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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Abtastung von Füllständen in Flüssigkeitsbehältern, insbesondere Waschmaschinen
u. dgl. wobei die Zustandsgröße eines Fühlers, beispielsweise seine Übertemperatur,
bezogen auf die Temperatur der Flüssigkeit, bei Annäherung bzw.
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Erreichen des abzutastenden Füllstandes unstetig verändert wird.
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Zweck der Erfindung ist es, die Genauigkeit der Abtastung des Füllstandes
zu erhöhen und die dafür erforderliche Zeit zu verringern.
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Es ist bereits bekannt, einen beheizten thermisch veränderlichen
Widerstand im Flüssigkeitsbehälter so anzuordnen, daß er bei Erreichen des vorgegebenen
Füllstandes durch die Flüssigkeit abgekühlt wird, so daß sein Widerstandswert unter
einen Schwellwert sinkt, wodurch der Steuervorgang zur Beendigung des Füllens ausgelöst
wird. Nun ist der Wärmeübergang von der Flüssigkeit zu dem Fühlerwiderstand infolge
von Kalk- und Schmutzablagerungen keineswegs konstant, so daß eine Isolierschicht
variabler Dicke vorhanden ist, welche beträchtliche Temperatursprünge aufnimmt.
Dadurch wird nicht nur die Zeitdauer bis zum Abkühlen des Widerstandes auf die Schalttemperatur
vergrößert, sondern auch die Temperaturdifferenz zwischen dem beheizten Widerstand
und der Flüssigkeit herabgesetzt, und zwar in nicht definierter Weise. Es kommt
hinzu, daß die für die Beheizung des Widerstandes verwendbare Heizleistung naturgemäß
begrenzt ist. Etwa anhängende Tropfen, die beispielsweise von einer vorherigen Füllung
zurückgeblieben sind, werden daher mitgeheizt.
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Dies ist besonders nachteilig, wenn solche Fühler als in Bodennähe
angeordneter Trockengehschutz verwendet werden, weil bis zum Absinken des Widerstandswertes
auf den vorgegebenen Schwellwert große Zeiten, beispielsweise 2 Minuten, verstreichen
können, während welcher der längst leere Behälter unvermindert weiter beheizt wird
und dadurch beschädigt oder zerstört werden kann. Der Ausweg, die Temperatur des
ungekühlten Widerstandes zu erhöhen und auf diese Weise die Differenz zur Flüssigkeitstemperatur
so weit zu vergrößern, daß die erwähnten Einflüsse in erträglichen Grenzen bleiben,
hat sich aus konstruktiven Gründen als schwierig bzw. nicht gangbar erwiesen.
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Verwendet man einen solchen unbeheizten Widerstand als Temperaturfühler,
so bewirken die unvermeidlichen Ablagerungen gleichfalls eine undefinierte thermische
Verzögerung und eine entsprechende Verfälschung des Meßwertes der Flüssigkeitstemperatur.
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Einer solchen Anordnung haften alle Mängel an, die bei Absolutmessungen
auftreten. Vielfach nimmt man diese Nachteile jedoch in Kauf, da es aus wirtschaftlichen
Gründen nicht vertretbar wäre, einen weiteren Temperaturfühler einzubauen.
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Auch die bekannte Füllstandabtastung mittels zumindest einer in die
Behälterwandung isoliert eingesetzten Elektrode weist den Nachteil einer starken
Abhängigkeit von Verschmutzungen oder Verkalkungen auf. Benutzt man den Leitwert
oder die Kapazität als Kenngröße für die Füllstandsabtastung, so kommt es sehr darauf
an, daß die Oberfläche der Elektroden rein bleibt, damit ein konstanter Übergangswiderstand
zur Flüssigkeit vorliegt. Für eine zuverlässige Funktion müssen solche Elektroden
daher regelmäßig gereinigt werden, was zusätzliche Arbeit
verursacht und auch nicht
immer ohne Beschädigung geschieht.
