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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Füllstandmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Füllstandmesseinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. In vereinzelten Anwendungen werden auch verschiedene Sensortypen miteinander kombiniert. Häufig werden verschiedene Sensortypen nebeneinander verbaut und nutzen bspw. einen gemeinsamen Prozessanschluss. Aus der
WO 2016/004977 A1 ist bspw. ein frei strahlender Radarsensor mit einer Sicherheitsanordnung zur Überprüfung einer Funktionalität des Radarsensors bekannt. Die Sicherheitsanordnung ist als ein Reflektor ausgebildet, der in den Strahlengang des Radarsensors schwenkbar ist, um so eine Funktion des Radarsensors, insbesondere in einem sicherheitskritischen Abstand zu überprüfen. Anstelle eines Reflektors ist in einem Ausführungsbeispiel der vorgenannten Druckschrift ein Vibrations-Grenzstandsensor vorgesehen, der in den Strahlengang des Radarsensors geschwenkt werden kann. Auf diese Weise ist zusätzlich eine Grenzstandüberwachung des sicherheitskritischen Abstands zu realisieren.
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Zur kontinuierlichen Füllstandmessung sind ferner Feldgeräte bekannt, die nach dem Prinzip der geführten Radarwelle arbeiten. Durch eine Sende-Empfangseinheit werden dabei elektromagnetische Wellen auf eine leitfähige Führungsstruktur, bspw. ein Seil oder einen Stab aufgekoppelt und laufen entlang dieser Führungsstruktur in Richtung des Füllguts. Am Füllgut werden die elektromagnetischen Wellen teilweise reflektiert und laufen erneut entlang der Führungsstruktur zurück zur Sende-Empfangseinheit, sodass eine Füllstandmessung, bspw. über eine Laufzeitbestimmung der elektronmagnetischen Well, möglich ist. Mittels der vorgenannten Feldgeräte sind auch sogenannte Trennschichtmessungen möglich, mittels derer die Lage einer Trennschicht, bspw. zwischen zwei unterschiedlichen Medien, bspw. Öl und Wasser bestimmt werden kann. Für die Trennschichtmessung wird eine weitere Reflexion des Teils der elektromagnetischen Wellen ausgewertet, der bei der Füllstandmessung nicht reflektiert wurde. Diese elektromagnetischen Wellen laufen entlang der Führungsstruktur weiter durch das Medium und werden an Trennschichten erneut jeweils teilweise reflektiert. Auf diese Weise ist auch eine Bestimmung der Lage von Trennschichten, bspw. zwischen Öl und Wasser, möglich.
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1 zeigt eine Füllstandmessanordnung 40 mit einem Ausführungsbeispiel eines kontinuierlich messenden Füllstandmessgeräts 41 gemäß dem Stand der Technik.
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Das Füllstandmessgerät 41 ist in bekannter Weise über einen Prozessanschluss in einem Behälter 53 angeordnet, in denen sich ein Füllgut befindet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in dem Behälter 53 ein erstes Medium 51 und ein zweites Medium 52 angeordnet, die sich nicht miteinander vermischen und daher übereinander angeordnete Phasen ausbilden.
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Das Füllstandmessgerät 41 weist im Wesentlichen eine Elektronik 42 auf, in der eine Radar-Sende- und Empfangseinrichtung 47 angeordnet ist. Die Radar-Sende- und Empfangseinrichtung 47 erzeugt elektromagnetische Wellen 46 und koppelt diese auf eine Führungsstruktur, die vorliegend als Seil 43 ausgeführt ist auf. Um das Seil 43 straff zu halten ist an dessen Ende ein Gewicht 44 angeordnet. Die auf das Seil 43 auf gekoppelten elektromagnetischen Wellen 46 breiten sich entlang des Seils 43 aus, werden an der Oberfläche des ersten Mediums 51 teilweise reflektiert und zur Radar-Sende- und Empfangseinrichtung 47 zurückgeworfen. Auf Basis dieser an der Oberfläche des ersten Mediums 51 reflektierten Radarwellen kann eine Bestimmung des Abstands der Oberflächen des ersten Mediums 51 von dem Füllstandmessgerät 41 erfolgen und somit ein Füllstand in dem Behälter 53 ermittelt werden. Der Teil der elektromagnetischen Wellen 46, der an der Oberfläche des ersten Mediums 51 nicht reflektiert wird, breitet sich in dem ersten Medium 51 entlang des Seils 43 weiter aus und trifft auf den Übergang zwischen dem ersten Medium 51 und dem zweiten Medium 52, an dem wiederum ein Teil der elektromagnetischen Wellen 46 reflektiert wird. Durch die Bestimmung der Laufzeit dieser elektromagnetischen Wellen 46 kann auch die Lage der Trennschicht ermittelt werden und so sowohl das Volumen des ersten Mediums 51 als auch das Volumen des zweiten Mediums 52 bzw. dessen Füllstand in dem Behälter 53 ausgegeben werden.
