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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erfassung einer Information über den Füllstand eines ein Fluid speichernden Behälters.
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Für die Durchflussmessung von Fluiden, wie beispielsweise Flüssigkeiten, Gase, oder Schüttgüter, durch Leitungen existieren verschiedene Technologien, wie z.B. Blendenmessung, Ovalradzähler oder Schwebekörper-Durchflussmesser. Für viele dieser Verfahren gilt, dass hierzu eine Messvorrichtung in direkten Kontakt mit dem Fluid tritt. Die deshalb erforderlichen Vorkehrungen bei Fluiden, die unter Druck stehen oder bei hohen Temperaturen vorliegen, bei denen es sich um aggressive, d.h. insbesondere abrasive, explosive, brennbare, korrosive oder oxidative Fluide handelt, oder bei denen eine Kombinationen der vorgenannten Faktoren zum Tragen kommt, haben zur Folge, dass derartige Messvorrichtungen mit hohen Kosten verbunden sind.
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Daneben existieren Systeme zur Messung ohne Medienberührung, wie beispielsweise magnetisch-induktiv arbeitende Systeme, Coriolis-Massedurchflussmesser oder Ultraschall-Messsysteme, die allerdings gewissen Einschränkungen unterliegen und ebenfalls mit hohen Kosten verbunden sind. Apparate zur Durchflussmessung, die mit Ultraschall arbeiten, sind beispielsweise aus der
DE 10 2014 106 706 A1 ,
EP 1 413 858 A1 oder der
US 5 546 813 B1 bekannt.
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Zur Messung von Füllständen in fluidgefüllten Behältern kommen Messsysteme zum Einsatz, die den Druck im Behälter oder einer vom Behälter abgehenden Leitung messen. Die bekannten Systeme sind in der Lage, den Behälterdruck und damit den Füllstand des Behälters mit einer hohen Genauigkeit zu ermitteln, erfordern allerdings den direkten Kontakt eines Sensors mit dem im Behälter gespeicherten Fluid, was aus den oben genannten Gründen mit Nachteilen und teilweise erheblichen Kosten verbunden ist. Daneben werden weitere Messprinzipien eingesetzt, beispielsweise Messung der Masse oder Ultraschallmessung von Phasengrenzen, die jeweils über spezifische Vor- und Nachteile verfügen.
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In vielen Fällen ist die Kenntnis eines exakten Werts für den Füllstand im Behälter keineswegs erforderlich. Will man die Information über den Füllstand im Behälter beispielsweise lediglich dazu nutzen um festzustellen, ob der Behälter nahezu entleert ist und bald ausgetauscht werden muss, kann diese Information bereits aus einem recht groben Wert des Behälterdrucks bzw. des Füllstands gewonnen werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine einfach aufgebaute und preiswert zu realisierende Vorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, eine Information über den Füllstand eines fluidgefüllten Behälters zu erhalten.
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Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung einer Information über den Füllstand eines ein Fluid speichernden Behälters, der mit einer Befüll- und/oder Entnahmeleitung und einer in der Befüll- und/oder Entnahmeleitung angeordneten Befüll- und/oder Entnahmearmatur ausgerüstet ist, umfasst ein an der Befüll- und/oder Entnahmeleitung oder einem Korpus des Behälters angeordnetes Mikrofon zum Erfassen eines akustischen Signals beim Durchfluss von Fluid durch die Befüll- und/oder Entnahmeleitung, Mittel zum Übertragen des vom Mikrofon erfassten akustischen Signals an eine Auswerteeinheit, welche Auswerteeinheit eine Speichereinheit zum Speichern einer Kennlinie, die eine Information über die Änderung eines charakteristischen Parameters in Abhängigkeit vom Behälterdruck und ggf. der Fluidtemperatur enthält, eine Rechnereinheit, die aus dem vom Mikrofon detektierten akustischen Signal einen aktuellen Wert für den charakteristischen Parameter ermittelt, und eine Vergleichseinheit umfasst, die den so ermittelten aktuellen Werts für den charakteristischen Parameter mit der im Speicher gespeicherten Kennlinie vergleicht und hieraus eine Information über den Behälterinhalt errechnet, sowie eine in der Auswerteeinheit integrierte oder mit dieser datenverbundene Anzeigeeinheit, mit der die Information über den Behälterinhalt einer Bedienperson angezeigt werden kann.
