WO2023078953A1 - System and method for determining the volume of bodies or substances composed of dielectric and/or conductive material - Google Patents

System and method for determining the volume of bodies or substances composed of dielectric and/or conductive material Download PDF

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WO2023078953A1
WO2023078953A1 PCT/EP2022/080587 EP2022080587W WO2023078953A1 WO 2023078953 A1 WO2023078953 A1 WO 2023078953A1 EP 2022080587 W EP2022080587 W EP 2022080587W WO 2023078953 A1 WO2023078953 A1 WO 2023078953A1
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WO
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measuring cell
antenna
interior
signal
volume
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Application number
PCT/EP2022/080587
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dr. Stefan Gebhardt
DR. Armin KOHLER
Eduard Bischler
Original Assignee
Rechner Industrie-Elektronik Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284Electromagnetic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/003Bistatic radar systems; Multistatic radar systems

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for determining the volume of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material within an interior space of a first measuring cell with a conductive and/or non-conductive measuring cell wall, which has a surface facing the interior space.
  • sensors will also be required that provide contactless information on volumetric filling material distribution and/or are suitable for level measurements through layers of material.
  • Level measurements are nowadays implemented using a wide variety of measuring methods, with a fundamental distinction being made between point level measurement and continuous measurement.
  • point level measurement several sensors are usually installed at defined height positions in the container wall or vertically from above, so that they usually only serve to avoid overfilling or emptying.
  • continuous level measurements provide much more dedicated information and are advantageous, for example, if several limit levels are to be generated above the level.
  • continuous level sensors a distinction is made, as is known, between sensors that come into contact with the product and sensors that measure without contact. In all types of sensors that come into contact with the product, the measuring electrodes extend over a defined filling level in the container and are always in contact with the product, ie they must meet the environmental conditions in the container.
  • Complicated container geometries such as corners, slopes, changes in diameter, or fixtures such as filling/heating devices and/or agitators, atmospheric interference and chemical and physical properties of the medium, such as viscosity, vapor, foam, reactivity, density changes, can impair the measurement or even make it impossible.
  • Non-contact measuring sensors work, for example, on the basis of ultrasound, microwaves, radiometry or radar.
  • pulse radar for example, short pulses are sent from above into the container and when they hit the boundary surface of the medium, part of the energy is reflected and can be detected as an echo. The distance to the sensor is then determined from the transit time of the signal received and the fill level is finally calculated using the specified container height.
  • radar systems with a beam lobe that is as narrow as possible are used to detect only reflections from the surface of the filling material.
  • DE 10 2006 019 688 B4 describes, for example, a planar antenna for a level radar for level detection by sensors, with a glass or ceramic pane being provided for process separation, on the back of which, ie on the side facing away from the level area to be detected by sensors, at least one planar radiator element is applied and at a distance from it, a metal wall is also provided as a ground surface for the radiator element on the side facing away from the filling level area to be detected by sensors.
  • the planar antenna structure applied by the at least one emitter element is made of a conductive material and can be an individual patch emitter or an array of several individual patches.
  • An electromagnetic high-frequency transmission signal with a wavelength ⁇ is thereby generated and radiated through the pane to the filling material, which has a thickness of a multiple of ⁇ /2 in order to minimize the interference.
  • a gas e.g. B. air, or a vacuum with low dielectric constant.
  • such a planar antenna additionally designed with process separation can in turn be used in particular within a horn antenna or for installation in a waveguide.
  • filling material it is also necessary to remove filling material from a container previously filled with filling material.
  • a predetermined material property for example a particle size that does not exceed a predetermined maximum value, or filling material in a specific, e.g. liquid or gaseous, aggregate state.
  • a system in particular for determining the volume of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material within an interior space of a first measuring cell with a conductive and/or non-conductive measuring cell wall, which has a surface directed into the interior space, which is as follows is set up.
  • the system comprises at least one first antenna, which is designed to emit a transmission signal in the form of electromagnetic radiation into a measurement volume defined by the interior of a first measurement cell.
  • the first antenna comprises at least one disk-shaped carrier substrate with a first surface directed towards a first side and a second surface directed opposite to the first surface, which forms an outside of the first antenna.
  • the first surface directed towards the first side is expediently located on the side facing away from the fill level area to be detected by sensors.
  • the system includes a first sensor and an evaluation module.
  • the system is configured in such a way that the carrier substrate can be arranged in the interior of the first measurement cell at a distance from the measurement cell wall or can be installed in the measurement cell wall in such a way that part of the surface of the measurement cell wall directed into the interior of the first measurement cell passes through the second surface of the carrier substrate is replaceable.
  • the system is configured in such a way that the first antenna is set up with radiator elements arranged on the second surface of the carrier substrate or in the carrier substrate as an electrically short antenna with an at least essentially hemispherical radiation characteristic for radiating the transmission signal into the measurement volume that the first sensor is designed to receive a runtime-based radiation signal and that the evaluation module for Evaluating the transit time-based radiation signal received from the first sensor is formed.
  • the system according to the invention is further characterized in that it has a second sensor which is used to receive a measurement signal relating to a filling level and/or a volume within a cell that is delimited from the interior of the first measuring cell and is in particular connected to it for the exchange of bodies or substances , Interior of a second measuring cell is formed.
  • the evaluation module or another evaluation module included in the system is designed to evaluate the measurement signal received from the second sensor.
  • the system is set up to determine the volume of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material within the interior of the first measuring cell, by functionally relating the two evaluated signals to an adjustable reference volume of bodies or substances within the interior of the first measuring cell.
  • Such a system can thus contribute with the help of the first sensor and the evaluation module to the volume determination of bodies or substances in the first measuring cell and with the help of a second sensor independent of the first sensor and the evaluation module or a further evaluation module in a second measuring cell for level and/or or contribute to volume determination.
  • the first and the second measuring cell are expediently arranged in a common container, but can also be arranged in different containers.
  • the inner space of the second measuring cell is delimited from the inner space of the first measuring cell, in particular spatially delimited in such a way that the respective inner spaces are connected to one another for the exchange of bodies or substances. Bodies or substances can thus, for example, get from the interior of the first measuring cell into the interior of the second measuring cell.
  • the system is then set up in such a way that the first sensor receives a measuring signal which essentially corresponds to the proportion of bodies or Corresponds to substances reduced measurement signal, and that the second sensor receives a measurement signal, which on the other hand, corresponds to a measurement signal which is essentially increased by the proportion of bodies or substances that have passed from the interior of the first measurement cell into the interior of the second measurement cell.
  • the system can use the two evaluated measurement signals to determine the volume of bodies or substances inside the interior of the first measuring cell by functionally relating the evaluated measurement signals to an adjustable reference volume of bodies or substances inside of the interior of the first measuring cell, for example a volume taken up immediately after the first measuring cell has been filled, also called the initial filling volume.
  • the additional measurement for determining the fill level and/or volume of bodies or substances within the interior of the second measuring cell allows the system to provide a more accurate measurement result with regard to the non-contact measurement within the interior of the first measuring cell.
  • the system enables a separate determination of the volume of bodies or substances in the first measuring cell and the filling level and/or the volume of bodies or substances in the second measuring cell.
  • the measurement signals received from the first and the second sensor can be transmitted to the evaluation module or to the further evaluation module, in which they can then be processed and evaluated, in particular by downstream digital algorithms, depending on the application.
  • the system according to the invention can take measurements down to the bottom and in a wide variety of areas including the corners of at least the first measuring cell, i.e. in particular up to a container bottom and into the corners of a container containing the first measuring cell, in particular under Consideration of transit time and signal shape analysis, especially in the presence of multiple reflections of the measurement volume, can be carried out extremely precisely.
  • the carrier substrate of the first antenna replaces part of the surface of the measuring cell wall directed into the interior space or extends in the interior space at a distance from the measuring cell wall and the radiator elements arranged thereon or therein have an at least essentially hemispherical shape
  • the carrier substrate of the first antenna replaces part of the surface of the measuring cell wall directed into the interior space or extends in the interior space at a distance from the measuring cell wall and the radiator elements arranged thereon or therein have an at least essentially hemispherical shape
  • the system according to the invention preferably comprises the first measuring cell, the second measuring cell and also a separating layer.
  • the separating layer is designed to delimit the interior of the first measuring cell from the interior of the second measuring cell in such a way that the separating layer is permeable to bodies or substances made of dielectric and/or conductive material which have at least one predetermined material property.
  • Such a further developed system makes it possible for filling material in the form of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material to be divided up and, to a certain extent, selected in the first measuring cell. Bodies or substances that have a predetermined material property can pass through the separating layer and get into the interior of the second measuring cell due to this predetermined material property.
  • the bodies or substances that do not have the predetermined material property remain in the interior of the first measuring cell, since these bodies or substances cannot pass through the separating layer.
  • the system is thus set up to use the first sensor and the evaluation module to determine the filling volume of the bodies or substances that do not have the predetermined material property in the first measuring cell and also to use the second sensor and the evaluation module or a further evaluation module to determine the fill level and/or or to determine the filling volume of the bodies or substances that have the predetermined substance property in the second measuring cell.
  • the system can therefore be used to determine at any time what filling volume and/or what level bodies or substances occupy depending on the predetermined substance property, and thus in particular how large the proportion of bodies or substances in the predetermined substance property is in relation to an adjustable reference volume or reference value is.
  • the separating layer can in particular be designed as a metallic lattice, which preferably has a predetermined lattice spacing, so that the metallic lattice for bodies or substances that have a predetermined material property Particle size substantially smaller than the lattice spacing of the lattice, is permeable.
  • bodies or substances whose particle size is essentially smaller than the lattice spacing of the metallic lattice can pass through this lattice and get into the interior of the second measuring cell.
  • Bodies and substances whose particle size exceeds the grid spacing of the grid cannot pass through the grid and remain in the interior of the first measuring cell.
  • the metallic grid can in particular be a heating grid which is designed to heat, in particular to melt, bodies and substances located within the interior of the first measuring cell, and which is also particularly permeable to molten and/or liquid bodies or substances.
  • the separating layer can also be designed as a membrane which is permeable to bodies and substances with a predetermined material property.
  • the membrane is preferably selected on the basis of the predetermined material property.
  • the second sensor of the system according to the invention can be, for example, a capacitive sensor, in particular a capacitive sensor based on the three-electrode measuring principle, with at least one measuring electrode for capacitive level measurement of the bodies and substances that have entered the second measuring cell, with a counter-electrode being attached to a measuring cell wall of the second measuring cell or at least part of the measuring cell wall of the second measuring cell serves as a counter electrode.
  • the second sensor thus receives a level measurement signal, which is evaluated by the evaluation module or by the further evaluation module.
  • the second sensor of the system can be, for example, a runtime-based radiation sensor, which is designed for the volumetric detection of bodies or substances in the second measuring cell and is in particular a runtime-based radiation sensor designed in accordance with the first sensor.
  • the system also includes a second antenna for emitting a second transmission signal in the form of electromagnetic radiation through the interior the measurement volume defined by the second measurement cell, the second antenna preferably being designed substantially in accordance with the first antenna.
  • the first antenna is designed as a transmitting and receiving antenna.
  • the emitter elements are also set up to receive a reception signal and to transmit the reception signal to the first sensor.
  • the received signal is present in particular in the form of a transmitted signal reflected by the bodies or substances to be detected in volume and/or a transmitted signal reflected on the measuring cell wall of the first measuring cell.
  • the received signal transmitted to the first sensor corresponds to the received propagation time-based radiation signal.
  • the system expediently also has a transmission module for generating the transmission signal and a cable connection electrically connected to the transmission module and to the radiating elements of at least the first antenna for wired transmission of the transmission signal generated to the radiating elements of the first antenna.
  • the system has two planar radiator elements arranged on the second surface of the carrier substrate or in the carrier substrate and preferably horizontally and/or vertically parallel to these two planar radiator elements at least two more on the second surface of the Has carrier substrate or arranged in the carrier substrate planar radiator elements.
  • the radiator elements can in principle be of any shape in order to form a large number of possible antenna structures, such as circular, elliptical and ring structures or butterfly structures, fly structures, ie “bow tie” structures, and so-called Batwing structures.
  • at least the first antenna comprises a shielding arranged at a distance from the carrier substrate on the side of the carrier element facing away from the measurement volume. A wave propagation of the transmission signal in this direction can thus be avoided in a simple manner and the field propagation behind the first antenna can be minimized.
  • the shielding can be formed in particular by a metal measuring cell wall or by a metal cover of the first antenna.
  • a non-conductive layer in particular for covering, and/or an absorber layer, in particular for electromagnetic absorption, can also be arranged as a protective layer on a surface adjacent to the carrier substrate facing the first side.
  • a multi-layer circuit board can also be used as the carrier substrate and/or the radiator elements can be embedded in the carrier substrate.
  • the carrier substrate can additionally or alternatively be part of an integrated circuit.
  • the system can also have at least one matching element and in particular at least one cable connection connected to the radiator elements via the matching element, it also being possible for the matching element to be part of an integrated circuit.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a system according to the invention for determining the volume of bodies or substances in a first measuring cell and at least for determining the filling level of filling material in a second measuring cell,
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a system according to the invention for determining the volume of bodies or substances in a first measuring cell and at least for determining the filling level of filling material in a second measuring cell
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a system according to the invention for determining the volume of bodies or substances in a first and a second measuring cell
  • FIG. 4 shows a plan view of a first embodiment of a board antenna designed as a dipole antenna for use within a system according to the invention
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a second embodiment of a board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention
  • FIG. 6 shows a top view of a third embodiment of a circuit board antenna designed as a dipole antenna, in particular for bistatic measurements for use within a system according to the invention
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of a fourth embodiment of a board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention
  • FIG. 8 shows a cross-sectional view of a fifth embodiment of a board antenna with embedded radiating elements and rear shielding for use within a system according to the invention
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of a sixth embodiment of a board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention
  • FIG. 10 shows a cross-sectional view of a seventh embodiment of a board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention
  • FIG. 11 shows a cross-section of a measuring system according to the prior art with bundling high-frequency antennas when measuring the fill level in a container
  • FIG. 13 shows a cross section of the measuring system according to the prior art with bundling high-frequency antennas when detecting an object in another container.
  • the in Figs. 11 to 13 systems shown in cross-section each have a level radar 10 with antennas (or an antenna) 12 that focus high-frequency beams.
  • the respective antenna structure of the focussing antenna 12 can be made of a conductive material, not shown in detail, and in particular and of a single patch radiator or an array several individual patches, as described for example in DE 10 2006 019 688 B4.
  • the bundling antennas 12 are each arranged with a rear side, ie on the side facing away from the level area to be detected by sensors, with a Ground surface or reflector layer 13 is electrically conductively connected, with a high-frequency connection 14 leading from the bundling antenna 12 to microwave electronics 11 .
  • Figs. 11 to 13 systems shown in cross-section each have a level radar 10 with antennas (or an antenna) 12 that focus high-frequency beams.
  • the respective antenna structure of the focussing antenna 12 can be made of a conductive material, not shown in detail, and in particular and of a single patch radiator or an
  • FIG. 11 and 12 each show a “rectangular” or “cylindrical” container 30 with a container wall 31, through which a measuring cell is defined.
  • the container wall 31 forms the measuring cell wall, so that the surface of the container wall 31 directed into the interior ultimately defines the fill level range to be detected by sensors.
  • Such a fill level area is consequently essentially “hollow cuboid” or also “hollow cylindrical” in shape.
  • FIG. 13 does not show a merely “rectangular” or “cylindrical” container, but a container 40 with essentially any structure, in particular any complex structure, which consequently also includes a container wall 41 following this any structure .
  • a measuring cell defined in this way, and thus also the fill level area to be detected by sensors, which is defined by the surface of the container wall 41 facing into the interior, is consequently not just “hollow cuboid” or “hollow cylindrical” in shape, but can also have shoulders, corners, slopes and include the like.
  • a measuring field 60 generated in each case by means of the bundling antenna 12 is likewise shown in FIGS. 11 to 13 outlined.
  • the generated measuring field 60 is a bundled measuring field and consequently has a correspondingly bundled directional lobe 61, which delimits the area in which a transmitted signal 62 with a specific minimum field strength is generated or a received signal 63 with a specific minimum signal strength is received can.
  • the container 30 according to Fig. 11 is a liquid or bulk material as filling material 500, for example, so that the filling level area and thus the interior of the measuring cell is filled essentially homogeneously from the bottom up with the liquid or bulk material, the respective filling material surface can consequently be filled 501 can also be carried out satisfactorily with the measuring system shown in FIG. 11 according to the prior art, since in such a In the case of a homogeneous filling material distribution, a bundled directional lobe 61 generally has no negative effects on the measurement result.
  • the filling material marked 500 that is outside of the directional lobe 61, for example a liquid or bulk material with homogeneous distribution from the bottom of the interior of the measuring cell upwards, or not Shown other body located outside of the directional lobe 61.
  • the filling material surface 501 of the filling material 500 is also detected by sensors, but not the further body marked 503, which is located outside the directional lobe 61.
  • a filling level measurement based on a recognized body or according to FIGS. 12 and 13 a volume determination of the body 502 can already lead to different results in these exemplary embodiments. If, as can be seen in Fig.
  • the body 502 lies, for example, on the bottom of the "rectangular” or “cylindrical” container there and the measuring field 60 extends within the directional lobe 61 around the body 502 to the filling material surface 501 of the Filling material 500
  • the body surface 504 of the body 502 detected by sensors and the filling material surface 501 of the filling material 500 can also be used to determine the volume of the body 502 with appropriate electronics in addition to simply detecting the body 502.
  • the volume determination becomes less precise due to the filling material 500 surrounding the body 502 than would be the case without the filling material 500 surrounding the body 502 . If, on the other hand, the body is in the near-field region of antenna 12, such as body 502 in FIG.
  • the measuring system 10 shown in FIGS. 12 and 13 does not measure the body 502 on the one hand and the filling material 500 on the other hand separately. Rather, a sensory detection of the body surface 504 of the body 502 and the filling material surface 501 of the filling material 500 carried out with the same sensor, as in FIG. 12, can lead to significant and sometimes even unacceptable measurement inaccuracies. If, on the other hand, the measuring volume to be detected is limited, for example according to FIG. 13, then only the body 502 located within the directional lobe 61 can be detected by sensors, but without being able to determine its volume. The in Figs. The measuring systems of the prior art shown in FIGS.
  • 11-13 usually quickly reach their limits in terms of their measuring accuracy when there are different filling goods with different material properties, for example very different particle sizes, physical states, chemical composition, etc., in the measuring cell and these different filling goods 500, 502 , 503 are to be detected separately from one another by sensors.
  • FIGs. 1 to 3 in a greatly simplified representation of different measuring systems according to the invention.
  • three different embodiments of one compared to the measuring system 10 of FIGS. 11-13 improved system 100 according to the invention for determining the volume of bodies or substances in a first measuring cell 400A of an arbitrarily structured container 900, which comprises a second measuring cell 400B in addition to the first measuring cell 400A.
  • the first and second measuring cells 400A, 400B do not have to necessarily be comprised by a common container 900, but alternatively each can also be comprised by a separate container.
  • such a system 100 is suitable for determining the volume of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material 500, 502, 503, 504 within an interior of the first measuring cell 400A with a conductive and/or non-conductive measuring cell wall 401, which has a has directed into the interior surface.
  • parts of the container wall of the container 900 form, for example, the measuring cell wall 401 of the first measuring cell 400A and also of the second measuring cell 400B.
  • the interior of the first measuring cell 400A defines the measuring area to be detected by a first sensor 200 or a first measuring volume 700A to be detected by sensors, while the interior of the second measuring cell 400B defines the measuring area to be detected by a second sensor 300 or a second sensory sensing measurement volume 700B defined.
  • the measurement volumes 700A, 700B do not just have to be “hollow cuboid” or “hollow cylindrical” in shape, but can include shoulders, corners, bevels and the like, as is shown in FIGS. 1 to 3 regarding the measurement volume 700 A can be seen.
  • the system 100 has at least a first antenna 202, as shown in Figs. 1-3 visible.
  • the first antenna 202 is designed to emit at least one transmission signal 702, 704 in the form of electromagnetic radiation into the measurement volume 700A of the first measurement cell 400A and comprises at least one disc-shaped, i.e. planar, carrier substrate 205 with a first surface directed towards a first side and an opposite one first surface directed second surface. This second surface forms an outside of the first antenna 202.
  • the system 100 according to the invention is shown in FIGS.
  • the carrier substrate 205 can be installed in the measuring cell wall 401, so that a part of the surface of the measuring cell wall 401 directed into the interior of the first measuring cell 400 A can be replaced by the second surface of the carrier substrate 205.
  • the carrier substrate can also be arranged at a distance from the measuring cell wall and can extend in the interior of the measuring cell 400A.
  • the system 100 is always configured in such a way that the first antenna 202 is connected to the radiator elements 206a, 206b, 207a, 207b arranged on the second surface of the carrier substrate 205 or in the carrier substrate 205, as shown in FIGS.
  • an electrically short antenna with an at least essentially hemispherical radiation characteristic is set up in order to take the transmission signal 702, 704 over a solid angle of at least 2K and thus into the measurement volume 700A, as shown in FIGS. 1 to 3 by way of example, to radiate.
  • an antenna is electrically short if the electrical conductor of the antenna is much smaller than half the operating wavelength.
  • the antenna emits an ultra-wideband signal, i.e. a signal in particular within a frequency range between 0.1 and 6 GHz, this corresponds to a wavelength range between approximately 30dm and 5cm.
  • half the operating wavelength is preferably between 15 dm and 2.5 cm, and the electrical conductor or the conductor structure of the radiating elements that make up the antenna must be adjusted accordingly as far as possible.
  • the electrical conductor or the conductor structure of the radiator elements as defined in "Textbook of High Frequency Technology", first volume, second edition, page 261, chapter 6.2.2, from 1973, ISBN 3-540-05974-1, to set up of an electrically short antenna is less than or equal to X/8.
  • the first antenna 202 can, for example, be an ultra-wideband antenna, as described in EP20174239.2, which is suitable for emitting transmission signals in the form of ultra-wideband signals with low frequencies, since ultra-wideband signals can penetrate a wide variety of dielectric materials particularly well.
  • ultra-broadband antennas are particularly suitable for small measuring cells, since correspondingly small antennas with radiating elements in the centimeter range are required.
  • these are electrically short antennas that have little or no directivity and therefore expediently emit transmission signals into an at least essentially hemispherical measurement volume. In contrast to the prior art described above according to FIGS.
  • the system 100 can thus also be used for measurements, in particular radar measurements, but also LiDAR (Light Detection and Ranging) measurements with a corresponding geometry of the first measuring cell 400A, for determining the volume of bodies or substances in the vicinity of the first antenna.
  • LiDAR Light Detection and Ranging
  • the first antenna 202 can have a radiation characteristic with which the transmission signal 702 has a solid angle of far more than 2n up to 4K, i.e. up to a substantially spherical radiation pattern, can be radiated.
  • the system 100 expediently has a transmission module 800 for generating the transmission signal 702 to be radiated at least by the first antenna 202 and one with the transmission module 800 and the emitter elements 206a, 206b, 207a, 207b (see Figs. 4-10) of at least the first antenna 202 electrically connected cable terminal 203, such as shown in Figures 1 and 3.
  • the cable connection 203 is used for wired transmission of the transmission signal 702 generated by the transmission module 800 to the radiating elements 206a, 206b, 207a, 207b of the first antenna 202.
  • the transmission signals 702 radiated from the first antenna 202 into the measurement volume 700A of the first measurement cell 400A usually either directly impinge on the body surface 504 of bodies 502, 503 located therein or on the filling material surface 501 of a, for example liquid, filling material 500 or but first on the measuring cell wall 401, from which they are reflected.
  • Such reflected transmission signals are shown in Figs. 1 and 2 marked with 704, for example.
  • the transmission signals 702, 704 impinging on a body surface 504 and/or filling material surface 501 are reflected by the respective body surface 504 of the body 502, 503 and/or filling material surface 501 of the filling material 500, the signals then reflected being referred to below as received signals.
  • Received signals that are based on transmitted signals that have already been reflected and/or that are reflected again on the measuring cell wall 401 after being reflected from the respective body surface 504 or the filling material surface 501 are marked in FIG. 2 with 705, for example. All other received signals are marked with 703 in the figures.
  • the system 100 In order to receive the received signals 703, 705, the system 100 according to the invention has a first sensor 200 designed to receive a transit time-based radiation signal, as shown in FIGS. 1-3 shown.
  • This first sensor 200 is at least suitable for receiving radiation signals in a frequency range in which the transmission signals 702, 704 emitted by the first antenna 202 lie.
  • the system 100 according to the invention As shown in FIGS. 1-3 an evaluation module 201. It goes without saying that the evaluation module 201 is likewise at least suitable for evaluating radiation signals in a frequency range in which the radiation signals 703, 705 received by the first sensor 200 lie.
  • the evaluation module 201 can use digital algorithms to determine the volume of bodies or substances for signal evaluation, in particular depending on the application-specific further configuration.
  • the evaluation module 201 is electrically connected to the first sensor 200, while in FIGS. 2 and 3 is comprised by the first sensor 200 by way of example and is therefore a component of the first sensor 200.
  • measurements in particular radar measurements or LiDAR measurements
  • measurements can be carried out down to the ground and in the most diverse areas of the first measuring cell 400A using reflected signals and taking into account transit time analyzes and Multiple reflections are evaluated extremely precisely, in particular using digital algorithms.
  • the signal evaluation itself in particular when using appropriate algorithms, is not the subject of the invention and is therefore not discussed further.
  • the system 100 in contrast to that in Figs. 11-13 shown prior art and compared to EP20174239.2 also a second sensor 300.
  • the second sensor 300 is for receiving a measurement signal relating to a level (see Figs. 1 and 2) and / or a volume (see Fig. 3) formed within an interior space of the second measurement cell 400B of the container 900 (see FIG. 1 ) which is delimited from the interior space of the first measurement cell 400A.
  • the interior of the second measuring cell 400B is shown in FIGS. 1-3 is delimited from the interior of the first measuring cell 400A in such a way that it communicates with the interior of the first measuring cell 400A for the exchange of bodies or substances.
  • the system 100 according to the invention shown in FIGS. 1-3 comprises in particular the first measuring cell 400A, the second measuring cell 400B and a separating layer 600.
  • the separating layer 600 is designed to delimit the interior of the first measuring cell 400A from the interior of the second measuring cell 400B in such a way that they is permeable to the bodies or substances 500, 502, 503 to be detected, which have at least one predetermined substance property.
  • This has the advantage that the bodies or substances can be separated or selectively divided between the first and second measuring cells 400A, 400B depending on a predetermined material property of the bodies or substances. For example, only the bodies and substances that have a predetermined substance property can be removed from the interior of the second measuring cell 400B.
  • the separating layer is designed in such a way that it is only permeable to bodies and substances with this predetermined substance property.