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Bei den bekannten Messgeräten wird es als nachteilig empfunden, dass diese mitunter empfindlich auf Veränderungen der gemessenen Medien reagieren und damit eine Verschlechterung der Messgenauigkeit einhergeht. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle auf der Führungsstruktur ist zunächst unbekannt und abhängig von dem Medium, welches die Führungsstruktur umgibt. Dadurch kann die genaue Schichtdicke eines oberen Mediums einer Trennschicht ohne zusätzliche Kenntnisse des Mediums nicht exakt bestimmt werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Messeinrichtung mit einem solchen Messgerät zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmale kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.
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Eine erfindungsgemäße Füllstandmesseinrichtung mit einem kontinuierlich messenden Füllstandsensor gemäß dem Prinzip der geführten Radarwelle mit einer Radar-Sende- und Empfangseinrichtung und einer leitfähigen Führungsstruktur, entlang derer sich die Radarwellen bewegen, zeichnet sich dadurch aus, dass an der Führungsstruktur endseitig ein Impedanzsensor angeordnet ist.
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Durch eine Anordnung eines Impedanzsensors am Ende der Führungsstruktur des Füllstandsensors wird eine besonders geschickte Kombination dieser beiden Sensortypen erreicht. Der Füllstandsensor, der nach dem Prinzip der geführten Welle arbeitet wird durch von dem Impedanzsensor gelieferte Messwerte verbessert. Es kann eine Füllstandmessung und eine Trennschichtmessung von höherer Qualität und Zuverlässigkeit durchgeführt werden.
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Ein Impedanzsensor gemäß der vorliegenden Anmeldung ist ein Sensor mit einer Messsonde, die durch ein die Sonde umgebendes Medium in einer Kapazität beeinflussbar ist. Die Messsonde kann bspw. in einem Messschwingkreis, in dem die Messsonde das kapazitätsbestimmende Element ist, angeordnet sein. Eine Elektronikeinheit mit einem Signalgenerator kann den Messschwingkreis zu einer Schwingung anregen und ein Signaldetektor ein Antwortsignal des Messschwingkreises detektieren. Eine Signalverarbeitungseinheit, die mit der Elektronikeinheit verbunden ist, kann zur Auswertung verwendet werden. Vorteilhafterweise weist der Impedanzsensor ferner eine Referenzschaltung auf, wobei die Elektronikeinheit wechselweise mit dem Messschwingkreis oder der Referenzschaltung verbindbar ist.
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Allgemein verfügen Impedanzsensoren über mehrere medienberührende Elektroden, welche zum einen, einen Kondensator mit dem Messmedium als Dielektrikum bilden und zum anderen über welche der elektrische Widerstand des Mediums gemessen werden kann.
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Ein solcher Impedanzsensor kann in der vorliegenden Messeinrichtung gleichzeitig mehrere Funktionen übernehmen. Einerseits kann mittels des Impedanzsensors eine Grenzstanderfassung erfolgen. Der Impedanzsensor kann damit als Grenzstandschalter eingesetzt werden, zum einen um ein Unterschreiten eines minimalen Füllstandes redundant zur kontinuierlichen Füllstandmessung zu erfassen, andererseits auch um eine kontinuierliche Füllstandmessung erst bei Überschreiten des überwachten Grenzstandes zu aktivieren, denn nur bei Überschreiten des Grenzstandes befindet sich das Füllmedium in einem von der kontinuierlichen Füllstandmessung erfassbaren Bereich.