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Beim charakteristischen Parameter handelt es sich um eine aus dem akustischen Spektrum zu ermittelnde Kenngröße, beispielsweise die Frequenz, eine Kombination mehrerer Frequenzen oder ein Frequenzbereich mit maximaler Amplitude, die Stärke des Gesamtsignals oder um eine andere spektrale Charakteristik. Wesentlich für den charakteristischen Parameter ist, dass er sich mit einem sich ändernden Mengendurchfluss des Fluids durch die Befüll- und/oder Entnahmeleitung ebenfalls ändert (umgangssprachlich könnte man dies als „akustischen Fingerabdruck“ eines Durchflusses beschreiben). Wenn der Mengendurchfluss des Fluids sich ändert, verändert sich damit zugleich der Wert für den charakteristischen Parameter, der somit dazu geeignet ist, eine Information über den Füllstand im Behälter (hier auch als „Behälterinhalt“ bezeichnet) zu liefern.
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Aus dem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten Wert für den Füllstand kann nicht unbedingt ein exakter Wert für den Behälterinhalt ermittelt werden. Er reicht jedoch in vielen Anwendungsfällen völlig aus, um einer Bedienperson die für sie erforderliche Information über den Füllstand im Behälter zu liefern, wie beispielsweise eine Information darüber, ob die im Behälter vorhandene Fluidmenge voraussichtlich noch zur Erledigung einer beabsichtigten Aufgabe ausreicht. Dementsprechend reicht es für die Anzeigeeinheit völlig aus, den Füllstand eher grob anzuzeigen, beispielsweise als Prozentwert oder Bruchteil des maximalen Füllstandes oder in einer Farbcodierung.
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Bevorzugt dient die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu, eine Information über den Füllstand einer Druckgasflasche oder eines Druckgasflaschenbündels während der Befüllung mit oder der Entnahme von Gas in den bzw. aus dem Behälter zu gewinnen. Derartige Druckgasbehälter sind bekannt und werden beispielsweise dazu genutzt, Luftgase wie Stickstoff, Sauerstoff oder Argon, Kohlendioxid oder Gasgemische, insbesondere Schweißgasgemische, zu bevorraten. Sie weisen einen maximalen Betriebsdruck von üblicherweise zwischen 10 bar und 500 bar, insbesondere von etwa 200 bar oder etwa 300 bar auf und besitzen ein Volumen zwischen 1 I und 1501 und besitzen als Befüll- und/oder Entnahmearmatur ein Ventil, über das sowohl die Befüllung als auch die Entnahme des Gases erfolgt (nachfolgend als „Ventil“ bezeichnet). Die Erfindung ist im Übrigen jedoch auch für größere Behälter einsetzbar, beispielsweise Standtanks oder auf Trailern montierte Tanks, die mehrere Tausend Liter fassen können. Bei Druckgasflaschen kann das Mikrofon und/oder die Auswerteeinheit beispielsweise direkt am Ventil montiert sein, oder die Auswerteeinheit befindet sich mitsamt der Anzeigeeinheit in einer fest an der Druckgasflasche montierten Schutzvorrichtung für das Ventil und steht mit dem am Ventil oder an einem an das Ventil sich anschließenden Leitungsabschnitt montierten Mikrofon in Datenverbindung. Bei Druckgasflaschenbündeln ist das Mikrofon bevorzugt an einer die Druckgasflaschen des Bündels miteinander verbindenden Sammelleitung und die Auswerteeinheit innerhalb eines die Druckgasflaschen des Bündels einfassenden Bündelgestells angeordnet.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Auswerteeinheit mit wenigstens einem Sensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur und/oder der Temperatur der Entnahmeleitung und/oder der Temperatur des Fluids im Behälter datenverbunden ist. Diese Temperaturen können das akustische Signal des durch die Befüll- und/oder Entnahmeleitung strömenden Fluids beeinflussen und somit den errechneten Wert für den Füllstand verfälschen. Deren Erfassung ermöglicht eine entsprechende Korrektur des in der Vergleichseinheit errechneten Werts für den Behälterdruck bzw. den Füllstand im Behälter.
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Zweckmäßigerweise ist das Mikrofon mit einer Schallisolierung zum Abschirmen akustischer Signale ausgerüstet, die von Quellen außerhalb der Entnahmeleitung stammen und das Messsignal stören können.
