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Die
Erfindung betrifft ein Messsystem zur Messung des Abstands bis zu
einem Messmedium gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Für Abstandsmessungen
hat sich in den verschiedensten technischen Bereichen die Verwendung
von Mikrowellen als vorteilhaft erwiesen. Ein unter Einsatz von
Mikrowellen konzipiertes Abstandsmesssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, das zur Pegelstandsmessung in transportierbaren Behältern verwendet
wird, ist aus
US 5,305,237 bekannt.
Das untere Ende eines Hohlleiters für elektromagnetische Wellen
hängt dabei
in die Flüssigkeit,
deren Pegel zu messen ist, und dessen Inneres steht in Fluidverbindung
mit der zu messenden Flüssigkeit.
Ein Sender sendet eine modulierte Mikrowelle durch den Hohlleiter
bis zu der Flüssigkeit,
an der die Welle zu einem Empfänger
zurückreflektiert
wird. Eine Auswerteeinheit ermittelt aus der ausgesendeten Welle
und der reflektierten Welle den Pegelstand der Flüssigkeit.
Damit sich nur ein bestimmter Mode in dem Hohlleiter ausbreiten
kann, sind Modenauslöschungsplatten
in dem Hohlleiter vorgesehen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte
Messsystem zur verbessern und ein zuverlässig und präzise arbeitendes Messsystem
mit verbesserter Messgenauigkeit zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Messsystem zur Messung des Abstands bis zu
einem Messmedium gemäß dem Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, in dem Hohlleiter eine Störstelle anzubringen, die einen
bestimmten Anteil der im Hohlleiter zu dem Medium, bis zu dem der
Abstand gemessen werden soll, geführten elektromagnetischen Welle
reflektiert und diesen Anteil somit zum Empfänger zurück schickt. Der Empfänger kann
diesen von der Störstelle
reflektierten Teil als Referenzmarke bzw. Referenzsignal verwenden.
Der von der Störstelle
nicht reflektierte, sondern durchgelassene Anteil der elektromagnetischen Welle,
der selbstverständlich
immer größer als
0 sein muss, wird dann an dem Messmedium reflektiert und gelangt
zurück
zum Empfänger.
Die Auswerteeinheit kann dann durch Frequenz- oder Phasenmessung bei
einer frequenzmodulierten bzw. pulsmodulierten elektromagnetischen
Welle den Abstand zwischen dem Messmedium und der Störstelle
ermitteln, und zwar unabhängig
von der Weglänge
zwischen der Auswerteeinheit und der Störstelle. Hierdurch ist eine höhere Messgenauigkeit
möglich.
Das erfindungsgemäße Messsystem
ist für
einen Frequenzbereich von 100 MHz bis 100 GHz einsetzbar.
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Für die Frequenzmodulation
kommen je nach Anforderungen und Gegebenheiten verschiedene Modulationsarten
wie das "Stepped-Frequency"-Verfahren, die lineare
Frequenzmodulation oder nichtlineare wie z.B. eine sinusförmige Frequenzmodulation
in Frage. Die Auswertung erfolgt dabei entweder durch einen Phasenvergleich
zwischen hin- und rücklaufender
Welle oder durch eine Frequenzmessung. Dabei sind die im Vergleich
zum Freiraum unterschiedlichen Ausbreitungseigenschaften der Welle
im Hohlleiter zu berücksichtigen.
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Mit
der Phasenmessung bzw. Phasenmodulation können abhängig von Parametern wie Messlängen, Qualität des Hohlleiters,
Eigenschaften des zu messenden Mediums etc. Genauigkeiten im Millimeterbereich
und darunter erreicht werden.
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Für geringere
Genauigkeitsanforderungen und lange Messstrecken ist auch eine Pulsmodulation
möglich,
wobei nach Absenden des Pulses die Zeitdifferenz der an der Störstelle
und dem Messmedium reflektierten Pulse gemessen wird. Somit kann über die
Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle der Abstand
zwischen Auswerteeinheit und Störstelle
sowie zwischen Störstelle
und Messmedium ermittelt werden. Als besonders günstig für die vorliegende Erfindung
hat sich der TM01-Mode herausgestellt.
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Die
Störstelle
ist vorzugsweise als eine Öffnung,
eine Einkerbung, eine Erhebung oder eine Blende im Hohlleiter ausgebildet,
deren Form und Größe von den
Dimensionen des Hohlleiters, vom gewählten Ausbreitungsmode und
vom angestrebten Reflexionsfaktor abhängt. Alternativ können die
Störstellen
auch als Beschichtung aufgebildet sein, welche die Wellenleitfähigkeit
des Hohlleiters und damit den Reflexionsfaktor an der Störstelle
variiert.
