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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Beschreibung betrifft ein Sensorsystem zum Erfassen eines Gasvolumens innerhalb eines Behälters, um basierend auf dem erfassten Gasvolumen und dem Innenvolumen des Behälters einen Füllstand des Behälters mit einem Fluid zu bestimmen. Weiterhin betrifft die Beschreibung einen Behälter, insbesondere einen Fluidbehälter, mit einem solchen Sensorsystem.
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Technischer Hintergrund
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Flüssigkeiten werden in der Regel in Behältern gelagert oder transportiert. Oftmals ist es erforderlich, den Füllstand eines solchen Behälters zu kennen. Wenn der Behälter aus einem nicht transparenten Material besteht, fällt jedenfalls die Variante aus, über eine optische Betrachtung des Behälters samt Inhalt die Menge des Inhalts zu schätzen oder an einer Skale auf der Behälterwand abzulesen. Um diese Information zu ermitteln, kann auf verschiedene Arten eine Messung vorgenommen werden.
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Beispielsweise kann das Gewicht des Behälters samt Inhalt gewogen werden. Abzüglich des Gewichts des Behälters und unter Berücksichtigung des spezifischen Gewichts (Dichte bzw. Gewicht pro Volumeneinheit) des Inhalts kann auf die Menge des Inhalts in dem Behälter geschlossen werden.
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Daneben kann der Füllstand in einem Behälter über einen Schwimmkörper ermittelt werden. Die Höhe des Schwimmkörpers ist ein Indikator für die Menge an Flüssigkeit in dem Behälter.
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Weiterhin sind andere Lösungsansätze denkbar, um den Füllstand eines Behälters mit einer Flüssigkeit zu ermitteln.
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Die bekannten Lösungsansätze erfordern entweder den Einsatz spezifischer Geräte (Waage) oder sind mechanisch stör- und fehleranfällig bzw. haben eine zu geringe Genauigkeit, weil beispielsweise ein Schwimmkörper sich verkanten kann oder bei Bewegungen der Oberfläche der Flüssigkeit den Füllstand ungenau angibt.
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Beschreibung der Erfindung
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Es kann daher als Aufgabe betrachtet werden, den Füllstand eines Behälters auf zuverlässige Weise zu ermitteln und auf störanfällige, mechanisch bewegliche Teile in dem Messsystem zu verzichten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Sensorsystem zum Erfassen eines Gasvolumens innerhalb eines Behälters, der zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, angegeben. Das Sensorsystem umfasst eine Ton-Quelle, einen Ton-Detektor und ein Steuergerät, das mit der Ton-Quelle und dem Ton-Detektor verbunden ist. Die Ton-Quelle ist so ausgestaltet ist, dass sie eine akustische Welle basierend auf einem ersten elektrischen Signal aussendet. Der Ton-Detektor ist so ausgestaltet ist, dass er eine akustische Welle erfasst und auf der Grundlage der erfassten akustischen Welle ein zweites elektrisches Signal liefert. Das Steuergerät ist so ausgestaltet, dass es das erste elektrische Signal an die Ton-Quelle liefert, wodurch die Ton-Quelle veranlasst wird, eine Schallwelle basierend auf dem ersten elektrischen Signal zu emittieren. Das Steuergerät ist weiterhin so ausgestaltet, dass es das zweite elektrische Signal von dem Ton-Detektor empfängt, wobei das zweite elektrische Signal auf einer von dem Ton-Detektor erfassten akustischen Welle basiert und dieser entspricht. Weiterhin ist das Steuergerät ausgestaltet, um ein Verhältnis zwischen dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal zu bestimmen, wobei das Steuergerät einen Wert für ein Gasvolumen innerhalb des Behälters auf der Grundlage des bestimmten Verhältnisses bestimmt und einen Wert für ein Flüssigkeitsvolumen in dem Behälter auf der Grundlage des so bestimmten Gasvolumens und eines Behältervolumens bestimmt.
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Die Ton-Quelle kann auch als akustische Wellen aussende Vorrichtung oder Lautsprecher bezeichnet werden. Maßgeblich ist, dass die Ton-Quelle mit einem Signal (beispielsweise einem elektrischen Signal, einem optischen Signal, oder einem elektromagnetischen und drahtlos übertragenen Signal) angesteuert wird und basierend auf dem Signal eine akustische Welle erzeugt und diese abgibt. Der Ton-Detektor kann als Schallerfassungsvorrichtung oder Mikrophon bezeichnet werden. Der Ton-Detektor nimmt eine Schallwelle auf und basierend auf der Schallwelle wird beispielsweise eine Membran in Schwingungen versetzt und der Ton-Detektor erzeugt ein Signal (elektrisch, optisch, elektromagnetisch), welches der Schallwelle bzw. den Schwingungen der Membran entspricht.