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Die Auswerteeinheit ist in einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung gleichfalls am Behälter angeordnet und mit dem Mikrofon beispielsweise über eine Kabelverbindung datenverbunden. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist dem Mikrofon ein Sender und der Auswerteeinheit eine Empfangseinheit zum Empfangen der vom Sender emittierten Signale zugeordnet. Bei dieser Ausgestaltung kann die Auswerteeinheit auch räumlich entfernt vom Mikrofon angeordnet sein, beispielsweise in einem Rechner eines Kontrollzentrums oder auf dem Smartphone eines Benutzers. Auf diese Weise ist eine Fernüberwachung des Füllstandes möglich. Wird die Auswerteeinheit auf einem Smartphone oder einem anderen mobilen Gerät installiert, empfiehlt es sich, Sender und Empfangseinheit so auszugestalten, dass eine Kommunikation über Bluetooth oder einer anderen kurzreichweitigen Datenübertragung möglich ist. Eine wieder andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Mikrofon und/oder die Auswerteeinheit in einem mobilen Gerät installiert sind. Beide Elemente können dabei im gleichen oder in unterschiedlichen Geräten installiert sein. Beispielsweise können beide Elemente in einem Smartphone installiert sein, wobei bevorzugt das im Smartphone bereits vorinstallierte Mikrofon als Mikrofon im Sinne der Erfindung eingesetzt wird, oder es kommt ein mobiles Mikrofon zum Einsatz, das mit einem Smartphone, in dem die Auswerteeinheit installiert ist, über Kabel oder kabellos in Datenverbindung steht. Ebenso ist vorstellbar, dass die Anzeigeeinheit von der Auswerteeinheit getrennt ist und mit dieser über eine geeignete, beispielsweise kabellose Datenverbindung, in Kontakt steht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Auswerteeinheit so ausgebildet, dass mit ihr die Durchflussrichtung des Fluids durch die Befüll- und/oder Entnahmeleitung bestimmbar ist. Beispielsweise liegen hierzu im Speicher der Auswerteeinheit zusätzlich auch Kennlinien für Befüllvorgänge oder charakteristische Parameterverläufe vor, mit deren Hilfe sich die Flussrichtung bestimmen lässt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung einer Information über den Füllstand eines ein Fluid speichernden Behälters unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- a. Beim Entnehmen von Fluid aus dem Behälter oder beim Befüllen von Fluid in den Behälter durch Öffnen der Befüll- und/oder Entnahmearmatur wird mit dem Mikrofon ein beim Durchfluss des Fluids durch die Befüll- und/oder Entnahmeleitung erzeugtes akustisches Messsignal erfasst,
- b. Aus dem akustischen Messsignal wird ein charakteristischer Parameter ermittelt,
- c. Der charakteristische Parameter des Messsignals wird mit einer Kennlinie verglichen, die eine Information über die Veränderung des charakteristischen Parameters in Abhängigkeit vom Behälterinhalt beinhaltet,
- d. Durch den Vergleich mit der Kennlinie wird eine Information über den Behälterinhalt ermittelt,
- e. Die Information über den Inhalt wird einer Anzeigeeinheit übermittelt und von dieser angezeigt.
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Die Schritte b. bis d. erfolgen dabei als elektronische Prozesse in der Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die entweder direkt, beispielsweise über Kabel oder in einer Datenfernverbindung mit dem Mikrofon in Datenaustausch steht. Schritt e. erfolgt in der Auswerteeinheit, sofern die Anzeigeeinheit Teil der Auswerteeinheit ist. Es ist jedoch ebenso vorstellbar, dass die Information über Kabel oder kabellos von der Auswerteeinheit an eine externe Anzeigeeinheit gesendet wird, die beispielsweise in einem externen Rechner oder einem Smartphone installiert ist.
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Die Ermittlung der Kennlinie erfolgt bevorzugt durch folgende Vorgehensweise: Zunächst wird der Behälter mit Fluid befüllt, und das Fluid anschließend durch Öffnen der Entnahmearmatur über die Entnahmeleitung vollständig abgelassen. Während das Fluid durch die Entnahmeleitung strömt, wird mittels des Mikrofons ein vom Fluid in der Entnahmeleitung erzeugtes akustisches Signal kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen erfasst. Aus den Messwerten wird kontinuierlich oder in vorgegebenen, unterschiedlichen Füllständen bzw. Druckwerten im Behälter entsprechenden Zeitabständen der Wert des jeweiligen charakteristischen Parameters ermittelt und zu einer Kennlinie zusammengefasst, die die Änderung des charakteristischen Parameters vom Füllstand bzw. dem Behälterdruck beschreibt. Diese Kennlinie wird in der Speichereinheit der Auswerteeinheit als Referenz für die bei einer späteren Fluidentnahme ermittelten Werte für den charakteristischen Parameter abgelegt. In gleicher Art und Weise kann eine entsprechende Kennlinie für die Befüllung eines Behälters ermittelt werden.
