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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen freistrahlenden Radarsensor zur seriellen Füllstand- und Grenzstanderfassung eines Füllguts in einem Behälter, ein Verfahren zur seriellen Füllstand- und Grenzstanderfassung eines Füllguts, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
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Technologischer Hintergrund
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Zur berührungslosen Erfassung von Füllständen in Behältern, die Füllgüter wie z. B. Flüssigkeiten oder Schüttgüter enthalten, sind Radarsensoren mit unterschiedlichen Funktionalitäten und Messgenauigkeiten im Einsatz. Beispielsweise wird das Füllstandmessgerät für die kontinuierliche Füllstandbestimmung durch eine Laufzeitmessung von Sensorsignalen verwendet. Dieses Verfahren kann bei bestimmten Füllständen oder Schüttgutoberflächen zu ungenauen Messergebnissen führen.
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Zusammenfassung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Ungenauigkeiten bei der Füllstandmessung möglichst gering zu halten.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt betrifft einen freistrahlenden Radarsensor zur seriellen Füllstand- und Grenzstanderfassung eines Füllguts in einem Behälter oder auf einer Halde oder einem Förderband.
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Der Fadarsensor weist eine Antenneneinrichtung auf, eingerichtet zum Abstrahlen eines Füllstandmesssignals in Richtung des Füllguts zur Bestimmung des Füllstands des Füllguts, wobei die Antenneneinrichtung weiterhin eingerichtet ist zum Abstrahlen eines Grenzstandmesssignals quer zur Abstrahlrichtung des Füllstandmesssignals zur Erfassung des Grenzstands des Füllguts.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Antenneneinrichtung eine erste Antennenanordnung auf, die vertikal ausgerichtet zum Abstrahlen des Füllstandmesssignals in Richtung des Füllguts zur Bestimmung des Füllstands des Füllguts eingerichtet ist, und eine zweite Antennenanordnung, die horizontal ausgerichtet zum Abstrahlen des Grenzstandmesssignals quer zur Abstrahlrichtung des Füllstandmesssignals zur Erfassung des Grenzstands des Füllguts eingerichtet ist, sowie eine Umschalteinrichtung, eingerichtet zum wechselseitigen Aktivieren der ersten Antennenanordnung und der zweiten Antennenanordnung.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Antenneneinrichtung einen einschiebbaren oder fest installierten Radarspiegel auf, eingerichtet zum Umlenken des abgestrahlten Messsignals quer zur Abstrahlrichtung des Füllstandmesssignals.
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Die erste Antennenanordnung ist vertikal ausgerichtet und zur Bestimmung des Füllstands des Füllguts eingerichtet. Die erste Antennenanordnung kann auch als Füllstandmessanordnung bezeichnet werden.
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„Vertikale“ Ausrichtung bedeutet, dass die Füllstandmessanordnung so angeordnet ist, dass das Sendesignal der Füllstandmessanordnung senkrecht zum Boden in Richtung des Füllguts abgestrahlt wird.
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Die zweite Antennenanordnung ist horizontal oder zumindest schräg zur ersten Antenneneinrichtung ausgerichtet und zur Erfassung des Grenzstands des Füllguts eingerichtet. Bei der zweiten Antennenanordnung handelt es sich um eine berührungslos messende Grenzstandmessanordnung, die beispielsweise zur Erkennung der Erreichung einer maximalen Füllhöhe bzw. eines maximalen Pegels des Schüttguts dient. Die Grenzstandmessanordnung kann eingerichtet sein, einen Warnhinweis über einen zu hohen Füllstand bereitzustellen, wenn der Füllstand eine vorgegebene Füllhöhe bzw. eine maximale Füllhöhe überschreitet oder wenn sich das Füllgut in der Nähe des Radarsensors befindet. Insbesondere kann ein Schaltausgang, ein zweiter Stromausgang oder ähnliches vorgesehen sein.
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„Horizontale“ Ausrichtung der zweiten Antennenanordnung bedeutet, dass die Grenzstandmessanordnung so angeordnet ist, dass das Sendesignal der Grenzstandmessanordnung parallel zum Boden abgestrahlt wird.
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Vorteilhaft kann der freistrahlende Radarsensor mit der horizontal (oder leicht schräg) ausgerichteten zweiten Antennenanordnung zur Grenzstanderfassung von Schüttgütern im Behälter, auf einer Halde oder einer sonstsigen Messumgebung eingesetzt werden, die eine kegelförmige Anhäufung mit einer zufälligen höchsten Stelle der Anhäufung aufweisen.
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Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die zweite Antennenanordnung bzw. die Grenzstandanordnung nicht nur horizontal sondern auch mit einem bestimmten Winkel zur horizontalen Ausrichtung ausgerichtet sein kann. Eine niedrigere maximale Füllhöhe kann auch zur Sicherheit des Radarsensors beitragen.