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Um
in besonders einfacher Weise sicherstellen zu können, dass immer mindestens
eine Störstelle
zwischen der Oberfläche
des Messmediums und der Auswerteeinheit liegt, ist es bevorzugt,
dass mehrere Störstellen
vorgesehen sind, die auch unterschiedliche Formen aufweisen können und/oder
verschiedenen der vorstehend beschriebenen Typen angehören.
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Das
erfindungsgemäße Messsystem
ist besonders vielseitig einsetzbar und an die unterschiedlichsten
Gegebenheiten anzupassen, wenn die Länge des Hohlleiters verändert werden
kann, was insbesondere durch dessen teleskopartige Ausgestaltung
erreicht werden kann. Die Vielseitigkeit und Flexibilität wird noch
weiter erhöht,
wenn der Sender, der Empfänger
und die Auswerteeinheit zu einem Messkopf integriert sind, der lösbar an
demjenigen Ende des Hohlleiters befestigt werden kann, das vom Messmedium
abgewandt ist.
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Die
vorliegende Erfindung findet bevorzugt ihre Anwendung in einem Pegelmessgerät für eine Flüssigkeit,
in einem Füllstandsmessgerät für Schüttgut, einem
Messgerät
zur Erfassung der Lage und Dicke einer Flüssigkeit wie beispielsweise Öl, die auf
einer anderen Flüssigkeit
wie beispielsweise Wasser schwimmt. Die Erfindung kann auch in vorteilhafter Weise
bei einem Abstandsmessgerät
zum Messen des Abstands bis zu einem Messmedium oder als Positionsmessgerät für die Position
eines Kolbens eingesetzt werden, wobei in diesen Fällen der
Hohlleiter längenveränderlich
sein muss.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, jedoch nicht beschränkender
Ausführungsformen
der Erfindung anhand der schematischen und nicht maßstabsgetreuen
Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
vorteilhafte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Messsystems,
das als Pegelmessgerät
für eine
Flüssigkeit
ausgebildet ist,
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2a bis 2e unterschiedliche
Ausgestaltungen einer Störstelle,
wie sie bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
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3 eine zweite vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messsystems,
das als Füllstandsmessgerät für Schüttgut aufgebildet
ist,
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4 eine
dritte vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messsystems,
das als Messgerät
zur Erfassung getrennter Flüssigkeitsschichten
ausgebildet ist,
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5a und 5b eine
vierte vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messsystems,
das als Abstandsmessgerät
zur Messung des Abstands bis zu einem Messmedium ausgebildet ist, in
zwei verschiedenen Arbeitsstellungen und
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6 eine
fünfte
vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messsystems,
das als Positionsmessgerät
für die
Position eines in einem Zylinder bewegbaren Kolbens ausgebildet
ist.
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1 zeigt
als erste vorteilhafte Ausführungsform
eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Messsystems als Pegelmessgerät für eine Flüssigkeit 54.
Ein Sender 22 und ein Empfänger 24 für Mikrowellen
sind zusammen mit einer entsprechenden Auswerteeinheit 26 zu
einem Messkopf 20 integriert, der auf ein erstes Ende 12 eines
Hohlleiters 10 für
Mikrowellen lösbar
aufgesetzt ist. Nachfolgend wird durchgehend davon ausgegangen,
dass Mikrowellen für
die Abstandsmessung beim erfindungsgemäßen Messsystem eingesetzt werden.
Es können jedoch
auch andere Frequenzen von elektromagnetischen Wellen verwendet
werden, falls sich dies für die
jeweiligen Umstände
der Messung anbietet. Das zweite Ende 14 der Hohlleiters 10 taucht
in ein Gefäß 60 ein,
in dem sich die Flüssigkeit 54 befindet,
deren Pegel zu messen ist.
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Im
Bereich dieses unteren Endes 14, das sich in einer definierten
Position befinden muss, befindet sich seitlich eine Einlassöffnung 18 zum
Einlass der Flüssigkeit 54 in
das Innere des Hohlleiters 10. Selbstverständlich kann
der Hohlleiter 10 statt einer seitlich eingeordneten Einlassöffnung 18 auch einfach
an seinem unteren Ende 14 offen sein. Im Inneren des Hohlleiters 10 befindet
sich mindestens eine Störstelle 30,
wobei in dieser Ausführungsform vier
Störstellen 30 vorgesehen
sind.