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Die Ermittlung der Kennlinien kann im Übrigen am gleichen Behälter erfolgen, an dem auch die spätere Messung erfolgt, etwa vor der erstmaligen Ausgabe des Behälters an einen Kunden oder im Zuge einer regelmäßigen Überprüfung des Behälters, oder es wird eine Kennlinie an einem Normbehälter, stellvertretend für alle mit dem gleichen Fluid zu befüllenden und mit den gleichen Befüll- und/oder Entnahmearmaturen ausgerüstete Behälter gleicher Bauart, bestimmt und diese Kennlinie als Normkennlinie in eine Mehrzahl von Speichereinheiten eingegeben.
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Bevorzugt wird zusätzlich die Temperatur der Umgebung und/oder die Außentemperatur der Entnahmeleitung und/oder die Temperatur des Fluids im Behälter erfasst und hieraus in der Auswerteeinheit nach einem vorgegebenen Programm ein korrigierter Wert für den charakteristischen Parameter berechnet, der anschließend an der Anzeigeeinheit angezeigt wird.
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In einer gleichfalls bevorzugten Ausführungsform wird in Fällen, in denen eine in einen Behälter einmündende Leitung sowohl als Befüll- als auch als Entnahmeleitung einsetzbar ist, aufgrund des zeitlichen Verlaufs des am Mikrofon erfassten akustischen Messsignals die Durchflussrichtung des Fluids bestimmt.
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Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Die einzige Zeichnung (1) zeigt schematisch eine an einer Druckgasflasche montierte erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Bei der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 handelt es sich um eine Vorrichtung zur Erfassung einer Information über den Füllstand eines ein Fluid speichernden Behälters; im Ausführungsbeispiel handelt es sich beim Behälter um eine Druckgasflasche 2, in der ein Gas, beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, ein Edelgas oder ein Schweißgasgemisch, unter einem Druck von beispielsweise 200 bar oder 300 bar bevorratet wird. Die Druckgasflasche 2 besitzt einen bevorzugt aus Stahl gefertigten Korpus 3 mit einem Volumen von beispielsweise zwischen 1l und 1501. Am Hals 4 der Druckgasflasche 2 ist ein Ventil 5 mit Handrad 6 und Seitenstutzen 7 angeordnet. Das Ventil 5 wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Teil einer Entnahmeleitung 8 zum Versorgen eines hier nicht gezeigten Verbrauchers mit Gas aus der Druckgasflasche 2 aufgefasst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein außen an der Entnahmeleitung 8, im hier gezeigten Ausführungsbeispiel am Entnahmeventil 5, befestigtes Mikrofon 9 sowie eine mit dem Mikrofon 9 in Datenverbindung stehende elektronische Auswerteeinheit 10. Das Mikrofon 9 ist so ausgelegt, dass es akustische Signale, die beim Durchfluss des Gases durch das Ventil 5 entstehen, aufnehmen kann. Im Übrigen kann das Mikrofon 9 anstelle der hier gezeigten Anordnung am Entnahmeventil 5 auch an der Außenoberfläche einer am Seitenstutzen 7 angeschlossenen Leitung oder an der Außenoberfläche des Korpus 3 montiert sein.
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Die hier durch eine strichpunktierte Linie lediglich angedeutete Auswerteeinheit 10 ist bevorzugt an der Druckgasflasche 2 montiert, beispielsweise in einer hier nicht gezeigten Ventilschutzeinrichtung in Gestalt einer Haube oder eines Käfigs, die am Hals 4 der Druckgasflasche 2 befestigt ist.
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Die Auswerteeinheit 10 umfasst eine Rechnereinheit 11, eine Vergleichseinheit 12, einen Speicher 13 und eine Anzeigeeinheit 14. In der Rechnereinheit 11 werden vom Mikrofon 9 aufgenommene akustische Signale nach einem vorgegebenen Programm verarbeitet und zur Ermittlung eines charakteristischen Parameters verwendet. Beim charakteristischen Parameter handelt es sich um eine aus dem akustischen Spektrum zu ermittelnde Kenngröße, beispielsweise die Frequenz oder ein Frequenzbereich mit maximaler Amplitude, die Stärke des Gesamtsignals, oder um eine andere spektrale Charakteristik. Wesentlich für den charakteristischen Parameter ist, dass er sich mit einer Änderung des Mengendurchflusses des Gases durch das Ventil 5 bzw. dem Teil der Entnahmeleitung 8, an dem das Mikrofon 9 aufliegt, in eindeutiger Weise ebenfalls ändert.
