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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Füllstandmessung, Grenzstandmessung und Druckmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Sensor zur Messung eines Füllstands, Grenzstands oder Drucks in einem geschlossenen leitfähigen Behälter, eine Sendeeinheit für einen derartigen Sensor, die Verwendung eines derartigen Sensors zur Messung eines Füllstands, Grenzstands oder Drucks innerhalb eines geschlossenen leitfähigen Behälters, sowie eine Messanordnung, aufweisend einen solchen Sensor, eine solche Sendeeinheit und einen Behälter.
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Hintergrund
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In der Prozessmesstechnik werden Füllstandsensoren, Grenzstandsensoren, Durchflusssensoren, Temperatursensoren und Drucksensoren eingesetzt, um insbesondere die physikalischen Verhältnisse, den Druck- oder Füllstand innerhalb von Behältern zu erfassen. Füllstandsensoren werden typischerweise im Bereich einer Behälteröffnung installiert, beispielsweise mittels einer Flanschverbindung oder eines Einschraubgewindes. In manchen Anwendungen sind solche Behälteröffnungen jedoch nicht gewünscht. Hier werden geschlossene und oft metallische, leitfähige Behälter verwendet. Um in diesem Fall einen Füllstand oder Grenzstand zu erfassen, können radiometrische Sensoren verwendet werden, welche außen am Behälter angebracht sind und durch die metallische Behälterwand hindurchmessen können.
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Zusammenfassung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Prozessmessgrößen in Behältern zu erfassen und an eine externe Leitstelle zu übertragen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen Sensor, eingerichtet zur Messung eines Füllstands, eines Grenzstands oder eines Drucks innerhalb eines geschlossenen, leitfähigen Behälters, der insbesondere zur Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld ausgeführt sein kann.
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Der Sensor weist eine Sensoreinrichtung auf, die eingerichtet ist zum Erfassen von Füllstandmessdaten, Grenzstandmessdaten oder Druckmessdaten. Es ist eine Steuerung vorgesehen, die eingerichtet ist zum Umwandeln der erfassten Füllstandmessdaten, Grenzstandmessdaten oder Druckmessdaten in ein erstes Steuersignal. Darüber hinaus weist der Sensor einen Aktuator auf, der eingerichtet ist zum Umwandeln des Steuersignals in ein erstes Vibrationssignal, ein erstes Ultraschallsignal und/oder ein erstes akustisches Signal. Darüber hinaus ist der Aktuator eingerichtet, dieses Signal durch die Behälterwand zu übertragen.
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Beispielsweise weist der Aktuator ein Piezoelement und/oder einen Lautsprecher auf, eingerichtet zum Erzeugen des ersten Vibrationssignals, des ersten Ultraschallsignals oder des ersten akustischen Signals.
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Der Sensor kann darüber hinaus einen ersten Detektor aufweisen, der eingerichtet ist zum Erfassen eines zweiten Vibrationssignals, eines zweiten Ultraschallsignals und/oder eines zweiten akustischen Signals, welches außerhalb des Behälters erzeugt und durch die Behälterwand hindurch geleitet wurde. Die Steuerung ist hierbei eingerichtet, das empfangene zweite Vibrationssignal, das zweite Ultraschallsignal und/oder das zweite akustische Signal in ein zweites Steuersignal umzuwandeln, welches zum Steuern des Sensors eingerichtet ist. Auf diese Weise kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Sensor durch die Behälterwand hindurch parametriert oder eine neue Messung getriggert oder eine Messdatenabfrage getriggert wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor autark ausgeführt, weist also eine eigene, interne Energieversorgung, typischerweise in Form einer Batterie auf.
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Beispielsweise weist der Sensor ein geschlossenes Gehäuse auf, das insbesondere aus Kunststoff ausgeführt sein kann. Es kann vorgesehen sein, dass sich dieses Gehäuse nicht zerstörungsfrei öffnen lässt. Ist der Energievorrat des Sensors erschöpft, wird er ausgetauscht. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass sich der Energiespeicher des Sensors mittels Energie-Harvesting von außen laden lässt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Sensor als Füllstandradar ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor zur flächigen Anbringung an der Behälterwand im Inneren des Behälters eingerichtet. Beispielsweise kann ein Klebestreifen oder ein anderes entsprechendes Mittel vorgesehen sein, um den Sensor an die Behälterwand im Inneren des Behälters anzukleben.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Sensoreinheit für einen oben und im Folgenden beschriebenen Sensor. Die Sendeeinheit weist einen zweiten Detektor auf, der eingerichtet ist zum Erfassen des ersten Vibrationssignals, des ersten Ultraschallsignals und/oder des ersten akustischen Signals, das von dem Sensor innerhalb des Behälters erzeugt wurde, wobei die Sendeeinheit außen an der Behälterwand angebracht ist. Die Sendeeinheit ist eingerichtet, dass empfangene erste Vibrationssignal, das erste Ultraschallsignal und/oder das erste akustische Signal in ein Messwertsignal umzuwandeln und an eine externe Einrichtung auszusenden. Insbesondere kann die Sendeeinheit als Funksendeeinheit ausgeführt sein, um das Messwertsignal drahtlos zu übermitteln.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Sendeeinheit ebenfalls autark ausgeführt, weist also eine eigene interne Energieversorgung auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sendeeinheit darüber hinaus einen Aktuator auf, der eingerichtet ist zum Erzeugen des zweiten Vibrationssignals, des zweiten Ultraschallsignals und/oder des zweiten akustischen Signals.