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Die Umschalteinrichtung ist zum wechselseitigen Aktivieren der ersten Antennenanordnung und der zweiten Antennenanordnung eingerichtet ist.
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Der freistrahlende Radarsensor ist somit multifunktionell. Aus der Kombination der Füllstand- und Grenzstanderfassung kann sich ein integrierter Radarsensor ergeben, der einen kompakten Aufbau aufweist. Dadurch kann ein separater, zusätzlicher Sensor eingespart werden.
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Darüber hinaus ist der freistrahlende Radarsensor durch Integration der berührungslosen Grenzstandmessanordnung in der Füllstandmessanordnung weniger wartungsintensiv und daher ausfallssicherer.
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Die zwei Antennenanordnungen werden, gemäß einer Ausführungsform, durch dieselbe Steuereinheit und Signalerzeugungseinheit angesteuert und mit einem Sendesignal versorgt. Auch kann nur eine einzelne Auswerteeinheit vorgesehen sein.
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Der multifunktionelle Radarsensor, der durch die Integration oder die Kombination der Füllstandmessanordnung und der Grenzstandmessanordnung ausgebildet ist, kann eingerichtet sein, durch Auswertung der Messergebnisse Rückschlüsse auf das Füllgutvolumen zu treffen. Zusätzlich kann die Position des höchsten Punktes der Füllgut-Anhäufung ermittelt werden und in die Auswertung einfließen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der freistrahlende Radarsensor weiterhin eine Schwenkeinrichtung auf, an der die zweite Antennenanordnung angeordnet ist. Die Schwenkeinrichtung ist eingerichtet, die zweite Antennenanordnung zur Erfassung des Grenzstands des Füllguts um eine horizontale und/oder eine vertikale Achse zu schwenken.
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Da eine Schwenkeinrichtung oder Dreheinheit vorgesehen ist, kann die Ausrichtungen der zweiten Antennenanordnung kontinuierlich geändert werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Ausrichtung während der Messung automatisch geändert wird, z. B. wenn ein gewisser Füllstand unterschritten oder überschritten wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Schwenkeinrichtung des freistrahlenden Radarsensors eine mechanische Arretierung auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Schwenkeinrichtung einen elektrischen Antrieb aufweisen, der zum kontinuierlichen Schwenken der zweiten Antennenanordnung eingerichtet ist.
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Durch die mechanische Arretierung kann die Ausrichtung der zweiten Antennenanordnung manuell geändert und dann fixiert werden.
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Der elektrische Antrieb der Schwenkeinrichtung ermöglicht ein automatisches Schwenken der zweiten Antennenanordnung. Die Automatisierung des Schwenkens ermöglicht eine präzise Steuerung des Ausrichtungswinkels der zweiten Antennenanordnung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Schwenkeinrichtung eingerichtet, die zweite Antennenanordnung zur Erfassung des Grenzstands des Füllguts um 360 Grad zu schwenken.
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Die Rotationsachse kann vertikal oder horizontal oder mit einem Winkel zur Ausrichtung der Grenzstandmessanordnung angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Umschalteinrichtung zum wahlweisen Aktivieren der ersten Antennenanordnung und der zweiten Antennenanordnung zyklisch in einer fest vorgegebenen zeitlichen Abfolge eingerichtet sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Umschalteinrichtung zum wahlweisen Aktivieren der ersten Antennenanordnung und der zweiten Antennenanordnung durch ereignisabhängige Trigger oder Ereignis-abhängiges Triggern eingerichtet sein. Beispiele zur Durchführung bzw. Auslösung des Triggerns sind SPS, Feldbus, Funk, zusätzliche Sensorik, eine einstellbare (Mindest)Füllstandänderungsrate oder die Detektion eines zunehmenden Füllstands.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Umschalteinrichtung zum wahlweisen Aktivieren der ersten Antennenanordnung und der zweiten Antennenanordnung durch Triggern bei Erreichen oder bei Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Füllhöhe des Füllguts eingerichtet sein.