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Die Ton-Quelle und der Ton-Detektor arbeiten bevorzugt mit akustischen Wellen, welche aber nicht zwingend in dem von einem Menschen hörbaren Wellenlängenbereich bzw. Frequenzbereich verortet sind, sondern auch außerhalb dieses Bereichs liegen können. Als Infraschall werden üblicherweise Schallwellen mit einer Frequenz unter 16 Hz bezeichnet. Der Bereich ab 16 Hz bis zu 20 kHz wird üblicherweise als Hörschall bezeichnet, und der Bereich über 20 kHz und bis 1,6 GHz als Ultraschall. Die Ton-Quelle kann akustische Wellen aus dem Infraschallbereich, dem Hörschallbereich, und dem Ultraschallbereich verwenden.
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Das Steuergerät kann auch als Controller bezeichnet werden und beinhaltet bestimmte Anweisungen, welche die hierin beschriebenen Funktionen des Sensorsystems als Verfahrensschritte implementieren. Das Steuergerät ermittelt oder bestimmt einen Wert, welcher äquivalent zu oder Gasvolumen innerhalb des Behälters ist oder stellvertretend für ein Gasvolumen innerhalb des Behälters steht. Basierend auf dem Wert des Gasvolumens und einem bekannten Wert des Innenvolumens des Behälters kann ein in dem Behälter befindliches Flüssigkeitsvolumen (oder ein hierzu äquivalenter Wert) ermittelt werden, und zwar als Differenz aus Innenvolumen des Behälters und Gasvolumen.
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In sehr allgemeinen Worten lässt sich das Prinzip des Sensorsystems wie folgt zusammenfassen: Das Steuergerät erzeugt ein elektrisches Signal und gibt dieses an die akustische Wellen aussendende Vorrichtung (d.h. die Ton-Quelle, z.B. in Form eines Lautsprechers) ab. Die akustische Wellen aussendende Vorrichtung gibt eine akustische Welle in Richtung des Innenvolumens des Behälters ab, der zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit und mit einem Gas (z.B. Luft) gefüllt ist. Es wurde erkannt, dass die Größe des Gasvolumens einen Einfluss auf die akustischen Eigenschaften des Innenvolumens des Behälters hat, wenn der Behälter zumindest teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist. Der Ton-Detektor (z.B. ein Mikrofon) nimmt die vom Inneren des Behälters reflektierte Schallwelle wahr. Mit anderen Worten erfasst der Ton-Detektor eine Antwort des Innenvolumens des Behälters, die durch die von der Ton-Quelle ausgesandte Schallwelle angeregt wird. Ein Vergleich der abgetasteten/erfassten akustischen Welle bzw. eines dieser Welle entsprechenden Signals (Antwortsignal) mit der anfänglich abgestrahlten akustischen Welle bzw. eines dieser Welle entsprechenden Signals (Anregungssignal) wird verwendet, um die Größe des Gasvolumens innerhalb des Containers zu bestimmen. Da das Gesamtvolumen des Behälters bekannt ist, kann das Volumen der Flüssigkeit innerhalb des Behälters als Differenz zwischen dem Volumen des Behälters und dem Gasvolumen bestimmt werden: Volumen der Flüssigkeit = Volumen des Behälters - Gasvolumen.
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Insbesondere wird die Amplitude des Antwortsignals mit der Amplitude des Anregungssignals unter Verwendung der jeweiligen elektrischen Signale verglichen: das erste elektrische Signal, das zur Erzeugung der ausgesandten Schallwelle verwendet wird, steht stellvertretend für die ausgesandte Schallwelle, während das zweite elektrische Signal, das von dem Ton-Detektor auf der Grundlage der detektierten Schallwelle erzeugt wird, stellvertretend für die erfasste Schallwelle ist.
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Das erste und das zweite elektrische Signal können verwendet werden, um ein Verhältnis zwischen diesen Signalen zu bestimmen (beispielsweise als Verhältnis zweites elektrisches Signal / erstes elektrisches Signal, oder umgekehrt), um den Einfluss des Gasvolumens auf das Anregungssignal zu kennen. Dieses Verhältnis kann für einen oder mehrere Frequenzwerte bestimmt werden, d.h. dass das von der Ton-Quelle ausgesandte Signal bei einem Frequenzwert oder mehreren verschiedenen Frequenzwerten abgegeben wird.
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Das Verhältnis der ausgesendeten und empfangenen Signale kann als Indikator für das Gasvolumen verwendet werden. Es können jedoch auch mehrere Verhältniswerte bei verschiedenen Frequenzwerten verwendet werden, um die Größe des Gasvolumens zu bestimmen. Insbesondere der Frequenzwert, bei dem das zweite elektrische Signal seine maximale Intensität hat, kann zur Angabe der Größe des Gasvolumens verwendet werden. Dies beruht auf der Feststellung, dass die Signalintensität ihr Maximum bei verschiedenen Frequenzwerten hat, die von der Größe des Gasvolumens abhängen: je größer das Gasvolumen, desto höher ist die Signalintensität bei einem niedrigen Frequenzwert, und je kleiner das Gasvolumen, desto höher ist die Signalintensität bei einem höheren Frequenzwert. Die Größe des Gasvolumens kann in Abhängigkeit vom Frequenzwert mit der maximalen Signalintensität des von dem Ton-Detektors erfassten Signals bestimmt werden.
