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Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Messung eines Füllstandes oder eines Grenzstandes in einem Behälter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung eines Füllstandes oder Grenzstandes in einem Behälter.
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Aus der Praxis sind mehrere Verfahren zur Ermittlung von Füllständen oder Grenzständen von Füllgütern in unterschiedlichen Behältern bekannt. Eines der weit verbreiteten Verfahren beruht beispielsweise darauf, Elektroden an einer Außenwand eines Behälters anzuordnen und über die Änderung der Kapazität bzw. Impedanz die Änderung des Füllstandes zu detektieren. Für eine solche Messung ist es notwendig, dass das Füllgut dielektrische Eigenschaften aufweist. Dadurch kann eine solche Messmethode nur für eine begrenzte Anzahl an Füllgüter angewendet werden.
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Die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messsystem und ein Messverfahren zur Verfügung zu stellen, mittels welchen in einfacher Weise ein Füllstand oder ein Grenzstand in einem Behälter unabhängig von der Art des Füllguts bestimmt werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Messsystem zur Messung eines Füllstandes oder Grenzstandes in einem Behälter weist dabei einen Behälter auf, welcher sich in Abhängigkeit vom Füllstand des in dem Behälter anordenbaren Füllguts verformt. Das Messsystem umfasst ferner mindestens einen Sensor zur Messung der Verformung des Behälters. Aufgrund eines vorher ermittelten Zusammenhangs zwischen der Verformung des Behälters, und insbesondere der Verformung einer Behälterwand, kann dann der Füllstand bzw. die Erreichung eines Grenzstandes in dem Behälter ermittelt werden.
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Der Vorteil eines erfindungsgemäßen Messsystems ist, dass keine besonderen Anforderungen an die Art bzw. an bestimmte Eigenschaften des Füllguts bestehen, insbesondere keine Anforderung hinsichtlich dielektrischer Eigenschaften. Vielmehr kann der Füllstand von jeglichen Füllgütern ermittelt werden. Bei den Füllgütern kann es sich sowohl um Flüssigkeiten oder Feststoffe oder auch Gase handeln. Die einzige Voraussetzung ist, dass sich der Behälter in Abhängigkeit des Füllstandes verformt. Diese Voraussetzung ist jedoch bei einer Vielzahl von Behältern gegeben und stellt daher keine besonders große Einschränkung dar. Das erfindungsgemäße Messsystem ist damit vielseitig einsetzbar.
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Für die Bestimmung der Verformung des Behälters können unterschiedliche Sensoren eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Verformung mittels Lasern gemessen werden, welche auf den Behälter gerichtet sind.
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Insbesondere ist an dem Behälter aber mindestens ein Dehnungsmessstreifen angeordnet. Ein Dehnungsmessstreifen ist ein besonders einfacher und kostengünstiger Sensor zur Messung der Verformung eines Behälters. Mittels des Dehnungsmessstreifen oder der mehreren Dehnungsmessstreifen kann die Verformung des Behälters direkt detektiert werden, indem sich der Dehnungsmessstreifen mitsamt dem Behälter verformt. Das ermittelte Dehnungssignal kann dann in Relation zum Füllstand gesetzt werden. Bei einem Dehnungsmessstreifen wird in der Regel eine durch die Verformung hervorgerufene Widerstandsänderung gemessen, welche dann in Relation zum Füllstand in dem Behälter gebracht werden kann. Der Dehnungsmessstreifen ist insbesondere zur Messung des Widerstandes funktional mit einer Auswerteschaltung und einer Auswerteeinheit verbunden. Hier kommen insbesondere bekannte Messbrückenschaltungen zum Einsatz mit denen sich zum einen der Temperatureinfluss korrigieren lässt und zum anderen auch Krümmungen unterschiedlicher Richtungen detektierbar sind.
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In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messsystems handelt es sich bei dem Behälter um einen Behälter aus Kunststoff. Bei Behältern aus Kunststoff tritt eine besonders große Verformung in Abhängigkeit des Füllstandes auf, so dass die Ermittlung des Füllstandes oder Grenzstandes hier besonders zuverlässig erfolgen kann.
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Insbesondere handelt es sich bei dem Behälter um einen sogenannten intermediate bulk container (IBC) bzw. ein Großpackmittel. Ein solcher IBC-Behälter kann ein Füllvolumen von 300 Litern bis 5000 Litern aufweisen. Die Wandstärke des Behälters beträgt insbesondere maximal 5 mm und bevorzugt maximal 4 mm, um bei weiterhin ausreichender Stabilität auch eine möglichst ausreichende Verformung in Abhängigkeit des Füllstandes aufzuweisen. Derartige IBC-Behälter zeigen üblicherweise eine starke Verformung in Abhängigkeit des Füllstandes des Füllgutes, so dass sich hier ein erfindungsgemäßes Messsystem besonders gut einsetzen lässt.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messsystems ist der mindestens eine Sensor derart angeordnet, dass er die Verformung an ein einer Seitenwand des Behälters detektiert. An einer Seitenwand wirkt sich die Verformung des Behälters in Abhängigkeit des Füllstandes besonders stark aus, wie insbesondere in Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung nochmal deutlich wird. Die Erfassung des Füllstandes an einer Seitenwand ist damit besonders genau. Ebenfalls lässt sich der mindestens eine Sensor leicht auf die Seitendwand richten oder an dieser befestigen, da diese in der Regel besser zugänglich sind, als beispielsweise der Boden des Behälters.
