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Hintergrund
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Radarbasierte Füllstandmessgeräte werden in vielen verschiedenen Gebieten der Industrie verwendet. Es kann zum Beispiel vorkommen, dass Füllstandmessungen im Bereich der Lebensmittelindustrie in Behältern mit Rührwerken durchgeführt werden müssen. Dabei darf das Rührwerk die Auswertung des Füllstands nicht behindern. Solche Elemente oder Störstellen können in der Regel bei einer Nachverarbeitung des Radarsignals mitberücksichtigt werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann in vorteilhafter Weise ein verbesserter Radarfüllstandsensor zum Erfassen eines Füllstands eines Behälters sowie ein verbessertes Verfahren zum Erfassen eines Füllstands eines Behälters bereitgestellt werden.
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Dies wird insbesondere durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche ermöglicht. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Radarfüllstandsensor zum Erfassen eines Füllstands eines Behälters. Der Radarfüllstandsensor weist einen Mikrokontroller auf, welcher dazu eingerichtet ist, ein Messsignal und ein Referenzsignal auszugeben und ein gefiltertes Signal zu empfangen und daraus einen Füllstand abzuleiten. Zudem weist der Radarfüllstandsensor einen Radarchip auf, welcher dazu eingerichtet ist das Messsignal und das Referenzsignal in jeweils ein Hochfrequenzmesssignal und ein Hochfrequenzreferenzsignal zu wandeln und das Hochfrequenzmesssignal über eine Antenne auszusenden und nach dessen Reflexion wieder zu empfangen. Der Radarchip ist dazu eingerichtet das empfangene Hochfrequenzmesssignal und das Hochfrequenzreferenzsignal zu überlagern, um daraus das gefilterte Signal abzuleiten und das gefilterte Signal an den Mikrokontroller weiterzuleiten. Das gefilterte Signal weist weniger Störsignale auf als das Hochfrequenzmesssignal und aus dem gefilterten Signal ist zudem der Füllstand ableitbar.
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Mit anderen Worten, können somit mögliche Störeffekte durch gezielt überlagerte Negativsignale bzw. Referenzsignale im gefilterten Signal, zumindest zum größten Teil, eliminiert werden. Dies kann in vorteilhafter Weise ein verbessertes Ableiten des Füllstands, bzw. eine verbesserte Füllstandmessung, ermöglichen. Eine Weiterverarbeitung des gefilterten Signals kann dadurch vereinfacht werden. Eine Reduzierung der Störeffekte oder Störsignale im gefilterten Signal bereits im Radarchip des Radarfüllstandsensors kann sich zum Beispiel für Füllstandmessung im Nahbereich des Radarfüllstandsensors, bzw. der Antenne, als vorteilhaft erweisen. Es sei bemerkt, dass das Referenzsignal aus dem Messsignal, z.B. während der Inbetriebnahme des Radarfüllstandsensors oder Zyklisch bei leerem Behälter abgeleitet werden kann.
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Der Begriff „überlagern“ ist im Kontext der vorliegenden Offenbarung breit auszulegen. Dabei kann es sich um ein Addieren, Summieren oder Subtrahieren der beiden Signale handeln. Die Signalstärke des Referenzsignals und/oder des Hochfrequenzsignals kann beispielsweise ein umgekehrtes Vorzeichnen aufweisen, wie das des Messsignals bzw. des Hochfrequenzmesssignals, wobei es sich somit beim Überlagern um ein Addieren handeln kann. Das Referenzsignal kann daher beispielsweise als Negativsignal bezeichnet werden. Denkbar ist, dass zum Beispiel das Hochfrequenzreferenzsignal und das Hochfrequenzmesssignal über eine Schnittstelle des Radarchips überlagert werden.
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Auch ist der Begriff „Mikrocontroller“ breit auszulegen. So kann es sich hierbei um eine Recheneinrichtung, z. B. in Form einer Schaltung handeln.