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Die Funktionen des Steuergeräts können in einem einzigen Gerät (Prozessor mit Speicher, Mikrocontroller, anwendungsspezifische integrierte Schaltung, feldprogrammierbares Gate-Array oder ähnliches) oder in mehreren verteilten Geräten implementiert sein.
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Das Steuergerät kann einen Signalgenerator enthalten, welcher die Ansteuerungssignale für die Ton-Quelle erzeugt. Der Signalgenerator kann Signale für die akustischen Wellen mit unterschiedlicher Frequenz erzeugen, wobei die Frequenz für verschiedene Volumina des Behälters als Ganzes, d.h. das gesamte Innenvolumen des Behälters, das die Flüssigkeit und das Gas enthält, unterschiedlich sein kann.
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Zum Beispiel kann die Frequenz der akustischen Welle zwischen 20 Hz und 100 Hz für Behälter mit einem Fassungsvermögen von etwa 1 bis 3 Litern liegen.
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Die Flüssigkeit innerhalb des Behälters kann von beliebiger Viskosität sein, z.B. wasserähnlich (niedrige Viskosität) bis klebrig und zähflüssig (hohe Viskosität).
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Das hier beschriebene Sensorsystem ist ein berührungsloses Sensorsystem, welches den Füllstand des Behälters mittels akustischer Wellen ermittelt. Das Sensorsystem kann in einer Wand des Behälters oder in einem Deckel angebracht sein. Sensoren oder andere Bestandteile des Sensorsystems müssen nicht mit der Flüssigkeit in Berührung sein. Das Sensorsystem kann auch dann zuverlässig arbeiten, wenn die Oberfläche der Flüssigkeit mit Luftbläschen bedeckt ist. Diese Luftbläschen beeinflussen die akustischen Eigenschaften des Gasvolumens oberhalb der Flüssigkeit nicht oder kaum. Selbst wenn der Behälter bis zu einem bestimmten Winkel, z.B. 60° zu der Vertikalen, solange der Ton-Detektor und die Ton-Quelle nicht von Flüssigkeit bedeckt sind, geneigt ist und die relative Neigung des Flüssigkeitsspiegels zu dem Sensorsystem sich verändert, wird dies kaum einen Einfluss auf das Messergebnis haben, weil das freie Gasvolumen, in welchem sich die Schallwellen der Ton-Quelle ausbreiten, gleich bleibt.
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Das Sensorsystem kann vollständig in einem Deckel des Behälters angeordnet sein, so dass an dem Behälter als solches keine Veränderungen vorgenommen werden müssen, um ihn mit einem System zum Ermitteln des Füllstands auszurüsten. Somit eignet sich das Sensorsystem als Nachrüstsatz, um den Füllstand von bestehenden Behältern zu ermitteln. Es wird in der Regel notwendig sein, das Sensorsystem vor seiner ersten Verwendung zu kalibrieren. Dies kann erfolgen, indem der Behälter geleert wird und dann schrittweise bekannte Mengen Flüssigkeit eingefüllt und dann Signale mit dem Sensorsystem erfasst werden. Diese Signale werden den bekannten Mengen eingefüllter Flüssigkeit zugewiesen. Über eine Tabelle kann basierend auf der Kalibrierung der Füllstand zu einem erfassten Antwortsignal oder einem Signalverhältnis (Anregungs- zu Antwortsignal) ermittelt werden.
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Das Sensorsystem kann in Verbindung mit Kraftstofftanks, Getränken wie beispielsweise Weinfässer, Wasserbehälter, etc. Schmiermittelwannen u.a. verwendet werden. Diese Behälter können stationäre oder tragbare Behälter sein, beispielsweise tragbare Trinkflaschen. Das Sensorsystem kann die Veränderung des Füllstands über die Zeit erfassen. Bei Trinkflaschen kann ein Alarmsignal oder ein Hinweissignal ausgegeben werden, um den Träger der Trinkflasche darauf hinzuweisen, Flüssigkeit zu sich zu nehmen. Allgemein kann ein Alarmsignal ausgegeben werden, wenn der Füllstand eine vorgegebene Schwelle unterschreitet oder überschreitet.
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Das Sensorsystem kann mit einer Anwendung auf einem Computer oder einem Smartphone gekoppelt werden, beispielsweise über ein drahtloses Kommunikationsprotokoll. Die Messwerte können an diese Anwendung drahtlos übertragen werden. Somit kann ein Nutzer den Inhalt des Behälters und die verbrauchte Menge der Flüssigkeit überwachen.
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Die Anwendung kann beispielsweise Informationen über einen Benutzer abfragen und diese dafür heranziehen, um einen Hinweis auf Flüssigkeitsaufnahme zu erzeugen. Beispielsweise kann das Alter, die Art und Weise der Aktivität, das Gewicht, etc. in der Anwendung hinterlegt sein. Basierend darauf und unter Berücksichtigung der erfassten Füllstands des Behälters über der Zeit kann das Steuergerät einen Hinweis auf Flüssigkeitsaufnahme erzeugen und an den Nutzer ausgeben, beispielsweise über das drahtlose Kommunikationsprotokoll an das Smartphone übertragen, welches dem Nutzer dann den entsprechenden Hinweis optisch oder akustisch ausgibt.