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In einer bevorzugten Ausgestaltungform ist der Impedanzsensor in Richtung einer Längsachse der Führungsstruktur ausgerichtet. Durch eine entsprechende Ausrichtung des Impedanzsensors wird eine besonders platzsparende Bauform erreicht, da der Impedanzsensor lediglich eine Verlängerung des Füllstandsensors, bzw. dessen Führungsstruktur bewirkt. Insbesondere für Messanordnungen in Bypasssystemen, oder Standrohren ist dies von Vorteil, da in diesen Messanwendungen ein seitlicher Bauraum durch das Bypassrohr bzw. das Standrohr begrenzt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltungform kann eine Zuleitung zu dem Impedanzsensor in die Führungsstruktur integriert, insbesondere in dieser aufgenommen sein. Auf diese Weise wird einerseits gewährleistet, dass die Füllstandmessung nach dem Prinzip der geführten Radarwelle nicht durch die Zuleitung zu dem Impedanzsensor beeinträchtigt wird, andererseits wird eine besonders platzsparende und kompakte Anordnung geschaffen.
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In einer alternativen Ausgestaltungsform kann der Impedanzsensor als autarker Sensor ausgestaltet sein. Ein autarker Sensor verfügt über eine eigene Energieversorgung, insbesondere in Form eines Energiespeichers, bspw. in Form einer Batterie, eines Kondensators oder Akkumulators, und kann zusätzlich ein Energy-Harvesting-Modul umfassen. Ein autarker Sensor kommuniziert kabellos mit einer übergeordneten Einheit, bspw. einer Elektronik der Füllstandmesseinrichtung oder des Füllstandsensors. Die kabellose Kommunikation kann bspw. über eine geeignete Funkübertragung, bspw. mittels Bluetooth erfolgen. Ermittelte Messwerte können auch unter Verwendung einer Schmalbandfunktechnologie (LoRa, Sigfox, NB-IOT) in eine Cloud, d. h. insbesondere auf einen Server im World Wide Web übertragen werden.
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In einer Weiterbildung kann der Impedanzsensor wenigstens teilweise, vorzugsweise vollständig, in die Führungsstruktur integriert ausgebildet sein. Insbesondere, wenn die Führungsstruktur als Rohr ausgebildet ist, kann der Impedanzsensor in dem Rohr aufgenommen sein und nur endseitig aus diesem herausragen, sodass eine Messung möglich ist. In einer Ausgestaltungsform ist die Zuleitung in die Führungsstruktur integriert. Die Führungsstruktur kann als Rohr oder Seil ausgestaltet sein. Die Zuleitung kann in dem Rohr aufgenommen sein, oder von dem Seil umgeben, insbesondere umsponnen oder umflochten sein. Diese Ausgestaltungsform bietet den Vorteil, dass der Impedanzsensor so in die Führungsstruktur integriert ist, dass durch den Impedanzsensor oder dessen Gehäuse keine zusätzliche Reflexion des Radarsignals hervorgerufen wird, die möglicherweise andere Trennschichtechos aufgrund der Stärke der Reflexion an einem metallischen Gehäuse deutlich überlagern und möglicherweise nicht detektierbar machen würde.
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Hierfür ist es vorteilhaft, wenn ein Gehäuse des Impedanzsensors wenigstens teilweise in dem Rohr angeordnet, oder wenigstens teilweise durch das Rohr gebildet ist. Vorzugweise ist das Gehäuse des Impedanzsensors vollständig in die Führungsstruktur aufgenommen oder vollständig durch diese gebildet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Impedanzsensor zur Grenzstandüberwachung und/oder zur Medienanalyse ausgebildet. Wie bereits weiter oben ausgeführt hat eine Grenzstandüberwachung verschiedene Vorteile. Ferner kann mittels eines Impedanzsensors eine Medienanalyse erfolgen. Insbesondere kann mittels des Impedanzsensors durch eine Kapazitätsmessung sowie durch eine Leitwertmessung, eine Permittivität und ein Leitwert eines den Impedanzsensor umgebenen Mediums ermittelt werden. Mittels dieser charakteristischen Werte kann der Impedanzsensor oder eine übergeordnete Einheit insbesondere mit Hilfe einer Datenbank eine Medienbestimmung durchführen.