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Zur
Messung des Pegels der Flüssigkeit 54 strahlt
der Sender 22 modulierte, insbesondere frequenz- oder pulsmodulierte,
Mikrowellen in den Hohlleiter 10, die sich in dem Hohlleiter 10 nach
unten zum zweiten Ende 14 hin ausbreiten. In dem Hohlleiter 10 können auch
Längsschlitze
zur Entlüftung und/oder
Modenbereinigung vorgesehen sein, die jedoch nicht zeichnerisch
dargestellt sind. So eignen sich beispielsweise axiale Schlitze
besonders gut dafür,
nur den Grundmode wie vorzugsweise den TM01-Mode
durchzulassen und alle anderen Moden zu eliminieren.
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Erfindungsgemäß sind die
Störstellen 30 so ausgebildet,
dass von der Gesamtwelle I ein wohldefinierter Anteil R der vom
Sender 22 kommenden Mikrowelle zum Empfänger 24 zurückreflektiert
wird und der Rest T der Mikrowelle transmittiert wird und im Hohlleiter 10 in
Richtung zu dessen zweitem Ende 14 weiterläuft. Der
zum Empfänger 24 von
der Störstelle 30 zurückreflektierte
Anteil R dient diesem dabei als Referenzsignal bzw. Referenzmarke.
Der zur Oberfläche
der Flüssigkeit 54 weiterlaufende
Anteil T der Mikrowelle läuft
bis zur Oberfläche
der Flüssigkeit 54 weiter
und wird dort größtenteils
reflektiert und zum Empfänger
zurückgeleitet,
wo er ein Messsignal erzeugt. An einer Grenzfläche Luft/Wasser beispielsweise
ist ein Reflexionsfaktor von etwa 70 % zu erwarten. Durch Vergleich
des Referenzsignals mit dem Messsignal kann die Auswerteeinheit 26 den Abstand
zwischen der Störstelle 30 und
der Oberfläche
der Flüssigkeit
und damit auch – da
der Abstand der Störstelle 30 vom
Messkopf 20 bekannt ist – den Abstand der Oberfläche der
Flüssigkeit 54 vom Messkopf 20 bestimmen.
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Als
Hohlleiter 10 wird vorzugsweise ein Rohr mit rundem Querschnitt
verwendet, es können
jedoch auch andere Querschnitte wie rechteckige oder ovale verwendet
werden, sofern sie sich für
die jeweilige Messsituation eignen. Der Hohlleiter kann auch aus
mehreren Sektionen gebildet sein, die beispielsweise durch Muffen
miteinander verbunden sind. Besonders bevorzugt ist ein Hohlleiter
auf flexiblem Material, der auch mit Krümmungen versehen werden kann.
Wenn beispielsweise ein Durchmesser von 6 cm des Hohlleiters verwendet
wird, ergibt sich für
diesen eine Betriebsfrequenz von 5,8 GHz. Für diese Konfiguration (oder
auch z.B. für
24,125 GHz) sind bereits auf dem Markt alle Bauelemente vorhanden, somit
kann ein derartiges Messsystem kostengünstig realisiert werden. Falls
eine Phasenmessung zwischen dem Referenzsignal und dem Messsignal durchgeführt wird,
können
Genauigkeiten im Millimeterbereich und darunter erreicht werden.
Bei der in 1 dargestellten Messsituation,
bei der sich die Oberfläche
der Flüssigkeit 54 zwischen
den beiden obersten Störstellen 30 befindet,
wird nur ein Referenzsignal von der obersten Störstelle und ein Messsignal
von der Oberfläche
der Flüssigkeit 54 erzeugt. Falls
die Oberfläche
der Flüssigkeit 54 tiefer
liegt und beispielsweise zwei oder drei Störstellen 30 frei liegen,
erzeugt jede der Störstellen 30 ein
entsprechendes Referenzsignal, was der Auswertung in der Auswerteeinheit 26 jedoch
keine Probleme bereitet.
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In 2a-2e sind
verschiedene Arten dargestellt, wie die Störstellen 30 für das erfindungsgemäße System
ausgebildet sein können.
In 2a ist ein rechteckiger Hohlleiter 10 dargestellt,
bei dem die Störstelle
als ringförmige
Blende 36 ausgebildet ist, die in der Mitte offen und somit
durchgängig
ist. Die Gesamtwelle I, der reflektierte Anteil R und der transmittierte
Anteil T sind mit entsprechend bezeichneten Pfeilen symbolisch dargestellt.