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Vorteilhaft ist, dass es somit nicht erforderlich ist, die zweite Antennenanordnung oder die Grenzstandmessanordnung während der gesamten Messzeit zu aktivieren. Es kann vorgesehen sein, dass sich die Grenzstandmessanordnung bei geringer Füllmenge in einem Warte-Modus oder Schlaf-Modus befindet. Erst ab einer bestimmten Füllhöhe oder in einem ausgewählten Messbereich wird die Umschaltung von der ersten Antennenanordnung zur zweiten Antennenanordnung gestartet. Es kann vorgesehen sein, dass das Schwenken der zweiten Antennenanordnung auch erst ab der vorgegebenen maximalen Füllhöhe oder in dem ausgewählten Füllstandmessbereich gestartet wird. Somit kann die Effizienz des integrierten Radarsensors erhöht und Energie gespart werden.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zur seriellen Füllstand- und Grenzstanderfassung eines Füllguts. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Erfassen eines Füllstands des Füllguts mit einer ersten Antennenanordnung, die vertikal ausgerichtet ist; Erfassen eines Grenzstands des Füllguts mit einer zweiten Antennenanordnung, die horizontal ausgerichtet ist; Aktivieren der ersten Antennenanordnung und der zweiten Antennenanordnung wechselseitig durch eine Umschalteinrichtung.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Antennenanordnung und die zweite Antennenanordnung wahlweise, zyklisch in einer fest vorgegebenen zeitlichen Abfolge aktiviert werden.
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Die Messsequenz kann unterschiedlich eingestellt werden. Weiterhin sind unterschiedliche Messsequenzen für verschiedene Messbereiche kombinierbar. Beispielsweise kann die Füllstandmessanordnung bei dem Unterschreiten einer vorgegebenen minimalen Füllhöhe durchgängig ohne Aktivierung der Grenzstandmessanordnung betrieben werden, da die Grenzstanderfassung bei geringer Füllmenge im Behälter nicht notwendig ist. Ist der Behälter mit Füllgut zwischen der minimalen Füllhöhe und der maximalen Füllhöhe befüllt, kann die Füllstandmessanordnung häufiger als die Grenzstandmessanordnung, beispielsweise mit einem Verhältnis von 5:1, 3:1 oder 2:1, aktiviert werden. Erreicht oder überschreitet das Füllgut die maximale Füllhöhe, kann die Füllstandmessanordnung beispielsweise gleich häufig wie die Grenzmessanordnung aktiviert werden.
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Alternativ oder zusätzlich zur zyklischen Umschaltung kann die erste Antennenanordnung und die zweite Antennenanordnung wahlweise durch Ereignis-abhängiges Triggern aktiviert werden.
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Ein solches Ereignis kann beispielsweise das Erreichen oder das Überschreiten der vorgegebenen maximalen Füllhöhe des Füllguts sein.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einem Prozessor eines freistrahlenden Radarsensors zur seriellen Füllstand- und Grenzstanderfassung für ein Füllgut in einem Behälter ausgeführt wird, den Radarsensor anweist, die folgenden Schritte auszuführen: Erfassen eines Füllstands des Füllguts mit einer ersten Antennenanordnung, die vertikal ausgerichtet ist; Erfassen eines Grenzstands des Füllguts mit einer zweiten Antennenanordnung, die horizontal ausgerichtet ist; Aktivieren der ersten Antennenanordnung und der zweiten Antennenanordnung wechselseitig durch eine Umschalteinrichtung.
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Ein weiterer Aspekt betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem das oben beschriebene Programmelement gespeichert ist.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
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Figurenliste
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Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden Beschreibung in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleichen oder ähnlichen Elemente.
- 1a zeigt eine schematische Darstellung eines freistrahlenden Radarsensors zur seriellen Füllstand- und Grenzstanderfassung gemäß einer Ausführungsform.
- 1b zeigt eine schematische Darstellung eines freistrahlenden Radarsensors zur seriellen Füllstand- und Grenzstanderfassung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltung eines freistrahlenden Radarsensors mit mehreren Antennenanordnungen gemäß einer Ausführungsform.
- 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur seriellen Füllstand- und Grenzstanderfassung eines Füllguts gemäß einer Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1a und 1b zeigt schematische Darstellungen eines freistrahlenden Radarsensors 100.
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Der freistrahlende Radarsensor 100 ist seitlich an der Öffnung des Behälters 300 oberhalb des Füllguts angeordnet und zur seriellen Füllstand- und Grenzstanderfassung eines Füllguts in einem Behälter 300 eingerichtet. Bei dem Behälter 300 kann es sich um einen geschlossenen Behälter handeln, aber auch um einen offenen Behälter, beispielsweise eine Schütthalde oder ein Förderband.
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Der frei strahlende Radarsensor 100 weist eine erste Antennenanordnung 101 und eine zweite Antennenanordnung 102 auf.
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Die erste Antennenanordnung 101 ist vertikal ausgerichtet. Die Ausstrahlrichtung der ersten Antennenanordnung 101 ist senkrecht zum Boden des Behälters 300. Die erste Antennenanordnung 101 ist zur Abstrahlung eines Messsignals zur Bestimmung des Füllstands des Füllguts eingerichtet.
