DE202021106006U1 - System for determining the volume of bodies or substances made of dielectric and/or conductive material - Google Patents
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Abstract
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 Trägersubstrat (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- 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 (400A) gerichteten Oberfläche der Messzellenwand (401) durch die zweite Oberfläche des Trägersubstrats (205) ersetzbar ist,- die erste Antenne (202) mit an der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats (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, dassdas 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), in particular for determining the volume of bodies or substances (500, 502, 503, 504) made of dielectric and/or conductive material within an interior space of a first measuring cell (400A) with a conductive and/or non-conductive measuring cell wall (401), the 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) defined by the interior of a first measurement cell (400A) 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, wherein the system (100 ) further comprises a first sensor (200) and an evaluation module (201) and is configured such that- 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 of the measuring cell wall (401 ) can be replaced by the second surface of the carrier substrate (205), - 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 electric a short antenna with an at least essentially hemispherical radiation characteristic is set up to emit the transmission signal (702, 704) into the measurement volume (700A), - the first sensor (200) is designed to receive a transit time-based radiation signal (703, 705), - the evaluation module (201) is designed to evaluate the runtime-based radiation signal (703, 705) received from the first sensor (200), characterized in that the system (100) further comprises a second sensor (300), which is designed to receive a measurement signal relating to a filling 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) connected interior of a second measuring cell (400B), wherein the evaluation module (201) or another evaluation module (301) included in the system (100) for evaluating the measurement signal received from the second sensor (300). and the system (100) is also 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 (400A) and put both evaluated signals into a functional relationship with one another to an adjustable reference volume of bodies or substances (500, 502, 503, 504) within the interior of the first measuring cell (400A).
Description
Die Erfindung betrifft ein System 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 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 into 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. In the case of 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 the case of 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, i.e. 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.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.
Die
Abgesehen von der somit in der
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 Trägersubstrat 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 Trägersubstrat 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-Volumen 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, which comprises an ultra-wideband 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 has a Forms the outside of the antenna, with the carrier substrate being arranged and intended to replace part of the surface of the measuring cell wall directed into the interior during operation or to extend in the interior at a distance from the measuring cell wall, and wherein the Ultra-broadband antenna is set up with arranged on or in the carrier substrate radiator elements as an electrically short antenna with an at least substantially hemispherical radiation pattern, for covering a volumetric measurement 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 structure.
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 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. Die Lösung der nun vorliegenden Erfindung ist durch ein System mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gegeben. Zweckmäßige Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Against this background, the task arises, in particular in a further development of EP20174239.2, to provide a system which, in addition to an improved non-contact measurement of filling material within a first measuring cell, also has a separate second measurement for determining the filling level and/or volume of filling material within a second measuring cell, which comprises an interior space delimited from the interior space of the first measuring cell. The solution of the present invention is given by a system with the features according to claim 1. 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 Trägersubstrat 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 Trägersubstrats ersetzbar ist. Weiterhin ist das System derart konfiguriert, dass die erste Antenne mit an der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats oder im Trägersubstrat 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 measuring cell at a distance from the measuring cell wall or can be installed in the measuring cell wall in such a way that part of the surface of the measuring cell wall directed into the interior of the first measuring cell can be replaced by the second surface of the carrier substrate . Furthermore, the system is configured such that the first antenna on the second surface of the carrier substrate or emitter elements arranged in the carrier substrate as an electrically short antenna with an at least essentially hemispherical radiation characteristic for emitting the transmission signal into the measurement volume, that the first sensor is designed to receive a propagation-time-based radiation signal and that the evaluation module is designed to evaluate the propagation-time-based signal received from the first sensor Radiation signal 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 Substances corresponds to a reduced measurement signal, and that the second sensor receives a measurement signal which, however, corresponds to a measurement signal which is increased essentially 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 Trägersubstrat 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 on or in it have an at least essentially hemispherical radiation characteristic, dead zones can be essentially completely avoided and the system can thus also 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 is permeable to bodies or substances which, as a predetermined material property, have a particle size essentially smaller than the lattice spacing of the lattice. 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 into a measurement volume defined by the interior of the second measurement cell, with the second antenna preferably being designed essentially 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 volumenhaft 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 measured 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 Trägersubstrat angeordnete planare Strahlerelemente und vorzugsweise horizontal und/oder vertikal parallel zu diesen zwei planaren Strahlerelementen wenigstens zwei weitere an der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats 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 Trägersubstrat 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.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 carrier substrate or has planar radiator elements arranged in the carrier substrate. The two planar radiator elements and, if present, two of these at least two further planar radiator 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.