  • Evaluation module 201 (see FIGS. 1 and 3) or another evaluation module 301 (see FIG. 2) included in system 100 is designed to evaluate the measurement signal received from second sensor 300.
  • the system 100 is always set up to determine the volume of bodies or substances 502, 503, 500 made of dielectric and/or conductive material within the interior of the first measuring cell 400A. Both evaluated signals are functionally related to an adjustable reference volume of bodies or substances within of the interior of the first measuring cell 400A.
  • the adjustable reference volume serves as a reference value and can, for example, correspond to a volume occupied by bodies or substances immediately after the first measuring cell 400A has been filled, i.e. an initial filling volume, or for example to the measuring volume 700A.
  • an increase in an evaluated measurement signal received by the second sensor 300 must essentially be reflected in a corresponding decrease in the evaluated radiation signal received by the first sensor 200 for determining the volume of the bodies located in the interior of the first measurement cell 400A.
  • the evaluated measurement signal received by the second sensor 300 can thus be used in such a case to check the evaluated radiation signal received by the first sensor 200, at least with regard to the entire volume occupied by the bodies located in the interior of the first measuring cell 400A, or to check it improve.
  • the system 100 can provide a more accurate measurement result with regard to the non-contact measurement within the interior of the first measuring cell through the additional measurement for determining the fill level and/or volume of bodies or substances within the interior of the second measuring cell 400B, which represents the total volume of the bodies or substances located in the measurement volume 700A.
  • the system 100 enables a separate determination of the volume of bodies or substances in the first measuring cell 400A and the fill level and/or the volume of bodies or substances in the second measuring cell 400B. This is particularly advantageous when separating filling material as a function of a predetermined material property.
  • the system 100 shown in Figure 1 is configured such that the first antenna 202 is designed purely as a transmitting antenna, i.e. the first antenna 202 of a system 100 according to the invention does not necessarily have to be designed as a transmitting and receiving antenna.
  • a transmission module 800 electrically connected to the first antenna 202 via a cable connection 203 is set up to generate the transmission signal 702, with the cable connection 203 being used for wired transmission of the transmission signal 702 generated to the first antenna 202 or its radiating elements.
  • the first sensor 200 of the system 100 is for directly receiving time-of-flight based radiation signals including the. received signals 703 shown in FIG. 1 are formed within the measurement volume 700A. In FIG.
  • the first sensor 200 is arranged, for example, on the measuring cell wall 401 of the first measuring cell 400A, so that it extends into the interior of the first measuring cell 400A.
  • the first sensor 200 could also be installed in the measuring cell wall 401 corresponding to the carrier substrate 205 of the first antenna 202 .
  • the first sensor 200 can be embodied as a receiving antenna and, in particular, can be embodied in accordance with the first antenna 202 .
  • the system can also include a receiving antenna or even multiple receiving antennas in addition to the first antenna 202 as a transmitting antenna and the first sensor 200, with the receiving antenna(s) then transmitting the received radiation signals to the first sensor 200, for example.
  • the interior of the second measuring cell 400B is delimited from the interior of the first measuring cell 400A by a separating layer 600, which is shown in FIG. 1 by way of example is designed as a membrane which is particularly liquid-permeable.
  • a separating layer 600 which is shown in FIG. 1 by way of example is designed as a membrane which is particularly liquid-permeable.
  • the second sensor 300 included in the system 100 in Fig. 1 is, for example, a capacitive sensor based on the three-electrode measuring principle with at least one measuring electrode (not shown for the sake of clarity) for capacitive level measurement of the bodies and substances that have entered the second measuring cell 400B or of the substances that have entered the second Liquid filling material 500 reached measuring cell 400B.
  • a counter-electrode (not shown) is attached to a measuring cell wall 401 of the second measuring cell 400B, or at least part of the measuring cell wall 401 serves as a counter-electrode.
  • a central evaluation module 201 included in system 100 and electrically connected to first sensor 200 and to second sensor 300 is designed to evaluate the propagation-time-based radiation signal received from first sensor 200 and the measurement signal received from second sensor 300 .
  • the evaluation module 201 assumes the function of functionally relating the two evaluated signals to an adjustable reference volume of bodies or substances within the interior of the first measuring cell 400A.
  • the system shown in FIG. 1 has the particular advantage that liquid filling material 500 is separated from filling material in the form of solid bodies 502, 503, but above all separately from one another in measuring cells 400A, 400B that are spatially delimited from one another, with two different ones corresponding to the respective application suitable sensors 200, 300 can be measured.
  • a capacitive sensor for level measurement can be used as the second sensor 300 for the detection of liquid filling material 500
  • a transit time-based radiation sensor is used as the first sensor 200 for the volume determination of solid bodies 502, 503, as shown in FIG.
  • the system 100 according to the invention according to the embodiment shown in FIG. 2 comprises a first antenna 202, which is designed as a transmitting and receiving antenna.
  • the emitter elements 206a, 206b, 207a, 207b are set up not only to emit the transmission signal 702, 704 but also to receive the reception signal 703, 705 and to transmit the reception signal 703, 705 to the first sensor 200.
  • the received signal 703, 705 transmitted to the first sensor 200 corresponds to the received transit time-based radiation signal and is in particular in the form of a transmitted signal 702 reflected by the bodies 502, 503 or substances 500 and/or a transmitted signal 704 reflected on the measuring cell wall 401 of the first measuring cell 400A before.
  • the first antenna 202 comprises a shield 402 arranged at a distance from the carrier substrate 205 on the side of the carrier element 205 facing away from the measurement volume 700A.
  • the shield 402 is embodied in FIG alternatively, it can also be formed by a metal measuring cell wall 401 of the first measuring cell 400A.
  • the first sensor 200 comprises an evaluation module 201 which is designed to evaluate the transit time-based radiation signal received from the first sensor 200, ie the received signals 703, 705.
  • the interior of the second measuring cell 400B is delimited from the interior of the first measuring cell 400A by a separating layer 600 , which is present, for example, as a metallic grid in the form of a heating grid.
  • the heating grid can heat and even melt the filling material that is in direct contact with it, such as the bodies 502, 503 within the first measuring cell 400A, so that melted filling material can get through the heating grid into the interior of the second measuring cell 400B, e.g eg the filling material 500 located in the second measuring cell 400B.
  • melted filling material 500 can be separated from non-melted filling material, ie the bodies 502, 503 shown in FIG.
  • melted filling material 500 is thus facilitated in that it can be removed from the second measuring cell 200B.
  • melted filling material 500 and non-melted material can be measured separately from one another, ie in measuring cells 400A, 400B and 400A that are spatially separated from one another measured with two different sensors 200, 300, which are suitable for the respective application, as already described with regard to FIG.
  • the second sensor 300 of the system 100 is in Fig. 2 as well as in Fig. 1 a capacitive sensor for level measurement of molten filling material 500.
  • the second sensor 300 is electrically connected to a further evaluation module 301, which according to the embodiment of Fig. 2 is used to evaluate the measurement signal detected by the second sensor 300 and the transmission of the evaluated measurement signal to the evaluation module 201 of the first sensor 200 is used.
  • the latter assumes the task of functionally relating the two evaluated signals to an adjustable reference volume.
  • FIG. 3 shows a system 100 according to the invention, in which the first antenna 202 corresponding to FIG. 2 is designed, for example, as a transmitting and receiving antenna.
  • the radiator elements 206a, 206b, 207a, 207b (see FIGS. 4-10) of the first antenna 202 are thus also designed to receive a received signal (not shown in FIG. 3) and to transmit the received signal to the first sensor 200.
  • the system 100 shown in FIG. 3 also includes a further transmission antenna 212 with a carrier substrate (not shown for the sake of clarity).
  • the system can also include a number of other such transmission antennas 212, each with a carrier substrate.
  • the first sensor 200 includes an evaluation module 201 for evaluating the propagation-time-based radiation signal received via the antenna 202 designed as a transmitting and receiving antenna.
  • the first sensor can, in contrast to FIGS.
  • the first antenna is expediently electrically connected to an evaluation module for evaluating the propagation-time-based radiation signal received by the first antenna.
  • the system shown in FIG. 3 comprises a separating layer 600 designed as a metallic grid.
  • the metallic grid has a predetermined grid spacing 601, so that it is permeable to bodies or substances that have a particle size as a predetermined material property that is essentially smaller than this grid spacing 601.
  • the bodies marked with 503 were obviously able to pass through the metallic grid with grid spacing 601 and get from the interior of the first measuring cell 400A into the interior of the second measuring cell 400B.
  • the metallic grid thus has a sieve-like function and enables the filling material to be separated depending on the respective particle size of the individual bodies or substances. Due to its metallic property, the grid ensures that the measurement volumes 700A, 700B are shielded from one another in terms of measurement technology.
  • the second sensor 300 of the system 100 in FIG. 3 is a transit time-based radiation sensor, in particular corresponding to the first sensor 200, which is designed for the volumetric detection of bodies or substances in the second measuring cell 400B.
  • the system 100 also includes a second antenna 302 for emitting a second transmission signal 312 in the form of electromagnetic radiation into a measurement volume 700B defined by the interior of the second measurement cell 400B.
  • the second antenna 302 is in particular designed essentially in accordance with the first antenna 202 .
  • the second sensor 300 is also electrically connected to the evaluation module 201 of the first sensor 200, so that a runtime-based radiation signal received by the second sensor 300 can be transmitted directly as a measurement signal to the evaluation module 201 in order to be evaluated by it.
  • the evaluation module 201 of the first sensor 201 in Fig. 3 takes over Furthermore, the task of putting the two evaluated signals together in a functional relationship to an adjustable reference volume.
  • the system 100 To generate the transmission signals 702, 312 to be radiated by the first antenna 202 and by the second antenna 302, the system 100 in Fig Second antenna 302 electrically connected cable connection 203 for wired transmission of the transmission signal 702, 312 generated in each case to the corresponding radiating elements.
  • the system 100 expediently also has a further transmission module 800'.
  • the transmission module 800 is designed, for example, to generate radiation signals in the radio and/or microwave range
  • the transmission module 800' is designed, for example, to generate radiation signals in the infrared range and/or in the optical range, i.e. in the range of visible light.
  • FIGs. 4-10 essentially correspond to Figs. 4-10 of EP20174239.2, but as a further supplement to the embodiments described in EP20174239.2 also represent embodiments which, in addition to the use of ultra-wideband signals, additionally or alternatively also allow the use of other electromagnetic signals, ie electromagnetic signals which in another Frequency range are located and / or can be detected, for example, by means of radar and lidar measurement described above.
  • planar radiator elements 206a, 206b are expediently arranged on the second surface of the carrier substrate 205 or in the carrier substrate 205 of the first antenna 202.
  • the planar radiator elements 206a, 206b extend essentially parallel to the carrier substrate 205 and are held by the carrier substrate 205 in a common plane, i.e. in particular a common planar plane spanned by the planar radiator elements 206a, 206b consequently extends essentially parallel to one of the carrier substrate 205 spanned level, and together form a flat antenna structure in the form of a surface dipole.
  • the emitter elements 206a, 206b also expediently also have a horizontal extension to the plane of the carrier substrate.
  • the cable connection 203 is designed as a high-frequency connection, for example, and is connected to the radiator elements 206a, 206b forming this flat antenna structure via an adapter 204, which is expediently included in the system.
  • this allows impedance conversions between the line-bound, asymmetrical transmission path of the transmission signals and the associated electromagnetic signal waves of the flat antenna structure and the transmission path of the transmission signals, which is based in the interior of the at least first measuring cell, i.e. in particular based on the medium of air or, generally speaking, non-line-bound transmission path and the associated electromagnetic Make signal waves application-specific, as is known per se for a person skilled in the art.
  • the matching element 204 can in particular be part of an integrated circuit.
  • the first antenna 202 according to FIG. 4 can consequently be designed as a transmitting and receiving antenna, in particular monostatic.
  • the first Antenna 202 and according to the present example thus the two radiator elements 206a, 206b, expediently with a transmission module for generating a transmission signal used for the measurement and at the same time with an evaluation module comprised by the first sensor for evaluating a signal received from the first sensor via the first antenna 202 Radiation signal connected, which is not shown in detail for reasons of clarity.
  • FIG. 5 sketches in a cross-sectional view an embodiment of a circuit board antenna as the first antenna with emitter elements 206a, 206b embedded in the carrier substrate 205 for use within a system according to the invention.
  • FIG. 6 sketches in plan view an embodiment of a board antenna as the first antenna, in particular for bistatic measurements for use within a system according to the invention.
  • at least two further planar radiator elements in addition to the two planar radiator elements 206a, 206b, namely horizontally parallel to these two planar radiator elements 206a, 206b, at least two further planar radiator elements, in the example shown two further planar radiator elements 207a, 207b, are comprised by the first antenna 202.
  • two 207a, 207b of such at least two further planar radiator elements extending essentially parallel to the carrier substrate 205 are held by this in a common plane to one another and also together form a flat antenna structure.
  • a cable connection 203 designed in particular as a coaxial conductor connection is provided for line-based transmission of a transmission signal from the transmission module, which is expediently electrically connected to the cable connection 203, to these radiator elements 207a, 207b.
  • the first antenna 202 can in this case also be set up for bistatic measurement, ie two of the antenna elements forming a flat antenna structure, for example the antenna elements 206a, 206b, are used for the emission of a measurement radiation signal, in particular an ultra-broadband signal, and is therefore expediently connected to at least one transmission module for generating the radiation signal used for the measurement, and two other radiating elements forming a flat antenna structure, e.g.
  • the radiating elements 207a, 207b are set up to receive the radiation signal used for the measurement and thus expediently connected to an evaluation module comprised by the first sensor for evaluating the received radiation signal.
  • the emitter elements forming a common flat antenna structure can share a common carrier substrate, ie they are arranged on the second surface of the same carrier substrate or in the same carrier substrate 205 .
  • the arrangement on basically a divided carrier substrate could also be considered, ie the radiating elements forming a common flat antenna structure are each arranged on a partial carrier substrate.
  • FIG. 7 outlines a cross-sectional view of another embodiment of a board antenna with radiating elements embedded in the carrier substrate 205 for use within a system according to the invention.
  • the two further planar radiator elements 207a, 207b are covered by the first antenna 202.
  • These two further planar radiator elements are also held here, extending essentially parallel to the carrier substrate 205, in each case in a common plane with respect to one another and together they basically form a flat antenna structure.
  • a carrier substrate 205 can also be embodied as a multi-layer circuit board, for example. This also has the advantage, for example, of being able to produce, in a simple manner, the desired embedding of radiator elements parallel to one another vertically.
  • a multi-layer circuit board as the carrier substrate 205 can, of course, also be used without embedded radiator elements.
  • the carrier substrate 205 can be part of an integrated circuit.
  • the adapter element 204 via which at least the radiator elements 206a, 206b in FIG. 7 are expediently connected to a cable connection (not shown), can be part of an integrated circuit.
  • a separate cable connection 203 in particular high-frequency connection, is connected to the radiator elements 206a, 206b and to the radiator elements 207a, 207b, again in an expedient embodiment via a separate adapter 204, which is not shown for reasons of clarity.
  • a separate adapter 204 which is not shown for reasons of clarity.
  • the radiator elements 206a, 206b and the radiator elements 207a, 207b can also be connected to a common cable connection 203, in particular a high-frequency connection.
  • each of the radiating elements 206a, 206b, which together form a flat antenna structure is expediently electrically connected to a different radiating element 207a, 207b, which together form a further flat antenna structure.
  • the emitter element 206a is electrically connected to the emitter element 207a and the emitter element 206b is electrically connected to the emitter element 207b.
  • this variant is also not shown for reasons of clarity.
  • the respective application-specific device of the first antenna 202 i.e. in particular for bistatic or monostatic measurements and as a transmitting and/or receiving antenna, is consequently extremely flexible within the scope and when using the invention.
  • mixed forms of further planar radiator elements arranged horizontally and vertically parallel to the two planar radiator elements 206a, 206b are also within the scope of the invention, for example two further planar ones arranged horizontally and two vertically parallel to the two planar radiator elements 206a, 206b radiator elements.
  • Fig. 8 outlines in cross-section another embodiment of a first antenna according to the invention, in the example shown a board antenna with two im Radiator elements 206a, 206b embedded in carrier substrate 205, with additional rear shielding 402, ie on the side facing away from the fill level area to be detected by sensors, also being included, as also shown in FIG. It has proven to be expedient if the shielding 402 is formed by the metallic measuring cell wall itself or by a metallic cover of the first antenna 202. A rear wave propagation of the transmission signal can thus be avoided in a simple manner, but at least reduced.
  • the shielding 402 is therefore arranged on the first side, viewed from the carrier substrate 205 , and expediently spaced apart from the carrier substrate 205 .
  • an inserted matching element 204 can also be expediently arranged between the shielding 402 and the carrier substrate 205 .
  • a cavern 210 is also present between shielding 402 and carrier substrate 205 .
  • this can also be filled with a suitable gas (e.g. air) or vacuum, in particular in order to provide further dielectric properties that are desired in each case to improve the radar measurement.
  • a circuit board antenna with two radiating elements 206a, 206b embedded in the carrier substrate 205 in a modification to Fig. 8 it is in particular adjacent to the carrier substrate 205 and to the first
  • a protective layer 209 is arranged on the first surface directed towards the side, which is expediently formed by a non-conductive layer, in particular for covering, and/or by an absorber layer. Even with at least one such protective layer designed for covering and/or absorption, additional reflections on layers on the rear side, in particular also layers grounded to ground, can thus be avoided in a simple manner.
  • a broadband HF material in the form of a film or a foam, for example, has also proven to be particularly expedient as such a protective layer 209 .
  • an adapter element 204 used within the scope of the invention can be embedded in the protective layer 209 and/or used within a cavern 210 formed in the protective layer 209 .
  • an existing free space in the cavity 210 between the adapter element 204 and the protective layer 209 can also be filled with a suitable gas (eg air) or vacuum, depending on the application.
  • FIG. 10 in cross-sectional view, a mixed form of the ones shown in FIGS. 8 and 9 outlined versions shown.
  • radiator elements 206a, 206b, 207a, 207b described above can in principle be of any shape. Depending on the requirement or application-specific, a large number of possible antenna structures can consequently be used for a particularly suitable design of a respective flat antenna structure constructed by the radiating elements.
  • Radiating elements have proven themselves within the scope of the invention, for example for forming circular, elliptical and ring structures or also with butterfly structures, fly structures, i.e. "bow tie" structures, and so-called batwing structures.
  • the invention creates an industrial-grade sensor system and method for detecting the presence of filling goods in two measuring cells, which in particular have a complicated structure, with interior spaces that are separated from one another, in particular for empty detection, for filling level measurement and/or for determining the volume of filling goods.
  • the filling material is selectively divided between the first and second measuring cell, for example depending on a predetermined material property of the filling material such as the state of aggregation or particle size
  • the system according to the invention can carry out a separate measurement of the filling material in the first measuring cell and a filling material in the second measuring cell by means of a first and second sensor that is respectively suitable for this purpose.
  • the evaluated measurement signals can be functionally related to one another to a reference value, so that in particular a more accurate measurement result with regard to the non-contact measurement is provided at least within the first measurement cell.
  • at least one first antenna is set up as an electrically short antenna with at least essentially hemispherical radiation characteristics for emitting a transmission signal into the interior of the first measuring cell, dead zones can also be largely avoided in geometrically complex measurement volumes and measurements in the vicinity of the first antenna are also made possible become.
  • a second antenna designed according to the first antenna can also be used for corresponding measurements in the second measuring cell. With an overall cost-effective construction, measurements up to the bottom of the container and into the corners of a container are possible.
  • a large number of digital algorithms can then be used for the subsequent signal evaluation and data analysis relating to the presence detection and calculation of the physical properties of the filling material, e.g. using a time-based impedance jump detection, including using of AI (artificial intelligence) including machine learning, a sub-area of artificial intelligence in which by recognizing patterns in existing databases, a system is able to carry out independent analyzes and problem solving.
  • AI artificial intelligence
  • the invention consequently relates to a system 100 for measuring filling material within a first measuring cell 400A and a second measuring cell 400B, the first and second measuring cells 400A, 400B having interior spaces that are delimited from one another.
  • the system 100 comprises a first antenna 202 for emitting a transmission signal 702, 704 into the interior of the first measuring cell 400A, the first antenna 202 being designed as an electrically short antenna with at least essentially hemispherical radiation characteristics and a disk-shaped carrier substrate 205 comprises a first sensor 200 for receiving a propagation-time-based radiation signal 703, 705 and an evaluation module 201 for evaluating the received propagation-time-based radiation signal 703, 705.
  • the system 100 For measuring within the second measuring cell 400B, the system 100 comprises a second sensor 300 for receiving a Measurement signal relating to a level and / or volume within the interior of the second measuring cell 400B, which of a Evaluation module 201, 301 of the system 100 can be evaluated.
  • the system 100 is set up to determine the volume of bodies or substances 500, 502, 503, 504 made of dielectric and/or conductive material within the interior of the first measuring cell, both evaluated signals with one another in a functional relationship to an adjustable reference volume of bodies or substances within the interior of the first measuring cell.
  • the invention relates to a method to be carried out by means of the system.
  • a second sensor 300 which is designed to receive a measurement signal relating to a fill level and/or a volume within an interior space of a second measurement cell 400B that is delimited from the interior space of the first measurement cell 400A, and
  • both evaluated signals are functionally related to one another to an adjustable reference volume of bodies or substances 500, 502, 503, 504 within the interior of the first measuring cell 400A.

Abstract

The invention relates to a system (100) for measuring filling material within a first measuring cell (400A) and a second measuring cell (400B), the first and second measuring cells (400A, 400B) having interiors delimited from one another. For the purpose of measurement within the first measuring cell, the system comprises a first antenna (202) for emitting a transmission signal (702, 704) into the interior of the first measuring cell, the first antenna being designed as an electrically short antenna having an at least substantially hemispherical radiation characteristic and comprising a disk-shaped carrier substrate (205), a first sensor (200) for receiving a time-of-flight-based radiation signal (703, 705) and an evaluation module (201) for evaluating the received time-of-flight-based radiation signal. For the purpose of measurement within the second measuring cell, the system comprises a second sensor (300) for receiving a measurement signal relating to a filling level and/or a volume within the interior of the second measuring cell, which signal is able to be evaluated by an evaluation module (201, 301) of the system. The system is configured, for the purpose of determining the volume of bodies or substances (500, 502, 503, 504) composed of dielectric and/or conductive material within the interior of the first measuring cell, to put both evaluated signals jointly in a functional relationship with an adjustable reference volume of bodies or substances within the interior of the first measuring cell. The invention furthermore relates to a method which can be carried out by means of the system.

Description

System und Verfahren zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen aus dielektrischem und/oder leitfähigem Material System and method for determining the volume of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen aus dielektrischem und/oder leitfähigem Material innerhalb eines Innenraums einer ersten Messzelle mit einer leitfähigen und/oder nichtleitfähigen Messzellenwand, die eine in den Innenraum gerichtete Oberfläche aufweist. The invention relates to a system and a method for determining the volume of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material within an interior space of a first measuring cell with a conductive and/or non-conductive measuring cell wall, which has a surface facing the interior space.
Insbesondere auch im Zuge des Trends zur intelligenten Fabrik als Teil des Zukunftsprojekts Industrie 4.0 kommen auf produzierende Unternehmen erhebliche Aufgaben zu. So wird u.a. eine größere Flexibilität gefordert, die Produkte müssen individualisierbar sein, und gleichzeitig werden die Erzeugnisse und Herstellungsprozesse komplexer. Auch gehen mit der individuellen Fertigung geringere Produktionsmengen ab Losgröße 1 einher, die flexiblere Produktionsanlagen notwendig machen. Um auch bei kleinen Verbrauchsmengen und dynamischen Prozessen eine gleichbleibend hohe Produktionsqualität zu erreichen, müssen alle relevanten Regelgrößen permanent zur Verfügung stehen. Dazu zählen auch die Füllmengen und Materialverteilungen von Flüssigkeiten, Viskosestoffen und rieselfähigen Schüttgütern in einer zunehmenden Anzahl von kleinen Vorrats- und Prozessbehältern, die kontinuierlich sensorisch erfasst werden müssen. In particular, in the course of the trend towards intelligent factories as part of the future project Industry 4.0, manufacturing companies are faced with considerable tasks. Among other things, greater flexibility is required, the products must be customizable, and at the same time the products and manufacturing processes are becoming more complex. Individual production also goes hand in hand with lower production quantities from batch size 1, which necessitate more flexible production systems. In order to achieve consistently high production quality even with small consumption quantities and dynamic processes, all relevant control variables must be permanently available. This also includes the filling quantities and material distributions of liquids, viscose substances and free-flowing bulk materials in an increasing number of small storage and process containers, which must be continuously recorded by sensors.
So werden beispielsweise zukünftig auch Sensoren gefordert sein, die Informationen zu volumenhaften Füllgutverteilung berührungslos liefern und/oder für Füllstandmessungen durch Materialschichtungen hindurch geeignet sind. In the future, for example, sensors will also be required that provide contactless information on volumetric filling material distribution and/or are suitable for level measurements through layers of material.
Füllstandmessungen werden heutzutage mit verschiedensten Messverfahren realisiert, wobei grundsätzlich zwischen Grenzstandmessung und kontinuierlicher Messung unterschieden wird. Bei Grenzstandmessungen werden üblicherweise mehrere Sensoren an definierten Höhenpositionen in die Behälterwand oder vertikal von oben eingebaut, sodass diese meist nur der Vermeidung von Überfüllung oder Leerlauf dienen. Kontinuierliche Füllstandmessungen liefern dagegen wesentlich dezidiertere Informationen und sind beispielsweise dann vorteilhaft, wenn mehrere Grenzstände über der Füllhöhe generiert werden sollen. Bei kontinuierlichen Füllstandsensoren unterscheidet man bekannter Weise zwischen produktberührenden und berührungslos messenden Sensoren. Bei den produktberührenden Sensoren erstrecken sich bei allen Typen die Messelektroden über eine festgelegte Füllhöhe in dem Behälter und haben dabei stets Kontakt zum Füllgut, d.h. sie müssen den Umweltbedingungen im Behälter genügen. Komplizierte Behältergeometrien, wie z.B. Ecken, Schrägen, Änderung des Durchmessers, oder auch Einbauten, wie z.B. Befüll-/Heizvorrichtungen und/oder Rührwerke, atmosphärische Störeinflüsse sowie chemische und physikalische Eigenschaften des Mediums, wie z.B. Viskosität, Dampf, Schaum, Reaktivität, Dichteänderung, können die Messung beeinträchtigen oder sogar unmöglich machen. Level measurements are nowadays implemented using a wide variety of measuring methods, with a fundamental distinction being made between point level measurement and continuous measurement. For limit level measurements, several sensors are usually installed at defined height positions in the container wall or vertically from above, so that they usually only serve to avoid overfilling or emptying. On the other hand, continuous level measurements provide much more dedicated information and are advantageous, for example, if several limit levels are to be generated above the level. For continuous level sensors a distinction is made, as is known, between sensors that come into contact with the product and sensors that measure without contact. In all types of sensors that come into contact with the product, the measuring electrodes extend over a defined filling level in the container and are always in contact with the product, ie they must meet the environmental conditions in the container. Complicated container geometries, such as corners, slopes, changes in diameter, or fixtures such as filling/heating devices and/or agitators, atmospheric interference and chemical and physical properties of the medium, such as viscosity, vapor, foam, reactivity, density changes, can impair the measurement or even make it impossible.