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Das Sensorsystem kann in einer Variante einen Beschleunigungssensor aufweisen, welcher dazu eingerichtet ist, die Orientierung des Behälters zu ermitteln. Insbesondere kann der Wert des Beschleunigungssensor verwendet werden, um zu ermitteln, ob das Sensorsystem mit Flüssigkeit bedeckt ist, beispielsweise weil der Behälter so angeordnet ist, dass der Deckel, und damit das Sensorsystem, unten liegt. In einem solchen Fall mag das Messergebnis keine Aussagekraft haben, weil sowohl Ton-Quelle als auch Ton-Detektor mit Flüssigkeit, und nicht mit Gas, bedeckt sind. Dieser Fall könnte leicht mit einem vollständig gefüllten Behälter verwechselt werden.
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Die Messwerte des Sensorsystems können über ein Display an dem Deckel ausgegeben werden, beispielsweise als einfache Prozentzahl im Bereich zwischen 0% und 100%. Der Füllstand kann aber auch an den verbundenen Rechner oder das Smartphone übertragen und dort angezeigt werden. Mit diesen Werten können weitere Aktionen einhergehen, z.B. kann die Anwendung ein Steuersignal für ein Ventil erzeugen und abgeben, um das Ventil, welches einen Zulauf zu dem Behälter steuert, zu öffnen oder zu schließen, so dass der Füllstand in dem Behälter ausgeglichen wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Steuergerät so ausgestaltet, dass es das Verhältnis des ersten elektrischen Signals und des zweiten elektrischen Signals bestimmt, indem es eine erste Amplitude des ersten elektrischen Signals und eine zweite Amplitude des zweiten elektrischen Signals verwendet und die erste Amplitude oder die zweite Amplitude durch die andere Amplitude dividiert.
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Damit bestimmt das Sensorsystem eine Signalintensität des erfassten akustischen Signals und ermittelt die Größe des Gasvolumens (also des nicht mit Flüssigkeit besetzten Volumens) basierend auf der Signalintensität des Antwortsignals im Verhältnis zu der Signalintensität des Anregungssignals.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät ausgestaltet, um das Verhältnis des ersten elektrischen Signals und des zweiten elektrischen Signals für mindestens einen vorgegebenen Frequenzwert zu bestimmen.
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Hierfür kann das Sensorsystem geeignete Bausteine und Filter enthalten, um die Signalintensität bei einer vorgegebenen Frequenz zu ermitteln und für die weiteren Funktionen genau diese Signalintensität zu verwenden. Je nach Füllstand kann die Amplitude des Antwortsignals bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich sein, weil das Gasvolumen in dem Behälter eine andere Resonanzfrequenz oder Schwingungseigenschaften hat.
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Somit kann zunächst ermittelt werden, bei welcher Frequenz das Antwortsignal die höchste Intensität (größte Amplitude) hat. Dann kann die Amplitude des Antwortsignals bei diesem Frequenzwert herangezogen werden, um das Verhältnis zu der Amplitude des Anregungssignals bei derselben Frequenz, soweit die Amplitude des Anregungssignals für verschiedene Frequenzen unterschiedlich ist, zu ermitteln. Bevorzugt wird jedoch ein Anregungssignal verwendet, das über den gesamten verwendeten Frequenzbereich die gleiche Amplitude hat.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät ausgestaltet, um das Verhältnis des ersten elektrischen Signals und des zweiten elektrischen Signals für mehr als einen Frequenzwert zu bestimmen.
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Gerade bei Behältern mit einer unregelmäßigen geometrischen Form können Messwerte über mehrere Frequenzwerte herangezogen werden, um das Gasvorlumen in dem Behälter zu ermitteln. Diese mehrere Messwerte über mehrere Frequenzwerte können mit einer Kalibrierungstabelle abgeglichen werden, um einen zuverlässigeren Wert für das Gasvolumen bzw. Flüssigkeitsvolumen in dem Behälter anzuzeigen. Dieser Ansatz kann aber auch bei Behältern mit einer gleichmäßigen geometrischen Form herangezogen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät so ausgestaltet, dass es das erste elektrische Signal bei einem vorbestimmten festen ersten Frequenzwert erzeugt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät so ausgestaltet, dass es das erste elektrische Signal mit variierenden Frequenzwerten innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs erzeugt.
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Somit werden die akustischen Schallwellen nacheinander für verschiedene Frequenzwerte erzeugt und das entsprechende Antwortsignal ermittelt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Steuergerät so ausgestaltet, dass es das erste elektrische Signal mit über einen vorbestimmten Frequenzbereich verteilten Signalkomponenten erzeugt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das erste elektrische Signal ein weißes Rauschsignal mit einer im Wesentlichen gleichen Signalintensität über den vorbestimmten Frequenzbereich.