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Das gefilterte Signal kann auch als Reinsignal, Rohsignal, überlagertes Signal oder Endsignal bezeichnet werden. Bei den Störsignalen, welche im gefilterten Signal unerwünscht sein können, kann es sich um Geräusche, Störeffekte oder dergleichen handeln. Es sei bemerkt, dass im Kontext der vorliegenden Offenbarung Störsignale auch als Echosignale bezeichnet werden können. Denkbar, ist zum Beispiel, dass ein Rührwerk, eine Rauigkeit des Behälters, Steigleitern und/oder Einbauten eine unerwünschte Reflexionsstelle des Hochfrequenzmesssignals verursacht und somit das Ableiten des Füllstands negativ beeinträchtigt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Referenzsignal ein durch eine Messung in einem leeren Behälter gewonnenes Messsignal. Dadurch kann zum Beispiel das Referenzsignal alle Informationen des Messsignals bis auf ein Füllstandsignal beinhalten. Wobei das Füllstandsignal auch als Nutzsignal bezeichnet werden kann und von der Reflektion des Hochfrequenzmesssignals an der Oberfläche des Füllguts des Behälters entstammen kann.
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Es ist zudem denkbar, dass das Referenzsignal zur Überwachung der Funktionsfähigkeit und/oder der Funktionalität des Radarfüllstandsensors dient. Das Referenzsignal kann somit beispielsweise als Testsignal angesehen werden. Dadurch kann im Radarchip selbst die Funktionsfähigkeit des Radarfüllstandsensors und/oder der weiteren Elemente oder Bauelemente des Radarfüllstandsensors überprüft werden, da aus dem Referenzsignal dem Radarchip zu erwartende Echosignale bekannt sein können. Dadurch kann der Radarchip insbesondere das gesamte Radarfüllstandsensor auf Funktionalität überprüfen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Radarfüllstandsensor ferner einen Analog-Digital-Wandler auf, welcher zwischen dem Mikrokontroller und dem Radarchip angeordnet ist und welcher zur Digital-Analog-Wandlung des Messsignals und des Referenzsignals zur Analog-Digital-Wandlung des gefilterten Signals eingerichtet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Messsignal ein Mikrowellensignal.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Radarfüllstandsensor ferner einen externen und/oder einen internen Speicher auf, welcher dazu eingerichtet ist das Referenzsignal zu speichern. Beim externen Speicher kann es sich um einen Server, eine Cloud oder dergleichen handeln.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Füllstands eines Behälters. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- • Empfangen eines reflektierten Hochfrequenzmesssignals mit dem Radarchip;
- • Überlagern des empfangenen Hochfrequenzmesssignals und eines Hochfrequenzreferenzsignals mittels des Radarchips, um daraus ein gefiltertes Signal abzuleiten; und
- • Weiterleiten des gefilterten Signals an einen Mikrokontroller.
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Mit anderen Worten, kann das Verfahren zum Erfassen eines Füllstands eines Behälters einen Noisecancelingschritt aufweisen. Ein solches Verfahren kann beispielsweise mit einem Radarsensor oder mittels einem Radarsensor in Füllstandanwendungen wie etwa Lagertanks für Flüssigkeiten oder Schüttgüter durchgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren zum Erfassen eines Füllstands eines Behälters ferner die folgenden Schritte auf:
- • Ausgeben eines Messsignals und eines Referenzsignals über einen Mikrokontroller;
- • Wandeln des Messsignals und des Referenzsignals jeweils in ein Hochfrequenzmesssignal und ein Hochfrequenzreferenzsignal im Radarchip; und
- • Aussenden des Hochfrequenzmesssignals in Richtung der Oberfläche des Füllgutes des Behälters über eine Antenne.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner die folgenden Schritte auf:
- • Empfangen des gefilterten Signals mittels des Mikrokontrollers; und
- • Ableiten des Füllstands des Behälters.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner die folgenden Schritte auf:
- • Empfangen eines reflektierten Hochfrequenzmesssignals mit dem Radarchip, wenn der Behälter leer ist; und
- • Speichern des empfangenen Hochfrequenzmesssignals als Hochfrequenzreferenzsignal.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt auf:
- • Wandeln des gespeicherten Hochfrequenzreferenzsignals in ein Referenzsignal.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt auf:
- • Wandeln eines Signals, insbesondere des Referenzsignals und/oder des Messsignals, mittels eines Digital-Analog-Wandlers.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Programmelement, welches, wenn es auf einem Prozessor eines Radarfüllstandsensors, so wie voranstehend und nachfolgend beschrieben, ausgeführt wird, den Radarfüllstandsensor anleitet, die Schritte des Verfahrens, so wie voranstehend und nachfolgend beschrieben, durchzuführen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement, so wie voranstehend beschrieben, gespeichert ist.