Idealerweise sollte daher jede Messung von außen stattfinden, zumindest ohne Kontakt zum Füllgut. Berührungslos messende Sensoren arbeiten beispielsweise auf Basis von Ultraschall, Mikrowellen, Radiometrie oder mit Radar. Beim Pulsradar werden beispielsweise kurze Impulse von oben in den Behälter geschickt und wenn diese auf die Grenzfläche des Mediums auftreffen, wird ein Teil der Energie reflektiert und kann als Echo detektiert werden. Aus der Laufzeit des aufgefangenen Signals wird dann der Abstand zum Sensor bestimmt und mit der angegebenen Behälterhöhe letztendlich der Füllstand errechnet. Um möglichst nur Reflexionen der Füllgutoberfläche zu erfassen, werden traditionell Radarsysteme mit einer möglichst schmalen Strahlenkeule verwendet. Damit kommen jedoch üblicherweise stark bündelnde Antennen zur Anwendung, die jedoch nur bei hohen Frequenzen zu praktikablen Baugrößen führen und dann auch nur einen kleinen Bereich der Oberfläche detektieren können, was bei vorhandenen Schüttkegeln zu erheblichen Unterschieden zwischen Messwert und tatsächlicher Füllmenge führen kann. Aufgrund der in der Regel schmalen Strahlenkeulen bzw. kleinen Öffnungswinkel heutiger Radarsensoren werden außerhalb der Strahlenkeule in der Regel Schüttkegel nicht erfasst und können folglich zu einer erheblichen Differenz zwischen gemessenem Füllstand und tatsächlicher Füllmenge führen. Auch besitzen diese Sensoren einen Totbereich, insbesondere im antennennahen Feldbereich, in dem die Messgenauigkeit signifikant abnimmt und das vorhandene Behältervolumen also nur unvollständig genutzt werden kann. Die DE 10 2006 019 688 B4 beschreibt beispielsweise zur sensorischen Füllstanderfassung eine planare Antenne für ein Füllstandradar, wobei zur Prozesstrennung eine Glas- oder Keramikscheibe vorgesehen ist, auf deren Rückseite, d.h. auf der vom sensorisch zu erfassenden Füllstandbereich abgewandten Seite, wenigstens ein planares Strahlerelement aufgebracht ist und beabstandet hiervon, auch auf der vom sensorisch zu erfassenden Füllstandbereich abgewandten Seite ferner eine Metallwand als Massefläche für das Strahlerelement vorgesehen ist. Die durch das wenigstens eine Strahlerelement aufgebrachte planare Antennenstruktur ist hierbei aus einem leitfähigen Material und kann ein einzelner Patchstrahler oder ein Array aus mehreren Einzelpatches sein. Hiermit wird ein elektromagnetisches Hochfrequenz- Sendesignal mit einer Wellenlänge X erzeugt und durch die Scheibe hindurch zum Füllgut abgestrahlt, welche zur Minimierung der Störung eine Dicke von einem Vielfachen von X/2 aufweist. Zur Maximierung der Bandbreite der Antenne kann sich überdies zwischen der Massefläche und der Antennenstruktur ein Gas, z. B. Luft, oder ein Vakuum mit niedriger Dielektrizitätskonstante befinden. Ferner ist gemäß DE 10 2006 019 688 B4 vorgesehen, dass auch eine solche, zusätzlich mit Prozesstrennung ausgebildete planare Antenne wiederum insbesondere Verwendung innerhalb einer Homantenne oder zum Einbau in einen Hohlleiter findet. Ideally, every measurement should therefore take place from the outside, at least without contact with the product. Non-contact measuring sensors work, for example, on the basis of ultrasound, microwaves, radiometry or radar. With pulse radar, for example, short pulses are sent from above into the container and when they hit the boundary surface of the medium, part of the energy is reflected and can be detected as an echo. The distance to the sensor is then determined from the transit time of the signal received and the fill level is finally calculated using the specified container height. Traditionally, radar systems with a beam lobe that is as narrow as possible are used to detect only reflections from the surface of the filling material. However, this usually means that strongly focusing antennas are used, which, however, only lead to practicable sizes at high frequencies and can then only detect a small area of the surface, which can lead to considerable differences between the measured value and the actual filling quantity in the case of existing material cones. Due to the generally narrow radiation lobes or small opening angles of today's radar sensors, material cones are usually not detected outside of the radiation lobe and can consequently lead to a considerable difference between the measured level and the actual filling quantity. These sensors also have a dead zone, especially in the field area close to the antenna, in which the measurement accuracy decreases significantly and the existing container volume can therefore only be used to an incomplete extent. DE 10 2006 019 688 B4 describes, for example, a planar antenna for a level radar for level detection by sensors, with a glass or ceramic pane being provided for process separation, on the back of which, ie on the side facing away from the level area to be detected by sensors, at least one planar radiator element is applied and at a distance from it, a metal wall is also provided as a ground surface for the radiator element on the side facing away from the filling level area to be detected by sensors. The planar antenna structure applied by the at least one emitter element is made of a conductive material and can be an individual patch emitter or an array of several individual patches. An electromagnetic high-frequency transmission signal with a wavelength λ is thereby generated and radiated through the pane to the filling material, which has a thickness of a multiple of λ/2 in order to minimize the interference. In addition, to maximize the bandwidth of the antenna, a gas, e.g. B. air, or a vacuum with low dielectric constant. Furthermore, according to DE 10 2006 019 688 B4, it is provided that such a planar antenna additionally designed with process separation can in turn be used in particular within a horn antenna or for installation in a waveguide.
Abgesehen von der somit in der DE 10 2006 019 688 B4 vorgeschlagenen berührungslosen Messung, bei welcher sich zumindest alle elektronischen Komponenten der Sensoren außerhalb des sensorisch zu erfassenden Füllstandbereichs befinden, wäre jedoch weiterhin und insbesondere zur Füllgut- oder Objektdetektion in komplexeren Behälterstrukturen, eine breitere Strahlenkeule somit wesentlich vorteilhafter. Apart from the non-contact measurement proposed in DE 10 2006 019 688 B4, in which at least all electronic components of the sensors are located outside the fill level range to be detected by sensors, a broader beam lobe would still be required, especially for detecting filling goods or objects in more complex container structures therefore much more advantageous.
Mit der am 12. Mai 2020 angemeldeten europäischen Patentanmeldung EP20174239.2 der Anmelderin wurde hierauf basierend ein System zur Erkennung und/oder Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen aus dielektrischem und/oder leitfähigen Material innerhalb eines Innenraums einer Messzelle mit einer leitfähigen und/oder nichtleitfähigen Messzellenwand, die eine in den Innenraum gerichtete Oberfläche aufweist, vorgeschlagen, welches eine Ultrabreitband-Mikrowelleneinheit umfasst und wenigstens eine Ultrabreitband-Antenne mit wenigstens einem scheibenförmigen Träger substrat mit einer zu einer ersten Seite gerichteten ersten Oberfläche und einer entgegengesetzt zur ersten Oberfläche gerichteten zweiten Oberfläche, welche eine Außenseite der Antenne bildet, wobei das Trägersubtrat angeordnet und vorgesehen ist, bei Betrieb einen Teil der in den Innenraum gerichteten Oberfläche der Messzellenwand zu ersetzen oder sich im Innenraum beabstandet vor der Messzellenwand zu erstrecken, und wobei die Ultrabreitband-Antenne mit am oder im Träger substrat angeordneten Strahlerelementen als eine elektrisch kurze Antenne mit einer zumindest im Wesentlichen halbkugelförmigen Strahlungscharakteristik eingerichtet ist, zum Abdecken eines volumenhaften Messfeldes. Hierdurch konnte eine berührungslose Messung innerhalb einer Messzelle dahingehend verbessert werden, dass auch geometrisch-komplizierte Messzellen-Volumina im Wesentlichen vollständig und also insbesondere ohne Totbereiche in Bezug auf Körper oder Stoffe bei kostengünstigem Aufbau detektierbar sind. With the applicant's European patent application EP20174239.2, filed on May 12, 2020, a system for the detection and/or volume determination of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material within an interior of a measuring cell with a conductive and/or non-conductive measuring cell wall was developed , which has a surface directed into the interior space, is proposed, which comprises an ultra wide band microwave unit and at least one ultra-wideband antenna with at least one disc-shaped carrier substrate with a first surface directed towards a first side and a second surface directed opposite to the first surface, which forms an outer side of the antenna, wherein the carrier substrate is arranged and provided, during operation, a part of to replace the surface of the measuring cell wall directed into the interior or to extend in the interior at a distance in front of the measuring cell wall, and wherein the ultra-broadband antenna with radiator elements arranged on or in the carrier substrate is set up as an electrically short antenna with an at least essentially hemispherical radiation characteristic, for Covering a volumetric measuring field. In this way, a non-contact measurement within a measuring cell could be improved in such a way that even geometrically complicated measuring cell volumes can be detected essentially completely and thus in particular without dead areas with regard to bodies or substances with a cost-effective design.
Bei vielen Anwendungen ist es jedoch ferner erforderlich, Füllgut aus einem zuvor mit Füllgut befüllten Behälter wieder zu entnehmen. Dabei kann sich für bestimmte Anwendungsbereiche die Notwendigkeit ergeben, lediglich solches Füllgut aus dem Behälter zu entnehmen, welches eine vorbestimmte Stoffeigenschaft aufweist, beispielsweise eine Partikelgröße, die einen vorbestimmten Maximalwert nicht überschreitet, oder Füllgut in einem bestimmten, z.B. flüssigen oder gasförmigen, Aggregatzustand. Bei solchen Anwendungen ist es von großem Interesse, Kenntnis sowohl über das Volumen des Füllguts zu erlangen, welches die vorbestimmte Stoffeigenschaft nicht oder noch nicht aufweist, als auch Kenntnis über den Füllstand und/oder über das Volumen des die vorbestimmte Stoffeigenschaft aufweisenden Füllguts zu erlangen. In many applications, however, it is also necessary to remove filling material from a container previously filled with filling material. For certain areas of application, it may be necessary to only remove filling material from the container that has a predetermined material property, for example a particle size that does not exceed a predetermined maximum value, or filling material in a specific, e.g. liquid or gaseous, aggregate state. In such applications, it is of great interest to obtain knowledge both of the volume of the filling material which does not or not yet have the predetermined material property and of the filling level and/or the volume of the filling material having the predetermined material property.
Vor diesem Hintergrund ergibt sich, insbesondere in Weiterentwicklung der EP20174239.2, die Aufgabe, ein System und ein, insbesondere mittels des Systems auszuführendes, Verfahren bereitzustellen, welches neben einer verbesserten berührungslosen Messung von Füllgut innerhalb einer ersten Messzelle ferner eine davon separate zweite Messung zur Füllstand- und/oder Volumenbestimmung von Füllgut innerhalb einer zweiten Messzelle, die einen von dem Innenraum der ersten Messzelle abgegrenzten Innenraum umfasst, ermöglicht. Against this background, the task arises, in particular as a further development of EP20174239.2, of providing a system and a method, in particular to be carried out by means of the system, which, in addition to an improved non-contact measurement of filling material within a first measuring cell, also has a second measurement separate therefrom Level and/or volume determination of Filling material within a second measuring cell, which includes an interior space delimited from the interior space of the first measuring cell, allows.
Die Lösung der nun vorliegenden Erfindung ist durch ein System sowie ein Verfahren mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gegeben. Zweckmäßige Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. The solution of the present invention is given by a system and a method with the features of the respective independent claims. Expedient developments are the subject of the subclaims.
Erfindungsgemäß ist somit, insbesondere zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen aus dielektrischem und/oder leitfähigem Material innerhalb eines Innenraums einer ersten Messzelle mit einer leitfähigen und/oder nicht leitfähigen Messzellenwand, die eine in den Innenraum gerichtete Oberfläche aufweist, ein System vorgesehen, das wie folgt eingerichtet ist. According to the invention, a system is therefore provided, in particular for determining the volume of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material within an interior space of a first measuring cell with a conductive and/or non-conductive measuring cell wall, which has a surface directed into the interior space, which is as follows is set up.
Das System umfasst wenigstens eine erste Antenne, welche zum Abstrahlen eines Sendesignals in Form von elektromagnetischer Strahlung in ein durch den Innenraum einer ersten Messzelle definiertes Messvolumen ausgebildet ist. Die erste Antenne umfasst wenigstens ein scheibenförmiges Trägersubstrat mit einer zu einer ersten Seite gerichteten ersten Oberfläche und einer entgegengesetzt zur ersten Oberfläche gerichteten zweiten Oberfläche, die eine Außenseite der ersten Antenne bildet. D.h., die zur ersten Seite gerichtete erste Oberfläche befindet sich zweckmäßig auf der vom sensorisch zu erfassenden Füllstandbereich abgewandten Seite. Zudem umfasst das System einen ersten Sensor und ein Auswertemodul. Das System ist derart konfiguriert, dass das Träger Substrat im Innenraum der ersten Messzelle von der Messzellenwand beabstandet anordenbar ist oder in die Messzellenwand derart einbaubar ist, dass ein Teil der in den Innenraum der ersten Messzelle gerichteten Oberfläche der Messzellenwand durch die zweite Oberfläche des Träger Substrats ersetzbar ist. Weiterhin ist das System derart konfiguriert, dass die erste Antenne mit an der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats oder im Träger Substrat angeordneten Strahlerelementen als eine elektrisch kurze Antenne mit einer zumindest im Wesentlichen halbkugelförmigen Strahlungscharakteristik zum Abstrahlen des Sendesignals in das Messvolumen eingerichtet ist, dass der erste Sensor zum Empfangen eines laufzeitbasierten Strahlungssignals ausgebildet ist und dass das Auswertemodul zum Auswerten des vom ersten Sensor empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignals ausgebildet ist. The system comprises at least one first antenna, which is designed to emit a transmission signal in the form of electromagnetic radiation into a measurement volume defined by the interior of a first measurement cell. The first antenna comprises at least one disk-shaped carrier substrate with a first surface directed towards a first side and a second surface directed opposite to the first surface, which forms an outside of the first antenna. In other words, the first surface directed towards the first side is expediently located on the side facing away from the fill level area to be detected by sensors. In addition, the system includes a first sensor and an evaluation module. The system is configured in such a way that the carrier substrate can be arranged in the interior of the first measurement cell at a distance from the measurement cell wall or can be installed in the measurement cell wall in such a way that part of the surface of the measurement cell wall directed into the interior of the first measurement cell passes through the second surface of the carrier substrate is replaceable. Furthermore, the system is configured in such a way that the first antenna is set up with radiator elements arranged on the second surface of the carrier substrate or in the carrier substrate as an electrically short antenna with an at least essentially hemispherical radiation characteristic for radiating the transmission signal into the measurement volume that the first sensor is designed to receive a runtime-based radiation signal and that the evaluation module for Evaluating the transit time-based radiation signal received from the first sensor is formed.
Das erfindungsgemäße System ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass es einen zweiten Sensor aufweist, welcher zum Empfangen eines Messsignals betreffend einen Füllstand und/oder ein Volumen innerhalb eines von dem Innenraum der ersten Messzelle abgegrenzten, insbesondere mit diesem zum Austausch von Körpern oder Stoffen in Verbindung stehenden, Innenraums einer zweiten Messzelle ausgebildet ist. Das Auswertemodul oder ein weiteres, von dem System umfasstes Auswertemodul ist zum Auswerten des vom zweiten Sensor empfangenen Messsignals ausgebildet. Ferner ist das System eingerichtet, zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen aus dielektrischem und/oder leitfähigen Material innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle beide ausgewertete Signale miteinander in funktionale Beziehung zu einem einstellbaren Referenzvolumen von Körpern oder Stoffen innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle zu setzen. The system according to the invention is further characterized in that it has a second sensor which is used to receive a measurement signal relating to a filling level and/or a volume within a cell that is delimited from the interior of the first measuring cell and is in particular connected to it for the exchange of bodies or substances , Interior of a second measuring cell is formed. The evaluation module or another evaluation module included in the system is designed to evaluate the measurement signal received from the second sensor. Furthermore, the system is set up to determine the volume of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material within the interior of the first measuring cell, by functionally relating the two evaluated signals to an adjustable reference volume of bodies or substances within the interior of the first measuring cell.
Ein solches System kann somit mithilfe des ersten Sensors und des Auswertemoduls zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen in der ersten Messzelle beitragen und mithilfe eines von dem ersten Sensor unabhängigen zweiten Sensors und des Auswertemoduls bzw. eines weiteren Auswertemoduls in einer zweiten Messzelle zur Füllstand- und/oder Volumenbestimmung beitragen. Die erste und die zweite Messzelle sind zweckmäßigerweise in einem gemeinsamen Behälter angeordnet, können aber auch in unterschiedlichen Behältern angeordnet sein. Der Innenraum der zweiten Messzelle ist von dem Innenraum der ersten Messzelle abgegrenzt, insbesondere derart räumlich abgegrenzt, dass die jeweiligen Innenräume zum Austausch von Körpern oder Stoffen miteinander in Verbindung stehen. Somit können Körper oder Stoffe beispielsweise von dem Innenraum der ersten Messzelle in den Innenraum der zweiten Messzelle gelangen. Wird weder weiteres Füllgut in zumindest eine der zwei Messzellen gefüllt noch Füllgut aus diesen entnommen, so ist das System dann so eingerichtet, dass der erste Sensor ein Messsignal empfängt, welches im Wesentlichen einem um den Anteil der in den Innenraum der zweiten Messzelle gelangten Körper oder Stoffe reduzierten Messsignal entspricht, und dass der zweite Sensor ein Messsignal empfängt, welches hingegen einem Messsignal entspricht, das im Wesentlichen um den Anteil der von dem Innenraum der ersten Messzelle in den Innenraum der zweiten Messzelle gelangten Körper oder Stoffe erhöht ist. Nach dem Auswerten der beiden Messsignale durch das Auswertemodul bzw. die Auswertemodule kann das System die beiden ausgewerteten Messsignale zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle verwenden, indem die ausgewerteten Messsignale in funktionale Beziehung zu einem einstellbaren Referenzvolumen von Körpern oder Stoffen innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle, beispielsweise einem eingenommenen Volumen unmittelbar nach Befüllung der ersten Messzelle, auch Anfangsfüllvolumen genannt, gesetzt werden. Durch die zusätzliche Messung zur Füllstands- und/oder Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen innerhalb des Innenraums der zweiten Messzelle kann das System ein genaueres Messergebnis im Hinblick auf die berührungslose Messung innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle bereitstellen. Zudem ermöglicht das System eine separate Bestimmung des Volumens von Körpern oder Stoffen in der ersten Messzelle und des Füllstands und/oder des Volumens von Körpern oder Stoffen in der zweiten Messzelle. Such a system can thus contribute with the help of the first sensor and the evaluation module to the volume determination of bodies or substances in the first measuring cell and with the help of a second sensor independent of the first sensor and the evaluation module or a further evaluation module in a second measuring cell for level and/or or contribute to volume determination. The first and the second measuring cell are expediently arranged in a common container, but can also be arranged in different containers. The inner space of the second measuring cell is delimited from the inner space of the first measuring cell, in particular spatially delimited in such a way that the respective inner spaces are connected to one another for the exchange of bodies or substances. Bodies or substances can thus, for example, get from the interior of the first measuring cell into the interior of the second measuring cell. If no further filling material is filled into at least one of the two measuring cells and no filling material is removed from it, the system is then set up in such a way that the first sensor receives a measuring signal which essentially corresponds to the proportion of bodies or Corresponds to substances reduced measurement signal, and that the second sensor receives a measurement signal, which on the other hand, corresponds to a measurement signal which is essentially increased by the proportion of bodies or substances that have passed from the interior of the first measurement cell into the interior of the second measurement cell. After the evaluation of the two measurement signals by the evaluation module or modules, the system can use the two evaluated measurement signals to determine the volume of bodies or substances inside the interior of the first measuring cell by functionally relating the evaluated measurement signals to an adjustable reference volume of bodies or substances inside of the interior of the first measuring cell, for example a volume taken up immediately after the first measuring cell has been filled, also called the initial filling volume. The additional measurement for determining the fill level and/or volume of bodies or substances within the interior of the second measuring cell allows the system to provide a more accurate measurement result with regard to the non-contact measurement within the interior of the first measuring cell. In addition, the system enables a separate determination of the volume of bodies or substances in the first measuring cell and the filling level and/or the volume of bodies or substances in the second measuring cell.
Die von dem ersten und dem zweiten Sensor empfangenen Messsignale können an das Auswertemodul bzw. an das weitere Auswertemodul übertragen werden, in welchem sie dann insbesondere durch nachgeordnete digitale Algorithmen anwendungsbedingt verarbeitet und ausgewertet werden können. Durch eine zu digitalen Algorithmen hin verlagerte Signalauswertung kann das erfindungsgemäße System Messungen bis hin zum Boden und in die verschiedensten Bereiche einschließlich der Ecken zumindest der ersten Messzelle, d.h. insbesondere bis zu einem Behälterboden und bis in die Ecken eines die erste Messzelle umfassenden Behälters, insbesondere unter Berücksichtigung von Laufzeit- und Signalformanalysen, insbesondere auch bei Vorhandensein von Mehrfachreflexionen des Messvolumens, äußerst genau durchgeführt werden. The measurement signals received from the first and the second sensor can be transmitted to the evaluation module or to the further evaluation module, in which they can then be processed and evaluated, in particular by downstream digital algorithms, depending on the application. By means of a signal evaluation that has been shifted to digital algorithms, the system according to the invention can take measurements down to the bottom and in a wide variety of areas including the corners of at least the first measuring cell, i.e. in particular up to a container bottom and into the corners of a container containing the first measuring cell, in particular under Consideration of transit time and signal shape analysis, especially in the presence of multiple reflections of the measurement volume, can be carried out extremely precisely.
Da ferner das Träger Substrat der ersten Antenne einen Teil der in den Innenraum gerichteten Oberfläche der Messzellwand ersetzt oder sich im Innenraum beabstandet von der Messzellenwand erstreckt und die daran oder darin angeordneten Strahlerelemente eine zumindest im Wesentlichen halbkugelförmige Strahlungscharakteristik besitzen, können Totbereiche im Wesentlichen vollständig vermieden werden und das System kann somit auch für Messungen im Nahbereich der ersten Antenne eingesetzt werden. Furthermore, since the carrier substrate of the first antenna replaces part of the surface of the measuring cell wall directed into the interior space or extends in the interior space at a distance from the measuring cell wall and the radiator elements arranged thereon or therein have an at least essentially hemispherical shape Have radiation characteristics, dead zones can be essentially completely avoided and the system can thus be used for measurements in the vicinity of the first antenna.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße System die erste Messzelle, die zweite Messzelle und ferner eine Trennschicht. Die Trennschicht ist zum Abgrenzen des Innenraums der ersten Messzelle von dem Innenraum der zweiten Messzelle ausgebildet, und zwar derart, dass die Trennschicht für Körper oder Stoffe aus dielektrischem und/oder leitfähigen Material, welche zumindest eine vorbestimmte Stoffeigenschaft aufweisen, durchlässig ist. Ein derart weiterentwickeltes System ermöglicht es, dass Füllgut in Form von Körpern oder Stoffen aus dielektrischem und/oder leitfähigen Material in der ersten Messzelle aufgeteilt und gewissermaßen selektiert wird. Körper oder Stoffe, die eine vorbestimmte Stoffeigenschaft aufweisen, können aufgrund von dieser vorbestimmten Stoffeigenschaft die Trennschicht passieren und in den Innenraum der zweiten Messzelle gelangen. Hingegen verbleiben die Körper oder Stoffe, welche die vorbestimmte Stoffeigenschaft nicht aufweisen, im Innenraum der ersten Messzelle, da diese Körper oder Stoffe die Trennschicht nicht passieren können. Somit ist das System eingerichtet, mithilfe des ersten Sensors und des Auswertemoduls das Füllvolumen der Körper oder Stoffe, die nicht die vorbestimmte Stoffeigenschaft aufweisen, in der ersten Messzelle zu bestimmen und ferner mithilfe des zweiten Sensors und des Auswertemoduls oder eines weiteren Auswertemoduls den Füllstand und/oder das Füllvolumen der Körper oder Stoffe, die die vorbestimmte Stoffeigenschaft aufweisen, in der zweiten Messzelle zu bestimmen. Mithilfe des Systems kann daher zu jeder Zeit bestimmt werden, welches Füllvolumen und/oder welchen Füllstand Körper oder Stoff in Abhängigkeit der vorbestimmten Stoffeigenschaft einnehmen, und somit insbesondere, wie groß der Anteil von Körpern oder Stoffen in der vorbestimmten Stoffeigenschaft in Relation zu einem einstellbaren Referenzvolumen bzw. Referenzwert ist. The system according to the invention preferably comprises the first measuring cell, the second measuring cell and also a separating layer. The separating layer is designed to delimit the interior of the first measuring cell from the interior of the second measuring cell in such a way that the separating layer is permeable to bodies or substances made of dielectric and/or conductive material which have at least one predetermined material property. Such a further developed system makes it possible for filling material in the form of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material to be divided up and, to a certain extent, selected in the first measuring cell. Bodies or substances that have a predetermined material property can pass through the separating layer and get into the interior of the second measuring cell due to this predetermined material property. On the other hand, the bodies or substances that do not have the predetermined material property remain in the interior of the first measuring cell, since these bodies or substances cannot pass through the separating layer. The system is thus set up to use the first sensor and the evaluation module to determine the filling volume of the bodies or substances that do not have the predetermined material property in the first measuring cell and also to use the second sensor and the evaluation module or a further evaluation module to determine the fill level and/or or to determine the filling volume of the bodies or substances that have the predetermined substance property in the second measuring cell. The system can therefore be used to determine at any time what filling volume and/or what level bodies or substances occupy depending on the predetermined substance property, and thus in particular how large the proportion of bodies or substances in the predetermined substance property is in relation to an adjustable reference volume or reference value is.