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.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 Trägersubstrat 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 surface next to the carrier substrate facing the first side can also be arranged as a protective layer, a non-conductive layer, in particular for covering, and/or an absorber layer, in particular for electromagnetic absorption. 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 Trägersubstrat 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 Trägersubstrat 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.In addition or as an alternative to this, the carrier substrate can 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:
-
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen in einer ersten Messzelle und zumindest zur Füllstandbestimmung von Füllgut in einer zweiten Messzelle, -
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen in einer ersten Messzelle und zumindest zur Füllstandbestimmung von Füllgut in einer zweiten Messzelle, -
3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen in einer ersten und einer zweiten Messzelle, -
4 in Draufsicht eine erste Ausführungsform einer als Dipolantenne ausgeführten Platinenantenne für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, -
5 in Querschnittsansicht eine zweite Ausführung einer Platinenantenne mit eingebetteten Strahlerelementen für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, -
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, -
7 in Querschnittsansicht eine vierte Ausführung einer Platinenantenne mit eingebetteten Strahlerelementen für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, -
8 in Querschnittsansicht eine fünfte Ausführung einer Platinenantenne mit eingebetteten Strahlerelementen und rückseitiger Abschirmung für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, -
9 in Querschnittsansicht eine sechste Ausführung einer Platinenantenne mit eingebetteten Strahlerelementen für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, -
10 in Querschnittsansicht eine siebte Ausführung einer Platinenantenne mit eingebetteten Strahlerelementen für den Einsatz innerhalb eines Systems gemäß der Erfindung, -
11 im Querschnitt ein Messsystem nach dem Stand der Technik mit bündelnden Hochfrequenzantennen bei der Füllstanderfassung in einem Behälter, -
12 im Querschnitt das Messsystem nach dem Stand der Technik mit bündelnden Hochfrequenzantennen bei der Objekterfassung in einem Behälter, und -
13 im Querschnitt das Messsystem nach dem Stand der Technik mit bündelnden Hochfrequenzantennen bei der Objekterfassung in einem anderen Behälter.
-
1 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, -
2 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, -
3 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, -
4 in plan view a first embodiment of a circuit board antenna designed as a dipole antenna for use within a system according to the invention, -
5 in a cross-sectional view a second embodiment of a board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention, -
6 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, -
7 in cross-sectional view a fourth embodiment of a board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention, -
8th in cross-sectional view a fifth embodiment of a circuit board antenna with embedded radiating elements and rear shielding for use within a system according to the invention, -
9 in cross-sectional view a sixth embodiment of a circuit board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention, -
10 in cross-sectional view a seventh embodiment of a circuit board antenna with embedded radiating elements for use within a system according to the invention, -
11 in cross section, a measuring system according to the prior art with bundling high-frequency antennas for level detection in a container, -
12 in cross section, the measuring system according to the prior art with bundling high-frequency antennas when detecting an object in a container, and -
13 in cross section, 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 verbesserten Gegenüberstellung der erfindungsgemäßen Systeme zunächst kurz auf die in den
Insbesondere zeigen die in den
Ein jeweils mittels der bündelnden Antenne 12 erzeugtes Messfeld 60 ist gleichermaßen in den
Befindet sich im Behälter 30 gemäß
Befinden sich im Behälter 30 gemäß
Vor allem aber ermöglicht das in den
Im Gegensatz hierzu zeigen die
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
Das System 100 gemäß der Erfindung besitzt wenigstens eine erste Antenne 202, wie in
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
Bekanntermaßen handelt es sich um eine elektrisch kurze Antenne, wenn der elektrische Leiter der Antenne viel kleiner als die halbe Betriebswellenlänge λ 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 λ/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 λ. 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 λ/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 abstrahlen.The
Durch die zuvor beschriebene Strahlungscharakteristik der als elektrisch kurze Antenne eingerichteten ersten Antenne 202 können im Gegensatz zum vorbeschriebenen Stand der Technik gemäß der
Ist das Trägersubstrat nicht wie in
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
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. The transmission signals 702 radiated from the
Solche reflektierten Sendesignale sind in
Um die Empfangssignale 703, 705 zu empfangen, besitzt das erfindungsgemäße System 100 einen zum Empfangen eines laufzeitbasierten Strahlungssignals ausgebildeten ersten Sensor 200, wie in
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
Wie den
Das in den
Das Auswertemodul 201 (siehe
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
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 400A, 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 the first measuring
Im Folgenden werden die einzelnen Unterschiede zwischen den in
Das in
Der Innenraum der zweiten Messzelle 400B ist von dem Innenraum der ersten Messzelle 400A durch eine Trennschicht 600 abgegrenzt, welche in
Der vom System 100 umfasste zweite Sensor 300 ist in
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
Das in
Das erfindungsgemäße System 100 gemäß der in
Im Gegensatz zu
Der zweite Sensor 300 des Systems 100 ist in
In einer nicht dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann der erste Sensor im Gegensatz zu den
Das in
Der zweite Sensor 300 des Systems 100 ist in
Zum Generieren der durch die erste Antenne 202 und durch die zweite Antenne 302 abzustrahlenden Sendesignale 702, 312 besitzt das System 100 in
Nachfolgend wird insbesondere auf einzelne bevorzugte Ausführungsformen in Verbindung mit an der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats 205 oder im Trägersubstrat 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 radiator elements arranged on the second surface of the
Bevor hierzu insbesondere auf die mit
Wie beispielsweise mit
Wie ferner in
Die erste Antenne 202 gemäß
Alternativ oder in Ergänzung hierzu skizziert
In Abwandlung zu den
Ähnlich zur
Ferner kann das Trägersubstrat 205 Teil eines integrierten Schaltkreises sein. Ergänzend oder alternativ dazu kann das Anpassglied 204, über welches zumindest die Strahlerelemente 206a, 206b in
Ferner kann bei einer Ausführungsform nach
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
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 Trägersubstrat 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
Bei der in
Bei der in
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
Unter Würdigung vorstehender Beschreibung kann somit zusammenfassend festgehalten werden, dass mit der Erfindung ein industrietaugliches Sensorsystem zur Präsenzerkennung von Füllgütern in zwei insbesondere kompliziert-strukturierten 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.In recognition of the above description, it can thus be summarized that the invention creates an industrial-grade sensor system for detecting the presence of filling goods in two, in particular, complicatedly structured measuring cells 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.