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Das Antwortsignal kann als Spektrum über einen vorgegebenen Frequenzbereich ermittelt werden. Der charakteristische Verlauf dieses Spektrums dient als Grundlage, um die Menge des Gases in dem Behälter zu bestimmen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Sensorsystem eine Stromversorgung, wobei die Stromversorgung, die Ton-Quelle, der Ton-Detektor und das Steuergerät auf einer gemeinsamen Grundplatte angeordnet sind, wobei die Grundplatte vorzugsweise eine gedruckte Leiterplatte ist.
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Die Stromversorgung kann beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie oder ein sonstiger Speicher für elektrische Energie sein. Die Stromversorgung liefert die nötige Energie, damit das Steuergerät, die Ton-Quelle und der Ton-Detektor ihre zugewiesenen Funktionen ausführen können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Sensorsystem weiterhin einen Beschleunigungsmesser, der mechanisch mit mindestens einer Komponente des Sensorsystems gekoppelt und so ausgestaltet ist, dass er Bewegungen des Sensorsystems erfasst, wobei der Beschleunigungsmesser kommunikativ mit dem Steuergerät gekoppelt und so ausgestaltet ist, dass er Bewegungssignale an das Steuergerät überträgt.
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Mit dem Beschleunigungssensor kann ermittelt werden, ob der Behälter so orientiert ist, dass die darin angeordnete Flüssigkeit das Sensorsystem bzw. den Ton-Detektor und die Ton-Quelle bedeckt. In einem solchen Fall ist eine Messung des Gasvolumens wenig sinnvoll.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst des Sensorsystem weiterhin eine Kommunikationsvorrichtung, die mit dem Steuergerät kommunikativ gekoppelt und so ausgestaltet ist, dass sie Signale des Steuergeräts drahtlos an eine entfernte Vorrichtung überträgt, so dass ein Wert von mindestens dem erfassten Gasvolumen an die entfernte Vorrichtung übertragen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Sensorsystem weiterhin ein Messrohr, das so angeordnet ist, dass die Ton-Quelle und der Ton-Detektor so angeordnet sind, dass sie einem Innenvolumen des Messrohrs zugewandt sind, so dass ein Gasvolumen innerhalb des Messrohrs durch das Sensorsystem bestimmt wird.
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Das Messrohr samt Sensorsystem wird bevorzugt in einem offenen Behälter verwendet. Das Messrohr hat ein offenes Ende, mit dem es in die Flüssigkeit eingetaucht wird. Verändert sich der Füllstand der Flüssigkeit in dem Behälter, so verändert sich die Höhe der Flüssigkeit in dem Messrohr und mittels des Sensorsystems wird das Gasvolumen bzw. der Füllstand der Flüssigkeit in dem Messrohr ermittelt.
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Ein offener Behälter hat andere akustische Eigenschaften als ein geschlossener Behälter. Wenn das Sensorsystem in einem Deckel des Behälters oder ein Behälterwand angeordnet ist, sind zuverlässige Messwerte zu erhalten, wenn der Behälter geschlossen ist oder nur unwesentliche Öffnungen aufweist. In einem Behälter hingegen, der eine vollständig geöffnete Fläche aufweist, wird das Sensorsystem bevorzugt mit einem Messrohr gemäß dieser Ausführungsform verwendet, weil das Innenvolumen des Messrohrs das Volumen darstellt, in welchem die Messung erfolgt.
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Die Verwendung eines Messrohr hat weiterhin den Vorteil, dass das Innenvolumen nur einmal kalibriert werden muss. Die Größe des Messrohrs ist bekannt und es kann dann in verschiedenen Behältern verwendet werden. In der Variante mit dem Messrohr gibt das Sensorsystem bevorzugt den Füllstand in dem Messrohr an. Mit dieser Information muss dann ggf. auf die Menge der Flüssigkeit in dem Behälter geschlossen werden, weil der Behälter als Ganzes unterschiedliche Querschnitte haben kann, so dass die Füllhöhe alleine nicht ausreichend ist, um den Inhalt des Behälters anzugeben. Es ist denkbar, dass das Sensorsystem hierfür einen Faktor anwendet, welchen der Nutzer vorgibt, um basierend auf dem Füllstand in dem Messrohr auf den Inhalt des Behälters zu schließen. Der Faktor drückt also das Verhältnis zwischen Füllhöhe und Volumen in dem Behälter aus.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Behälter angegeben, aufweisend ein Gehäuse mit einer Öffnung, einen Deckel, der dazu bestimmt ist, die Öffnung wahlweise zu verschließen oder freizugeben, und ein Sensorsystem wie hierin beschrieben. Das Sensorsystem ist mechanisch an dem Deckel befestigt, so dass das Sensorsystem einem Innenvolumen des Gehäuses zugewandt ist, wenn der Deckel an der Öffnung befestigt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Behälter aus einem Material aus der Gruppe umfassend Holz, Glas, Keramik, Metall, Kunststoff oder einer Kombination davon hergestellt, wobei der Behälter so konstruiert ist, dass er im Wesentlichen eine anfängliche Form beibehält, wenn eine Flüssigkeit in den Behälter gefüllt wird.