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Aufgabe der Erfindung war es daher, diese Nachteile zu vermeiden
und ein Verfahren zu schaffen, mit welchem die zuverlässige und genaue Abtastung
von Füllständen unabhängig vom Verschmutzungsgrad des Fühlers bei verkürzter Ansprechzeit
möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß nicht der
Absolutwert der Zustandsgröße, sondern ihre zeitliche Änderung, d. h. ihre Änderungsgeschwindigkeit
als Kenngröße für die Füllstandsabtastung benutzt wird.
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Man ist damit frei von den erwähnten Schwierigkeiten, die Abtastung
des Füllstandes erfolgt zuverlässig, rasch und genau. Sobald der Flüssigkeitsspiegel
das Niveau des Fühlers erreicht, beginnt sich dessen Zustandsgröße zu verändern.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß man
nicht abzuwarten braucht, bis diese Anderung abgeschlossen ist, d. h. die Zustandsgröße
ihren neuen Endwert erreicht hat. Vielmehr genügt das Vorliegen einer zeitlichen
Änderung, die naturgemäß anfangs am größten ist, um das Ansprechen des Fühlers auszulösen.
Dabei ist primär die Tendenz der Änderung wichtig, also ihr Vorzeichen, während
ihr Betrag von untergeordneter Bedeutung ist.
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In weiterer Ausführung der Erfindung dient in an sich bekannter Weise
als Zustandsgröße der Übergangswiderstand bzw. -leitwert zwischen zwei Elektroden,
von denen eine Meßelektrode in vorgegebener Höhe und die Gegenelektrode darunter,
vorzugsweise in Bodennähe, angeordnet ist, wobei zur Erhöhung der Änderungsgeschwindigkeit
der Zustandsgröße mindestens die höher liegende Elektrode so angeordnet ist, daß
ihre Längsachse waagerecht liegt.
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Hierbei dient also als Kenngröße für die Abtastung des Füllstandes
die Anderungsgeschwindigkeit des zwischen zwei Elektroden herrschenden Widerstandes.
Dieser ist bei leerem Behälter gleich dem Isolationswiderstand, d. h. praktisch
unendlich groß, während er bei erreichtem Füllstand einen niedrigen Wert besitzt,
der im Falle einer hoch leitfähigen Flüssigkeit auf nahezu Null absinken kann. Beim
erfindungsgemäßen Verfahren kommt es jedoch nicht auf den genauen Wert des Widerstandes
bzw. Leitwertes, sondern auf die Tatsache der zeitlichen Anderung an, wobei Verschmutzungen
bzw. Ablagerungen keine Rolle spielen.
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Dabei kann als Gegenelektrode in an sich bekannter Weise der Behälter
selbst dienen und eine zweite Elektrode ganz eingespart werden; wenn die Leitfähigkeit
der Flüssigkeit groß genug ist, befindet sie sich praktisch auf dem Potential der
Behälterwandung. Dies ist aber auch möglich, wenn eine nichtleitfähige Flüssigkeit
vorliegt und als Zustandsgröße die Kapazität zwischen der Meßelektrode und der Gegenelektrode
bzw. dem Behälter verwendet wird.
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Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß
simultan zur Abtastung des Füllstandes der Absolutwert des elektrischen Widerstandes
des beheizten Bauelementes zur Abtastung der Flüssigkeitstemperatur benutzt wird.
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Hierdurch erreicht man eine Vereinfachung, die infolge des verringerten
Aufwandes an Bauelementen zugleich eine Verbilligung bedeutet. Die Einsparung wirkt
sich so vorteilhaft aus, daß daneben die obenerwähnten Nachteile einer Absolutmessung
nicht ins Gewicht fallen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur der Flüssigkeit
mittels eines ersten, vorzugsweise in Bodennähe angeordneten, nicht eigenbeheizten
Fühlers ermittelt, während ein zweiter Fühler, der beheizt und in vorgegebener Höhe
angebracht ist, bei Änderung seiner Umgebung, d. h.
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Zutritt oder Ablauf der Flüssigkeit, eine Temperatur-Änderungsgeschwindigkeit
abtastet und weiterleitet.