Die Trennschicht kann insbesondere als ein metallisches Gitter ausgebildet sein, welches vorzugsweise einen vorbestimmten Gitterabstand aufweist, sodass das metallische Gitter für Körper oder Stoffe, die als vorbestimmte Stoffeigenschaft eine Partikelgröße im Wesentlichen kleiner als der Gitterabstand des Gitters aufweisen, durchlässig ist. Somit können Körper oder Stoffe, deren Partikelgröße im Wesentlichen kleiner als der Gitterabstand des metallischen Gitters ist, dieses Gitter passieren und in den Innenraum der zweiten Messzelle gelangen. Körper und Stoffe, deren Partikelgröße den Gitterabstand des Gitters überschreiten, können das Gitter nicht passieren und verbleiben in dem Innenraum der ersten Messzelle. Das metallische Gitter kann insbesondere ein Heizgitter sein, welches dazu ausgebildet ist, innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle befindliche Körper und Stoffe zu erhitzen, insbesondere zu schmelzen, und welches ferner insbesondere für geschmolzene und/oder flüssige Körper oder Stoffe durchlässig ist. The separating layer can in particular be designed as a metallic lattice, which preferably has a predetermined lattice spacing, so that the metallic lattice for bodies or substances that have a predetermined material property Particle size substantially smaller than the lattice spacing of the lattice, is permeable. Thus, bodies or substances whose particle size is essentially smaller than the lattice spacing of the metallic lattice can pass through this lattice and get into the interior of the second measuring cell. Bodies and substances whose particle size exceeds the grid spacing of the grid cannot pass through the grid and remain in the interior of the first measuring cell. The metallic grid can in particular be a heating grid which is designed to heat, in particular to melt, bodies and substances located within the interior of the first measuring cell, and which is also particularly permeable to molten and/or liquid bodies or substances.
Alternativ zu einem metallischen Gitter kann die Trennschicht jedoch auch als Membran ausgebildet sein, welche für Körper und Stoffe mit einer vorbestimmten Stoffeigenschaft durchlässig ist. Dabei wird die Membran vorzugsweise basierend auf der vorbestimmten Stoffeigenschaft ausgewählt. As an alternative to a metallic grid, however, the separating layer can also be designed as a membrane which is permeable to bodies and substances with a predetermined material property. In this case, the membrane is preferably selected on the basis of the predetermined material property.
Der zweite Sensor des erfindungsgemäßen Systems kann beispielhaft ein kapazitiver Sensor, insbesondere ein kapazitiver Sensor nach dem Dreielektrodenmessprinzip, mit zumindest einer Messelektrode zur kapazitiven Füllstandsmessung der in die zweite Messzelle gelangten Körper und Stoffe sein, wobei eine Gegenelektrode an einer Messzellenwand der zweiten Messzelle angebracht ist oder zumindest ein Teil der Messzellenwand der zweiten Messzelle als Gegenelektrode dient. Somit empfängt der zweite Sensor ein Füllstandmesssignal, das von dem Auswertemodul oder von dem weiteren Auswertemodul ausgewertet wird. The second sensor of the system according to the invention can be, for example, a capacitive sensor, in particular a capacitive sensor based on the three-electrode measuring principle, with at least one measuring electrode for capacitive level measurement of the bodies and substances that have entered the second measuring cell, with a counter-electrode being attached to a measuring cell wall of the second measuring cell or at least part of the measuring cell wall of the second measuring cell serves as a counter electrode. The second sensor thus receives a level measurement signal, which is evaluated by the evaluation module or by the further evaluation module.
Alternativ dazu kann der zweite Sensor des erfindungsgemäßen Systems beispielhaft ein laufzeitbasierter Strahlungssensor sein, welcher zur volumenhaften Erfassung von Körpern oder Stoffen in der zweiten Messzelle ausgebildet ist und insbesondere ein entsprechend dem ersten Sensor ausgebildeter laufzeitbasierter Strahlungssensor ist. Ferner umfasst das System eine zweite Antenne zum Abstrahlen eines zweiten Sendesignals in Form von elektromagnetischer Strahlung in ein durch den Innenraum der zweiten Messzelle definiertes Messvolumen, wobei die zweite Antenne vorzugsweise im Wesentlichen entsprechend der ersten Antenne ausgebildet ist. Alternatively, the second sensor of the system according to the invention can be, for example, a runtime-based radiation sensor, which is designed for the volumetric detection of bodies or substances in the second measuring cell and is in particular a runtime-based radiation sensor designed in accordance with the first sensor. The system also includes a second antenna for emitting a second transmission signal in the form of electromagnetic radiation through the interior the measurement volume defined by the second measurement cell, the second antenna preferably being designed substantially in accordance with the first antenna.
In bevorzugter Weiterbildung ist zumindest die erste Antenne als Sende- und Empfangsantenne ausgebildet. Die Strahlerelemente sind neben dem Abstrahlen des Sendesignals ferner zum Empfangen eines Empfangssignals sowie zum Übertragen des Empfangssignals an den ersten Sensor eingerichtet. Das Empfangssignal liegt dabei insbesondere in Form eines von den volum enhaft zu erfassenden Körpern oder Stoffen reflektierten und/oder eines an der Messzellenwand der ersten Messzelle reflektierten Sendesignals vor. Das an den ersten Sensor übertragene Empfangssignal entspricht dabei dem empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignal. In a preferred development, at least the first antenna is designed as a transmitting and receiving antenna. In addition to emitting the transmission signal, the emitter elements are also set up to receive a reception signal and to transmit the reception signal to the first sensor. The received signal is present in particular in the form of a transmitted signal reflected by the bodies or substances to be detected in volume and/or a transmitted signal reflected on the measuring cell wall of the first measuring cell. The received signal transmitted to the first sensor corresponds to the received propagation time-based radiation signal.
Darüber hinaus besitzt das System ferner zweckmäßigerweise ein Sendemodul zum Erzeugen des Sendesignals und einen mit dem Sendemodul und mit den Strahlerelementen zumindest der ersten Antenne elektrisch verbundenen Kabelanschluss zum leitungsgebundenen Übertragen des erzeugten Sendesignals an die Strahlerelemente der ersten Antenne. In addition, the system expediently also has a transmission module for generating the transmission signal and a cable connection electrically connected to the transmission module and to the radiating elements of at least the first antenna for wired transmission of the transmission signal generated to the radiating elements of the first antenna.
Es hat sich gezeigt, dass besonders zweckmäßige Strahlungscharakteristika einrichtbar sind, wenn das System zwei an der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats oder im Träger substrat angeordnete planare Strahlerelemente und vorzugsweise horizontal und/oder vertikal parallel zu diesen zwei planaren Strahlerelementen wenigstens zwei weitere an der zweiten Oberfläche des Träger Substrats oder im Trägersubstrat angeordnete planare Strahlerelemente besitzt. Die zwei planaren Strahlerelemente und, falls vorhanden, jeweils zwei dieser wenigstens zwei weiteren planaren Strahlerelemente bilden, sich im Wesentlichen parallel zum Träger substrat erstreckend von diesem in einer gemeinsamen Ebene gehalten, zusammen eine flache Antennenstruktur, beispielsweise als Flächendipol, aus. Von Vorteil ist, dass es sich bei den Strahlerelementen grundsätzlich um beliebige Formen handeln kann, um eine Vielzahl von möglichen Antennenstrukturen auszubilden, wie beispielsweise Kreis-, Ellipsen- und Ringstrukturen oder auch Schmetterlingsstrukturen, Fliegenstrukturen, d.h. „Bow Tie“ -Strukturen, und sogenannte Batwing-Strukturen. Ferner ist in ergänzender und/oder alternativer Ausführung vorgesehen, dass zumindest die erste Antenne eine zum Trägersubstrat beabstandet angeordnete Abschirmung auf der von dem Messvolumen abgewandten Seite des Trägerelements umfasst. Eine Wellenausbreitung des Sendesignals in diese Richtung kann somit auf einfache Weise vermieden und die Feldausbreitung hinter der ersten Antenne minimiert werden. Die Abschirmung kann dabei insbesondere durch eine metallische Messzellenwand oder durch einen metallischen Deckel der ersten Antenne ausgebildet sein. It has been shown that particularly useful radiation characteristics can be set up if the system has two planar radiator elements arranged on the second surface of the carrier substrate or in the carrier substrate and preferably horizontally and/or vertically parallel to these two planar radiator elements at least two more on the second surface of the Has carrier substrate or arranged in the carrier substrate planar radiator elements. The two planar radiating elements and, if present, two of these at least two further planar radiating elements, extending essentially parallel to the carrier substrate and held by it in a common plane, together form a flat antenna structure, for example as a planar dipole. The advantage is that the radiator elements can in principle be of any shape in order to form a large number of possible antenna structures, such as circular, elliptical and ring structures or butterfly structures, fly structures, ie “bow tie” structures, and so-called Batwing structures. Furthermore, in a supplementary and/or alternative embodiment, it is provided that at least the first antenna comprises a shielding arranged at a distance from the carrier substrate on the side of the carrier element facing away from the measurement volume. A wave propagation of the transmission signal in this direction can thus be avoided in a simple manner and the field propagation behind the first antenna can be minimized. The shielding can be formed in particular by a metal measuring cell wall or by a metal cover of the first antenna.
Ergänzend und/oder alternativ zur Abschirmung kann auch eine benachbart zum Träger substrat zur ersten Seite gerichteten Oberfläche hin als Schutzschicht eine nichtleitfähige Schicht, insbesondere zur Abdeckung, und/oder eine Absorberschicht, insbesondere zur elektromagnetischen Absorption, angeordnet sein. Mit wenigstens einer solchen zur Abdeckung und/oder Absorption ausgebildeten Schicht lassen sich somit auf einfache Weise zusätzliche Reflexionen an rückseitigen Schichten, insbesondere auch massegeerdeten Schichten vermeiden. In addition and/or as an alternative to the shielding, a non-conductive layer, in particular for covering, and/or an absorber layer, in particular for electromagnetic absorption, can also be arranged as a protective layer on a surface adjacent to the carrier substrate facing the first side. With at least one such layer designed for covering and/or absorption, additional reflections on rear-side layers, in particular also layers grounded to ground, can thus be avoided in a simple manner.
Als Träger substrat kann zweckmäßig auch eine mehrlagige Platine eingesetzt sein und/oder die Strahlerelemente können in dem Trägersubstrat eingebettet sein. A multi-layer circuit board can also be used as the carrier substrate and/or the radiator elements can be embedded in the carrier substrate.
Das Träger substrat kann ergänzend oder alternativ dazu Teil eines integrierten Schaltkreises sein. Ergänzend oder alternativ dazu kann das System ferner zumindest ein Anpassglied und insbesondere zumindest einen mit den Strahlerelementen über das Anpassglied verbundenen Kabelanschluss aufweisen, wobei das Anpassglied auch Teil eines integrierten Schaltkreises sein kann. The carrier substrate can additionally or alternatively be part of an integrated circuit. In addition or as an alternative to this, the system can also have at least one matching element and in particular at least one cable connection connected to the radiator elements via the matching element, it also being possible for the matching element to be part of an integrated circuit.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Die Zeichnungen zeigen jeweils skizzenhaft in stark vereinfachter nicht maßstabstreuer Darstellung: Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Systems zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen in einer ersten Messzelle und zumindest zur Füllstandbestimmung von Füllgut in einer zweiten Messzelle, Further advantages and features of the invention result from the following description of some preferred embodiments with reference to the attached drawings. The drawings each show a sketch in a greatly simplified representation that is not true to scale: 1 shows a first embodiment of a system according to the invention for determining the volume of bodies or substances in a first measuring cell and at least for determining the filling level of filling material in a second measuring cell,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Systems zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen in einer ersten Messzelle und zumindest zur Füllstandbestimmung von Füllgut in einer zweiten Messzelle, 2 shows a second embodiment of a system according to the invention for determining the volume of bodies or substances in a first measuring cell and at least for determining the filling level of filling material in a second measuring cell,
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Systems zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen in einer ersten und einer zweiten Messzelle, 3 shows a third embodiment of a system according to the invention for determining the volume of bodies or substances in a first and a second measuring cell,
Fig. 4 in Draufsicht eine erste Ausführungsform einer als Dipolantenne ausgeführten Platinenantenne für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, 4 shows a plan view of a first embodiment of a board antenna designed as a dipole antenna for use within a system according to the invention,
Fig. 5 in Querschnittsansicht eine zweite Ausführung einer Platinenantenne mit eingebetteten Strahlerelementen für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, 5 shows a cross-sectional view of a second embodiment of a board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention,
Fig. 6 in Draufsicht eine dritte Ausführung einer als Dipolantenne ausgeführten Platinenantenne, insbesondere für bi-statische Messungen für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, 6 shows a top view of a third embodiment of a circuit board antenna designed as a dipole antenna, in particular for bistatic measurements for use within a system according to the invention,
Fig. 7 in Querschnittsansicht eine vierte Ausführung einer Platinenantenne mit eingebetteten Strahlerelementen für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, 7 shows a cross-sectional view of a fourth embodiment of a board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention;
Fig. 8 in Querschnittsansicht eine fünfte Ausführung einer Platinenantenne mit eingebetteten Strahlerelementen und rückseitiger Abschirmung für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, Fig. 9 in Querschnittsansicht eine sechste Ausführung einer Platinenantenne mit eingebetteten Strahlerelementen für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, 8 shows a cross-sectional view of a fifth embodiment of a board antenna with embedded radiating elements and rear shielding for use within a system according to the invention; 9 shows a cross-sectional view of a sixth embodiment of a board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention,
Fig. 10 in Querschnittsansicht eine siebte Ausführung einer Platinenantenne mit eingebetteten Strahlerelementen für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, 10 shows a cross-sectional view of a seventh embodiment of a board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention;
Fig. 11 im Querschnitt ein Messsystem nach dem Stand der Technik mit bündelnden Hochfrequenzantennen bei der Füllstanderfassung in einem Behälter, 11 shows a cross-section of a measuring system according to the prior art with bundling high-frequency antennas when measuring the fill level in a container,
Fig. 12 im Querschnitt das Messsystem nach dem Stand der Technik mit bündelnden Hochfrequenzantennen bei der Objekterfassung in einem Behälter, und 12 in cross-section the measurement system according to the prior art with bundling high-frequency antennas when detecting an object in a container, and
Fig. 13 im Querschnitt das Messsystem nach dem Stand der Technik mit bündelnden Hochfrequenzantennen bei der Objekterfassung in einem anderen Behälter. 13 shows a cross section of the measuring system according to the prior art with bundling high-frequency antennas when detecting an object in another container.
Nachfolgend wird zur weiteren Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung auf die Figuren Bezug genommen, wobei zur verbessertenIn the following, reference is made to the figures for the further description of some preferred embodiments of the invention
Gegenüberstellung der erfindungsgemäßen Systeme zunächst kurz auf die in den Fign. 11 bis 13 dargestellten Systeme eingegangen wird, welche Messsysteme nach dem Stand der Technik mit bündelnden Hochfrequenzantennen bei der Füllstand- und Objekterfassung in verschiedenen Behältern zeigen. Comparison of the systems according to the invention first briefly on the in Figs. 11 to 13 will be discussed, which show measuring systems according to the prior art with bundling high-frequency antennas for level and object detection in different containers.
Insbesondere zeigen die in den Fign. 11 bis 13 im Querschnitt dargestellten Systeme jeweils ein Füllstandradar 10 mit Hochfrequenzstrahlen bündelnden Antennen (oder eine Antenne) 12. Die jeweilige Antennenstruktur der bündelnden Antenne 12 kann hierbei aus einem nicht näher dargestellten leitfähigen Material sein und insbesondere und aus einem einzelnen Patchstrahler oder einem Array aus mehreren Einzelpatches aufgebaut sein, wie beispielsweise in der DE 10 2006 019 688 B4 beschrieben. Die bündelnden Antennen 12 sind jeweils mit einer rückseitig angeordneten, d.h. auf der vom sensorisch zu erfassenden Füllstandbereich abgewandten Seite, mit einer Massefläche bzw. Reflektor schicht 13 elektrisch leitend verbunden, wobei ein Hochfrequenzanschluss 14 von der bündelnden Antenne 12 zu einer Mikrowellenelektronik 11 führt. Gemäß der Fign. 11 und 12 ist jeweils ein „quader-“ oder auch „zylinderförmiger“ Behälter 30 mit einer Behälterwand 31 dargestellt, durch welchen eine Messzelle definiert ist. D. h., die Behälterwand 31 bildet die Messzellenwand aus, sodass die in den Innenraum gerichtete Oberfläche der Behälterwand 31 letztlich den sensorisch zu erfassenden Füllstandbereich definiert. Ein solcher Füllstandbereich ist folglich im Wesentlichen „hohlquader-“ oder auch „hohlzylinderförmig“ ausgebildet. In Abwandlung zu den Fign. 11 und 12 ist bei Fig. 13 kein lediglich „quader-“ oder auch „zylinderförmiger“ Behälter, sondern ein Behälter 40 mit einer im Wesentlichen beliebigen Struktur, insbesondere beliebig komplexen Struktur, gezeigt, der folglich auch eine dieser beliebigen Struktur folgende Behälterwand 41 umfasst. Eine hierdurch definierte Messzelle, und somit auch der durch die in den Innenraum gerichtete Oberfläche der Behälterwand 41 definierte, sensorisch zu erfassende Füllstandbereich, ist folglich auch nicht lediglich „hohlquader- “ oder auch „hohlzylinderförmiger“ ausgebildet, sondern kann Absätze, Ecken, Schrägen und dergleichen umfassen. In particular, the in Figs. 11 to 13 systems shown in cross-section each have a level radar 10 with antennas (or an antenna) 12 that focus high-frequency beams. The respective antenna structure of the focussing antenna 12 can be made of a conductive material, not shown in detail, and in particular and of a single patch radiator or an array several individual patches, as described for example in DE 10 2006 019 688 B4. The bundling antennas 12 are each arranged with a rear side, ie on the side facing away from the level area to be detected by sensors, with a Ground surface or reflector layer 13 is electrically conductively connected, with a high-frequency connection 14 leading from the bundling antenna 12 to microwave electronics 11 . According to Figs. 11 and 12 each show a “rectangular” or “cylindrical” container 30 with a container wall 31, through which a measuring cell is defined. In other words, the container wall 31 forms the measuring cell wall, so that the surface of the container wall 31 directed into the interior ultimately defines the fill level range to be detected by sensors. Such a fill level area is consequently essentially “hollow cuboid” or also “hollow cylindrical” in shape. In a modification to Figs. 11 and 12, FIG. 13 does not show a merely “rectangular” or “cylindrical” container, but a container 40 with essentially any structure, in particular any complex structure, which consequently also includes a container wall 41 following this any structure . A measuring cell defined in this way, and thus also the fill level area to be detected by sensors, which is defined by the surface of the container wall 41 facing into the interior, is consequently not just “hollow cuboid” or “hollow cylindrical” in shape, but can also have shoulders, corners, slopes and include the like.
Ein jeweils mittels der bündelnden Antenne 12 erzeugtes Messfeld 60 ist gleichermaßen in den Fign. 11 bis 13 skizziert. Wie zu sehen, ist das erzeugte Messfeld 60 ein gebündeltes Messfeld und weist folglich insbesondere eine entsprechend gebündelte Richtkeule 61 auf, die den Bereich eingrenzen, in dem ein Sendesignal 62 mit einer bestimmten Mindestfeldstärke erzeugt bzw. ein Empfangssignal 63 mit einer bestimmten Mindestsignal stärke empfangen werden kann. A measuring field 60 generated in each case by means of the bundling antenna 12 is likewise shown in FIGS. 11 to 13 outlined. As can be seen, the generated measuring field 60 is a bundled measuring field and consequently has a correspondingly bundled directional lobe 61, which delimits the area in which a transmitted signal 62 with a specific minimum field strength is generated or a received signal 63 with a specific minimum signal strength is received can.
Befindet sich im Behälter 30 gemäß Fig. 11 als Füllgut 500 beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut, sodass sich der Füllstandbereich und sich also das Innere der Messzelle im Wesentlichen homogen vom Boden aufwärts mit der Flüssigkeit oder dem Schüttgut füllt, kann folglich über die jeweilige Füllgutoberfläche 501 auch eine Füllstanderfassung mit dem bei Fig. 11 gezeigten Messsystem nach dem Stand der Technik im Wesentlichen zufrieden stellend durchgeführt werden, da in einem solchen Fall einer homogenen Füllgutverteilung eine gebündelte Richtkeule 61 in der Regel keine negative Auswirkungen auf das Messergebnis hat. If the container 30 according to Fig. 11 is a liquid or bulk material as filling material 500, for example, so that the filling level area and thus the interior of the measuring cell is filled essentially homogeneously from the bottom up with the liquid or bulk material, the respective filling material surface can consequently be filled 501 can also be carried out satisfactorily with the measuring system shown in FIG. 11 according to the prior art, since in such a In the case of a homogeneous filling material distribution, a bundled directional lobe 61 generally has no negative effects on the measurement result.
Befinden sich im Behälter 30 gemäß Fign. 12 und 13 als Füllgut jedoch mehrere Körper oder Stoffe, wie z.B. die mit 502 und 503 gekennzeichneten, die den Füllstandbereich und also das Innere der Messzelle nicht homogen vom Boden aufwärts füllen oder im Innern der Messzelle verteilt voneinander angeordnet sind, kann folglich die gebündelte Richtkeule 61 dazu führen, dass lediglich ein Teil der Körper oder Stoffe bzw. nur einzelne Körper oder Stoffe innerhalb des Bereichs der Richtkeule 61 sensorisch erfasst, d.h. erkannt werden können. So wird bei Figur 13 z.B. nur der mit 502 gekennzeichnete Körper sensorisch erfasst, nicht jedoch das mit 500 gekennzeichnete, sich außerhalb der Richtkeule 61 befindliche Füllgut, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Schüttgut mit homogener Verteilung vom Boden des Innenraums der Messzelle aufwärts, oder auch nicht gezeigte weitere außerhalb der Richtkeule 61 befindliche Körper. Bei Figur 12 wird neben dem mit 502 gekennzeichneten Körper auch die Füllgutoberfläche 501 des Füllguts 500 sensorisch erfasst, nicht jedoch der weitere mit 503 gekennzeichnete Körper, der sich außerhalb der Richtkeule 61 befindet. Aber auch eine in Bezug auf einen erkannten Körper basierende Füllstandmessung bzw. gemäß Fign. 12 und 13 eine Volumenbestimmung des Körpers 502, kann bei diesen Ausführungsbeispielen bereits zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Liegt, wie bei Fig. 12 zu sehen, z.B. der Körper 502 auf dem Boden des dort „quader-“ oder auch „zylinderförmiger“ ausgebildeten Behälters und reicht das Messfeld 60 innerhalb der Richtkeule 61 um den Körper 502 herum bis auf die Füllgutoberfläche 501 des Füllguts 500, so kann anhand der sensorisch erfassten Körperoberfläche 504 des Körpers 502 und der Füllgutoberfläche 501 des Füllguts 500 zusätzlich zur reinen Erkennung des Körpers 502 in der Regel zwar auch eine Volumenbestimmung des Körpers 502 mit entsprechender Elektronik durchgeführt werden. Die Volumenbestimmung wird jedoch aufgrund des den Körper 502 umgebenden Füllguts 500 ungenauer, als dies ohne das den Körper 502 umgebende Füllgut 500 der Fall wäre. Befindet sich hingegen der Körper im Nahfeldbereich der Antenne 12, wie z.B. der Körper 502 bei Fig. 13, wird folglich mit dem bei Fig. 13 gezeigten Messsystem nach dem Stand der Technik nur ein Teil des Körpers 502 erfasst. Folglich kann zwar anhand der sensorisch erfassten Körperoberfläche 504 des Körpers 502 der Körper 502 grundsätzlich erkannt, jedoch in der Regel keine Volumenbestimmung des Körpers mehr durchgeführt werden. Negativ ergänzend wirkt sich darüber hinaus aus, wenn der Körper, wie z.B. der Körper 502 bei Fig. 13 nicht auf dem Boden eines lediglich „quader-“ oder auch „zylinderförmiger“ ausgebildeten Behälters liegt, sondern z.B. auf einem Absatz oder auch auf anderen einzeln unter dem Körper befindlichen weiteren verteilt angeordneten Körpern. Die sensorisch erfasste Körperoberfläche 504 des Körpers 502 kann nämlich in einem solchen Fall eine unkorrekte Füllstandhöhe widerspiegeln. Are in the container 30 according to FIGS. 12 and 13 as filling material, however, several bodies or substances, such as those marked with 502 and 503, which do not fill the filling level area and thus the interior of the measuring cell homogeneously from the bottom up or are arranged distributed from one another inside the measuring cell, consequently the bundled directional lobe 61 lead to the fact that only part of the bodies or substances or only individual bodies or substances within the area of the directional lobe 61 can be detected by sensors, ie can be recognized. In FIG. 13, for example, only the body marked 502 is detected by sensors, but not the filling material marked 500 that is outside of the directional lobe 61, for example a liquid or bulk material with homogeneous distribution from the bottom of the interior of the measuring cell upwards, or not Shown other body located outside of the directional lobe 61. In FIG. 12, in addition to the body marked 502, the filling material surface 501 of the filling material 500 is also detected by sensors, but not the further body marked 503, which is located outside the directional lobe 61. However, a filling level measurement based on a recognized body or according to FIGS. 12 and 13 a volume determination of the body 502 can already lead to different results in these exemplary embodiments. If, as can be seen in Fig. 12, the body 502 lies, for example, on the bottom of the "rectangular" or "cylindrical" container there and the measuring field 60 extends within the directional lobe 61 around the body 502 to the filling material surface 501 of the Filling material 500, the body surface 504 of the body 502 detected by sensors and the filling material surface 501 of the filling material 500 can also be used to determine the volume of the body 502 with appropriate electronics in addition to simply detecting the body 502. However, the volume determination becomes less precise due to the filling material 500 surrounding the body 502 than would be the case without the filling material 500 surrounding the body 502 . If, on the other hand, the body is in the near-field region of antenna 12, such as body 502 in FIG. 13, only a part of body 502 is consequently detected with the measurement system according to the prior art shown in FIG. Consequently, although based on the sensory detected Body surface 504 of the body 502 of the body 502 recognized in principle, however, as a rule, no volume determination of the body can be carried out. A further negative effect is when the body, such as body 502 in FIG. 13, does not lie on the bottom of a merely “rectangular” or “cylindrical” container, but rather, for example, on a shoulder or on others individually under the body located other distributed bodies. In such a case, the body surface 504 of the body 502 detected by sensors can reflect an incorrect fill level.