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Insbesondere ist der mindestens eine Dehnungsmessstreifen an einer Seitenwand des Behälters angeordnet. Es können auch mehrere Dehnungsmessstreifen an einer und/oder an verschiedenen Seitenwänden des Behälters angeordnet sein. Bei einem Füllstand von ca. 50% des gesamten Füllvolumens weisen die Seitenwände des Behälters insbesondere keine oder eine nur sehr geringe Verformung auf und die Seitenwände erstrecken sich im Wesentlichen vertikal. Ein an der Seitenwand angeordneter Dehnungsmessstreifen wird bei diesem Füllstand nicht oder kaum gedehnt. Bei einem Füllstand unterhalb von 50% weisen die Seitenwände eine konkave Krümmung auf, d.h. die Seitenwände sind in Richtung des Behälterinneren verformt. Je niedriger der Füllstand ist, umso stärker ist die Krümmung der Seitenwände. Entsprechend ist bei einem Füllstand von 0% (d.h. es ist kein Füllgut in dem Behälter angeordnet) die Seitenwand maximal konkav gekrümmt. Füllstände über 50% bewirken eine konvexe Krümmung der Seitenwände, d.h. die Seitenwände sind nach außen verformt. Je größer der Füllstand ist, umso größer die konkave Krümmung. Bei geeigneter Anordnung und Verschaltung von Dehnungsmessstreifen detektieren diese im Falle von Füllständen unter 50% negative Krümmungen und entsprechend im Falle von Füllständen über 50% eine positive Krümmung.
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Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Laser auf die Seitenwand gerichtet sein.
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Das Messsystem weist eine besonders gute Sensitivität auf, wenn der mindestens eine Sensor derart angeordnet ist, dass er die Verformung auf einer mittleren Höhe der Seitenwand des Behälters detektiert. Als mittlere Höhe wird dabei eine Höhe bezeichnet, die in einem Bereich liegt, der sich ausgehend von der Bodenfläche des Behälters bis zur Deckfläche des Behälters in einem Bereich zwischen 25% und 75% der Höhe und bevorzugt in einem Bereich zwischen 40% und 60% der Höhe erstreckt. Insbesondere ist der Sensor derart angeordnet, dass er die Verformung in Bezug auf die Höhe der Seitenwand genau mittig der Seitenwand detektiert. Ferner kann der Sensor in Bezug auf die Breite der Seitenwand ebenfalls genau mittig angeordnet sein. So kann insbesondere ein Dehnungsmessstreifen genau mittig der Seitenwand angeordnet sein. In der Mitte ist die größte Krümmung der Seitenwand zu erwarten, so dass hier die Erfassung des Füllstandes oder Grenzstandes besonders genau erfolgen kann.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist der Dehnungsmessstreifen auf einem selbstklebenden Träger angeordnet. Damit kann der Dehnungsmesstreifen besonders einfach und vorallem ohne zusätzliche Montagemittel mittels Kleben an dem Behälter befestigt werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ermittlung eines Füllstandes oder Grenzstandes in einem Behälter, wobei sich der Behälter in Abhängigkeit vom Füllstand des Füllgutes in dem Behälter verformt. Es wird darauf hingewiesen, dass hier auch Füllstände von 0% mit erfasst werden sollen, d.h. ein Füllstand bei dem kein Füllgut in dem Behälter angeordnet ist. Mittels mindestens eines Sensors, insbesondere mittels eines Dehnungsmessstreifens, wird die Verformung des Behälters erfasst. Anschließend wird anhand der erfassten Verformung der Füllstand oder die Erreichung des Grenzstandes ermittelt.
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Die Ermittlung des Füllstandes bzw. Grenzstandes erfolgt dabei insbesondere anhand einer vorher ermittelten Referenzkurve. Die Referenzkurve beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal des mindestens einen Sensors und dem Füllstand in dem Behälter. Das Ausgangssignal des Sensors stellt dabei ein Maß für die Verformung des Behälters dar. Handelt es sich bei dem Sensor um einen Dehnungsmesstreifen, so ist das Ausgangssignal eine relative Änderung des Widerstandes und die Referenzkurve beinhaltet den Zusammenhang zwischen Widerstand und Füllstand.
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Die entsprechend für den jeweiligen Behälter geeignete Referenzkurve kann in einer Datenbank gespeichert sein. Dabei können unterschiedliche Referenzkurven für unterschiedliche Behältertypen gespeichert sein. Die Verformung des jeweiligen Behältertyps kann dabei unter anderem von der Größe des Behälters, der Wandstärke des Behälters und/oder dem Material des Behälters abhängen. Von einer Auswerteeinheit kann die zu dem Behältertyp passende Referenzkurve jeweils zu Beginn des Verfahrens oder einmal vor der ersten Messung abgerufen werden und hinterlegt werden.