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Das Sensorsystem ist somit insbesondere geeignet und vorgesehen, in einem Behälter mit einer optisch nicht transparenten Behälterwand (wobei sich dies mindestens auf eine Seitenwand bezieht, die es erlauben würde, eine Füllhöhe des Behälters optisch zu erfassen und die beinhaltete Menge abzuschätzen) eingesetzt zu werden. Weiterhin ist der Behälter im Wesentlichen starr, so dass er seine Form unabhängig von der Füllmenge beibehält und die Form des Behälters es damit auch nicht erlaubt, auf die enthaltene Füllmenge zu schließen.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele eingegangen. Die Darstellungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Elemente. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems.
- 2 eine schematische Darstellung eines Behälters mit Sensorsystem.
- 3 eine schematische Darstellung eines Behälters und einer Ton-Quelle.
- 4 eine schematische Darstellung eines Behälters und einer Ton-Quelle.
- 5 eine schematische Darstellung eines Behälters und eines Sensorsystems.
- 6 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems mit Messrohr in einem offenen Behälter.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein Sensorsystem 100 mit seinen Bestandteilen gemäß einem Beispiel. Das Sensorsystem 100 weist eine Ton-Quelle 110 und einen Ton-Detektor 120 auf. Die Ton-Quelle wird mit einem elektrischen Signal von einem Signalaufbereiter oder Signalgenerator 112 versorgt, welches die Ton-Quelle veranlasst, ein akustisches Signal zu erzeugen und abzugeben. Der Ton-Detektor 120 liefert ein elektrisches Signal, welches basierend auf Schallwellen erzeugt wird, an eine Verstärkereinheit 122. Daneben weist das Sensorsystem 100 ein Steuergerät 130 auf. Das Steuergerät ist mit der Ton-Quelle 110 und dem Ton-Detektor 120 kommunikativ verbunden, so dass Steuerkommandos an die Ton-Quelle bzw. an den Signalgenerator abgegeben und Daten von dem Ton-Detektor empfangen werden können.
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Das Sensorsystem 100 weist daneben eine Energiequelle 140, beispielsweise in Form einer Stromversorgung auf. Die Energiequelle 140 versorgt die elektrischen Bauteile des Sensorsystems 100 mit elektrischer Energie. Die Energiequelle kann einen externen Anschluss 142 aufweisen, über welchen ein Energiespeicher (beispielsweise in Form einer aufladbaren Batterie) geladen werden kann. Die Energiequelle kann auch ein Photovoltaik-Panel sein.
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Weiterhin weist das Sensorsystem 100 eine Statusanzeige 144 auf, welche den aktuellen Status des Sensorsystems anzeigen kann, beispielsweise über unterschiedliche Farben. Das Sensorsystem 100 weist in einem Beispiel auch einen Schalter oder einen Druckknopf 146 auf, über welchen ein Messvorgang initiiert werden kann. Die Statusanzeige 144 und der Druckknopf 146 sind mit dem Steuergerät 130 gekoppelt.
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Das Sensorsystem weist einen Beschleunigungsmesser 150 auf, der beispielsweise mehrere Beschleunigungssensoren in Form eines Arrays enthalten kann, welche die Beschleunigung in unterschiedlicher Richtung messen. Der Beschleunigungsmesser 150 ermöglicht es dem Steuergerät, die Orientierung des Sensorsystems und des damit verbundenen Behälters zu ermitteln, um einen Messvorgang nur dann einzuleiten, wenn es die Orientierung des Behälters zulässt, nämlich wenn der Behälter so angeordnet ist, dass die Flüssigkeit auch nicht teilweise auf dem Sensorsystem aufliegt.
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Letztlich weist das Sensorsystem 100 noch eine Kommunikationseinrichtung 160 auf, welche eine drahtlose oder drahtgebundene Datenübertragung an eine Gegenstelle erlaubt.
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Die Ton-Quelle 110 kann ein Lautsprecher sein oder allgemein ein Membran, welche Luftschwingungen erzeugt, wenn ein mit der Membran verbundener Aktuator mit einem Steuersignal angesteuert wird und die Membran zum Schwingen bringt. Dies kann beispielsweise mit einem Piezo-Membran erfolgen.
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2 zeigt einen Behälter 10, in dessen Innenraum eine Flüssigkeit 20 (oder eine feste oder zähflüssige Substanz; im Weiteren wird beispielhaft auf eine Flüssigkeit Bezug genommen, es kann sich aber genauso um eine feste Substanz handeln) angeordnet ist und den Innenraum zumindest teilweise füllt, so dass oberhalb der Flüssigkeit 20 ein Gasvolumen 24 vorliegt, welches zwischen dem Füllpegel 22 der Flüssigkeit 20 und der Öffnung 12 des Gehäuses 16 angeordnet ist.
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In der Öffnung 12 des Gehäuses 16 ist ein Deckel 18 angeordnet. Der Deckel verschließt das Gehäuse 16 des Behälters 10. In dem Deckel 18 ist das Sensorsystem 100 so angeordnet, dass die Ton-Quelle 110 ein akustisches Signal in das Innere des Gehäuses in Richtung des Flüssigkeitsspiegels abgibt und der Ton-Detektor 120 die Reflektionen des von der Ton-Quelle abgegebenen akustischen Signals empfängt.