Vor allem aber ermöglicht das in den Fign. 12 und 13 gezeigte Messsystem 10 keine voneinander getrennte Messung des Körpers 502 einerseits und des Füllguts 500 andererseits. Vielmehr kann eine mit dem gleichen Sensor durchgeführte sensorische Erfassung der Körperoberfläche 504 des Körpers 502 und der Füllgutoberfläche 501 des Füllguts 500, wie in Fig. 12, zu deutlichen und teils sogar zu inakzeptablen Messungenauigkeiten führen. Wird das zu erfassende Messvolumen hingegen beschränkt, beispielsweise entsprechend Fig. 13, so kann nur der sich innerhalb der Richtkeule 61 befindliche Körper 502 sensorisch erfasst werden, jedoch ohne dessen Volumen bestimmen zu können. Die in den Fign. 11-13 dargestellten Messsysteme des Standes der Technik kommen hinsichtlich ihrer Messgenauigkeit meist schnell an ihre Grenzen, wenn sich verschiedene Füllgüter mit verschiedenen Stoffeigenschaften, beispielsweise stark unterscheidende Partikelgröße, Aggregatzustand, chemische Zusammensetzung usw., in der Messzelle befinden und diese verschiedenen Füllgüter 500, 502, 503 separat voneinander sensorisch erfasst werden sollen. Above all, this allows in Figs. The measuring system 10 shown in FIGS. 12 and 13 does not measure the body 502 on the one hand and the filling material 500 on the other hand separately. Rather, a sensory detection of the body surface 504 of the body 502 and the filling material surface 501 of the filling material 500 carried out with the same sensor, as in FIG. 12, can lead to significant and sometimes even unacceptable measurement inaccuracies. If, on the other hand, the measuring volume to be detected is limited, for example according to FIG. 13, then only the body 502 located within the directional lobe 61 can be detected by sensors, but without being able to determine its volume. The in Figs. The measuring systems of the prior art shown in FIGS. 11-13 usually quickly reach their limits in terms of their measuring accuracy when there are different filling goods with different material properties, for example very different particle sizes, physical states, chemical composition, etc., in the measuring cell and these different filling goods 500, 502 , 503 are to be detected separately from one another by sensors.
Im Gegensatz hierzu zeigen die Fign. 1 bis 3 in stark vereinfachter Darstellung verschiedene Messsysteme gemäß der Erfindung. Insbesondere sind drei unterschiedliche Ausführungsformen eines gegenüber dem Messsystem 10 der Fign. 11- 13 verbesserten erfmdungsgemäßen Systems 100 zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen in einer ersten Messzelle 400A eines beliebig strukturierten Behälters 900, welcher neben der ersten Messzelle 400A eine zweite Messzelle 400B umfasst, skizziert. Die erste und zweite Messzelle 400A, 400B müssen nicht notwendigerweise von einem gemeinsamen Behälter 900 umfasst sein, sondern können alternativ dazu auch jeweils von einem eigenen Behälter umfasst sein. In contrast, Figs. 1 to 3 in a greatly simplified representation of different measuring systems according to the invention. In particular, three different embodiments of one compared to the measuring system 10 of FIGS. 11-13 improved system 100 according to the invention for determining the volume of bodies or substances in a first measuring cell 400A of an arbitrarily structured container 900, which comprises a second measuring cell 400B in addition to the first measuring cell 400A. The first and second measuring cells 400A, 400B do not have to necessarily be comprised by a common container 900, but alternatively each can also be comprised by a separate container.
Wie nachfolgend ersichtlich, eignet sich ein solches erfindungsgemäßes System 100 zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen aus dielektrischem und/oder leitfähigen Material 500, 502, 503, 504 innerhalb eines Innenraums der ersten Messzelle 400A mit einer leitfähigen und/oder nichtleitfähigen Messzellenwand 401, die eine in den Innenraum gerichtete Oberfläche aufweist. In Fign. 1-3 bilden Teile der Behälterwand des Behälters 900 beispielhaft die Messzellenwand 401 der ersten Messzelle 400A und auch der zweiten Messzelle 400B aus. Der Innenraum der ersten Messzelle 400A definiert den von einem ersten Sensor 200 sensorisch zu erfassenden Messbereich bzw. ein erstes sensorisch zu erfassendes Messvolumen 700A, während der Innenraum der zweiten Messzelle 400B den von einem zweiten Sensor 300 sensorisch zu erfassenden Messbereich bzw. ein zweites sensorisch zu erfassendes Messvolumen 700B definiert. Die Messvolumina 700A, 700B müssen nicht lediglich „hohlquader-“ oder auch „hohlzylinderförmig“ ausgebildet sein, sondern können Absätze, Ecken, Schrägen und dergleichen umfassen, wie dies in den Fign. 1 bis 3 hinsichtlich des Messvolumens 700 A zu sehen ist. As can be seen below, such a system 100 according to the invention is suitable for determining the volume of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material 500, 502, 503, 504 within an interior of the first measuring cell 400A with a conductive and/or non-conductive measuring cell wall 401, which has a has directed into the interior surface. In Figs. 1-3, parts of the container wall of the container 900 form, for example, the measuring cell wall 401 of the first measuring cell 400A and also of the second measuring cell 400B. The interior of the first measuring cell 400A defines the measuring area to be detected by a first sensor 200 or a first measuring volume 700A to be detected by sensors, while the interior of the second measuring cell 400B defines the measuring area to be detected by a second sensor 300 or a second sensory sensing measurement volume 700B defined. The measurement volumes 700A, 700B do not just have to be “hollow cuboid” or “hollow cylindrical” in shape, but can include shoulders, corners, bevels and the like, as is shown in FIGS. 1 to 3 regarding the measurement volume 700 A can be seen.
Das System 100 gemäß der Erfindung besitzt wenigstens eine erste Antenne 202, wie in Fign. 1-3 ersichtlich. Die erste Antenne 202 ist zum Abstrahlen zumindest eines Sendesignals 702, 704 in Form von elektromagnetischer Strahlung in das Messvolumen 700A der ersten Messzelle 400A ausgebildet und umfasst wenigstens ein scheibenförmiges, d.h. planares, Trägersubstrat 205 mit einer zu einer ersten Seite gerichteten ersten Oberfläche und einer entgegengesetzten ersten Oberfläche gerichteten zweiten Oberfläche. Diese zweite Oberfläche bildet eine Außenseite der ersten Antenne 202. Das erfindungsgemäße System 100 ist in den Fign. 1-3 beispielhaft derart konfiguriert, dass das Trägersubstrat 205 in die Messzellenwand 401 einbaubar ist, sodass ein Teil der in den Innenraum der ersten Messzelle 400 A gerichteten Oberfläche der Messzellenwand 401 durch die zweite Oberfläche des Träger Substrats 205 ersetzbar ist. Alternativ kann das Trägersubstrat jedoch auch von der Messzellenwand beabstandet anordenbar sein und sich im Innenraum der Messzelle 400A erstrecken. Zudem ist das System 100 stets so konfiguriert, dass die erste Antenne 202 mit an der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats 205 oder im Trägersubstrat 205 angeordneten Strahlerelementen 206a, 206b, 207a, 207b, wie beispielsweise den Fign. 4 bis 10 zu entnehmen, als eine elektrisch kurze Antenne mit einer zumindest im Wesentlichen halbkugelförmigen Strahlungscharakteristik eingerichtet ist, um das Sendesignal 702, 704 über einen Raumwinkel von zumindest 2K und somit in das Messvolumen 700A, wie den Fign 1 bis 3 beispielhaft zu entnehmen, abzustrahlen. The system 100 according to the invention has at least a first antenna 202, as shown in Figs. 1-3 visible. The first antenna 202 is designed to emit at least one transmission signal 702, 704 in the form of electromagnetic radiation into the measurement volume 700A of the first measurement cell 400A and comprises at least one disc-shaped, i.e. planar, carrier substrate 205 with a first surface directed towards a first side and an opposite one first surface directed second surface. This second surface forms an outside of the first antenna 202. The system 100 according to the invention is shown in FIGS. 1-3 configured such that the carrier substrate 205 can be installed in the measuring cell wall 401, so that a part of the surface of the measuring cell wall 401 directed into the interior of the first measuring cell 400 A can be replaced by the second surface of the carrier substrate 205. Alternatively, however, the carrier substrate can also be arranged at a distance from the measuring cell wall and can extend in the interior of the measuring cell 400A. In addition, the system 100 is always configured in such a way that the first antenna 202 is connected to the radiator elements 206a, 206b, 207a, 207b arranged on the second surface of the carrier substrate 205 or in the carrier substrate 205, as shown in FIGS. 4 to 10, as an electrically short antenna with an at least essentially hemispherical radiation characteristic is set up in order to take the transmission signal 702, 704 over a solid angle of at least 2K and thus into the measurement volume 700A, as shown in FIGS. 1 to 3 by way of example, to radiate.
Bekanntermaßen handelt es sich um eine elektrisch kurze Antenne, wenn der elektrische Leiter der Antenne viel kleiner als die halbe Betriebswellenlänge ist. Strahlt die Antenne beispielsweise ein Ultrabreitbandsignal, d.h. ein Signal insbesondere innerhalb eines Frequenzbereichs zwischen 0,1 bis 6 GHz, ab, so entspricht dies einem Wellenlängenbereich zwischen ungefähr 30dm bis 5cm. Je nach gewünschter Anwendung bewegt sich eine halbe Betriebswellenlänge folglich bevorzugt zwischen 15dm bis 2,5cm und der elektrische Leiter bzw. die Leiterstruktur der die Antenne ausmachenden Strahlerelemente ist entsprechend möglichst anzupassen. Insbesondere ist vorgesehen, dass der elektrische Leiter bzw. die Leiterstruktur der Strahlerelemente gemäß Definition aus „Lehrbuch der Hochfrequenztechnik“, erster Band, zweite Auflage Seite 261, Kapitel 6.2.2, aus 1973, ISBN 3-540-05974-1, zur Einrichtung einer elektrisch kurzen Antenne kleiner als oder gleich X/8 ist. It is known that an antenna is electrically short if the electrical conductor of the antenna is much smaller than half the operating wavelength. For example, if the antenna emits an ultra-wideband signal, i.e. a signal in particular within a frequency range between 0.1 and 6 GHz, this corresponds to a wavelength range between approximately 30dm and 5cm. Depending on the desired application, half the operating wavelength is preferably between 15 dm and 2.5 cm, and the electrical conductor or the conductor structure of the radiating elements that make up the antenna must be adjusted accordingly as far as possible. In particular, it is provided that the electrical conductor or the conductor structure of the radiator elements as defined in "Textbook of High Frequency Technology", first volume, second edition, page 261, chapter 6.2.2, from 1973, ISBN 3-540-05974-1, to set up of an electrically short antenna is less than or equal to X/8.
Die erste Antenne 202 kann beispielsweise eine Ultrabreitband-Antenne, wie in der EP20174239.2 beschrieben, sein, welche zum Abstrahlen von Sendesignalen in Form von Ultrabreitbandsignalen mit niedrigen Frequenzen geeignet ist, da Ultrabreitband- Signale verschiedenste dielektrische Materialien besonders gut durchdringen können. Zudem eignen sich Ultrabreitband- Antennen insbesondere für kleine Messzellen, da hierfür entsprechend kleine Antennen mit Strahlerelementen im Zentimeterbereich benötigt werden. Bei Betrachtung des gesamten nutzbaren Frequenzbereichs einer Ultrabreitband-Antenne handelt es sich damit definitionsgemäß um elektrisch kurze Antennen, die keine oder eine geringe Richtwirkung aufweisen und damit zweckmäßig Sendesignale in ein zumindest im Wesentlichen halbkugelförmiges Messvolumen ab strahl en. Durch die zuvor beschriebene Strahlungscharakteristik der als elektrisch kurze Antenne eingerichteten ersten Antenne 202 können im Gegensatz zum vorbeschriebenen Stand der Technik gemäß der Fign. 11-13 mit einem System 100 gemäß der Erfindung auch in geometrisch komplexen Messzellen, beispielsweise mit Absätze, Ecken, Schrägen und dergleichen, und entsprechend geometrisch komplexen Messvolumina, Totbereiche aufgrund des Abdeckens eines Messvolumens 700A über einen Raumwinkel von wenigstens 2K im Wesentlichen vollständig vermieden werden. Ferner kann das System 100 somit auch für Messungen, insbesondere Radarmessungen, aber auch LiDAR (Light Detection and Ranging)-Messungen bei einer entsprechenden Geometrie der ersten Messzelle 400A, zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen im Nahbereich der ersten Antenne eingesetzt werden. The first antenna 202 can, for example, be an ultra-wideband antenna, as described in EP20174239.2, which is suitable for emitting transmission signals in the form of ultra-wideband signals with low frequencies, since ultra-wideband signals can penetrate a wide variety of dielectric materials particularly well. In addition, ultra-broadband antennas are particularly suitable for small measuring cells, since correspondingly small antennas with radiating elements in the centimeter range are required. When considering the entire usable frequency range of an ultra-broadband antenna, by definition, these are electrically short antennas that have little or no directivity and therefore expediently emit transmission signals into an at least essentially hemispherical measurement volume. In contrast to the prior art described above according to FIGS. 11-13 with a system 100 according to the invention, even in geometrically complex measuring cells, for example with shoulders, corners, slopes and the like, and correspondingly geometrically complex measuring volumes, dead areas can be essentially completely avoided due to the covering of a measuring volume 700A over a solid angle of at least 2K . Furthermore, the system 100 can thus also be used for measurements, in particular radar measurements, but also LiDAR (Light Detection and Ranging) measurements with a corresponding geometry of the first measuring cell 400A, for determining the volume of bodies or substances in the vicinity of the first antenna.
Ist das Trägersubstrat nicht wie in Fign. 1-3, sondern im Innenraum der ersten Messzelle 400A von der Messzellenwand 401 beabstandet angeordnet, kann die erste Antenne 202 eine Strahlungscharakteristik haben, mit welcher das Sendesignal 702 über einen Raumwinkel von weit mehr als 2n bis hin zu 4K, d.h. bis hin zu einer im Wesentlichen vollkugelförmigen Strahlungscharakteristik, abgestrahlt werden kann. If the carrier substrate is not as shown in Figs. 1-3, but in the interior of the first measuring cell 400A at a distance from the measuring cell wall 401, the first antenna 202 can have a radiation characteristic with which the transmission signal 702 has a solid angle of far more than 2n up to 4K, i.e. up to a substantially spherical radiation pattern, can be radiated.
Das erfindungsgemäße System 100 weist zweckmäßigerweise ein Sendemodul 800 zum Erzeugen des zumindest von der ersten Antenne 202 abzustrahlenden Sendesignals 702 und einen mit dem Sendemodul 800 und den Strahlerelementen 206a, 206b, 207a, 207b (siehe Fign. 4-10) zumindest der ersten Antenne 202 elektrisch verbundenen Kabelanschluss 203 auf, wie z.B. in Fig. 1 und 3 gezeigt. Der Kabelanschluss 203 dient zum leitungsgebundenen Übertragen des vom Sendemodul 800 erzeugten Sendesignals 702 an die Strahlerelemente 206a, 206b, 207a, 207b der ersten Antenne 202. The system 100 according to the invention expediently has a transmission module 800 for generating the transmission signal 702 to be radiated at least by the first antenna 202 and one with the transmission module 800 and the emitter elements 206a, 206b, 207a, 207b (see Figs. 4-10) of at least the first antenna 202 electrically connected cable terminal 203, such as shown in Figures 1 and 3. The cable connection 203 is used for wired transmission of the transmission signal 702 generated by the transmission module 800 to the radiating elements 206a, 206b, 207a, 207b of the first antenna 202.
Die von der ersten Antenne 202 in das Messvolumen 700A der ersten Messzelle 400A abgestrahlten Sendesignale 702 treffen in der Regel entweder direkt auf die Körperoberfläche 504 von darin befindlichen Körpern 502, 503 bzw. auf die Füllgutoberfläche 501 eines darin befindlichen, beispielsweise flüssigen, Füllguts 500 oder aber zunächst auf die Messzellenwand 401, von welcher sie reflektiert werden. Solche reflektierten Sendesignale sind in Fign. 1 und 2 z.B. mit 704 gekennzeichnet. Die auf eine Körperoberfläche 504 und/oder Füllgutoberfläche 501 treffenden Sendesignale 702, 704 werden von der jeweiligen Körperoberfläche 504 der Körper 502, 503 und/oder Füllgutoberfläche 501 des Füllguts 500 reflektiert, wobei die dann reflektierten Signale nachfolgend grundsätzlich als Empfangssignale bezeichnet werden. Empfangssignale, die auf bereits reflektierten Sendesignalen basieren und/oder nach der Reflexion von der jeweiligen Körperoberfläche 504 bzw. der Füllgutoberfläche 501 nochmals an der Messzellenwand 401 reflektiert werden, sind in Fig. 2 z.B. mit 705 gekennzeichnet. Alle anderen Empfangssignale sind in den Figuren mit 703 gekennzeichnet. The transmission signals 702 radiated from the first antenna 202 into the measurement volume 700A of the first measurement cell 400A usually either directly impinge on the body surface 504 of bodies 502, 503 located therein or on the filling material surface 501 of a, for example liquid, filling material 500 or but first on the measuring cell wall 401, from which they are reflected. Such reflected transmission signals are shown in Figs. 1 and 2 marked with 704, for example. The transmission signals 702, 704 impinging on a body surface 504 and/or filling material surface 501 are reflected by the respective body surface 504 of the body 502, 503 and/or filling material surface 501 of the filling material 500, the signals then reflected being referred to below as received signals. Received signals that are based on transmitted signals that have already been reflected and/or that are reflected again on the measuring cell wall 401 after being reflected from the respective body surface 504 or the filling material surface 501 are marked in FIG. 2 with 705, for example. All other received signals are marked with 703 in the figures.
Um die Empfangssignale 703, 705 zu empfangen, besitzt das erfindungsgemäße System 100 einen zum Empfangen eines laufzeitbasierten Strahlungssignals ausgebildeten ersten Sensor 200, wie in Fign. 1-3 gezeigt. Dieser erste Sensor 200 ist zumindest dazu geeignet, Strahlungssignale in einem Frequenzbereich zu empfangen, in welchem die von der ersten Antenne 202 abgestrahlten Sendesignale 702, 704 liegen. Zum Auswerten des vom ersten Sensor 200 empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignals umfasst das erfindungsgemäße System 100 gemäß Fign. 1-3 ein Auswertemodul 201. Es versteht sich von selbst, dass das Auswertemodul 201 ebenfalls zumindest dazu geeignet ist, Strahlungssignale in einem Frequenzbereich auszuwerten, in welchem die von dem ersten Sensor 200 empfangenen Strahlungssignale 703, 705 liegen. Das Auswertemodul 201 kann zur Signalauswertung insbesondere je nach applikationsspezifischer weiterer Ausgestaltung digitale Algorithmen zur Bestimmung des Volumens von Körpern oder Stoffen anwenden. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist das Auswertemodul 201 beispielhaft mit dem ersten Sensor 200 elektrisch verbunden, während es in Fign. 2 und 3 beispielhaft von dem ersten Sensor 200 umfasst ist und somit Bestandteil des ersten Sensors 200 ist. In order to receive the received signals 703, 705, the system 100 according to the invention has a first sensor 200 designed to receive a transit time-based radiation signal, as shown in FIGS. 1-3 shown. This first sensor 200 is at least suitable for receiving radiation signals in a frequency range in which the transmission signals 702, 704 emitted by the first antenna 202 lie. In order to evaluate the transit time-based radiation signal received from the first sensor 200, the system 100 according to the invention as shown in FIGS. 1-3 an evaluation module 201. It goes without saying that the evaluation module 201 is likewise at least suitable for evaluating radiation signals in a frequency range in which the radiation signals 703, 705 received by the first sensor 200 lie. The evaluation module 201 can use digital algorithms to determine the volume of bodies or substances for signal evaluation, in particular depending on the application-specific further configuration. In the embodiment shown in FIG. 1, the evaluation module 201 is electrically connected to the first sensor 200, while in FIGS. 2 and 3 is comprised by the first sensor 200 by way of example and is therefore a component of the first sensor 200.
Zumindest in der ersten Messzelle 400A können folglich Messungen, insbesondere Radarmessungen oder auch LiDAR-Messungen, bis hin zum Boden und in die verschiedensten Bereiche der ersten Messzelle 400A unter Nutzung reflektierter Signale durchgeführt und unter Berücksichtigung von Laufzeitanalysen und Mehrfachreflexionen äußerst genau, insbesondere unter Verwendung digitaler Algorithmen, ausgewertet werden. Es sei jedoch hierbei angemerkt, dass die Signalauswertung selbst, insbesondere unter Einsatz entsprechender Algorithmen, nicht Gegenstand der Erfindung ist und folglich nicht weiter diskutiert wird. At least in the first measuring cell 400A, measurements, in particular radar measurements or LiDAR measurements, can be carried out down to the ground and in the most diverse areas of the first measuring cell 400A using reflected signals and taking into account transit time analyzes and Multiple reflections are evaluated extremely precisely, in particular using digital algorithms. However, it should be noted here that the signal evaluation itself, in particular when using appropriate algorithms, is not the subject of the invention and is therefore not discussed further.
Wie den Fign. 1-3 ferner zu entnehmen ist, umfasst das System 100 im Gegensatz zu dem in Fign. 11-13 gezeigten Stand der Technik sowie gegenüber der EP20174239.2 ferner einen zweiten Sensor 300. Der zweite Sensor 300 ist zum Empfangen eines Messsignals betreffend einen Füllstand (siehe Fign. 1 und 2) und/oder ein Volumen (siehe Fig. 3) innerhalb eines von dem Innenraum der ersten Messzelle 400A abgegrenzten Innenraums der zweiten Messzelle 400B des Behälters 900 (siehe Fig. 1) ausgebildet. Der Innenraum der zweiten Messzelle 400B ist gemäß der Fign. 1-3 derart von dem Innenraum der ersten Messzelle 400A abgegrenzt, dass er mit dem Innenraum der ersten Messzelle 400A zum Austausch von Körpern oder Stoffen in Verbindung steht. As the Figs. 1-3, the system 100, in contrast to that in Figs. 11-13 shown prior art and compared to EP20174239.2 also a second sensor 300. The second sensor 300 is for receiving a measurement signal relating to a level (see Figs. 1 and 2) and / or a volume (see Fig. 3) formed within an interior space of the second measurement cell 400B of the container 900 (see FIG. 1 ) which is delimited from the interior space of the first measurement cell 400A. The interior of the second measuring cell 400B is shown in FIGS. 1-3 is delimited from the interior of the first measuring cell 400A in such a way that it communicates with the interior of the first measuring cell 400A for the exchange of bodies or substances.
Das in den Fign. 1-3 gezeigte erfindungsgemäße System 100 umfasst insbesondere die erste Messzelle 400A, die zweite Messzelle 400B sowie eine Trennschicht 600. Die Trennschicht 600 ist zum Abgrenzen des Innenraums der ersten Messzelle 400A von dem Innenraum der zweiten Messzelle 400B ausgebildet, und zwar derart, dass sie für die zu erfassenden Körper oder Stoffe 500, 502, 503, die zumindest eine vorbestimmte Stoffeigenschaft aufweisen, durchlässig ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Trennung bzw. selektive Aufteilung der Körper oder Stoffe auf die erste und zweite Messzelle 400A, 400B in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Stoffeigenschaft der Körper oder Stoffe erfolgen kann. So kann beispielsweise eine Entnahme von lediglich den Körpern und Stoffen, die eine vorbestimmten Stoffeigenschaft aufweisen, aus dem Innenraum der zweiten Messzelle 400B vorgesehen sein. In diesem Fall ist die Trennschicht dann derart ausgestaltet, dass sie lediglich für Körper und Stoffe mit dieser vorbestimmten Stoff eigenschaft durchlässig ist. Das Auswertemodul 201 (siehe Fign. 1 und 3) oder aber ein weiteres, von dem System 100 umfasstes Auswertemodul 301 (siehe Fig. 2) ist zum Auswerten des vom zweiten Sensor 300 empfangenen Messsignals ausgebildet. That in Figs. The system 100 according to the invention shown in FIGS. 1-3 comprises in particular the first measuring cell 400A, the second measuring cell 400B and a separating layer 600. The separating layer 600 is designed to delimit the interior of the first measuring cell 400A from the interior of the second measuring cell 400B in such a way that they is permeable to the bodies or substances 500, 502, 503 to be detected, which have at least one predetermined substance property. This has the advantage that the bodies or substances can be separated or selectively divided between the first and second measuring cells 400A, 400B depending on a predetermined material property of the bodies or substances. For example, only the bodies and substances that have a predetermined substance property can be removed from the interior of the second measuring cell 400B. In this case, the separating layer is designed in such a way that it is only permeable to bodies and substances with this predetermined substance property. Evaluation module 201 (see FIGS. 1 and 3) or another evaluation module 301 (see FIG. 2) included in system 100 is designed to evaluate the measurement signal received from second sensor 300.
Das erfindungsgemäße System 100 ist stets dazu eingerichtet, zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen 502, 503, 500 aus dielektrischem und/oder leitfähigem Material innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle 400A beide ausgewertete Signale miteinander in funktionale Beziehung zu einem einstellbaren Referenzvolumen von Körpern oder Stoffen innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle 400A zu setzen. Das einstellbare Referenzvolumen dient als Referenzwert und kann beispielsweise einem von Körpern oder Stoffen eingenommenem Volumen unmittelbar nach Befüllung der ersten Messzelle 400A, d.h. einem Anfangsfüllvolumen, oder beispielsweise dem Messvolumen 700A entsprechen. The system 100 according to the invention is always set up to determine the volume of bodies or substances 502, 503, 500 made of dielectric and/or conductive material within the interior of the first measuring cell 400A. Both evaluated signals are functionally related to an adjustable reference volume of bodies or substances within of the interior of the first measuring cell 400A. The adjustable reference volume serves as a reference value and can, for example, correspond to a volume occupied by bodies or substances immediately after the first measuring cell 400A has been filled, i.e. an initial filling volume, or for example to the measuring volume 700A.