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Es sei bemerkt, dass Messwerte des Radarfüllstandsensors, sowie voranstehend und nachfolgend beschrieben, sowohl digital als auch analog ausgegeben werden können.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Radarfüllstandsensor gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt einen Radarfüllstandsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 3 zeigt ein Diagramm mit Signalen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
- 4 zeigt ein Diagramm mit Signalen eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt einen Radarfüllstandsensor 100 gemäß einer Ausführungsform. Der Radarfüllstandsensor 100 ist dazu eingerichtet, einen Füllstand erfassen zu können. Der Radarfüllstandsensor 100 der 1 weist einen Mikrokontroller 104 und einen Radarchip 102 auf. Der Mikrokontroller 104 kann zwei Signale, nämlich ein Messsignal (Kanal 108 oder 202) und ein Referenzsignal (Kanal 110), an den Radarchip 102 ausgeben. Die Signale können nach „außen“ über ein digitales oder analoges Leitsystem ausgegeben werden. Das Referenzsignal wird aus dem Messsignal, z.B. während der Inbetriebnahme oder Zyklisch bei leerem Behälter abgeleitet. Der Mikrokontroller 104 kann ebenso ein gefiltertes Signal vom Radarchip 102 empfangen. Der Radarchip 102 kann dazu eingerichtet sein die vom Mikrokontroller 104 empfangenen Signale in Hochfrequenzsignale zu wandeln. Das Messsignal wird zum Hochfrequenzmesssignal und das Referenzsignal wird zum Hochfrequenzreferenzsignal, wobei beide Hochfrequenzsignale unterschiedliche Frequenzen bzw. Frequenzbereiche aufweisen. Insbesondere kann das Referenzsignal in eine niedrigere Hochfrequenz gewandelt werden wie das Messsignal. Der Radarchip 102 des Radarfüllstandsensors 100 kann dann über eine Antenne 106, wie etwa eine Hornantenne, das Hochfrequenzmesssignal aussenden um dessen Reflexion wieder zu empfangen.
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Im Radarchip 102 selbst können dann das empfangene Hochfrequenzmesssignal, welches zumindest zum Teil an der Oberfläche des Mediums des Behälters reflektiert worden sein kann, und das Hochfrequenzreferenzsignal überlagert werden, um daraus das gefilterte Signal 300 abzuleiten. Über die Überlagerung der beiden Signale 302, 304 können somit Störsignale oder unerwünschte Signale 306, 308 im gefilterten Signal abgezogen werden. Dadurch kann im gefilterten Signal vorwiegend ein Nutzsignal 402 (siehe 4), welches zu direkter Ableitung des Füllstands dienen kann, übrigbleiben.
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Es sei bemerkt, dass das Messsignal ein Mikrowellensignal sein kann. Das ausgesendete Mikrowellensignal kann folgende Eigenschaft aufweisen: Es kann sich durch die Eigenschaften des Radarfüllstandsensors 100, insbesondere der Antenne 106 des Radarfüllstandsensors 100 ein sogenanntes Antennenklingeln 306 im Mikrowellensignal 302 ergeben. Das Antennenklingeln 306 kann die Füllstandmessung zum Beispiel im Bereich direkt vor der Antenne erschweren, sodass es sich vorteilhaft erweisen kann, dass das Antennenklingen 306 im gefilterten Signal nicht vorhanden ist.