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Auf diese Weise wird es möglich, zusätzlich zu einer Füllstand- und Grenzschichtmessung eine Information darüber zu generieren, welches Medium sich im Bereich des Impedanzsensors befindet.
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Die mittels des Impedanzsensors ermittelten Informationen zu Permittivität und Leitwert des den Impedanzsensor umgebenden Mediums ermöglichen ferner eine Kompensation einer Laufzeitverschiebung aufgrund der im Vergleich zum Vakuum geänderten Permittivität und Permeabilität.
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Der Impedanzsensor kann ferner einen Temperatursensor zur Erfassung einer Mediumstemperatur aufweisen. Auf diese Weise können auch thermisch induzierte Effekte bei der Füllstand- und Grenzschichtmessung berücksichtigt werden. Ein Temperatursensor im Bereich des Impedanzsensors ist außerdem von Vorteil, da eine Prozesstemperatur nicht notwendigerweise im kompletten Prozessraum homogen ist. D.h eine Temperatur am Prozessanschluss kann sich deutlich von einer Temperatur im Bereich des Impedanzsensors unterscheiden. Durch einen dort angeordneten Temperatursensor kann eine verbesserte Messung erreicht werden.
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In einer Ausgestaltungsform ist der Impedanzsensor als Grenzstandschalter ausgebildet und ermöglicht eine Grenzstandüberwachung.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Füllstandsensor und/oder der Impedanzsensor oder die gesamte Füllstandmesseinrichtung über eine Zweidrahtleitung mit Energie versorgt und stellt Messwerte darüber bereit. Die einzelnen Komponenten oder die Füllstandmesseinrichtung insgesamt sind/ist damit vorteilhafterweise als Zweileiter-Sensor bzw. Zweileiter-Feldgerät ausgebildet, was bspw. eine eigensichere Ausgestaltung der jeweiligen Komponente oder der gesamten Füllstandmesseinrichung ermöglicht.
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Unter einem Zweileiter-Feldgerät bzw. -Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Feldgerät/Sensor (im Folgenden nur noch als Feldgerät bezeichnet) verstanden, das über zwei Leitungen mit einer übergeordneten Einheit verbunden ist, wobei über diese beiden Leitungen sowohl eine Energieversorgung als auch eine Messwertübermittlung stattfindet.
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Die Energie- und/oder Signalübertragung zwischen dem Zweileiter-Feldgerät und der übergeordneten Einheit erfolgt dabei nach dem bekannten 4 mA bis 20 mA Standard, bei dem eine 4 mA bis 20 mA Stromschleife, d.h. eine Zweidrahtleitung zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit ausgebildet ist. Zusätzlich zu der analogen Übertragung von Signalen besteht die Möglichkeit, dass die Messgeräte gemäß verschiedenen anderen Protokollen, insbesondere digitalen Protokollen, weitere Informationen an die übergeordnete Einheit übermitteln oder von dieser empfangen. Beispielhaft seien hierfür das HART-Protokoll oder das Profibus-PA-Protokoll genannt.
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Die Energieversorgung dieser Feldgeräte erfolgt ebenfalls über das 4 mA bis 20 mA Stromsignal, sodass neben der Zweidrahtleitung keine zusätzliche Versorgungsleitung notwendig ist. Um den Verdrahtungs- und Installationsaufwand sowie die Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise beim Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen, so gering wie möglich zu halten, ist es auch nicht gewünscht, zusätzliche Stromversorgungsleitungen vorzusehen.
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Bei Zweileiter-Feldgeräten ist die zur Verfügung stehende Eingangsleistung erheblich beschränkt. Die Elektronik im Feldgerät muss so ausgelegt sein, dass sie auch bei einem minimalen Signalstrom von 4 mA noch zuverlässig arbeitet.
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Die Führungsstruktur kann bspw. als Stab, Rohr oder Seil ausgeführt sein. Bei Seilversionen befindet sich in der Regel ein Gewicht am Ende des Seils, das gemäß der vorliegenden Anmeldung vorteilhaft durch den Impedanzsensor ersetzt werden kann. Auch das ermöglicht eine besonders einfache Ausgestaltung.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
- 1a ein erstes Ausführungsbeispiel einer Füllstandmesseinrichtung,
- 1b ein zweites Ausführungsbeispiel einer Füllstandmesseinrichtung und
- 2 eine Füllstandmessgerät gemäß dem Stand der Technik (schon behandelt).