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Bei einer solchen Anordnung dient der obere der beiden Fühler als
Niveauschalter, während der untere als Temperaturfühler und gegebenenfalls zugleich
als Trockengehsicherung verwendet ist. Dabei ist aus wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft,
wenn die beiden Fühler gleich aufgebaut sind.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wirken die beiden Fühler
auf die gleiche Anordnung ein, die auf die beiden Steuergrößen in verschiedener
Weise anspricht.
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Durch diese Maßnahme erzielt man weitere Einsparungen. Im Falle der
Verwendung von Fühlern mit elektrischen Bauelementen ist insbesondere der Schaltungsaufwand
herabgesetzt, da die Fühler mit demselben Schaltungsteil der Steuerung, beispielsweise
derselben Verstärkerstufe, verbunden sein können.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht ferner darin, daß
nur Änderungsgeschwindigkeiten eines Vorzeichens zu Schalt- und Steuerzwecken herangezogen
werden.
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Diese Maßnahme ist beispielsweise bei beheizten Behältern sehr vorteilhaft,
wenn die Einschaltung der Heizung so lange unterbunden werden muß, bis ein vorgewählter
Füllstand erreicht ist. Infolge des schnellen Ansprechens der Temperatur-Änderungsgeschwindigkeit
des Fühlers wird eine solche Sperre praktisch unverzögert wirksam.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist erfindungsgemäß
weiter vorgesehen, daß die temperaturabhängigen Widerstände der beiden Fühler mit
einem weiteren elektrischen Bauelement in einem Spannungsteiler zusammengeschaltet
sind, dessen Abgriff an die Steuerelektrode eines Verstärkers angekoppelt ist, dessen
Ausgang eine Meß- und eine Schaltfunktion besitzt.
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Durch dieses Vorgehen erzielt man eine einfache Auswertung der von
den Fühlern abgegebenen Signale. Die Meßfunktion des Verstärkers kann dabei durch
die Höhe der am Verstärkerausgang anliegenden Spannung, die Schaltfunktion durch
das Ansprechen einer geeigneten Vorrichtung realisiert sein.
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Hierzu ist auch zweckmäßig, daß die Ankopplung des Spannungsteiler-Abgriffs
an die Steuerelektrode auf zwei parallelen Wegen erfolgt, deren jeder nur eine Steuergröße
durchläßt.
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Hierbei werden die beiden an den gleichen Eingang gespeisten Signale
schon vor ihrer Verstärkung wieder aufgespalten bzw. zu unterschiedlicher Einwirkung
auf die Steuerelektrode gebracht.
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Weiter ist nach dieser Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahren vorgesehen, daß der eine Weg mit galvanischer, der andere mit kapazitiver
Kopplung versehen ist.
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Sich langsam ändernde Signale werden dabei über den galvanischen
Weg an die Steuerelektrode gelangen, während schnelle Änderungen durch die kapazitive
Kopplung weitergeleitet werden. Die Bemessung der Bauelemente richtet sich nach
den zu er-
wartenden Änderungen bzw. Änderungsgeschwindig -keiten.
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Für die Realisierung der Schaltfunktion des Verstärkers ist es üblich,
daß an den Verstärkerausgang eine Glimmröhre, Zenerdiode od. dgl. in Reihe mit einem
Relais, Wandler od. dgl. gelegt ist, wodurch gewährleistet ist, daß bis zum Erreichen
einer vorgegebenen Zünd- oder Durchbruchspannung keine Veränderung des Schaltzustandes
eintritt, dann aber eine sofortige Auslösung des Schaltvorganges erfolgt.
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Eine wichtige Anordnung sieht in weiterer Ausbildung der Erfindung
vor, daß der Abgriff des Spannungsteilers über ein RC-Glied mit der Steuerelektrode
des Verstärkers verbunden ist, wobei der Koppelwiderstand vorzugsweise um mindestens
eine Größenordnung höher ist als der Ableitwiderstand der Steuerelektrode.