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2 zeigt einen Radarfüllstandsensor 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Sofern nicht anders beschrieben, weist der Radarfüllstandsensor 100 der 2 dieselben Merkmale und Elemente auf wie der Radarfüllstandsensor 100 der 1. Zudem weist der Radarfüllstandsensor 100 der 2 einen Analog-Digital-Wandler 202 auf, welcher zwischen dem Mikrokontroller 104 und dem Radarchip 102 angeordnet ist. Der Digital-Analog-Wandler 202 kann dazu eingerichtet sein, das Messsignal und das Referenzsignal digital-analog zu wandeln und das gefilterte Signal 300 analog-digital zu wandeln. Das Referenzsignal, welches beispielsweise in einem Speicher des Radarfüllstandsensors 100 gespeichert sein kann, kann vom Mikrokontroller 104 über einen ersten Kanal 110 oder Pfad 110 an dem Radarchip 102 ausgegeben werden und/oder im Radarchip 102 eingespeist werden. Hierfür kann beispielsweise das Referenzsignal bereits ein analoges Referenzsignal sein, sodass der erste Kanal 110 oder Pfad nicht durch den Analog-Digital-Wandler 202 durchgehen muss. Das Referenzsignal kann dann im Radarchip 102 hochfrequenziert werden, wobei das Referenzsignal mit niedrigen Frequenzen als das Hochfrequenzmesssignal, wie etwa niedriger als 80 GHz, eingespeist werden kann. Der erste Kanal 110 kann zum Beispiel als Referenzkanal oder Noisecancelingskanal 110 bezeichnet werden. Alternativ kann das Referenzsignal nicht im Radarchip 102 eingespeist werden, sondern an einer Stelle außerhalb des Radarchips 102 im zweiten Kanal 108 eingespeist werden, wie etwa zwischen dem Mikrokontroller 104 und dem Analog-Digital-Wandler 202. Das Messsignal, welches vom Mikrokontroller 104 ausgegeben werden kann, kann über einen zweiten Kanal 108 oder einen zweiten Pfad 108 vorerst optional durch den Analog-Digital-Wandler 202 ausgegeben werden um dann weiter zum Radarchip 102 ausgegeben werden zu können. Der Radarchip 102 kann daraufhin das Messsignal hochfrequenzieren, insbesondere mit einer Frequenz über 80 GHz, und das Hochfrequenzmesssignal in Richtung Oberfläche des Füllguts des Behälters aussenden. Nach der Reflektion des Hochfrequenzmesssignals kann der Radarchip 102 das reflektierte Hochfrequenzmesssignal 302 mit dem Hochfrequenzreferenzsignal 304 überlagern um daraus ein gefiltertes Signal 300 zu erzeugen. Über den zweiten Pfad 108 kann das gefilterte Signal 300 vom Radarchip 102 an den Mikrokontroller 104 zurückgeleitet oder ausgegeben werden. Der zweite Kanal 108 kann beispielsweise als Messkanal 108 bezeichnet werden.
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Alternativ ist es denkbar, dass das Referenzsignal nicht direkt im Radarchip 102 eingespeist wird, sondern, dass das Referenzsignal in den zweiten Kanal 108, beispielsweise vor oder nach dem Analog-Digital-Wandler 202, eingespeist wird.