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Das Steuergerät 130 erhält elektrische Energie, um die Ton-Quelle 110 anzusteuern und die Signale von dem Ton-Detektor 120 verarbeiten zu können. Basierend auf den entsprechenden Signalen wird ein Ausgabewert, welcher indikativ für die enthaltene Menge Flüssigkeit ist, ausgegeben.
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Das Steuergerät 130 kann die Ton-Quelle 110 (oder den Signalgenerator 112) so ansteuert, dass ein kurzes zeitlich begrenztes akustisches Signal (das Anregungssignal, ein Puls) erzeugt und abgegeben wird. Der Ton-Detektor 120 erhält das Antwortsignal aus dem Inneren des Gehäuses 16 und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal an das Steuergerät 130. Das Steuergerät ermittelt basierend auf dem Anregungssignal und dem Antwortsignal einen Füllstand des Behälters, beispielsweise indem das Antwortsignal und ggf. das zugehörige Anregungssignal oder ein Verhältnis aus diesen beiden Signal mit einer Tabelle enthaltend viele Wertepaare (jeweils Antwortsignal oder Signalverhältnis mit zugehörigem Füllstand) verglichen wird, um auf den Flüssigkeitspegel in dem Gehäuse 16 zu schließen.
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Die Verwendung von akustischen Signalen hat den Vorteil, dass das Messergebnis zuverlässig ist, auch wenn der Behälter 10 seitlich geneigt ist.
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Maßgeblich für das Antwortsignal ist das Volumen des Gases im Inneren des Behälters 10.
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In einem Beispiel kann ein optionaler Drucksensor Teil des Sensorsystems sein. Der Drucksensor wird verwendet, um den Gasdruck zu ermitteln, weil der Gasdruck einen Einfluss auf die akustischen Übertragungseigenschaften des Gases und somit auf das Antwortsignal hat. Somit kann der gemessene Druck herangezogen werden, um diesen Einfluss zu kompensieren.
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Üblicherweise wird das Sensorsystem so verwendet, dass einzelne oder wenige Messwerte mit einem kurz dauernden akustischen Signal, welches wenige Hundertstelsekunden oder Zehntelsekunden dauern kann, erfasst werden (letzteres kann dazu dienen, dass ein Mittelwert über die einzelnen Messwerte gebildet wird), bevor das Sensorsystem deaktiviert wird, um den Energieverbrauch gering zu halten.
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Für das Innenvolumen des Behälters gibt es keine Begrenzungen. Vorteilhaft kann das Sensorsystem jedoch mit Behältern von einigen Litern verwendet werden, beispielsweise von bis zu 5 bis 10 Litern Innenvolumen. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Frequenz des akustischen Signals mit zunehmender Größe des Behälters niedriger wird. Bei entsprechender Größe des Behälters können Signale mit einer Frequenz von wenigen Herz (< 10 Hz) verwendet werden.
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Das Messprinzip des Sensorsystems 100 wird mit Bezug zu 3 und 4 näher beschrieben. Das Gehäuse 16 wird zwar in den 3 und 4 auf der Seite liegend gezeigt, es geht hier aber lediglich darum, das akustische Antwortsignal und den Einfluss des Gasvolumens hierauf zu erläutern.
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In der Öffnung des Behälters 16 ist die Ton-Quelle 110 angeordnet und emittiert ein akustisches Signal in Richtung des Inneren des Gehäuses 16. In 3 ist das Innere des Gehäuses frei von Flüssigkeit und Feststoffen. Die Intensität des reflektierten akustischen Signals, wie der Ton-Detektor (nicht dargestellt, aber in der Nähe der Ton-Quelle in der Öffnung des Gehäuses angeordnet) es empfängt, ist charakteristisch für die Größe des Gasvolumens in dem Gehäuse 16.
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4 zeigt nun den Behälter 16 teilweise gefüllt mit einer Flüssigkeit 20 oder einem Feststoff. Das Volumen des Gases ist nun im Vergleich zu 3 kleiner. Entsprechend ändert sich auch das Antwortsignal, welches der Ton-Detektor empfängt. Der Ton-Detektor bzw. das Steuergerät können verschiedene Signaleigenschaften auswerten, um auf die Größe des Gasvolumens zu schließen: Signalamplitude, Phasenverschiebung, oder auch nur die Signalverzögerung. Die gewählte Signalfrequenz hat ebenfalls einen Einfluss auf diese Parameter.
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Je weniger Flüssigkeit/Feststoff in einem Behälter (je mehr Gas bzw. je leerer der Behälter) ist, desto größer ist der Anteil bzw. die Amplitude der Signale mit niedriger Frequenz in dem Antwortsignal. Umgekehrt gilt, je mehr Flüssigkeit/Feststoff in einem Behälter (je weniger Gas bzw. je voller der Behälter) ist, desto größer ist der Anteil bzw. die Amplitude der Signale mit hoher Frequenz in dem Antwortsignal. So kann aus dem Spektrum des Antwortsignals auf den Füllstand in dem Behälter geschlossen werden. Dies erfordert in einem Beispiel, dass mehrere Anregungssignale mit unterschiedlicher Frequenz emittiert werden, um dann die Amplitude des Antwortsignals für die jeweilige Frequenz in Verhältnis zu der Amplitude des Anregungssignals zu setzen.