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.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 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 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 AI ( artificial intelligence) including machine learning, a sub-area of artificial intelligence in which a system is able to perform independent analyzes and problem-solving by recognizing patterns in existing databases.
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 weiterentwickelt worden ist, dass ein System im Rahmen der Erfindung nunmehr
- - einen zweiten
Sensor 300 umfasst, der zum Empfangen eines Messsignals betreffend einen Füllstand und/oder ein Volumen innerhalb eines von dem Innenraum der erstenMesszelle 400A abgegrenzten Innenraums einer zweitenMesszelle 400B ausgebildet ist, und - - nach dem Auswerten auch des vom zweiten
Sensor 300 empfangenen Messsignals zu der Volumenbestimmung von 500, 502, 503, 504 innerhalb des Innenraums der erstenKörpern oder Stoffen Messzelle 400A beide ausgewertete Signale miteinander in funktionale Beziehung zu einem einstellbaren Referenzvolumen von 500, 502, 503, 504 innerhalb des Innenraums der erstenKörpern oder Stoffen Messzelle 400A setzt.
- 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 asecond measurement cell 400B that is delimited from the interior space of thefirst measurement cell 400A, and - - After evaluating the measurement signal received from the
second sensor 300 for determining the volume of bodies or 500, 502, 503, 504 within the interior of the first measuringsubstances cell 400A, both evaluated signals are functionally related to one another to an adjustable reference volume of bodies or 500, 502, 503, 504 within the interior of the first measuringsubstances cell 400A.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- System nach Stand der TechnikState of the art system
- 1111
- Mikrowellenelektronikmicrowave electronics
- 1212
- Bündelnde AntenneFocusing antenna
- 1313
- Massefläche bzw. ReflektorschichtGround plane or reflector layer
- 1414
- Hochfrequenzanschlusshigh frequency connector
- 3030
- Behältercontainer
- 3131
- Behälterwandcontainer wall
- 4040
- anderer Behälterother container
- 4141
- Behälterwandcontainer wall
- 6060
- Gebündeltes MessfeldBundled measuring field
- 6161
- Richtkeuledirectional mace
- 6262
- Sendesignaltransmission signal
- 6363
- Empfangssignal receiving signal
- 100100
- Messsystem gemäß ErfindungMeasuring system according to the invention
- 200200
- erster Sensorfirst sensor
- 201201
- Auswertemodulevaluation module
- 202202
- erste Antennefirst antenna
- 203203
- Kabelanschlusscable connection
- 205205
- Trägersubstratcarrier substrate
- 206206
- Strahlerelement der flachen AntennenstrukturRadiating element of the flat antenna structure
- 207207
- Strahlerelement einer weiteren flachen AntennenstrukturRadiating element of another flat antenna structure
- 209209
- Schutzschichtprotective layer
- 210210
- Kavernecavern
- 212212
- weitere Antenneanother antenna
- 300300
- zweiter Sensorsecond sensor
- 301301
- weiteres Auswertemodulfurther evaluation module
- 302302
- zweite Antennesecond antenna
- 312312
- zweites Sendesignalsecond transmission signal
- 400A400A
- erste Messzellefirst measuring cell
- 400B400B
- zweite Messzellesecond measuring cell
- 401401
- Messzellenwandmeasuring cell wall
- 402402
- Abschirmungshielding
- 500500
- Füllgutcontents
- 501501
- Füllgutoberflächeproduct surface
- 502502
- dielektrischer Körper oder Stoffdielectric body or substance
- 503503
- n-ter dielektrischer Körper oder Stoffnth dielectric body or substance
- 504504
- Oberfläche eines Körpers oder Stoffssurface of a body or substance
- 600600
- Trennschichtrelease layer
- 601601
- Gitterabstandgrid spacing
- 700A700A
- Messvolumen der ersten MesszelleMeasuring volume of the first measuring cell
- 700B700B
- Messvolumen der zweiten MesszelleMeasuring volume of the second measuring cell
- 702702
- Sendesignaltransmission signal
- 703703
- Empfangssignalreceiving signal
- 704704
- reflektiertes Sendesignalreflected transmission signal
- 705705
- reflektiertes Empfangssignalreflected received signal
- 800800
- Sendemodultransmitter module
- 900900
- Behältercontainer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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