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Die zweite Antennenanordnung 102 ist horizontal ausgerichtet. Die Ausstrahlrichtung der zweiten Antennenanordnung 102 ist parallel zum Boden des Behälters 300. Die zweite Antennenanordnung ist zur Abstrahlung eines Messsignals zur berührungslosen Detektion des Grenzstands des Füllguts eingerichtet. Die Grenzstandmessanordnung erlaubt, ein Warnhinweis abzugeben, sobald der oberste Bereich des Schüttguts eine maximalen Füllhöhe erreicht.
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Alternativ kann die zweite Antennenanordnung 102 nicht horizontal, sondern mit einem bestimmten Winkel zur horizontalen Ausrichtung, wie in 1b dargestellt, ausgerichtet sein. Die „maximale“ Füllhöhe liegt in diesem Fall deutlich unterhalb der zweiten Antennenanordnung 102. Dadurch kann der freistrahlende Radarsensor 100 zuverlässig vor Überfüllung und vor Kontaminierung mit dem Füllgut geschützt werden.
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Weiterhin weist der freistrahlenden Radarsensor 100 eine Schwenkeinrichtung 120 auf, an der die zweite Antennenanordnung 102 befestigt ist.
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Die Schwenkeinrichtung 120 kann so eingerichtet sein, dass sich die zweite Antennenanordnung 102 um eine vertikale Rotationsachse Ry oder um eine horizontale Rotationsachse Rx rotieren lässt. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich die zweite Antennenanordnung 102 um eine Rotationsachse mit einem Winkel zur Ausrichtung der Grenzstandmessanordnung 102 rotieren lässt.
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Es ist möglich, die zweite Antennenanordnung 102 mittels der Schwenkeinrichtung 120 um 360 Grad zur Erfassung des Grenzstands zu schwenken. Zu bemerken ist, dass, um Fehlmessungen zu vermeiden, auf diese Weise gewisse Abschnitte bzw. Störquellen im Behälter umgangen werden können, beispielsweise durch eine software-gesteuerte Ausblendung der entsprechenden Messdaten oder eine parametrierbare Entfernung.
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Es kann ein einschiebbarer oder fest installierter Radarspiegel 500 vorgesehen sein, eingerichtet zum Umlenken des von der ersten Antennenanordnung 101 abgestrahlten Messsignals quer zur Abstrahlrichtung des Füllstandmesssignals zur Grenzstanderfassung. Es kann sich hierbei um einen halbdurchlässigen Spiegel handeln, so dass kein Herausschieben aus dem Strahlengang erforderlich ist, um den Füllstand zu messen. Die zweite Antennenanordnung 102 kann bei Verwendung des Spiegels entfallen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltung eines freistrahlenden Radarsensors 100 mit mehreren Antennenanordnungen.
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Der frei strahlende Radarsensor weist mehrere Antennenanordnungen 101, 102, 103 auf, welche zur Füllstandmessung, Grenzstandmessung und eine weitere Messung dienen. Die Antennenanordnungen 101, 102, 103 sind durch die Umschalteinrichtung 110 mit einer einzelnen, gemeinsamen Signalerzeugungseinheit 130 und einer einzelnen, gemeinsamen Steuereinheit 140 verbunden. Die Signalerzeugungseinheit 130 ist eingerichtet, ein gemeinsames Pulssignal, kontinuierliches Signal (FMCW) oder anderweitiges Messsignal, für die Antennenanordnungen 101, 102, 103 zu erzeugen. Die Steuereinheit 140 ist eingerichtet, die Umschalteinrichtung 110 so zu steuern, dass eine Füllstandmessung oder Grenzstandmessung nacheinander aktiviert bzw. deaktiviert wird.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur seriellen Füllstand- und Grenzstanderfassung eines Füllguts.
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Im ersten Schritt 301 wird ein Füllstand des Füllguts durch eine erste Antennenanordnung 101 einer Füllstandmessanordnung erfasst. Im Schritt 302 wird ein Grenzstand des Füllguts durch eine zweite Antennenanordnung 101 einer Grenzstandmessanordnung erfasst. Beide Anordnungen weisen dieselbe Elektronik auf. Im Schritt 303 erfolgt ein wechselseitiges Aktivieren der ersten Antennenanordnung 101 und der zweiten Antennenanordnung 102 durch eine Umschalteinrichtung 110.
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Die Umschaltung, nämlich das Aktivieren der ersten Antennenanordnung 101 oder der zweiten Antennenanordnung 102, kann zyklisch in einer fest vorgegebenen zeitlichen Abfolge oder durch Ereignis-abhängiges Triggern, wie z. B. das Erreichen oder die Überschreitung der maximalen Füllhöhe, erfolgen.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ oder „aufweisen“ keine anderen Elemente ausschließt und „eine“ oder „ein“ kleine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsformen beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsformen verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