Wird nach einem Befüllen der ersten Messzelle 400A mit Füllgut bzw. Körpern oder Stoffen weder weiteres Füllgut nachgefüllt noch Füllgut aus der ersten und/oder zweiten Messzelle 400B entnommen, sodass eine Einheit aus erster und zweiter Messzelle 400 A, 400B ein im Wesentlichen abgeschlossenes System bilden, muss sich eine Zunahme eines von dem zweiten Sensor 300 empfangenen, ausgewerteten Messsignals im Wesentlichen in einer entsprechenden Abnahme des vom ersten Sensor 200 empfangenen, ausgewerteten Strahlungssignals zur Volumenbestimmung der in dem Innenraum der ersten Messzelle 400A befindlichen Körper widerspiegeln. Somit kann das von dem zweiten Sensor 300 empfangene, ausgewertete Messsignal in einem solchen Fall herangezogen werden, um das vom ersten Sensor 200 empfangene, ausgewertete Strahlungssignal zumindest hinsichtlich des gesamten von den im Innenraum der ersten Messzelle 400A befindlichen Körpern eingenommenen Volumens zu überprüfen oder auch zu verbessern. Folglich kann das erfindungsgemäße System 100 durch die zusätzliche Messung zur Füllstands- und/oder Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen innerhalb des Innenraums der zweiten Messzelle 400B insbesondere ein genaueres Messergebnis im Hinblick auf die berührungslose Messung innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle bereitstellen, was das Gesamtvolumen der in dem Messvolumen 700A befindlichen Körper oder Stoffe betrifft. Zudem ermöglicht das System 100 eine separate Bestimmung des Volumens von Körpern oder Stoffen in der ersten Messzelle 400A und des Füllstands und/oder des Volumens von Körpern oder Stoffen in der zweiten Messzelle 400B. Dies ist insbesondere bei einem Separieren von Füllgut in Abhängigkeit einer vorbestimmten Stoffeigenschaft von Vorteil. If, after filling the first measuring cell 400A with filling material or bodies or substances, neither further filling material is refilled nor filling material removed from the first and/or second measuring cell 400B, so that a unit consisting of the first and second measuring cell 400A, 400B forms an essentially closed system , an increase in an evaluated measurement signal received by the second sensor 300 must essentially be reflected in a corresponding decrease in the evaluated radiation signal received by the first sensor 200 for determining the volume of the bodies located in the interior of the first measurement cell 400A. The evaluated measurement signal received by the second sensor 300 can thus be used in such a case to check the evaluated radiation signal received by the first sensor 200, at least with regard to the entire volume occupied by the bodies located in the interior of the first measuring cell 400A, or to check it improve. Consequently, the system 100 according to the invention can provide a more accurate measurement result with regard to the non-contact measurement within the interior of the first measuring cell through the additional measurement for determining the fill level and/or volume of bodies or substances within the interior of the second measuring cell 400B, which represents the total volume of the bodies or substances located in the measurement volume 700A. In addition the system 100 enables a separate determination of the volume of bodies or substances in the first measuring cell 400A and the fill level and/or the volume of bodies or substances in the second measuring cell 400B. This is particularly advantageous when separating filling material as a function of a predetermined material property.
Im Folgenden werden die einzelnen Unterschiede zwischen den in Fign. 1-3 gezeigten Ausführungsformen näher erläutert. In the following, the individual differences between the in Figs. 1-3 embodiments shown explained in more detail.
Das in Figur 1 dargestellte System 100 ist so konfiguriert, dass die erste Antenne 202 als eine reine Sendeantenne ausgebildet ist, d.h. die erste Antenne 202 eines erfindungsgemäßen Systems 100 muss nicht zwingend als Sende- und Empfangsantenne ausgebildet sein. Ein mit der ersten Antenne 202 über einen Kabelanschluss 203 elektrisch verbundenes Sendemodul 800 ist zum Erzeugen des Sendesignals 702 eingerichtet, wobei der Kabelanschluss 203 dem leitungsgebundenen Übertragen des erzeugten Sendesignals 702 an die erste Antenne 202 bzw. deren Strahlerelemente dient. Der erste Sensor 200 des Systems 100 ist zum unmittelbaren Empfangen von laufzeitbasierten Strahlungssignalen, u.a. den. in Fig. 1 gezeigten Empfangssignalen 703, innerhalb des Messvolumens 700A ausgebildet. In Fig. 1 ist der erste Sensor 200 beispielhaft an der Messzellenwand 401 der ersten Messzelle 400A angeordnet, sodass er sich in den Innenraum der ersten Messzelle 400A erstreckt. Alternativ dazu könnte der erste Sensor 200 auch in der Messzellenwand 401 entsprechend dem Träger Substrat 205 der ersten Antenne 202 eingebaut sein. Beispielsweise kann der erste Sensor 200 als Empfangsantenne ausgebildet sein und insbesondere entsprechend der ersten Antenne 202 ausgestaltet sein. Auch kann das System in einer nicht gezeigten Ausführungsform eine Empfangsantenne oder sogar mehrere Empfangsantennen zusätzlich zur ersten Antenne 202 als Sendeantenne und dem ersten Sensor 200 umfassen, wobei beispielsweise die Empfangsantenne(n) die empfangenen Strahlungssignale dann an den ersten Sensor 200 übertragen. The system 100 shown in Figure 1 is configured such that the first antenna 202 is designed purely as a transmitting antenna, i.e. the first antenna 202 of a system 100 according to the invention does not necessarily have to be designed as a transmitting and receiving antenna. A transmission module 800 electrically connected to the first antenna 202 via a cable connection 203 is set up to generate the transmission signal 702, with the cable connection 203 being used for wired transmission of the transmission signal 702 generated to the first antenna 202 or its radiating elements. The first sensor 200 of the system 100 is for directly receiving time-of-flight based radiation signals including the. received signals 703 shown in FIG. 1 are formed within the measurement volume 700A. In FIG. 1, the first sensor 200 is arranged, for example, on the measuring cell wall 401 of the first measuring cell 400A, so that it extends into the interior of the first measuring cell 400A. As an alternative to this, the first sensor 200 could also be installed in the measuring cell wall 401 corresponding to the carrier substrate 205 of the first antenna 202 . For example, the first sensor 200 can be embodied as a receiving antenna and, in particular, can be embodied in accordance with the first antenna 202 . In an embodiment that is not shown, the system can also include a receiving antenna or even multiple receiving antennas in addition to the first antenna 202 as a transmitting antenna and the first sensor 200, with the receiving antenna(s) then transmitting the received radiation signals to the first sensor 200, for example.
Der Innenraum der zweiten Messzelle 400B ist von dem Innenraum der ersten Messzelle 400A durch eine Trennschicht 600 abgegrenzt, welche in Fig. 1 beispielhaft als Membran ausgebildet ist, die insbesondere flüssigkeitsdurchlässig ist. Somit kann flüssiges Füllgut 500 von dem Innenraum der ersten Messzelle 400A durch die Membran in den Innenraum der zweiten Messzelle 400B gelangen, und somit von den Körpern 502, 503 im Innenraum der ersten Messzelle 400A separiert werden. The interior of the second measuring cell 400B is delimited from the interior of the first measuring cell 400A by a separating layer 600, which is shown in FIG. 1 by way of example is designed as a membrane which is particularly liquid-permeable. Thus, liquid filling material 500 can get from the interior of the first measuring cell 400A through the membrane into the interior of the second measuring cell 400B, and thus be separated from the bodies 502, 503 in the interior of the first measuring cell 400A.
Der vom System 100 umfasste zweite Sensor 300 ist in Fig. 1 beispielhaft ein kapazitiver Sensor nach dem Dreielektrodenmessprinzip mit zumindest einer Messelektrode (der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt) zur kapazitiven Füllstandmessung der in die zweite Messzelle 400B gelangten Körper und Stoffe bzw. des in die zweite Messzelle 400B gelangten flüssigen Füllguts 500. Dabei ist eine Gegenelektrode (nicht dargestellt) an einer Messzellenwand 401 der zweiten Messzelle 400B angebracht oder aber zumindest ein Teil der Messzellenwand 401 dient als Gegenelektrode. The second sensor 300 included in the system 100 in Fig. 1 is, for example, a capacitive sensor based on the three-electrode measuring principle with at least one measuring electrode (not shown for the sake of clarity) for capacitive level measurement of the bodies and substances that have entered the second measuring cell 400B or of the substances that have entered the second Liquid filling material 500 reached measuring cell 400B. A counter-electrode (not shown) is attached to a measuring cell wall 401 of the second measuring cell 400B, or at least part of the measuring cell wall 401 serves as a counter-electrode.
Ein von dem System 100 umfasstes zentrales, mit dem ersten Sensor 200 und mit dem zweiten Sensor 300 elektrisch verbundenes Auswertemodul 201 ist zum Auswerten des vom ersten Sensor 200 empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignals sowie des vom zweiten Sensor 300 empfangenen Messsignals ausgebildet. Zudem übernimmt das Auswertemodul 201 die Funktion, die beiden ausgewerteten Signale miteinander in funktionale Beziehung zu einem einstellbaren Referenzvolumen von Körpern oder Stoffen innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle 400A zu setzen. A central evaluation module 201 included in system 100 and electrically connected to first sensor 200 and to second sensor 300 is designed to evaluate the propagation-time-based radiation signal received from first sensor 200 and the measurement signal received from second sensor 300 . In addition, the evaluation module 201 assumes the function of functionally relating the two evaluated signals to an adjustable reference volume of bodies or substances within the interior of the first measuring cell 400A.
Das in Fig. 1 gezeigte System hat insbesondere den Vorteil, dass flüssiges Füllgut 500 von Füllgut in Form von festen Körpern 502, 503 separiert, vor allem aber separat voneinander in voneinander räumlich abgegrenzten Messzellen 400A, 400B mit zwei unterschiedlichen, für den jeweiligen Anwendungszweck entsprechend geeigneten Sensoren 200, 300 gemessen werden kann. So kann für die Erfassung von flüssigem Füllgut 500 vorzugsweise ein kapazitiver Sensor zur Füllstandsmessung als zweiter Sensor 300 verwendet werden, während für die Volumenbestimmung von festen Körpern 502, 503 ein laufzeitbasierter Strahlungssensor als erster Sensor 200 zum Einsatz kommt, wie in Fig. 1 gezeigt. Das erfindungsgemäße System 100 gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform umfasst eine erste Antenne 202, die als Sende- und Empfangsantenne ausgebildet ist. Deren Strahlerelemente 206a, 206b, 207a, 207b (siehe Fign. 4-10) sind neben dem Abstrahlen des Sendesignals 702, 704 zusätzlich auch zum Empfangen des Empfangssignals 703, 705 sowie zum Übertragen des Empfangssignals 703, 705 an den ersten Sensor 200 eingerichtet. Das an den ersten Sensor 200 übertragene Empfangssignal 703, 705 entspricht dabei dem empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignal und liegt insbesondere in Form eines von den Körpern 502, 503 oder Stoffen 500 reflektierten Sendesignals 702 und/oder eines an der Messzellenwand 401 der ersten Messzelle 400A reflektierten Sendesignals 704 vor. Die erste Antenne 202 umfasst gemäß Fig. 2 eine zum Träger Substrat 205 beabstandet angeordnete Abschirmung 402 auf der von dem Messvolumen 700A abgewandten Seite des Trägerelements 205. Die Abschirmung 402 ist in Fig. 2 beispielhaft als metallischer Deckel der ersten Antenne 202 ausgebildet, kann jedoch alternativ dazu auch durch eine metallische Messzellenwand 401 der ersten Messzelle 400A ausgebildet sein. Der erste Sensor 200 umfasst in Fig. 2 ein Auswertemodul 201, welches zum Auswerten des vom ersten Sensor 200 empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignals, d.h. der Empfangssignale 703, 705 ausgebildet ist. The system shown in FIG. 1 has the particular advantage that liquid filling material 500 is separated from filling material in the form of solid bodies 502, 503, but above all separately from one another in measuring cells 400A, 400B that are spatially delimited from one another, with two different ones corresponding to the respective application suitable sensors 200, 300 can be measured. For example, a capacitive sensor for level measurement can be used as the second sensor 300 for the detection of liquid filling material 500, while a transit time-based radiation sensor is used as the first sensor 200 for the volume determination of solid bodies 502, 503, as shown in FIG. The system 100 according to the invention according to the embodiment shown in FIG. 2 comprises a first antenna 202, which is designed as a transmitting and receiving antenna. Their emitter elements 206a, 206b, 207a, 207b (see FIGS. 4-10) are set up not only to emit the transmission signal 702, 704 but also to receive the reception signal 703, 705 and to transmit the reception signal 703, 705 to the first sensor 200. The received signal 703, 705 transmitted to the first sensor 200 corresponds to the received transit time-based radiation signal and is in particular in the form of a transmitted signal 702 reflected by the bodies 502, 503 or substances 500 and/or a transmitted signal 704 reflected on the measuring cell wall 401 of the first measuring cell 400A before. According to FIG. 2, the first antenna 202 comprises a shield 402 arranged at a distance from the carrier substrate 205 on the side of the carrier element 205 facing away from the measurement volume 700A. The shield 402 is embodied in FIG alternatively, it can also be formed by a metal measuring cell wall 401 of the first measuring cell 400A. In FIG. 2, the first sensor 200 comprises an evaluation module 201 which is designed to evaluate the transit time-based radiation signal received from the first sensor 200, ie the received signals 703, 705.
Im Gegensatz zu Fig. 1 ist der Innenraum der zweiten Messzelle 400B von dem Innenraum der ersten Messzelle 400A durch eine Trennschicht 600 abgegrenzt, welche beispielhaft als metallisches Gitter in Form eines Heizgitters vorliegt. Das Heizgitter kann insbesondere das mit ihm in direktem Kontakt stehende Füllgut, wie z.B. die Körper 502, 503 innerhalb der ersten Messzelle 400A, erwärmen und sogar zum Schmelzen bringen, sodass geschmolzenes Füllgut durch das Heizgitter in den Innenraum der zweiten Messzelle 400B gelangen kann, wie z.B. das in der zweiten Messzelle 400B befindliche Füllgut 500. Somit kann geschmolzenes Füllgut 500 von nicht geschmolzenem Füllgut, d.h. die in Fig. 2 gezeigten Körper 502, 503, getrennt werden. Eine optionale Entnahme von nur geschmolzenem Füllgut 500 wird somit erleichtert, indem dieses aus der zweiten Messzelle 200B entnommen werden kann. Vor allem aber kann geschmolzenes Füllgut 500 und nicht geschmolzenes separat voneinander, d.h. in voneinander räumlich abgegrenzten Messzellen 400A, 400B und mit zwei unterschiedlichen, für den jeweiligen Anwendungszweck entsprechend geeigneten Sensoren 200, 300, gemessen werden, wie bereits hinsichtlich Fig. 1 beschrieben. In contrast to FIG. 1 , the interior of the second measuring cell 400B is delimited from the interior of the first measuring cell 400A by a separating layer 600 , which is present, for example, as a metallic grid in the form of a heating grid. In particular, the heating grid can heat and even melt the filling material that is in direct contact with it, such as the bodies 502, 503 within the first measuring cell 400A, so that melted filling material can get through the heating grid into the interior of the second measuring cell 400B, e.g eg the filling material 500 located in the second measuring cell 400B. In this way, melted filling material 500 can be separated from non-melted filling material, ie the bodies 502, 503 shown in FIG. An optional removal of only melted filling material 500 is thus facilitated in that it can be removed from the second measuring cell 200B. Above all, however, melted filling material 500 and non-melted material can be measured separately from one another, ie in measuring cells 400A, 400B and 400A that are spatially separated from one another measured with two different sensors 200, 300, which are suitable for the respective application, as already described with regard to FIG.
Der zweite Sensor 300 des Systems 100 ist in Fig. 2 wie auch in Fig. 1 ein kapazitiver Sensor zur Füllstandmessung von geschmolzenem Füllgut 500. Der zweite Sensor 300 ist mit einem weiteren Auswertemodul 301 elektrisch verbunden, welches gemäß Ausführungsform der Fig 2 dem Auswerten des von dem zweiten Sensor 300 erfassten Messsignals und dem Übertragen des ausgewerteten Messsignals an das Auswertemodul 201 des ersten Sensors 200 dient. Letzteres übernimmt die Aufgabe, die beiden ausgewerteten Signale miteinander in funktionale Beziehung zu einem einstellbaren Referenzvolumen zu setzen. The second sensor 300 of the system 100 is in Fig. 2 as well as in Fig. 1 a capacitive sensor for level measurement of molten filling material 500. The second sensor 300 is electrically connected to a further evaluation module 301, which according to the embodiment of Fig. 2 is used to evaluate the measurement signal detected by the second sensor 300 and the transmission of the evaluated measurement signal to the evaluation module 201 of the first sensor 200 is used. The latter assumes the task of functionally relating the two evaluated signals to an adjustable reference volume.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes System 100, bei welchem die erste Antenne 202 entsprechend Fig. 2 beispielhaft als Sende- und Empfangsantenne ausgebildet ist. Die Strahlerelemente 206a, 206b, 207a, 207b (siehe Fign. 4-10) der ersten Antenne 202 sind somit auch zum Empfangen eines Empfangssignals (in Fig. 3 nicht dargestellt) sowie zum Übertragen des Empfangssignals an den ersten Sensor 200 ausgebildet. Neben der ersten Antenne 202 umfasst das in Fig. 3 dargestellte System 100 noch eine weitere Sendeantenne 212 mit einem Trägersubstrat (der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt). In alternativen Ausführungsformen kann das System auch mehrere weitere solcher Sendeantennen 212 mit jeweils einem Trägersubstrat umfassen. Mit an verteilten Orten der ersten Messzelle 400A an der zweiten Oberfläche des jeweiligen Trägersubstrats oder im jeweiligen Trägersubrat angeordneten Strahlerelementen kann folglich beispielsweise eine Radarmessung mit Stützpunkten an verschiedenen Orten innerhalb der Messzelle durchführt werden, welches der möglichen Strukturkomplexität des sensorisch zu erfassenden Messvolumens 700A bei der Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Gegenstandes im Wesentlichen keine Grenzen mehr setzt. Der erste Sensor 200 umfasst in Fig. 3, wie auch in Fig. 2, ein Auswertemodul 201 zum Auswerten des über die als Sende- und Empfangsantenne ausgebildete Antenne 202 empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignals. In einer nicht dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann der erste Sensor im Gegensatz zu den Fign. 2 und/oder 3 insbesondere auch als empfangender Teil der als Sende- und Empfangsantenne ausgebildeten ersten Antenne ausgebildet sein und somit von ersten Antenne umfasst sein. In diesem Fall ist die erste Antenne zweckmäßig mit einem Auswertemodul zum Auswerten des von der ersten Antenne empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignals elektrisch verbunden. FIG. 3 shows a system 100 according to the invention, in which the first antenna 202 corresponding to FIG. 2 is designed, for example, as a transmitting and receiving antenna. The radiator elements 206a, 206b, 207a, 207b (see FIGS. 4-10) of the first antenna 202 are thus also designed to receive a received signal (not shown in FIG. 3) and to transmit the received signal to the first sensor 200. In addition to the first antenna 202, the system 100 shown in FIG. 3 also includes a further transmission antenna 212 with a carrier substrate (not shown for the sake of clarity). In alternative embodiments, the system can also include a number of other such transmission antennas 212, each with a carrier substrate. With emitter elements arranged at distributed locations of the first measuring cell 400A on the second surface of the respective carrier substrate or in the respective carrier substrate, a radar measurement with support points at different locations within the measuring cell can therefore be carried out, for example, which reflects the possible structural complexity of the measuring volume 700A to be detected by sensors in the applicability the subject of the invention is essentially no longer limits. In FIG. 3, as in FIG. 2, the first sensor 200 includes an evaluation module 201 for evaluating the propagation-time-based radiation signal received via the antenna 202 designed as a transmitting and receiving antenna. In an embodiment of the system according to the invention that is not shown, the first sensor can, in contrast to FIGS. 2 and/or 3 in particular also as a receiving part of the first antenna designed as a transmitting and receiving antenna and thus be encompassed by the first antenna. In this case, the first antenna is expediently electrically connected to an evaluation module for evaluating the propagation-time-based radiation signal received by the first antenna.
Das in Fig. 3 dargestellte System umfasst eine als metallisches Gitter ausgebildete Trennschicht 600. Das metallische Gitter hat einen vorbestimmten Gitterabstand 601, sodass es für Körper oder Stoffe, die als vorbestimmte Stoffeigenschaft eine Partikelgröße im Wesentlichen kleiner als dieser Gitterabstand 601 aufweisen, durchlässig ist. Wie in Fig. 3 skizziert, konnten die mit 503 gekennzeichneten Körper offensichtlich das metallische Gitter mit Gitterabstand 601 passieren und von dem Innenraum der ersten Messzelle 400A in den Innenraum der zweiten Messzelle 400B gelangen. Das metallische Gitter hat somit eine siebähnliche Funktion und ermöglicht ein Trennen des Füllguts in Abhängigkeit von der jeweiligen Partikelgröße der einzelnen Körper oder Stoffe. Aufgrund seiner metallischen Eigenschaft sorgt das Gitter dafür, dass die Messvolumina 700A, 700B messtechnisch voneinander abgeschirmt sind. The system shown in FIG. 3 comprises a separating layer 600 designed as a metallic grid. The metallic grid has a predetermined grid spacing 601, so that it is permeable to bodies or substances that have a particle size as a predetermined material property that is essentially smaller than this grid spacing 601. As outlined in FIG. 3, the bodies marked with 503 were obviously able to pass through the metallic grid with grid spacing 601 and get from the interior of the first measuring cell 400A into the interior of the second measuring cell 400B. The metallic grid thus has a sieve-like function and enables the filling material to be separated depending on the respective particle size of the individual bodies or substances. Due to its metallic property, the grid ensures that the measurement volumes 700A, 700B are shielded from one another in terms of measurement technology.
Der zweite Sensor 300 des Systems 100 ist in Fig. 3 ein laufzeitbasierter Strahlungssensor, insbesondere entsprechend dem ersten Sensor 200, welcher zur volumenhaften Erfassung von Körpern oder Stoffen in der zweiten Messzelle 400B ausgebildet ist. Das System 100 umfasst ferner eine zweite Antenne 302 zum Abstrahlen eines zweiten Sendesignals 312 in Form von elektromagnetischer Strahlung in ein durch den Innenraum der zweiten Messzelle 400B definiertes Messvolumen 700B. Dabei ist die zweite Antenne 302 insbesondere im Wesentlichen entsprechend der ersten Antenne 202 ausgebildet. Der zweite Sensor 300 ist ferner mit dem Auswertemodul 201 des ersten Sensors 200 elektrisch verbunden, sodass ein von dem zweiten Sensor 300 empfangenes laufzeitbasiertes Strahlungssignal als Messsignal direkt an das Auswertemodul 201 übertragen werden kann, um durch dieses ausgewertet zu werden. Zudem übernimmt das Auswertemodul 201 des ersten Sensors 201 in Fig. 3 ferner die Aufgabe, die beiden ausgewerteten Signale miteinander in funktionale Beziehung zu einem einstellbaren Referenzvolumen zu setzen. The second sensor 300 of the system 100 in FIG. 3 is a transit time-based radiation sensor, in particular corresponding to the first sensor 200, which is designed for the volumetric detection of bodies or substances in the second measuring cell 400B. The system 100 also includes a second antenna 302 for emitting a second transmission signal 312 in the form of electromagnetic radiation into a measurement volume 700B defined by the interior of the second measurement cell 400B. In this case, the second antenna 302 is in particular designed essentially in accordance with the first antenna 202 . The second sensor 300 is also electrically connected to the evaluation module 201 of the first sensor 200, so that a runtime-based radiation signal received by the second sensor 300 can be transmitted directly as a measurement signal to the evaluation module 201 in order to be evaluated by it. In addition, the evaluation module 201 of the first sensor 201 in Fig. 3 takes over Furthermore, the task of putting the two evaluated signals together in a functional relationship to an adjustable reference volume.
Zum Generieren der durch die erste Antenne 202 und durch die zweite Antenne 302 abzustrahlenden Sendesignale 702, 312 besitzt das System 100 in Fig. 3 zweckmäßig ein Sendemodul 800 sowie einen mit dem Sendemodul 800 und mit den Strahlerelementen der ersten Antenne 202 sowie mit den Strahlerelementen der zweiten Antenne 302 elektrisch verbundenen Kabelanschluss 203 zum leitungsgebundenen Übertragen des jeweils erzeugten Sendesignals 702, 312 an die entsprechenden Strahlerelemente. Zum Generieren eines weiteren Sendesignals, welches von der weiteren Sendeantenne 212 in das Messvolumen 700A abzustrahlen ist, besitzt das System 100 zweckmäßig ferner ein weiteres Sendemodul 800‘. Das Sendemodul 800 ist beispielhaft zum Erzeugen von Strahlungssignalen im Radio- und/oder Mikrowellenbereich ausgebildet, während das Sendemodul 800‘ beispielhaft zum Erzeugen von Strahlungssignalen im Infrarotbereich und/oder im optischen Bereich, d.h. im Bereich des sichtbaren Lichts, ausgebildet ist. To generate the transmission signals 702, 312 to be radiated by the first antenna 202 and by the second antenna 302, the system 100 in Fig Second antenna 302 electrically connected cable connection 203 for wired transmission of the transmission signal 702, 312 generated in each case to the corresponding radiating elements. In order to generate a further transmission signal, which is to be radiated from the further transmission antenna 212 into the measurement volume 700A, the system 100 expediently also has a further transmission module 800'. The transmission module 800 is designed, for example, to generate radiation signals in the radio and/or microwave range, while the transmission module 800' is designed, for example, to generate radiation signals in the infrared range and/or in the optical range, i.e. in the range of visible light.
Nachfolgend wird insbesondere auf einzelne bevorzugte Ausführungsformen in Verbindung mit an der zweiten Oberfläche des Träger Substrats 205 oder im Träger substrat 205 angeordneten Strahlerelementen eingegangen, welche mit einem Kabelanschluss 203, z.B. einem Koaxialkabelanschluss, verbunden sind, der zum leitungsgebundenen Übertragen des von einem Sendemodul 800 erzeugten Sendesignals 702, 312 an die Strahlerelemente auch mit dem Sendemodul 800 verbunden ist. In the following, individual preferred embodiments are discussed in particular in connection with emitter elements arranged on the second surface of the carrier substrate 205 or in the carrier substrate 205, which are connected to a cable connection 203, e.g Transmission signal 702, 312 to the radiating elements is also connected to the transmission module 800.
Bevor hierzu insbesondere auf die mit Fign. 4-10 repräsentierten Ausführungsformen Bezug genommen wird, sei kurz angemerkt, dass diese Fign. 4-10 zwar im Wesentlichen den Fign. 4-10 der EP20174239.2 entsprechen, jedoch in weiterer Ergänzung zu den in der EP20174239.2 beschriebenen Ausführungsformen auch Ausführungsformen repräsentieren, die neben dem Einsatz von Ultrabreitbandsignalen ergänzend oder alternativ auch den Einsatz von anderen elektromagnetischen Signalen ermöglichen, d.h. von elektromagnetischen Signalen, die in einem anderen Frequenzbereich angesiedelt sind und/oder z.B. mittels vorbeschriebener Radar- und Lidarmessung erfasst werden können. Before this, in particular to the with Figs. 4-10 represented embodiments, it is briefly noted that these Figs. 4-10 essentially correspond to Figs. 4-10 of EP20174239.2, but as a further supplement to the embodiments described in EP20174239.2 also represent embodiments which, in addition to the use of ultra-wideband signals, additionally or alternatively also allow the use of other electromagnetic signals, ie electromagnetic signals which in another Frequency range are located and / or can be detected, for example, by means of radar and lidar measurement described above.