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3 zeigt ein Diagramm mit Signalen eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Signale 300, 302, 304 sind in 3 in einem Diagramm gezeigt. Die vertikale Achse des Diagramms zeigt die Signalstärke des jeweiligen Signals. Die Signalstärke kann beispielsweise in dB angegeben werden. Die horizontale Achse zeigt eine Entfernung vom Radarfüllstandsensor 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Entfernung kann beispielsweise in cm angegeben werden. Das Hochfrequenzmesssignal 302 der 3 stellt das Hochfrequenzmesssignal 302, welches reflektiert worden ist. Das Hochfrequenzreferenzsignal 304 kann zum Beispiel das reflektierte Hochfrequenzmesssignal 302 bei leerem Behälter sein, wobei die Intensität bzw. die Stärke des Signals das umgekehrte Vorzeichnen aufweist. Wird das Hochfrequenzmesssignal 302 mit dem Hochfrequenzreferenzsignal zusammenaddiert, so resultiert daraus ein gefiltertes Signal 300 bei den möglichen unerwünschten Störungen, welche zum Beispiel bei leerem Behälter auftreten, dadurch reduziert werden können. Bei den möglichen Störungen, 308, 306, bzw. Echosignalen kann es sich um Signale oder Echos handeln, welche aus einer Reflexion des Signals an Störstellen, wie etwa an Rauigkeiten, Staub, Rührwerk, Einbauten oder dergleichen an dem Behälter stammen. Als Störung kann auch das Antennenklingeln 306 betrachtet werden, welches im Nahbereich des Radarfüllstandsensors 100 das Hochfrequenzmesssignal 302 unerwünscht beeinflusst. Das reflektierte Hochfrequenzmesssignal 302 und das Hochfrequenzreferenzsignal 304 können im Radarchip 102 des Radarfüllstandsensors 100, so wie beispielsweise in 1 oder 2 beschrieben, überlagert werden.
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4 zeigt ein Diagramm mit Signalen eines Verfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Signale 300, 302, 304 sind in 4 in einem Diagramm gezeigt. Die vertikale und horizontale Achse des Diagramms der 4 sind die gleichen wie die der 3. Das Hochfrequenzmesssignal 302 der 4 weist im Kontrast zum Hochfrequenzmesssignal 302 der 3 ferner ein Nutzsignal 402 auf. Das Nutzsignal 402 ist in der Regel ein Teil des Hochfrequenzmesssignals 302, welcher an der Füllgutoberfläche reflektiert worden ist. Aus dem Nutzsignal 402 kann somit der Füllstand abgeleitet bzw. ausgewertet werden. Das gefilterte Signal 300 weist ebenso das Nutzsignal 402 auf, ist jedoch frei oder zum Teil frei von den Störungen 306, 308, welche im Hochfrequenzmesssignal 302 im Diagramm der 4 zu erkennen sind.
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5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines Füllstands eines Behälters gemäß einer Ausführungsform. In einem ersten Schritt S1 wird ein reflektiertes Hochfrequenzmesssignal mit einem Radarchip, insbesondere mit dem Radarchip 102 eines der Radarfüllstandsensoren 100 der 1 oder der 2, empfangen. In einem weiteren Schritt S2 wird das empfangene Hochfrequenzsignal 302 mit dem Hochfrequenzreferenzsignal 304 mittels des Radarchips 102 überlagert, um daraus ein gefiltertes Signal 300 abzuleiten. Ferner wird im Schritt S3 das gefilterte Signal 300 an einen Mikrokontroller 104 weitergeleitet.
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Optional kann in einem Schritt S4, welcher vorzugsweise vorm Schritt S1 durchgeführt wird, über einen Mikrokontroller 104 ein Messsignal und ein Referenzsignal ausgegeben werden, insbesondere an den Radarchip 102. Daraufhin kann in einem zusätzlich optionalen Schritt S5 das Messsignal und das Referenzsignal jeweils in ein Hochfrequenzmesssignal und ein Hochfrequenzreferenzsignal 304 im Radarchip 102 gewandelt werden. Anschließend kann das Hochfrequenzmesssignal in Richtung der Oberfläche des Füllgutes oder des Mediums des Behälters über eine Antenne 106, wie etwa eine Hornantenne 106, ausgesendet werden.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