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Durch eine solche Koppelanordnung können in besonders eleganter Weise
die beiden unterschiedlichen Signale aufgelöst werden. Hierbei kann es allerdings
wegen der starken Spannungsuntersetzung notwendig sein, zwei oder mehr Verstärkerstufen
vorzusehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der
Zeichnung erläutert.
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F i g. 1 zeigt eine typische Aufheizkurve eines Flüssigkeitsbehälters;
Fig. 2 zeigt den Temperaturverlauf eines im Behälter angebrachten Fühlers während
dessen Füllung; F i g. 3 zeigt die Anordnung zweier Fühler in der Behälterwandung;
Fig. 4 ist eine Darstellung des prinzipiellen Temperaturverlaufs von Behälterflüssigkeit
und Fühler; F i g. 5 veranschaulicht die Ankoppelung der Fühlersignale an eine Verstärkeranordnung;
Fig. 6 zeigt ein spezielles Beispiel einer solchen Ankopplung; F i g. 7 zeigt ein
Beispiel der Leitwertabtastung.
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Wie aus Fig. 1 hervorgeht, benötigt das Aufheizen des Inhalts eines
Flüssigkeitsbehälters beträchtliche Zeit. Die Kurve veranschaulicht den Anstieg
der Temperatur T im Verlaufe der Zeit t, wobei auch eine vorgegebene Temperatur
Tw, beispielsweise 650 C, eingezeichnet ist. Die Aufheizung des Behälterinhalts
verläuft im allgemeinen recht langsam, beispielsweise mit einer mittleren Aufheizgeschwindigkeit
von 1 bis 20 Clmin.
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F i g. 2 zeigt den Temperaturverlauf eines als beheizter elektrischer
Widerstand ausgebildeten Fühlers, dessen Beheizung gleichzeitig mit der Inbetriebnahme
des Flüssigkeitsbehälters, also dessen erster Füllung, in Gang gesetzt wird. Bei
der Absolutwertabtastung muß die Temperatur des Fühlers bereits bei TF angekommen
sein, bevor der vorgegebene Füllstand erreicht ist. Mindestens bis zu dem mit tsp
bezeichneten Zeitpunkt muß die Abtastung des Füllstandes gesperrt bleiben, um ein
vorzeitiges Ansprechen der Steuerung zu vermeiden. Die Aufheizung des Fühlers geht
mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise 60... 900 C/min, vor sich. Die Abkühlung
des Widerstandes von seiner normalen, mit Tp bezeichneten Betriebstemperatur auf
den Ansprechwert TN erfolgt durch die Umhüllung des Widerstandes hindurch, also
mit etwas geringerer Geschwindigkeit, beispielsweise mehr als 450 C/min.
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Bei der Differentialabtastungsmethode ist die Steuerung betriebsbereit,
sobald die Temperatur des Widerstandes geringfügig über der Flüssigkeitstemperatur
liegt.
Es tritt sodann ein Abkühlvorgang mit einem negativen d T/d t auf. Eine Sperrung
während des Vorheizens des Widerstandes (d T/d t > 0) erübrigt sich bei der Differentialquotientenmethode,
da man das Ansprechen vom Vorzeichen des Differentialquotienten in einfacher Weise
durch Schaltungsmaßnahmen abhängig machen kann.
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Umgekehrt liegen die später beschriebenen Vorgänge für gleichzeitige
absolute Temperaturmessung und Differentialquotientenabtastung als Trockengehschutz.
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Die Anordnung der Fühler im Behälter ist in F i g. 3 dargestellt.
Man erkennt, daß der Behälter 1 in seiner Wandung 2 einen oberen Fühler 3 und einen
unteren Fühler 4 enthält, wobei innerhalb einer Umfüllung 5 ein elektrischer Widerstand
6 mit Anschlüssen 7 vorgesehen ist. In der gezeigten Anordnung wird der obere Fühler
3 als Niveauschalter, der untere Fühler 4 als Temperaturfühler und Trockengehsicherung
benutzt. Es ist vorteilhaft, Widerstände mit hoher Temperaturabhängigkeit zu benutzen,
beispielsweise mit negativem Temperaturkoeffizienten.