Wie beispielsweise mit Fig. 4 anhand einer ersten Ausführungsform einer Platinenantenne in Draufsicht skizziert, sind zweckmäßig zumindest zwei planare Strahlerelemente 206a, 206b an der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats 205 oder im Träger Substrat 205 der ersten Antenne 202 angeordnet. Die planaren Strahlerelemente 206a, 206b erstrecken sich im Wesentlichen parallel zum Trägersubstrat 205, sind vom Träger Substrat 205 in einer gemeinsamen Ebene gehalten, d.h. insbesondere eine durch die planaren Strahlerelemente 206a, 206b aufgespannte gemeinsame planare Ebene erstreckt sich folglich im Wesentlichen parallel zu einer vom Trägersubstrat 205 aufgespannten Ebene, und bilden zusammen eine flache Antennenstruktur in Form eines Flächendipols aus. Aufgrund der Ausbildung der ersten Antenne 202 als elektrisch kurze Antenne ist eine entsprechend ausgebildete flache Antennenstruktur folglich nicht an die Anregungsfrequenzen angepasst. Auch besitzen die Strahlerelemente 206a, 206b somit zweckmäßig ferner eine horizontale Ausdehnung zur Trägersubstratebene. As sketched for example with FIG. 4 using a first embodiment of a circuit board antenna in plan view, at least two planar radiator elements 206a, 206b are expediently arranged on the second surface of the carrier substrate 205 or in the carrier substrate 205 of the first antenna 202. The planar radiator elements 206a, 206b extend essentially parallel to the carrier substrate 205 and are held by the carrier substrate 205 in a common plane, i.e. in particular a common planar plane spanned by the planar radiator elements 206a, 206b consequently extends essentially parallel to one of the carrier substrate 205 spanned level, and together form a flat antenna structure in the form of a surface dipole. Due to the design of the first antenna 202 as an electrically short antenna, a correspondingly designed flat antenna structure is consequently not adapted to the excitation frequencies. The emitter elements 206a, 206b also expediently also have a horizontal extension to the plane of the carrier substrate.
Wie ferner in Fig. 4 gezeigt, ist der Kabelanschluss 203 beispielhaft als Hochfrequenzanschluss ausgebildet und zweckmäßig über ein, zweckmäßig vom System umfasstes Anpassglied 204 mit den diese flache Antennenstruktur ausbildenden Strahlerelementen 206a, 206b verbunden. Hierdurch lassen sich insbesondere Impedanzwandlungen zwischen dem leitungsgebundenen unsymmetrischen Übertragungsweg der Sendesignale und den damit einhergehenden elektromagnetischen Signalwellen der flachen Antennenstruktur sowie dem im Innenraum der zumindest ersten Messzelle basierenden, also insbesondere auf dem Medium Luft basierenden oder allgemein gesagt leitungsungebundenen Übertragungsweg der Sendesignale und den damit einhergehenden elektromagnetischen Signalwellen applikationsspezifisch vornehmen, wie es an und für sich für einen Fachmann bekannt ist. Das Anpassglied 204 kann dabei insbesondere Teil eines integrierten Schaltkreises sein. As also shown in FIG. 4, the cable connection 203 is designed as a high-frequency connection, for example, and is connected to the radiator elements 206a, 206b forming this flat antenna structure via an adapter 204, which is expediently included in the system. In particular, this allows impedance conversions between the line-bound, asymmetrical transmission path of the transmission signals and the associated electromagnetic signal waves of the flat antenna structure and the transmission path of the transmission signals, which is based in the interior of the at least first measuring cell, i.e. in particular based on the medium of air or, generally speaking, non-line-bound transmission path and the associated electromagnetic Make signal waves application-specific, as is known per se for a person skilled in the art. In this case, the matching element 204 can in particular be part of an integrated circuit.
Die erste Antenne 202 gemäß Fig. 4 kann folglich als Sende- und Empfangsantenne ausgebildet sein, und zwar insbesondere monostatisch. In diesem Fall ist die erste Antenne 202, und gemäß vorliegendem Beispiel somit die beiden Strahlerelementen 206a, 206b, zweckmäßig mit einem Sendemodul zum Generieren eines für die Messung eingesetzten Sendesignals und gleichzeitig mit einem von dem ersten Sensor umfassten Auswertemodul zum Auswerten eines von dem ersten Sensor über die erste Antenne 202 empfangenen Strahlungssignals verbunden, welches jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt ist. The first antenna 202 according to FIG. 4 can consequently be designed as a transmitting and receiving antenna, in particular monostatic. In this case, the first Antenna 202, and according to the present example thus the two radiator elements 206a, 206b, expediently with a transmission module for generating a transmission signal used for the measurement and at the same time with an evaluation module comprised by the first sensor for evaluating a signal received from the first sensor via the first antenna 202 Radiation signal connected, which is not shown in detail for reasons of clarity.
Alternativ oder in Ergänzung hierzu skizziert Fig. 5 in Querschnittsansicht eine Ausführung einer Platinenantenne als erste Antenne mit im Träger Substrat 205 eingebetteten Strahlerelementen 206a, 206b für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung. Alternatively or in addition to this, FIG. 5 sketches in a cross-sectional view an embodiment of a circuit board antenna as the first antenna with emitter elements 206a, 206b embedded in the carrier substrate 205 for use within a system according to the invention.
In Abwandlung zu den Fign. 4 und 5 skizziert Fig. 6 in Draufsicht eine Ausführung einer Platinenantenne als erste Antenne, insbesondere für bi-statische Messungen für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung. Ergänzend zu den zwei planaren Strahlerelementen 206a, 206b, und zwar horizontal parallel zu diesen zwei planaren Strahlerelementen 206a, 206b sind wenigstens zwei weitere planare Strahlerelemente, im dargestellten Beispiel zwei weitere planare Strahlerelemente 207a, 207b von der ersten Antenne 202 umfasst. Jeweils zwei 207a, 207b solcher wenigstens zwei weiteren planaren Strahlerelemente sich hierbei im Wesentlichen parallel zum Träger Substrat 205 erstreckend von diesem in jeweils einer gemeinsamen Ebene zueinander gehalten sind und auch zusammen eine flache Antennenstruktur ausbilden. Ferner ist ein insbesondere als Koaxialleiteranschluss ausgebildeter Kabelanschluss 203 zum leitungsgebundenen Übertragen eines Sendesignals von dem mit dem Kabelanschluss 203 zweckmäßig elektrisch verbundenen Sendemodul an diese Strahlerelementen 207a, 207b vorgesehen. Da in dem dargestellten Beispiel jeweils ein eigener Kabelanschluss 203 mit den Strahlerelementen 206a, 206b sowie mit den Strahlerelementen 207a, 207b verbunden ist, und zwar wiederum in zweckmäßiger Ausbildung jeweils über ein separates Anpassglied 204, kann die erste Antenne 202 in diesem Fall somit insbesondere auch für bi-statische Messung eingerichtet sein, d.h. zwei der eine flachen Antennenstruktur ausbildenden Strahlerelemente, z.B. die Strahlerelemente 206a, 206b sind zum Aussenden eines für die Messung eingesetzten Strahlungssignals, insbesondere eines Ultrabreitbandsignals, eingerichtet und somit zweckmäßig zumindest mit einem Sendemodul zum Generieren des für die Messung eingesetzten Strahlungssignals verbunden und zwei andere, eine flache Antennenstruktur ausbildende Strahlerelemente, z.B. die Strahlerelemente 207a, 207b, sind zum Empfangen des für die Messung eingesetzten Strahlungssignals eingerichtet und somit zweckmäßig mit einem von dem ersten Sensor umfassten Auswertemodul zum Auswerten des empfangenen Strahlungssignals verbunden. Wie ferner ersichtlich, können sich hierbei die jeweils eine gemeinsame flache Antennenstruktur ausbildenden Strahlerelemente ein gemeinsames Trägersubstrat teilen, d.h. sie sind an der zweiten Oberfläche desselben Trägersubstrats oder im selben Träger Substrat 205 angeordnet. Alternativ käme jedoch auch die Anordnung auf grundsätzlich einem geteilten Träger Substrat in Betracht, d.h. die eine gemeinsame flache Antennenstruktur ausbildenden Strahlerelemente sind jeweils auf einem Teil-Trägersubstrat angeordnet. In a modification to Figs. 4 and 5, FIG. 6 sketches in plan view an embodiment of a board antenna as the first antenna, in particular for bistatic measurements for use within a system according to the invention. In addition to the two planar radiator elements 206a, 206b, namely horizontally parallel to these two planar radiator elements 206a, 206b, at least two further planar radiator elements, in the example shown two further planar radiator elements 207a, 207b, are comprised by the first antenna 202. In each case two 207a, 207b of such at least two further planar radiator elements extending essentially parallel to the carrier substrate 205 are held by this in a common plane to one another and also together form a flat antenna structure. Furthermore, a cable connection 203 designed in particular as a coaxial conductor connection is provided for line-based transmission of a transmission signal from the transmission module, which is expediently electrically connected to the cable connection 203, to these radiator elements 207a, 207b. Since in the example shown a separate cable connection 203 is connected to each of the radiator elements 206a, 206b and to the radiator elements 207a, 207b, again in an expedient embodiment via a separate adapter element 204, the first antenna 202 can in this case also be set up for bistatic measurement, ie two of the antenna elements forming a flat antenna structure, for example the antenna elements 206a, 206b, are used for the emission of a measurement radiation signal, in particular an ultra-broadband signal, and is therefore expediently connected to at least one transmission module for generating the radiation signal used for the measurement, and two other radiating elements forming a flat antenna structure, e.g. the radiating elements 207a, 207b, are set up to receive the radiation signal used for the measurement and thus expediently connected to an evaluation module comprised by the first sensor for evaluating the received radiation signal. As can also be seen, the emitter elements forming a common flat antenna structure can share a common carrier substrate, ie they are arranged on the second surface of the same carrier substrate or in the same carrier substrate 205 . Alternatively, however, the arrangement on basically a divided carrier substrate could also be considered, ie the radiating elements forming a common flat antenna structure are each arranged on a partial carrier substrate.
Ähnlich zur Fig. 5 skizziert Fig. 7 in Querschnittsansicht eine weitere Ausführung einer Platinenantenne mit im Träger Substrat 205 eingebetteten Strahlerelementen für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung. In weiterer Abwandlung zur Fig. 5 und auch zur Fig. 6 sind beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 jedoch ergänzend zu den zwei planaren Strahlerelementen 206a, 206b, und zwar vertikal parallel zu diesen zwei planaren Strahlerelementen 206a, 206b, wenigstens zwei weitere planare Strahlerelemente, im dargestellten Beispiel die zwei weiteren planaren Strahlerelemente 207a, 207b von der ersten Antenne 202 umfasst. Auch diese beiden weiteren planaren Strahlerelemente werden hierbei sich im Wesentlichen parallel zum Träger Substrat 205 erstreckend von diesem in jeweils einer gemeinsamen Ebene zueinander gehalten und bilden jeweils zusammen grundsätzlich eine flache Antennenstruktur aus. Da im dargestellten Beispiel alle vier dargestellten jeweils zwei 207a, 207b solcher wenigstens zwei weiteren planaren Strahlerelemente in das Träger Substrat 205 eingebettet gezeigt sind, ist ersichtlich, dass ein solches Träger Substrat 205 beispielsweise auch als mehrlagige Platine ausgebildet sein kann. Dies hat z.B. auch den Vorteil, eine vertikal parallel zueinander gewünschte Einbettung von Strahlerelementen auf einfache Weise herstellen zu können. Eine mehrlagige Platine als Trägersubstrat 205 kann jedoch selbstverständlich auch ohne eingebettete Strahlerelemente zum Einsatz kommen. Ferner kann das Träger Substrat 205 Teil eines integrierten Schaltkreises sein. Ergänzend oder alternativ dazu kann das Anpassglied 204, über welches zumindest die Strahlerelemente 206a, 206b in Figur 7 zweckmäßig mit einem nicht dargestellten Kabelanschluss verbunden sind, Teil eines integrierten Schaltkreises sein. Similar to FIG. 5, FIG. 7 outlines a cross-sectional view of another embodiment of a board antenna with radiating elements embedded in the carrier substrate 205 for use within a system according to the invention. In a further modification to FIG. 5 and also to FIG. 6, in the exemplary embodiment according to FIG. in the example shown, the two further planar radiator elements 207a, 207b are covered by the first antenna 202. These two further planar radiator elements are also held here, extending essentially parallel to the carrier substrate 205, in each case in a common plane with respect to one another and together they basically form a flat antenna structure. Since in the example shown all four illustrated two 207a, 207b of such at least two further planar radiator elements are shown embedded in the carrier substrate 205, it is evident that such a carrier substrate 205 can also be embodied as a multi-layer circuit board, for example. This also has the advantage, for example, of being able to produce, in a simple manner, the desired embedding of radiator elements parallel to one another vertically. A multi-layer circuit board as the carrier substrate 205 can, of course, also be used without embedded radiator elements. Furthermore, the carrier substrate 205 can be part of an integrated circuit. In addition or as an alternative to this, the adapter element 204, via which at least the radiator elements 206a, 206b in FIG. 7 are expediently connected to a cable connection (not shown), can be part of an integrated circuit.
Ferner kann bei einer Ausführungsform nach Fig. 7 gemäß einer Variante vorgesehen sein, dass jeweils ein eigener Kabelanschluss 203, insbesondere Hochfrequenzanschluss, mit den Strahlerelementen 206a, 206b sowie mit den Strahlerelementen 207a, 207b verbunden ist, und zwar wiederum in zweckmäßiger Ausbildung jeweils über ein separates Anpassglied 204, welches aus Gründen der Überschaubarkeit jedoch nicht dargestellt ist. In einer alternativen Variante kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Strahlerelemente 206a, 206b und die Strahlerelemente 207a, 207b mit einem gemeinsamen Kabelanschluss 203, insbesondere Hochfrequenzanschluss, verbunden sind. Hierbei wird zweckmäßig jedes der Strahlerelemente 206a, 206b, die zusammen eine flache Antennenstruktur ausbilden, mit jeweils einem anderen, der zusammen eine weitere flache Antennenstruktur ausbildenden Strahlerelemente 207a, 207b elektrisch verbunden. Gemäß Fig. 7 wird also insbesondere das Strahlerelement 206a mit dem Strahlerelement 207a und das Strahlerelement 206b mit dem Strahlerelement 207b elektrisch verbunden. Auch diese Variante ist aus Gründen der Überschaubarkeit jedoch nicht dargestellt. Furthermore, in an embodiment according to FIG. 7, according to a variant, it can be provided that a separate cable connection 203, in particular high-frequency connection, is connected to the radiator elements 206a, 206b and to the radiator elements 207a, 207b, again in an expedient embodiment via a separate adapter 204, which is not shown for reasons of clarity. In an alternative variant, however, provision can also be made for the radiator elements 206a, 206b and the radiator elements 207a, 207b to be connected to a common cable connection 203, in particular a high-frequency connection. In this case, each of the radiating elements 206a, 206b, which together form a flat antenna structure, is expediently electrically connected to a different radiating element 207a, 207b, which together form a further flat antenna structure. According to FIG. 7, the emitter element 206a is electrically connected to the emitter element 207a and the emitter element 206b is electrically connected to the emitter element 207b. However, this variant is also not shown for reasons of clarity.
Die jeweilige applikationsspezifische Einrichtung der ersten Antenne 202 d.h. insbesondere für bi-statische oder mono-statische Messungen sowie als Sende- und/oder Empfangsantenne, ist folglich im Rahmen und unter Anwendung der Erfindung äußerst flexibel. Es sei darauf hingewiesen, dass auch Mischformen von horizontal und vertikal parallel zu den zwei planaren Strahlerelementen 206a, 206b angeordneten weiteren planaren Strahlerelemente im Rahmen der Erfindung liegen, beispielsweise jeweils zwei horizontal und zwei vertikal parallel zu den zwei planaren Strahlerelementen 206a, 206b angeordnete weitere planare Strahlerelemente. The respective application-specific device of the first antenna 202, i.e. in particular for bistatic or monostatic measurements and as a transmitting and/or receiving antenna, is consequently extremely flexible within the scope and when using the invention. It should be pointed out that mixed forms of further planar radiator elements arranged horizontally and vertically parallel to the two planar radiator elements 206a, 206b are also within the scope of the invention, for example two further planar ones arranged horizontally and two vertically parallel to the two planar radiator elements 206a, 206b radiator elements.
Fig. 8 skizziert im Querschnittsansicht eine weitere Ausführung einer ersten Antenne gemäß der Erfindung, im dargestellten Beispiel einer Platinenantenne mit zwei im Träger substrat 205 eingebetteten Strahlerelementen 206a, 206b, wobei zusätzlich eine rückseitige Abschirmung 402, d.h. auf der vom sensorisch zu erfassenden Füllstandbereich abgewandten Seite, mitumfasst ist, wie ebenfalls in Fig. 2 gezeigt. Es hat sich als zweckmäßig gezeigt, wenn die Abschirmung 402 durch die metallische Messzellenwand selbst oder durch einen metallischen Deckel der ersten Antenne 202 ausgebildet ist. Eine rückseitige Wellenausbreitung des Sendesignals kann somit auf einfache Weise vermieden, zumindest jedoch reduziert werden. Fig. 8 outlines in cross-section another embodiment of a first antenna according to the invention, in the example shown a board antenna with two im Radiator elements 206a, 206b embedded in carrier substrate 205, with additional rear shielding 402, ie on the side facing away from the fill level area to be detected by sensors, also being included, as also shown in FIG. It has proven to be expedient if the shielding 402 is formed by the metallic measuring cell wall itself or by a metallic cover of the first antenna 202. A rear wave propagation of the transmission signal can thus be avoided in a simple manner, but at least reduced.
Wie ferner zu erkennen, ist die Abschirmung 402 also vom Trägersubstrat 205 aus betrachtet zu der ersten Seite hin und zweckmäßig zum Trägersubstrat 205 beabstandet angeordnet. Wie dargestellt, kann zwischen der Abschirmung 402 und dem Träger substrat 205 hierbei zweckmäßig auch ein eingesetztes Anpassglied 204 angeordnet sein. Zwischen Abschirmung 402 und Trägersubstrat 205 ist folglich ferner in praktischer Ausführung eine Kaverne 210 vorhanden. Diese kann je nach Applikation z.B. auch mit einem geeigneten Gas (z. B. Luft) oder Vakuum gefüllt sein, insbesondere um weitere, jeweils gewünschte Dielektrizitätseigenschaften zur Verbesserung der Radarmessung zur Verfügung zu stellen. As can also be seen, the shielding 402 is therefore arranged on the first side, viewed from the carrier substrate 205 , and expediently spaced apart from the carrier substrate 205 . As shown, an inserted matching element 204 can also be expediently arranged between the shielding 402 and the carrier substrate 205 . Consequently, in a practical embodiment, a cavern 210 is also present between shielding 402 and carrier substrate 205 . Depending on the application, this can also be filled with a suitable gas (e.g. air) or vacuum, in particular in order to provide further dielectric properties that are desired in each case to improve the radar measurement.
Bei der in Fig. 9 in Querschnittsansicht skizzierten Ausführung der ersten Antenne gemäß der Erfindung, im dargestellten Beispiel einer Platinenantenne mit zwei im Träger substrat 205 eingebetteten Strahlerelementen 206a, 206b, ist in Abwandlung zur Fig. 8 insbesondere benachbart zum Träger substrat 205 und zur ersten Seite gerichteten ersten Oberfläche hin eine Schutzschicht 209 angeordnet, die zweckmäßig durch eine nicht-leitfähige Schicht, insbesondere zur Abdeckung, und/oder durch eine Ab sorb er schicht ausgebildet ist. Auch mit wenigstens einer solchen zur Abdeckung und/oder Absorption ausgebildeten Schutzschicht lassen sich somit auf einfache Weise zusätzliche Reflexionen an rückseitigen Schichten, insbesondere auch massegeerdeten Schichten vermeiden. Als eine solche Schutzschicht 209 hat sich z.B. auch ein breitbandiges HF -Material in Form einer Folie oder eines Schaums als besonders zweckmäßig gezeigt. Wie dargestellt, kann hierbei ein im Rahmen der Erfindung eingesetztes Anpassglied 204 in die Schutzschicht 209 eingebettet sein und/oder innerhalb einer in der Schutzschicht 209 ausgebildeten Kaverne 210 eingesetzt sein. Im letzteren Fall kann ein vorhandener Freiraum in der Kaverne 210 zwischen Anpassglied 204 und Schutzschicht 209, je nach Applikation z.B. auch wieder mit einem geeigneten Gas (z. B. Luft) oder Vakuum gefüllt sein. In the embodiment of the first antenna according to the invention sketched in a cross-sectional view in Fig. 9, in the example shown a circuit board antenna with two radiating elements 206a, 206b embedded in the carrier substrate 205, in a modification to Fig. 8 it is in particular adjacent to the carrier substrate 205 and to the first A protective layer 209 is arranged on the first surface directed towards the side, which is expediently formed by a non-conductive layer, in particular for covering, and/or by an absorber layer. Even with at least one such protective layer designed for covering and/or absorption, additional reflections on layers on the rear side, in particular also layers grounded to ground, can thus be avoided in a simple manner. A broadband HF material in the form of a film or a foam, for example, has also proven to be particularly expedient as such a protective layer 209 . As shown, an adapter element 204 used within the scope of the invention can be embedded in the protective layer 209 and/or used within a cavern 210 formed in the protective layer 209 . In the In the latter case, an existing free space in the cavity 210 between the adapter element 204 and the protective layer 209 can also be filled with a suitable gas (eg air) or vacuum, depending on the application.
Bei der in Fig. 10 in Querschnittsansicht skizzierten Ausführung ist eine Mischform aus den in den Fign. 8 und 9 skizzierten Ausführungen gezeigt. In the case of the embodiment sketched in FIG. 10 in cross-sectional view, a mixed form of the ones shown in FIGS. 8 and 9 outlined versions shown.
Von Vorteil ist, dass es sich bei den vorbeschriebenen Strahlerelementen 206a, 206b, 207a, 207b grundsätzlich um beliebige Formen handeln kann. Je nach Erfordernis bzw. applikationsspezifisch kann folglich für eine jeweils besonders geeignete Ausbildung einer jeweiligen durch die Strahlerelemente aufgebauten flachen Antennenstruktur auf eine Vielzahl von möglichen Antennenstrukturen zurückgegriffen werden. Bewährt haben sich Strahlerelemente im Rahmen der Erfindung beispielsweise zum Ausbilden von Kreis-, Ellipsen- und Ringstrukturen oder auch mit Schmetterlingsstrukturen, Fliegenstrukturen, d.h. „Bow Tie“-Strukturen, und sogenannten Batwing-Strukturen. It is advantageous that the radiator elements 206a, 206b, 207a, 207b described above can in principle be of any shape. Depending on the requirement or application-specific, a large number of possible antenna structures can consequently be used for a particularly suitable design of a respective flat antenna structure constructed by the radiating elements. Radiating elements have proven themselves within the scope of the invention, for example for forming circular, elliptical and ring structures or also with butterfly structures, fly structures, i.e. "bow tie" structures, and so-called batwing structures.
Unter Würdigung vorstehender Beschreibung kann somit zusammenfassend festgehalten werden, dass mit der Erfindung ein industrietaugliches Sensorsystem und Verfahren zur Präsenzerkennung von Füllgütern in zwei insbesondere kompliziertstrukturierten Messzellen mit voneinander abgegrenzten Innenräumen insbesondere zur Leererkennung, zur Füllstandmessung und/oder zur Volumenbestimmung von Füllgütern geschaffen ist. Erfolgt eine selektive Aufteilung des Füllguts auf die erste und zweite Messzelle, beispielsweise in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Stoffeigenschaft des Füllguts wie Aggregatzustand oder Partikelgröße, so kann das erfindungsgemäße System eine separate Messung des in der ersten Messzelle befindlichen Füllguts und eines in der zweiten Messzelle befindlichen Füllguts mittels einem dafür jeweils entsprechend geeigneten ersten und zweiten Sensor durchführen. Die ausgewerteten Messsignale können miteinander in funktionale Beziehung zu einem Referenzwert gesetzt werden, sodass insbesondere ein genaueres Messergebnis im Hinblick auf die berührungslose Messung zumindest innerhalb der ersten Messzelle bereitgestellt wird. Dadurch, dass wenigstens eine erste Antenne als elektrisch kurze Antenne mit zumindest im Wesentlichen halbkugelförmiger Strahlungscharakteristik zum Abstrahlen eines Sendesignals in den Innenraum der ersten Messzelle eingerichtet ist, können auch in geometrisch komplexen Messvolumina Totbereiche im Wesentlichen vermieden werden und auch Messungen im Nahbereich der ersten Antenne ermöglicht werden. Eine entsprechend der ersten Antenne ausgebildete zweite Antenne kann ferner für entsprechende Messungen in der zweiten Messzelle eingesetzt werden. Bei einem insgesamt kostengünstigen Aufbau sind dabei Messungen bis zum Behälterboden und bis in die Ecken eines Behälters möglich. In recognition of the above description, it can thus be summarized that the invention creates an industrial-grade sensor system and method for detecting the presence of filling goods in two measuring cells, which in particular have a complicated structure, with interior spaces that are separated from one another, in particular for empty detection, for filling level measurement and/or for determining the volume of filling goods. If the filling material is selectively divided between the first and second measuring cell, for example depending on a predetermined material property of the filling material such as the state of aggregation or particle size, the system according to the invention can carry out a separate measurement of the filling material in the first measuring cell and a filling material in the second measuring cell by means of a first and second sensor that is respectively suitable for this purpose. The evaluated measurement signals can be functionally related to one another to a reference value, so that in particular a more accurate measurement result with regard to the non-contact measurement is provided at least within the first measurement cell. Because at least one first antenna is set up as an electrically short antenna with at least essentially hemispherical radiation characteristics for emitting a transmission signal into the interior of the first measuring cell, dead zones can also be largely avoided in geometrically complex measurement volumes and measurements in the vicinity of the first antenna are also made possible become. A second antenna designed according to the first antenna can also be used for corresponding measurements in the second measuring cell. With an overall cost-effective construction, measurements up to the bottom of the container and into the corners of a container are possible.