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Es ist denkbar, dass die Messung immer mit derselben Frequenz des Anregungssignals erfolgt und dann lediglich die Amplitude des Antwortsignals als Indikator für den Füllstand herangezogen wird. Anregungssignale unterschiedlicher Frequenzen können zeitlich nacheinander oder gleichzeitig emittiert und erfasst werden.
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5 zeigt ein Gehäuse 16 eines Behälters, der eine Öffnung 13 zu der Umgebung hat. Diese Öffnung beeinflusst die akustischen Eigenschaften des Innenraums des Behälters signifikant bis zu einem Punkt, an dem das Messergebnis unbrauchbar ist, weil die Öffnung einen Einfluss auf das Antwortsignal hat. Für sehr kleine Öffnungen, in der Größenordnung von einigen Quadratmillimeter oder Quadratzentimeter mag eine Öffnung 13 vernachlässigbar sein. Allerdings ist mit zunehmender Größe der Öffnung 13 keine zuverlässige Aussage über den Füllstand in dem Gehäuse 16 möglich.
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Für offene Behälter oder Gehäuse kann jedoch ein Sensorsystem 100 mit einem Messrohr 170 verwendet werden. Die Ton-Quelle 110 und der Ton-Detektor 120 sind an einem oberen Ende des Messrohrs 170 angeordnet und verschließen das Messrohr an diesem oberen Ende. Das Messrohr 170 wird mit seinem unteren Ende in die Flüssigkeit in dem Behälter 10 eingetaucht. Bevorzugt wird das Messrohr in dieser Position mit Bezug zu dem Behälter 10 fixiert bzw. starr gehalten, um nacheinander mehrere Messvorgänge in der gleichen Position ausführen zu können, ohne das Sensorsystem auf die neue relative Höhe des Messrohrs mit Bezug zu dem Behälter 10 einstellen zu müssen. Das untere Ende des Messrohrs ist leicht beabstandet von dem Boden 14 des Behälters 10, damit ein Ausgleich zwischen der Flüssigkeit in dem Messrohr und außerhalb des Messrohrs stattfinden kann.
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Verändert sich der Füllstand der Flüssigkeit in dem Behälter 10, so verändert sich auch der Füllstand der Flüssigkeit in dem Messrohr 170. Der Abstand zwischen dem Flüssigkeitsspiegel in dem Messrohr und dem Ton-Detektor 120 und der Ton-Quelle 110 verändert sich, d.h. dass das Gasvolumen in dem Messrohr sich ebenfalls verändert. Hierfür ist in der Nähe des oberen Endes des Messrohrs ein Lüftungsloch 172 vorgesehen, durch welches ein Luftaustausch mit der Umgebung stattfinden kann, damit sich der Flüssigkeitsspiegel in dem Messrohr entsprechend dem Flüssigkeitsspiegel außerhalb des Messrohrs anpassen kann. Das Lüftungsloch 172 ist sehr klein und hat eine Querschnittsfläche von wenigen Quadratmillimetern, um die Qualität der akustischen Messung nicht nachteilig zu beeinflussen. Je nach der Geschwindigkeit der Änderung des Flüssigkeitsspiegels kann das Lüftungsloch 172 größer oder kleiner sein.
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Durch das Messrohr wird also ein eigener künstlicher geschlossener Behälter bzw. ein eigenes Innenvolumen erzeugt, in welchem das Gasvolumen gemessen wird und welcher über eine Öffnung an dem unteren Ende mit dem umgebenden Behälter verbunden ist, so dass sich Veränderungen des Flüssigkeitspegels aus dem umgebenden Behälter auf den Flüssigkeitspegel in dem Messrohr auswirken und dadurch erfasst werden können. Mit einem solchen Messrohr kann auch der Flüssigkeitspegel in natürlichen Gewässern (fließende oder stehende Gewässer) gemessen werden.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ oder „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Behälter
- 12
- Öffnung
- 13
- Öffnung
- 14
- Boden
- 16
- Gehäuse
- 18
- Deckel
- 20
- Flüssigkeit, Flüssigkeitsvolumen
- 22
- Füllstand, Trennlinie zwischen Flüssigkeit und Gas
- 24
- Gasvolumen
- 100
- Sensorsystem
- 110
- Ton-Quelle, akustische Wellen aussendende Vorrichtung, Lautsprecher
- 112
- Signalgenerator
- 120
- Ton-Detektor, Mikrofon
- 122
- Verstärker
- 130
- Steuergerät
- 140
- Energiequelle, Stromversorgung
- 142
- externer Anschluss
- 144
- Statusanzeige
- 146
- Schalter, Druckknopf
- 150
- Beschleunigungsmesser
- 160
- Kommunikationseinrichtung
- 170
- Messrohr
- 172
- Lüftungsöffnung