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Im Speicher 13 ist für eben diesen charakteristischen Parameter eine Kennlinie gespeichert, die die Änderung des charakteristischen Parameters in Abhängigkeit vom Druck des Gases in der Druckgasflasche 2 beschreibt. Die Kennlinie wurde zuvor bevorzugt empirisch ermittelt, indem nach einer vollständigen Befüllung des Druckgasbehälters 2 mit dem gleichen Gas das Ventil 5 geöffnet und während der darauf folgenden allmählichen Entleerung vom Mikrofon 9 ein von dem durch die Entnahmeleitung 6 strömenden Gas abgegebenes akustisches Signal kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen erfasst wurde; aus den so erfassten akustischen Signalen wurde eine Abfolge von Werten des charakteristischen Parameter errechnet und aus diesen eine Kennlinie des charakteristischen Parameters in Abhängigkeit von dem zugleich gemessenen Fülldruck in der Druckgasflasche 2 bzw. deren Inhaltsmenge gebildet. Die Ermittlung der Kennlinie kann im Übrigen an derselben Druckgasflasche 2 erfolgen oder an einer anderen Druckgasflasche gleicher Bauart, die mit dem gleichen Gas befüllt wurde, wobei im letzteren Fall die Kennlinie elektronisch in die Speichereinheit 13 einzugeben ist.
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Die Vergleichseinheit 12 vergleicht den in der Rechnereinheit 11 aus dem gemessenen akustischen Signal ermittelten Wert für den charakteristischen Parameter mit der im Speicher 13 vorliegenden Kennlinie und errechnet hieraus einen Wert über den ungefähren Druckbereich, in dem sich der Fülldruck der Druckgasflasche 2 befindet. Dieser Wert wird an die Anzeigeeinheit 14 übermittelt, die den entsprechenden Druckbereich in einer recht groben, aber für die meisten Anwendungsfälle völlig hinreichenden optischen Anzeige 15 widergibt.
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In dem von der Vergleichseinheit 12 ermittelte Wert für den Druckbereich kann ein Korrekturfaktor berücksichtigt werden, der den Einfluss der Temperatur der Umgebung und/oder der Temperatur des Gases in der Entnahmeleitung 8 und/oder der Temperatur des Gases in der Druckgasflasche 2 beschreibt. Die Temperatur wird mittels eines geeigneten Temperatursensors 16, der in 1 beispielshaft direkt am Entnahmeventil 5 angeordnet gezeigt ist, gemessen. Der Temperatursensor 16 steht mit der Vergleichseinheit 12 der Auswerteeinheit 10 in Datenverbindung, die aus den gemessenen Temperaturwerten nach einem in der Auswerteeinheit 10 vorliegenden Programm den entsprechenden Korrekturfaktor ermittelt und den korrigierten Wert des Druckbereiches an die Anzeigeeinheit 14 abgibt.
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Um Störeinflüsse von akustischen Signalen zu minimieren, die von Quellen außerhalb des Entnahmeleitung 8 stammen, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Mikrofon 8 auf seinen vom Rohr 7 abgewandten Seiten mit einer Schallisolierung 17 ausgerüstet.
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Anstelle der hier gezeigten Druckgasflasche 2 können im Übrigen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 auch Füllstände anderer Behälter zum Speichern gasförmiger oder flüssiger Substanzen erfasst werden, beispielsweise Druckgasflaschenbündel oder Tanks, in denen Gas unter Druck und/oder im verflüssigten Zustand bevorratet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Vorrichtung
- 2.
- Druckgasbehälter
- 3.
- Korpus
- 4.
- Hals
- 5.
- Ventil
- 6.
- Handrad
- 7.
- Seitenstutzen
- 8.
- Befüll- und/oder Entnahmeleitung
- 9.
- Mikrofon
- 10.
- Auswerteeinheit
- 11.
- Rechnereinheit
- 12.
- Vergleichseinheit
- 13.
- Speicher
- 14.
- Anzeigeeinheit
- 15.
- Optische Anzeige
- 16.
- Temperatursensor
- 17.
- Schallisolierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014106706 A1 [0003]
- EP 1413858 A1 [0003]
- US 5546813 B1 [0003]