Basierend auf dem System nd dem Verfahren gemäß der Erfindung können dann für die nachfolgende Signalauswertung und Datenanalyse betreffend die Präsenzerkennung und Berechnung der physikalischen Eigenschaften des Füllgutes, z.B. unter Nutzung einer zeitbasierten Impedanzsprung-Detektierung, eine Vielzahl digitaler Algorithmen eingesetzt werden, unter anderem auch unter Nutzung von KI (künstlicher Intelligenz) einschließlich maschinellen Lernens, einem Teilgebiet der künstlichen Intelligenz, bei welchem durch das Erkennen von Mustern in vorliegenden Datenbeständen ein System in die Lage versetzt wird, eigenständige Analysen und Problemlösungen zu bewirken. Based on the system and the method according to the invention, a large number of digital algorithms can then be used for the subsequent signal evaluation and data analysis relating to the presence detection and calculation of the physical properties of the filling material, e.g. using a time-based impedance jump detection, including using of AI (artificial intelligence) including machine learning, a sub-area of artificial intelligence in which by recognizing patterns in existing databases, a system is able to carry out independent analyzes and problem solving.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung folglich ein System 100 zur Messung von Füllgut innerhalb einer ersten Messzelle 400A und einer zweiten Messzelle 400B, wobei die erste und zweite Messzelle 400A, 400B voneinander abgegrenzte Innenräume haben. Zur Messung innerhalb der ersten Messzelle 400 A umfasst das System 100 eine erste Antenne 202 zum Abstrahlen eines Sendesignals 702, 704 in den Innenraum der ersten Messzelle 400A, wobei die erste Antenne 202 als elektrisch kurze Antenne mit zumindest im Wesentlichen halbkugelförmiger Strahlungscharakteristik ausgebildet ist und ein scheibenförmiges Träger Substrat 205 umfasst, einen ersten Sensor 200 zum Empfangen eines laufzeitbasierten Strahlungssignals 703, 705 und ein Auswertemodul 201 zum Auswerten des empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignals 703, 705. Zur Messung innerhalb der zweiten Messzelle 400B umfasst das System 100 einen zweiten Sensor 300 zum Empfangen eines Messsignals betreffend einen Füllstand und/oder ein Volumen innerhalb des Innenraums der zweiten Messzelle 400B, welches von einem Auswertemodul 201, 301 des Systems 100 auswertbar ist. Das System 100 ist eingerichtet, zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen 500, 502, 503, 504 aus dielektrischem und/oder leitfähigen Material innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle beide ausgewerteten Signale miteinander in funktionale Beziehung zu einem einstellbaren Referenzvolumen von Körpern oder Stoffen innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle zu setzen. Ferner betrifft die Erfindung ein mittels des Systems auszuführendes Verfahren. In summary, the invention consequently relates to a system 100 for measuring filling material within a first measuring cell 400A and a second measuring cell 400B, the first and second measuring cells 400A, 400B having interior spaces that are delimited from one another. For measurement within the first measuring cell 400A, the system 100 comprises a first antenna 202 for emitting a transmission signal 702, 704 into the interior of the first measuring cell 400A, the first antenna 202 being designed as an electrically short antenna with at least essentially hemispherical radiation characteristics and a disk-shaped carrier substrate 205 comprises a first sensor 200 for receiving a propagation-time-based radiation signal 703, 705 and an evaluation module 201 for evaluating the received propagation-time-based radiation signal 703, 705. For measuring within the second measuring cell 400B, the system 100 comprises a second sensor 300 for receiving a Measurement signal relating to a level and / or volume within the interior of the second measuring cell 400B, which of a Evaluation module 201, 301 of the system 100 can be evaluated. The system 100 is set up to determine the volume of bodies or substances 500, 502, 503, 504 made of dielectric and/or conductive material within the interior of the first measuring cell, both evaluated signals with one another in a functional relationship to an adjustable reference volume of bodies or substances within the interior of the first measuring cell. Furthermore, the invention relates to a method to be carried out by means of the system.
Anhand vorstehender Beschreibung ist es ersichtlich, dass mit der Erfindung ein System entsprechend der am 12. Mai 2020 angemeldeten europäischen Patentanmeldung EP20174239.2 zumindest dahingehend weiter entwickelt worden ist, dass ein System im Rahmen der Erfindung nunmehr Based on the above description, it can be seen that with the invention, a system according to the European patent application EP20174239.2 filed on May 12, 2020 has been further developed at least to the extent that a system within the scope of the invention is now
- einen zweiten Sensor 300 umfasst, der zum Empfangen eines Messsignals betreffend einen Füllstand und/oder ein Volumen innerhalb eines von dem Innenraum der ersten Messzelle 400A abgegrenzten Innenraums einer zweiten Messzelle 400B ausgebildet ist, und comprises a second sensor 300, which is designed to receive a measurement signal relating to a fill level and/or a volume within an interior space of a second measurement cell 400B that is delimited from the interior space of the first measurement cell 400A, and
- nach dem Auswerten auch des vom zweiten Sensor 300 empfangenen Messsignals zu der Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen 500, 502, 503, 504 innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle 400A beide ausgewertete Signale miteinander in funktionale Beziehung zu einem einstellbaren Referenzvolumen von Körpern oder Stoffen 500, 502, 503, 504 innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle 400A setzt. - After evaluating the measurement signal received from the second sensor 300 for determining the volume of bodies or substances 500, 502, 503, 504 within the interior of the first measuring cell 400A, both evaluated signals are functionally related to one another to an adjustable reference volume of bodies or substances 500, 502, 503, 504 within the interior of the first measuring cell 400A.
Bezugszeichenliste Reference List
10 System nach Stand der Technik 10 prior art system
11 Mikrowellenelektronik 11 Microwave Electronics
12 Bündelnde Antenne 12 Focusing antenna
13 Massefläche bzw. Reflektor schicht 13 Ground plane or reflector layer
14 Hochfrequenzanschluss 14 high frequency connector
30 Behälter 30 containers
31 Behälterwand 31 container wall
40 anderer Behälter 40 other containers
41 Behälterwand 41 container wall
60 Gebündeltes Messfeld 60 Focused measuring field
61 Richtkeule 61 directional mace
62 Sendesignal 62 broadcast signal
63 Empfangssignal 63 reception signal
100 Messsystem gemäß Erfindung 100 measuring system according to the invention
200 erster Sensor 200 first sensor
201 Auswertemodul 201 evaluation module
202 erste Antenne 202 first antenna
203 Kabelanschluss 203 cable connection
205 Trägersubstrat 205 carrier substrate
206 Strahlerelement der flachen Antennenstruktur 206 radiating element of the flat antenna structure
207 Strahlerelement einer weiteren flachen Antennenstruktur207 Radiating element of another flat antenna structure
209 Schutzschicht 209 protective layer
210 Kaverne 210 cavern
212 weitere Antenne 212 more antenna
300 zweiter Sensor 300 second sensor
301 weiteres Auswertemodul 301 additional evaluation module
302 zweite Antenne 302 second antenna
312 zweites Sendesignal 312 second transmission signal
400A erste Messzelle 400B zweite Messzelle 400A first measuring cell 400B second measuring cell
401 Messzellenwand 401 measuring cell wall
402 Abschirmung 402 shield
500 Füllgut 501 Füllgutoberfläche 500 filling material 501 filling material surface
502 dielektrischer Körper oder Stoff502 dielectric body or substance
503 n-ter dielektrischer Körper oder Stoff503 nth dielectric body or substance
504 Oberfläche eines Körpers oder Stoffs504 surface of a body or substance
600 Trennschicht 601 Gitterab stand 600 separation layer 601 grid spacing
700A Messvolumen der ersten Messzelle700A measuring volume of the first measuring cell
700B Messvolumen der zweiten Messzelle700B measuring volume of the second measuring cell
702 Sendesignal 702 broadcast signal
703 Empfangssignal 704 reflektiertes Sendesignal 703 reception signal 704 reflected transmission signal
705 reflektiertes Empfangssignal 705 reflected received signal
800 Sendemodul 800 transmitter module
900 Behälter 900 containers

Claims

39 39
Patentansprüche patent claims
1. System (100), insbesondere zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen (500, 502, 503, 504) aus dielektrischem und/oder leitfähigen Material innerhalb eines Innenraums einer ersten Messzelle (400A) mit einer leitfähigen und/oder nichtleitfähigen Messzellenwand (401), die eine in den Innenraum gerichtete Oberfläche aufweist, umfassend: wenigstens eine erste Antenne (202), welche zum Abstrahlen eines Sendesignals (702, 704) in Form von elektromagnetischer Strahlung in ein durch den Innenraum einer ersten Messzelle (400A) definiertes Messvolumen (700A) ausgebildet ist, wobei die erste Antenne (202) wenigstens ein scheibenförmiges Träger substrat (205) mit einer zu einer ersten Seite gerichteten ersten Oberfläche und einer entgegengesetzt zur ersten Oberfläche gerichteten zweiten Oberfläche, welche eine Außenseite der Antenne bildet, aufweist, wobei das System (100) ferner einen ersten Sensor (200) und ein Auswertemodul (201) umfasst und derart konfiguriert ist, dass 1. System (100), in particular for determining the volume of bodies or substances (500, 502, 503, 504) made of dielectric and/or conductive material within an interior of a first measuring cell (400A) with a conductive and/or non-conductive measuring cell wall (401) , which has a surface directed into the interior, comprising: at least one first antenna (202), which is used to emit a transmission signal (702, 704) in the form of electromagnetic radiation into a measurement volume (700A ) is formed, wherein the first antenna (202) has at least one disc-shaped carrier substrate (205) with a first surface directed towards a first side and a second surface directed opposite to the first surface, which forms an outside of the antenna, the system (100) further comprises a first sensor (200) and an evaluation module (201) and is configured such that
- das Trägersubtrat (205) im Innenraum der ersten Messzelle (400A) von der Messzellenwand (401) beabstandet anordenbar ist oder in die Messzellenwand (401) derart einbaubar ist, dass ein Teil der in den Innenraum der ersten Messzelle (400 A) gerichteten Oberfläche der Messzellenwand (401) durch die zweite Oberfläche des Trägersubstrats (205) ersetzbar ist, - The carrier substrate (205) can be arranged in the interior of the first measuring cell (400A) at a distance from the measuring cell wall (401) or can be installed in the measuring cell wall (401) in such a way that part of the surface directed into the interior of the first measuring cell (400A) the measuring cell wall (401) can be replaced by the second surface of the carrier substrate (205),
- die erste Antenne (202) mit an der zweiten Oberfläche des Träger Substrats (205) oder im Trägersubstrat (205) angeordneten Strahlerelementen (206a, 206b, 207a, 207b) als eine elektrisch kurze Antenne mit einer zumindest im Wesentlichen halbkugelförmigen Strahlungscharakteristik zum Abstrahlen des Sendesignals (702, 704) in das Messvolumen (700A) eingerichtet ist, der erste Sensor (200) zum Empfangen eines laufzeitbasierten Strahlungssignals (703, 705) ausgebildet ist, das Auswertemodul (201) zum Auswerten des vom ersten Sensor (200) empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignals (703, 705) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass 40 das System (100) ferner einen zweiten Sensor (300) umfasst, welcher ausgebildet ist, zum Empfangen eines Messsignals betreffend einen Füllstand und/oder ein Volumen innerhalb eines von dem Innenraum der ersten Messzelle (400A) abgegrenzten, insbesondere mit diesem zum Austausch von Körpern oder Stoffen (500, 502, 503, 504) in Verbindung stehenden, Innenraums einer zweiten Messzelle (400B), wobei das Auswertemodul (201) oder ein weiteres, von dem System (100) umfasstes Auswertemodul (301) zum Auswerten des vom zweiten Sensor (300) empfangenen Messsignals ausgebildet ist und ferner das System (100) eingerichtet ist, zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen (500, 502, 503, 504) aus dielektrischem und/oder leitfähigen Material innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle (400A) beide ausgewertete Signale miteinander in funktionale Beziehung zu einem einstellbaren Referenzvolumen von Körpern oder Stoffen (500, 502, 503, 504) innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle (400A) zu setzen. System (100) nach Anspruch 1, wobei das System (100) die erste Messzelle (400A), die zweite Messzelle (400B) und ferner eine Trennschicht (600) umfasst, wobei die Trennschicht (600) ausgebildet ist zum Abgrenzen des Innenraums der ersten Messzelle (400A) von dem Innenraum der zweiten Messzelle (400B) derart, dass die Trennschicht (600) für Körper oder Stoffe (500, 502, 503, 504) aus dielektrischem und/oder leitfähigen Material, welche zumindest eine vorbestimmte Stoffeigenschaft aufweisen, durchlässig ist. System (100) nach Anspruch 2, wobei die Trennschicht (600) als ein metallisches Gitter ausgebildet ist, welches insbesondere einen vorbestimmten Gitterab stand (601) aufweist, sodass das metallische Gitter für Körper oder Stoffe (500, 502, 503, 504), die als vorbestimmte Stoffeigenschaft eine Partikelgröße im Wesentlichen kleiner als dieser Gitterabstand (601) aufweisen, durchlässig ist. 41 System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der zweite Sensor (300) ein kapazitiver Sensor, insbesondere ein kapazitiver Sensor nach dem Dreielektrodenmessprinzip, mit zumindest einer Messelektrode zur kapazitiven Füllstandsmessung der in die zweite Messzelle (400B) gelangten Körper und Stoffe (500, 502, 503, 504) ist, wobei eine Gegenelektrode an einer Messzellenwand (401) der zweiten Messzelle (400B) angebracht ist oder zumindest ein Teil der Messzellenwand (401) als Gegenelektrode dient. System (100) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der zweite Sensor (300) ein laufzeitbasierter Strahlungssensor ist, welcher zur volumenhaften Erfassung von Körpern oder Stoffen (500, 502, 503, 504) in der zweiten Messzelle (400B) ausgebildet ist, insbesondere ein entsprechend dem ersten Sensor (200) ausgebildeter laufzeitbasierter Strahlungssensor ist, wobei das System (100) ferner eine zweite Antenne (302) zum Abstrahlen eines zweiten Sendesignals (312) in Form von elektromagnetischer Strahlung in ein durch den Innenraum der zweiten Messzelle (400B) definiertes Messvolumen (700B) umfasst, wobei die zweite Antenne (302) vorzugsweise im Wesentlichen entsprechend der ersten Antenne (202) ausgebildet ist. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest die erste Antenne (202) als Sende- und Empfangsantenne ausgebildet ist und die Strahlerelemente (206a, 206b, 207a, 207b) neben dem Abstrahlen des Sendesignals (702, 704) ferner eingerichtet sind zum Empfangen eines Empfangssignals (703, 705), insbesondere in Form eines von den zu erfassenden Körpern oder Stoffen (500, 502, 503, 504) reflektierten und/oder eines an der Messzellenwand (401) der ersten Messzelle (400A) reflektierten Sendesignals (702, 704), sowie zum Übertragen des Empfangssignals (703, 705) an den ersten Sensor (200), wobei das an den ersten Sensor (200) übertragene Empfangssignal (703, 705) dem empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignal (703, 705) entspricht. 7. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das System (100) ferner ein Sendemodul (800) zum Erzeugen des Sendesignals (702, 704) und einen mit dem Sendemodul (800) und mit den Strahlerelementen (206a, 206b, 207a, 207b) zumindest der ersten Antenne (202) elektrisch verbundenen Kabelanschluss (203) zum leitungsgebundenen Übertragen des erzeugten Sendesignals (702, 704) an die Strahlerelemente (206a, 206b, 207a, 207b) der ersten Antenne (202) umfasst. - the first antenna (202) with radiator elements (206a, 206b, 207a, 207b) arranged on the second surface of the carrier substrate (205) or in the carrier substrate (205) as an electrically short antenna with an at least essentially hemispherical radiation characteristic for radiating the transmission signal (702, 704) is set up in the measurement volume (700A), the first sensor (200) is designed to receive a runtime-based radiation signal (703, 705), the evaluation module (201) is designed to evaluate the runtime-based signal received from the first sensor (200). radiation signal (703, 705), characterized in that 40 the system (100) further comprises a second sensor (300), which is designed to receive a measurement signal relating to a fill level and/or a volume within a cell delimited from the interior of the first measuring cell (400A), in particular for exchanging Bodies or substances (500, 502, 503, 504) related interior of a second measuring cell (400B), wherein the evaluation module (201) or another, from the system (100) included evaluation module (301) for evaluating the second Sensor (300) received measurement signal and also the system (100) is set up for determining the volume of bodies or substances (500, 502, 503, 504) made of dielectric and / or conductive material within the interior of the first measuring cell (400A) both to put evaluated signals together in a functional relationship to an adjustable reference volume of bodies or substances (500, 502, 503, 504) within the interior of the first measuring cell (400A). System (100) according to claim 1, wherein the system (100) comprises the first measuring cell (400A), the second measuring cell (400B) and further a separating layer (600), wherein the separating layer (600) is designed to delimit the interior of the first Measuring cell (400A) from the interior of the second measuring cell (400B) in such a way that the separating layer (600) is permeable to bodies or substances (500, 502, 503, 504) made of dielectric and/or conductive material which have at least one predetermined material property is. System (100) according to claim 2, wherein the separating layer (600) is designed as a metallic lattice which in particular has a predetermined lattice spacing (601) so that the metallic lattice for bodies or substances (500, 502, 503, 504), which, as a predetermined material property, have a particle size essentially smaller than this lattice spacing (601), is permeable. 41 System (100) according to any one of the preceding claims, wherein the second sensor (300) is a capacitive sensor, in particular a capacitive sensor based on the three-electrode measuring principle, with at least one measuring electrode for capacitive level measurement of the bodies and substances ( 500, 502, 503, 504), a counter-electrode being attached to a measuring cell wall (401) of the second measuring cell (400B) or at least part of the measuring cell wall (401) serving as a counter-electrode. System (100) according to any one of claims 1-3, wherein the second sensor (300) is a transit time-based radiation sensor, which is designed for the volumetric detection of bodies or substances (500, 502, 503, 504) in the second measuring cell (400B). , in particular a transit time-based radiation sensor designed in accordance with the first sensor (200), the system (100) also having a second antenna (302) for emitting a second transmission signal (312) in the form of electromagnetic radiation into a through the interior of the second measuring cell ( 400B) defined measurement volume (700B), wherein the second antenna (302) is preferably formed essentially corresponding to the first antenna (202). System (100) according to one of the preceding claims, wherein at least the first antenna (202) is designed as a transmitting and receiving antenna and the radiator elements (206a, 206b, 207a, 207b) are also set up in addition to radiating the transmission signal (702, 704). for receiving a received signal (703, 705), in particular in the form of a transmitted signal ( 702, 704), and for transmitting the received signal (703, 705) to the first sensor (200), wherein the received signal (703, 705) transmitted to the first sensor (200) corresponds to the received propagation-time-based radiation signal (703, 705). 7. System (100) according to any one of the preceding claims, wherein the system (100) further comprises a transmission module (800) for generating the transmission signal (702, 704) and one with the transmission module (800) and with the radiator elements (206a, 206b, 207a, 207b) of at least the first antenna (202) electrically connected cable connection (203) for wired transmission of the generated transmission signal (702, 704) to the radiating elements (206a, 206b, 207a, 207b) of the first antenna (202).
8. System (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei an der zweiten Oberfläche des Träger Substrats (205) oder im Trägersubstrat (205) zwei planare Strahlerelemente (206a, 206b), und vorzugsweise horizontal und/oder vertikal parallel zu diesen zwei planaren Strahlerelementen (206a, 206b) wenigstens zwei weitere planare Strahlerelemente (207a, 207b), angeordnet sind, wobei die zwei planaren Strahlerelemente (206a, 206b) und, falls vorhanden, jeweils zwei dieser wenigstens zwei weiteren planaren Strahlerelemente (207a, 207b) sich im Wesentlichen parallel zum Träger Substrat (205) erstreckend von diesem in einer gemeinsamen Ebene gehalten sind und zusammen eine flache Antennenstruktur ausbilden. 8. System (100) according to any one of the preceding claims, wherein on the second surface of the carrier substrate (205) or in the carrier substrate (205) two planar radiator elements (206a, 206b), and preferably horizontally and / or vertically parallel to these two planar Radiating elements (206a, 206b) at least two further planar radiating elements (207a, 207b) are arranged, wherein the two planar radiating elements (206a, 206b) and, if present, two of these at least two further planar radiating elements (207a, 207b) are located in the Substantially parallel to the carrier substrate (205) are held extending from this in a common plane and together form a flat antenna structure.
9. System (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest die erste Antenne (202) eine zum Trägersubstrat (205) beabstandet angeordnete Abschirmung (402) auf der von dem Messvolumen (700A) abgewandten Seite des Trägerelements (205) umfasst, wobei die Abschirmung (402) insbesondere durch eine metallische Messzellenwand (401) der ersten Messzelle (400A) oder einen metallischen Deckel der ersten Antenne (202) ausgebildet ist. 9. System (100) according to any one of the preceding claims, wherein at least the first antenna (202) comprises a shield (402) arranged at a distance from the carrier substrate (205) on the side of the carrier element (205) facing away from the measurement volume (700A), wherein the shielding (402) is formed in particular by a metal measuring cell wall (401) of the first measuring cell (400A) or a metal cover of the first antenna (202).
10. System (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Trägersubstrat (205) eine mehrlagige Platine ist, und/oder wobei die Strahlerelemente (206a, 206b, 207a, 207b) in das Trägersubstrat (205) eingebettet sind, und/oder wobei das Träger substrat (205) Teil eines integrierten Schaltkreises ist, und/oder wobei das System ferner zumindest ein Anpassglied (204) aufweist, insbesondere ein Anpassglied, welches Teil eines integrierten Schaltkreises ist, und/oder wobei die Strahlerelemente (206a, 206b, 207a, 207b) über ein Anpassglied (204) mit einem Kabelanschluss (203) verbunden sind. 10. System (100) according to any one of the preceding claims, wherein the carrier substrate (205) is a multi-layer board, and / or wherein the radiator elements (206a, 206b, 207a, 207b) are embedded in the carrier substrate (205), and / or wherein the carrier substrate (205) is part of an integrated circuit, and/or wherein the system further comprises at least one matching element (204), in particular a matching element which is part of an integrated circuit, and/or wherein the radiator elements (206a, 206b, 207a, 207b) are connected to a cable connection (203) via an adapter (204).
11. Verfahren, insbesondere zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen (500, 502, 503, 504) aus dielektrischem und/oder leitfähigen Material innerhalb eines Innenraums einer ersten Messzelle (400A) mit einer leitfähigen und/oder nichtleitfähigen Messzellenwand (401), die eine in den Innenraum gerichtete Oberfläche aufweist, mit den Schritten: 11. A method, in particular for determining the volume of bodies or substances (500, 502, 503, 504) made of dielectric and / or conductive material within an interior of a first measuring cell (400A) with a conductive and / or non-conductive measuring cell wall (401), the one has a surface facing the interior, with the steps:
- Abstrahlen eines Sendesignals (702, 704) in Form von elektromagnetischer- Emitting a transmission signal (702, 704) in the form of electromagnetic
Strahlung mit einer zumindest im Wesentlichen halbkugelförmigen Strahlungscharakteristik in ein durch einen Innenraum einer ersten Messzelle (400A) definiertes Messvolumen (700A), Radiation with an at least essentially hemispherical radiation characteristic into a measurement volume (700A) defined by an interior space of a first measurement cell (400A),
- Empfangen eines laufzeitbasierten Strahlungssignals (703, 705), - receiving a time-of-flight based radiation signal (703, 705),
- Auswerten des empfangenen laufzeitbasierten Strahlungssignals (703, 705), gekennzeichnet durch die Schritte: - evaluating the received runtime-based radiation signal (703, 705), characterized by the steps:
- Empfangen eines Messsignals betreffend einen Füllstand und/oder ein Volumen innerhalb eines von dem Innenraum der ersten Messzelle (400A) abgegrenzten, insbesondere mit diesem zum Austausch von Körpern oder Stoffen (500, 502, 503, 504) in Verbindung stehenden, Innenraums einer zweiten Messzelle (400B), - Receiving a measurement signal relating to a fill level and/or a volume within an interior space of a second one that is delimited from the interior space of the first measurement cell (400A) and is in particular connected to it for the exchange of bodies or substances (500, 502, 503, 504). measuring cell (400B),
- Auswerten des empfangenen Messsignals zur Füllstands- oder- Evaluation of the received measurement signal for level or
Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen innerhalb der zweiten Messzelle (400B), Volume determination of bodies or substances within the second measuring cell (400B),
- Setzen des ausgewerteten laufzeitbasierten Strahlungssignals (703, 705) und des ausgewerteten Messsignals miteinander in funktionale Beziehung zu einem einstellbaren Referenzvolumen von Körpern und Stoffen innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle (400A) zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen (500, 502, 503, 504) aus dielektrischem und/oder leitfähigen Material innerhalb des Innenraums der ersten Messzelle (400A). - Putting the evaluated transit time-based radiation signal (703, 705) and the evaluated measurement signal together in a functional relationship to an adjustable reference volume of bodies and substances within the interior of the first measuring cell (400A) for determining the volume of bodies or substances (500, 502, 503, 504 ) made of dielectric and/or conductive material within the interior of the first measuring cell (400A).
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Abstrahlen des Sendesignals (702, 704) so erfolgt, dass das Sendesignal (702, 704) entweder direkt auf eine Oberfläche 44 12. The method according to claim 11, wherein the emission of the transmission signal (702, 704) takes place in such a way that the transmission signal (702, 704) either directly onto a surface 44
(504, 501) eines sich in der ersten Messzelle (400A) befindlichen Körpers (502, 503) oder Füllguts (500) oder zunächst auf eine Messzellenwand (401) der ersten Messzelle (400A) trifft und nach wenigstens einer Reflexion von einer solchen Oberfläche (504, 501) oder von der Messzellenwand (401) als laufzeitbasiertes Strahlungssignal (703, 705) empfangen wird. erfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Messsignal ein Füllstandmesssignal oder ein zweites laufzeitbasiertes Strahlungssignal ist, wobei das zweite laufzeitbasierte Strahlungssignal insbesondere einem wenigstens einmal an einer Oberfläche (504, 501) eines sich in der zweiten Messzelle (400B) befindlichen Körpers (502, 503) oder Füllguts (500) oder an einer Messzellenwand (401) der zweiten Messzelle (400B) reflektierten abgestrahlten zweiten Sendesignal (312) entspricht. erfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das einstellbare Referenzvolumen als Referenzwert dient und einem unmittelbar nach Befüllung der ersten Messzelle (400A) eingenommenen Anfangsfüllvolumen oder dem durch den Innenraum der ersten Messzelle (400A) definierten Messvolumen (700A) entspricht. (504, 501) of a body (502, 503) or filling material (500) located in the first measuring cell (400A) or initially hits a measuring cell wall (401) of the first measuring cell (400A) and after at least one reflection from such a surface (504, 501) or from the measuring cell wall (401) as a propagation-time-based radiation signal (703, 705). experienced according to claim 11 or 12, wherein the measurement signal is a level measurement signal or a second propagation-time-based radiation signal, wherein the second propagation-time-based radiation signal in particular a at least once on a surface (504, 501) of a body (502, 503) or filling material (500) or emitted second transmission signal (312) reflected on a measuring cell wall (401) of the second measuring cell (400B). experienced according to one of claims 11 to 13, wherein the adjustable reference volume serves as a reference value and corresponds to an initial filling volume taken up immediately after filling the first measuring cell (400A) or to the measuring volume (700A) defined by the interior of the first measuring cell (400A).
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