Bei der in 2b dargestellten Form ist die
Störstelle
als stufenförmige
Blende 37 dargestellt, die etwa das untere Drittel des
Hohlleiters abschirmt. Für
diese Konfiguration ergibt sich beispielsweise ein Reflexionsanteil von
ca. 20 %. In 2c ist am Beispiel eines Hohlleiters 10 mit
rundem Querschnitt eine als Erhebung 35 ausgebildete Störstelle
dargestellt, während 2d eine
als Einkerbung 34 ausgeformte Störstelle zeigt. In 2e ist
am Beispiel eines Hohlleiters 10 mit quadratischem Querschnitt
an dessen Oberseite eine Öffnung 32 dargestellt,
die – ebenso
wie die vorstehend beschriebenen Varianten – durch einen geometrischen
Eingriff in den Hohlleiter 10 als Störstelle wirkt. Am Boden des
Hohlleiters 10 dagegen ist eine als Störstelle wirkende Beschichtung 38 aufgetragen, die
beispielsweise aus Kunststoff oder aber auch einem Metall hergestellt
ist, das andere Wellenieitungseigenschaften aufweist als der Hohlleiter 10 und
somit zu einer Reflexion eines Teils der geführten Mikrowelle führt. Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausgestaltungen der Störstellen
beschränkt.
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Die
in Verbindung mit den 1 und 2a bis 2e beschriebenen
Eigenschaften und Funktionsweisen des Messsystems und der Störstellen
gelten auch für
die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen, sofern nicht
Abweichendes dargelegt ist.
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3 zeigt eine zweite vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung, bei der das Messsystem als Füllstandsmessgerät für in einem
Behälter 60 befindliches
Schüttgut 52 ausgestaltet
ist. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform tritt das Schüttgut 52 nicht
in das Innere des Hohlleiters 10 ein, sondern befindet
sich in dessen Außenbereich.
Daher sind im Hohlleiter 10 mehrere Koppelschlitze 16 vorgesehen, über die
das Mikrowellensignal mit der Hohlleiterumgebung verkoppelt ist.
Abhängig
davon, ob die Umgebung Luft oder das zu messende Schüttgut 52 ist, wird
ein unterschiedliches Reflexionssignal als Messsignal geliefert,
das in der Auswerteeinheit zur Ermittlung des Füllstands ausgewertet werden
kann. Wie bei der ersten Ausführungsform
wird ein Referenzsignal oder mehrere Referenzsignale durch Reflexionen
an den entsprechenden Störstellen 30 erzeugt und
zur Ermittlung des Füllstands
herangezogen.
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4 zeigt
eine dritte vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung in Gestalt eines Messgeräts, das die Lage und die Dicke
einer auf einer weiteren Flüssigkeit
schwimmenden Flüssigkeitsschicht erfassen
kann. Im Behälter 60 befindet
sich am Boden eine Wasserschicht 55, auf der eine Ölschicht 56 schwimmt.
Der Hohlleiter 10, auf dem der Messkopf 20 angeordnet
ist, ist hier teleskopisch ausgestaltet, so dass er hinsichtlich
des Messbereichs flexibler ausgestaltet ist. In dem Hohlleiter 10 ist
eine Mehrzahl von Einlassöffnungen 19 vorgesehen,
deren Lage und Anzahl hier nur exemplarisch dargestellt ist und
durch die die jeweiligen Flüssigkeiten
in den Hohlleiter 10 eintreten können. Das Messprinzip erfolgt
bei dieser Ausführungsform
so, dass neben der Reflexion an der Störstelle 30 eine erste
Reflexion an der Oberfläche
des Öls 56 stattfindet
und zu einem ersten Messsignal führt.
Es wird jedoch nicht die gesamte an der Öloberfläche ankommende Mikrowelle reflektiert,
sondern ein Teil tritt durch die Ölschicht 56 hindurch
und wird erst an der Grenzfläche
zur Wasserschicht 55 zum Messkopf 20 zurückreflektiert
und ergibt ein zweites Messsignal. Durch Auswertung dieser beiden
Messsignale unter Bezugnahme auf das Referenzsignal von der Störstelle 30 kann
sowohl die Lage als auch die Dicke der Ölschicht 56 bestimmt
werden. Es ist klar, dass mit diesem Messprinzip auch die Lage und
Dicke mehrerer Flüssigkeitsschichten
und nicht nur einer Flüssigkeitsschicht
ermittelt werden kann, wobei je nach den zu erfassenden Stoffen
eine Anpassung der eingesetzten Mikrowellenfrequenz und/oder Ausgestaltung
der Störstelle
etc. erforderlich sein kann.