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Bei diesem Aktuator kann es sich um einen Piezoaktuator handeln.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung eines oben und im Folgenden beschriebenen Sensors zum Messen eines Füllstands, eines Grenzstands oder eines Drucks innerhalb eines geschlossenen leitfähigen Behälters.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Messanordnung, welche einen oben und im Folgenden beschriebenen Sensor, eine oben und im Folgenden beschriebene Sendeeinheit und einen entsprechenden Behälter aufweist.
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Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.
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Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
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Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen beschrieben. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Messanordnung gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt eine Detailansicht der Messanordnung der 1.
- 3 zeigt ein Beispiel für ein von dem Aktuator des Sensors oder der Sendeeinheit erzeugtes Vibrationssignal, Ultraschallsignal oder akustisches Signal.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine Messanordnung gemäß einer Ausführungsform. Die Messanordnung weist einen Behälter 200 auf, der vollständig geschlossen ist und aus einem leitfähigen Material besteht. Innerhalb des Behälters ist ein Sensor 100 angeordnet, der an der Innenwand des Behälters befestigt ist, beispielsweise mittels einer Klebeverbindung. Der Sensor 100 ist an dem Deckenbereich des Behälters 200 angebracht. Der Sensor 100 kann aber auch an der Seitenwandung oder am Behälterboden angebracht sein.
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Im Falle der Befestigung des Sensors 100 an der Seitenwand kann vorgesehen sein, dass der Sensor vertikal oder horizontal misst.
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Insbesondere kann der Sensor komplett eingekapselt sein, sodass er fluiddicht ist.
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In dem Behälter 200 befindet sich ein Füllmedium 201, dessen Pegel gemessen werden kann.
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Der Sensor 100 weist eine Sensoreinrichtung 101 auf, welche beispielsweise ein Radar-Messsignal in Richtung Füllgutoberfläche aussendet und die entsprechenden Reflexionen empfängt. Darüber hinaus ist eine Steuerung vorgesehen, welche das empfangene Messsignal auswertet und in ein erstes Steuersignal umwandelt, welches dann an den Aktuator 103 übertragen wird. Der Aktuator 103 ist eingerichtet zum Umwandeln des ersten Steuersignals in ein Vibrationssignal, Ultraschallsignal und/oder akustisches Signal und überträgt dieses durch die Behälterwand hindurch an den entsprechenden Detektor 301 der Sendeeinheit 300.
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Die Sendeeinheit 300 befindet sich auf der anderen, äußeren Seite der Behälterwand, beispielsweise oben auf dem Behälter und kann ebenfalls dort angeklebt oder anderweitig befestigt sein.
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Die Sendeeinheit 300 weist, wie bereits erläutert, einen zweiten Detektor 301 auf, sowie einen Aktuator 302. Darüber hinaus ist die Sendeeinheit 300 eingerichtet, das empfangene Vibrationssignal, Ultraschallsignal und/oder akustische Signal in ein Messwertsignal umzuwandeln und, mittels einer drahtgebundenen oder drahtlosen Schnittstelle, an eine externe Einrichtung 400 auszusenden.
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Bei dem geschlossenen leitfähigen Behälter 200 handelt es sich um einen faradayschen Käfig. Aus einem faradayschen Käfig ist es nicht möglich, Daten via Funk in zum Beispiel eine Cloud zu übertragen. Dennoch ist es von großer Bedeutung, den Füllstand von solchen Behältern zu ermitteln und die Daten in die Cloud zu übertragen.
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Damit die gewonnenen Messdaten trotzdem in eine Cloud gesendet werden können, wird die Sensoranordnung in einzelne Komponenten unterteilt. Die erste Komponente 100 ermittelt den Füllstand und die andere Komponente 300 sendet die Messdaten in die Cloud.
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Der Sensor 100 befindet sich im Inneren des Behälters 200 und die Sendeeinheit außen am Behälter. Die Datenübertragung zwischen dem Sensor und der Sendeeinheit 300 erfolgt mechanisch. Beispielsweise wird auf die Behälterwand ein Signal mechanisch aufmoduliert. Beispielsweise kann hierfür ein Vibrationssensor oder ein Ultraschallsensor verwendet werden. Für eine bidirektionale Kommunikation weisen sowohl der Sensor als auch die Sendeeinheit einen Aktuator 103, 302 sowie einen Detektor 104, 301 auf.
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Somit ist eine autarke Prozessgrößenmessung (zum Beispiel Füllstandmessung, Druckmessung, Grenzstandmessung) in geschlossenen leitfähigen Behältern möglich.
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2 zeigt einen Ausschnitt des Aufbaus der 1. Hier ist zu erkennen, dass der Sensor 100 unten an der Behälterdecke 202 befestigt ist. Die Sendeeinheit 300 ist auf der gegenüberliegenden äußeren Seite der Behälterdecke befestigt. Der Sensor 100 und die Sendeeinheit 300 können durch die Behälterwand hindurch kommunizieren, indem Vibrationssignale, Ultraschallsignale oder akustische Signale durch die Behälterwand hindurch übertragen werden.
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Um digitale Signale übertragen zu können, kann mit einem Puls-Pausen-Prinzip gearbeitet werden. Ein solches ist beispielhaft in der 3 gezeigt. Eine Vibration (oder ein Ultraschallsignal oder akustisches Signal) von beispielsweise einer Dauer von einer Sekunde mit anschließender Pause von einer Sekunde kann beispielsweise als logische „1“ interpretiert werden. Dementsprechend kann eine Vibration von 0,5 Sekunden mit anschließender Pause von 0,5 Sekunden eine logische „0“ darstellen. Im dargestellten Beispiel wird somit die Kombination „1001“ übertragen. Somit können beliebige Daten digital durch die Behälterwand hindurch übermittelt werden.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. 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 Einschränkungen anzusehen.