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In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.
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1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Füllstandmesseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung.
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Die Füllstandmesseinrichtung 1 gemäß 1a umfasst eine erste Ausgestaltungsform eines kontinuierlich messenden Füllstandsensors 2 wie er bereits im Zusammenhang mit 2 im Stand der Technik beschrieben wurde. Der kontinuierlich messende Füllstandsensor 2 weist im Wesentlichen eine Elektronik 42 mit einer Radar-Sende- und Empfangseinrichtung 47 auf, die in bekannter Weise elektromagnetische Wellen 46 auf eine als Seil 43 ausgebildete Führungsstruktur aufkoppelt.
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Im Unterschied zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Füllstandmessgerät 41 weist der vorliegend gezeigte kontinuierlich messende Füllstandsensor 2 am Ende des Seils 43 kein Gewicht auf, sondern es ist dort ein Impedanzsensor 5 angeordnet. Mittels des Impedanzsensors 5 ist es möglich, Eigenschaften des den Impedanzsensor 5 umgebenden Mediums, vorliegend des zweiten Mediums 52 zu bestimmen und so den Einfluss des Mediums auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen 46 innerhalb des Mediums zu kompensieren.
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Der in 1a) verwendete Impedanzsensor 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als autarker Impedanzsensor 5 ausgebildet. Das bedeutet, dass der Impedanzsensor 5 über eine eigene Energieversorgung in Form eines Akkumulators verfügt und mit einer übergeordneten Einheit, vorliegend der Elektronik 42 des kontinuierlich messenden Füllstandsensors 2, kabellos über Funk kommuniziert. Diese Ausgestaltungsform hat den besonderen Vorteil, dass lediglich eine Anbringung des Impedanzsensors 5 am Ende des Seils 43 notwendig ist und weitere Modifikationen des mechanischen Aufbaus unterbleiben können.
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Alternativ zu einer Kommunikation über Funk mit der Elektronik 42 des kontinuierlich messenden Füllstandsensors 2 könnte die Kommunikation auch über ein Schmalband-Funkmodul mit einem Internet-Server in der Cloud stattfinden.
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1b) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Füllstandmesseinrichtung 1.
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Im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß 1a) koppelt die Radar Sende- und Empfangseinrichtung 47 des kontinuierlich messenden Füllstandsensors 3 gemäß dem Prinzip der geführten Welle die elektromagnetischen Wellen 46 nicht auf ein Seil 43, sondern auf eine als Stab, bzw. vorliegend als Rohr 46 ausgeführte Führungsstruktur auf. In dieser Ausgestaltungsform kann eine Zuleitung zu dem Impedanzsensor 5 innerhalb des Rohrs 46 geführt sein, sodass eine leitungsgebundene Kommunikation zwischen der Elektronik 42 und dem Impedanzsensor 5 erfolgen kann.
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Der Impedanzsensor 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in die Führungsstruktur, vorliegend das Rohr 46, integriert, das den Impedanzsensor 5 annähernd vollständig aufnimmt, sodass nur eine Messsonde des Sensors endseitig aus dem Rohr 46 herausragt. Auf diese Weise ist eine integrierte Ausgestaltungsform geschaffen, mittels derer analog zu der Ausgestaltungsform in 1a) Eigenschaften des den Impedanzsensor 5 umgebenden Mediums bestimmt werden können, sodass eine Verbesserung der Trennschichtmessung mittels des kontinuierlich messenden Füllstandsensors 2 gemäß dem Prinzip der geführten Radarwelle erreicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Füllstandmesseinrichtung
- 2
- kontinuierlich messender Füllstandsensor
- 5
- Impedanzsensor
- 21
- Kabel
- 40
- Füllstandmessanordnung
- 41
- Füllstandmessgerät
- 42
- Elektronik
- 43
- Seil
- 44
- Gewicht
- 45
- Stab / Rohr
- 46
- elektromagnetische Wellen
- 47
- Radar-Sende- und Empfangseinrichtung
- 51
- erstes Medium
- 52
- Zweites Medium
- 53
- Behälter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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