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In
den 5a und 5b ist
eine vierte vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Das erfindungsgemäße System umfasst einen Hohlleiter 10,
der drei Abschnitte 11, 13, 15 umfasst,
die teleskopisch ineinanderschiebbar sind. Der mit dem Messkopf 20 versehene
Abschnitt 11 des Hohlleiters 10 befindet sich
dabei einer definierten Lage, und die beiden anderen Abschnitte 13 und 15 können aus
der in 5b dargestellten eingefahrenen
Stellung soweit ausgefahren werden, bis der Abschnitt 15 auf das
Messmedium 50 – beispielsweise
eine Fläche, deren
Abstand zu ermitteln ist – trifft.
Sobald die für das
Ausfahren der Abschnitte 13 und 15 zuständige (nicht
eigens dargestellte) Sensorik erkennt, dass der Abschnitt 15 an
dem Messmedium 50 anliegt (vgl. 5a), wird
eine Messung durch Aussendung von Mikrowellen und anschließender Auswertung
der Reflexionen an der Störstelle 30 und
am Messmedium 50 ausgeführt.
Dies funktioniert gut, wenn das Messmedium 50 beispielsweise
eine plane Fläche
ist und eine klar definierte Reflexion an diesem Messmedium stattfindet.
Wenn das Messmedium 50 dagegen beispielsweise rau ist und
die Reflexion der aus dem Abschnitt 15 kommenden Mikrowellen
an ihm nicht genau definiert ist, kann der Abschnitt 15 alternativ an
seinem das zweite Ende 14 des Hohlleiters 10 bildenden
Ende durch einen Boden 17 verschlossen sein, an dem dann
die Reflexion erfolgt. Es ist festzuhalten, dass sich u.a. bei dieser
Ausführungsform
der Durchmesser des Hohlleiters 10 problemlos auf deutlich
unter 10 mm reduzieren lässt,
wobei dann Mikrowellenfrequenzen im Bereich von beispielsweise 60 GHz
zum Einsatz kommen.
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In 6 ist
eine fünfte
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, bei der das Messsystem als Positionsmessgerät für die Position eines
Kolbens 59 ausgestaltet ist. Der Kolben 59 kann
sich in einem Zylinder 60 durch Betätigung eines Hydraulikfluids 62 wie
beispielsweise Hydrauliköl bewegen,
das über
einen Hydraulikanschluss 64 eingeführt oder entnommen wird. In
demjenigen Teil 66 des Zylinders 60, in dem sich
das Hydrauliköl 62 befindet,
ist ein teleskopisch ausziehbarer Hohlleiter 10 angeordnet,
dessen zweites Ende 14 mit einem ersten Ende 61 des
Kolbens 60 verbunden ist. Bei Bewegung des Kolbens ändert sich damit
auch die Länge
des Hohlleiters 10 und ergibt damit ein entsprechendes
Reflexionssignal, das im Vergleich mit den Referenzsignalen von
den Störstellen 30 zur
Ermittlung der exakten Position des Kolbens 59 ausgewertet
werden kann. Selbstverständlich
kann diese Ausführungsform
so abgewandelt werden, dass der Hohlleiter 10 an einem
beliebigen beweglichen Element, dessen Position innerhalb eines
bestimmten, durch die Ausziehbarkeit des Hohlleiters 10 definierten
Bereichs erfasst werden soll, befestigt ist.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Messsystems
können
jeweils als autonome Einheiten betrieben und autark verwaltet werden.
Die elektrische Versorgung kann dabei herkömmlich über das Stromnetz, jedoch auch über Solaranlagen
erfolgen. Die Übermittlung der
durch das Messsystem gewonnenen Daten kann in vielfältiger Weise
erfolgen, beispielsweise drahtlos über satellitengestützte Systeme
wie GALILEO, GPS, GSM oder UMTS oder auch über das Festnetz. Die einzelnen
mit dem erfindungsgemäßen Messsystem
ausgestatteten Messstellen können über Draht oder
aber auch drahtlos wie beispielsweise über W-LAN verwaltet werden.
Die Datenaufzeichnung, das sogenannte Logging, kann dabei im jeweiligen System
vor Ort oder auch zentral erfolgen.
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Die
erfindungsgemäßen Messsysteme
sind entweder fest installiert oder als mobile Einheiten ausgestaltet.
So kann beispielsweise eine entsprechende Einheit aus einem Messkopf
und einem Hohlleiter auf ein vorhandenes Rohr aufgesetzt werden und
anschließend,
nach Kalibrierung vor Ort, eine Tiefenmessung vorgenommen werden.
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Es
ist festzuhalten, dass die unter Bezug auf einzelne Ausführungsformen
beschriebenen Merkmale der Erfindung, wie beispielsweise die Ausgestaltung
der Störstellen
oder die relative Anordnung des Hohlleiters relativ zum Messmedium,
auch bei anderen Ausführungsformen
vorhanden sein können.