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In einer praktischen Ausführungsform erfolgt die Ermittlung des Füllstandes unter Berücksichtigung der Dichte des Füllguts. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn verschiedene Füllgüter mit stark unterschiedlicher Dichte in den Behälter eingefüllt werden und zu abweichenden Verformungen des Behälters führen. Auch hier können für einen Behältertyp für unterschiedliche Dichten des Füllguts jeweils korrespondierende Referenzkurven zur Verfügung gestellt werden.
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Weitere praktische Ausführungsformen sind in Verbindung mit den Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Messsystem in einer schematischen Darstellung,
- 2a den mit II gekennzeichneten Bereich des Messsystems aus 1 bei einem ersten Füllstand,
- 2b den mit II gekennzeichneten Bereich des Messsystems aus 1 bei einem zweiten Füllstand,
- 2c den mit II gekennzeichneten Bereich des Messsystems aus 1 bei einem dritten Füllstand, und
- 3 eine Darstellung einer schematischen Referenzkurve, welche den Zusammenhang von Verformung und Füllstand wiedergibt.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Messsystem 10 gezeigt. Das Messsystem 10 umfasst einen Behälter 12, vorliegend einen Intermediate Bulk Container (IBC) aus Kunststoff. An einer Seitenwand 14 des Behälters 12 ist als Sensor 16 ein Dehnungsmessstreifen 18 angeordnet. Der Dehnungsmessstreifen 18 ist in Bezug auf die Höhe der Seitenwand 14 mittig angeordnet. Der Dehnungsmessstreifen 18 ist vorliegend auf einem selbstklebenden Träger angeordnet und auf die Seitenwand 14 des Behälters 12 geklebt.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist als Füllgut 20 eine Flüssigkeit in dem Behälter 12 dargestellt. Der Füllstand des Füllguts 20 ist in 1 und den 2a bis 2c jeweils durch die geschwungene Linie dargestellt.
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Wie in den 2a bis 2c gezeigt, verformt sich der Behälter 12 in Abhängigkeit des Füllstandes.
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Wenn der Behälter 12 zur Hälfte gefüllt ist (vgl. 2a), der Füllstand also 50% entspricht, ist der Behälter 12 nicht verformt und die gezeigte Seitenwand 14 des Behälters 12 erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht von oben nach unten. In diesem Fall erfährt der Dehnungsmessstreifen 18 keine Dehnung oder Verformung.
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Ist der Behälter 12 weniger als halb gefüllt, d.h. liegt der Füllstand in dem Behälter 12 unter 50%, so verformt sich der Behälter 12 und die Seitenwand 14 des Behälters 12 weist eine konkave Krümmung auf. Der an der Seitenwand 14 befestigte Dehnungsmessstreifen 18 verformt sich entsprechen mit der Behälterwand 14. Mittels des Ausgangssignals des Dehnungsmesssteifens 18 kann dann, wie im Folgenden noch in Zusammenhang mit 3 beschrieben ist, der Füllstand in dem Behälter 12 genau ermittelt werden.
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In 2c ist ein Behälter 12 mit einem dritten Füllstand gezeigt. Hier ist der Behälter 12 zu mehr als die Hälfte gefüllt und der Füllstand beträgt mehr als 50%. Die Seitenwände 14 des Behälters 12 sind in Richtung Außenseite verformt und konvex gekrümmt. Im Gegensatz zur in dem in 2b gezeigten Zustand erfährt der Dehnungsmessstreifen 18 nun eine Dehnung in die entgegengesetzte Richtung.
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In 3 ist schematisch eine Referenzkurve 22 dargestellt. Auf der y-Achse ist das von den Dehnungsmessstreifen 18 erhaltende Ausgangssignal „D“ aufgetragen und auf der x-Achse der Füllstand „F“. Die Referenzkurve 22 gibt dabei den Zusammenhang zwischen Verformung eines Behältertyps in Abhängigkeit von einem Füllgut 20 einer bestimmten Dichte wieder.
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Anhand der in 3 gezeigten exemplarischen Referenzkurve 22 kann der Füllstand bestimmt werden. Beträgt das Ausgangssignal „D“ auf der y-Achse „0“, so ist keine Verformung des Behälters 12 feststellbar und der Füllstand „F“ wird mit 50% ermittelt. Weist das Ausgangssignal „D“ einen negativen Wert auf, so können Füllstände „F“ von unter 50% abgelesen werden. Bei positiven Ausgangssignale „D“ sind die Füllstände „F“ von unter 50% ermittelbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Messsystem
- 12
- Behälter
- 14
- Seitenwand
- 16
- Sensor
- 18
- Dehnungsmessstreifen
- 20
- Füllgut
- 22
- Referenzkurve