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Derartige Elemente sprechen auf Temperaturänderungen rasch mit einer
gegenläufigen Widerstandsänderung an.
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Aus Fig. 4 ist ersichtlich, in welcher Weise der untere Fühler 4
gemäß der Erfindung funktioniert.
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Die Kurve 10 gibt an, wie sich die Flüssigkeitstemperatur in Abhängigkeit
von der Zeit auf Grund der zugeführten Heizleistung ändert. Darüber verläuft die
Fühlertemperaturkurve 11. Die Temperatur des Fühlers ist infolge der Eigenbeheizung
stets etwas höher als die des Behälterinhaltes. Wenn die Soll-Temperatur der Flüssigkeit,
mit Tsoit bezeichnet, zur Zeit t1 erreicht ist, hat der Fühler also eine entsprechend
höhere Eigentemperatur.
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Der Fall, daß der Widerstand 6 des unteren Fühlers 4 ohne Berührung
mit der Flüssigkeit aufgeheizt wird, ist strichpunktiert beispielsweise zu den Zeiten
t2 und t3 in F i g. 4 eingezeichnet. Man sieht, daß in diesem Falle ein sofortiger
steiler Anstieg der Fühlertemperatur gegenüber dem Verlauf der Kurve 11 stattfindet,
und diese unstetige Temperaturänderung wird mit ihrer sehr hohen Geschwindigkeit
erfindungsgemäß zu Schalt- und Steuerzwecken ausgenutzt. Der untere Fühler 4 dient
also als schnell ansprechende Trockengehsicherung, da bei Ausbleiben der Berührung
des Fühlers mit Flüssigkeit sofort ein steiler Differentialquotient der Temperatur
nach der Zeit vorliegt.
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In dem Blockschaltbild nach F i g. 5 ist dargestellt, wie der veränderliche
Fühlerwiderstand 15 mit einem Festwiderstand 16 einen Spannungsteiler bildet, dessen
Abgriff 14 in zwei verschiedene Leitungenl7 und 18 mündet. Die Leitungl7 wird dabei
einem Verstärker 19 direkt, d. h. mit galvanischer Kopplung zugeführt (Absolutwertmessung).
während die Leitung 18 über den Kondensator 20 kapazitiv an den Eingang des Verstärkers
22 angekoppelt ist (Messung des Differentialquotienten). Die Ausgänge von Verstärkerl9
und Verstärker22 werden einer Ansprechvorrichtung 23 zugeführt, die beispielsweise
aus einer Glimmröhre mit in Reihe geschaltetem Relais bestehen kann.
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Fig. 6 zeigt eine vereinfachte Anordnung. Dabei ist der Abgriff 14
des Spannungsteilers, der von dem veränderlichen Fühlerwiderstand 15 und dem Festwiderstand
16 gebildet wird, einem RC-Glied zu-
geführt. Dieses besteht aus dem Kondensator
20 und einem KoppelwiderstandR<, dessen Widerstandwert vorzugsweise mindestens
eine Größenordnung über dem Ableitwiderstand RA liegt. Steile Signalflanken werden
also über den Kondensator20, sehr flache über den Widerstand RK an die folgende
Verstärkerstufe 25 angekoppelt, die über den Speisewiderstand 26 gespeist wird und
beispielsweise transistorisiert ist.
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Die Erfindung ist keineswegs auf die Verwendung der dargestellten
Schaltungen beschränkt. Es kann auch jede andere Schaltung oder Anordnung benutzt
werden, welche die Trennung der Zustandsgröße und ihrer Ableitung gestattet.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt F i g. 7 die Differentialquotientenabtastung
des Leitwertes der Flüssigkeit mit Fühlelektroden 27.
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Wenngleih die Erfindung vorstehend im wesentlichen an Hand elektrischer
Fühler erläutert wurde, ist doch hervorzuheben, daß auch andere Fühler gemäß dem
Verfahren der Erfindung benutzt werden können. So ist es beispielsweise denkbar,
daß als Fühler Membrandosen dienen, wobei als Zustandsgröße der Druck bzw. das Volumen
und entsprechend deren zeitliche Änderung als Kenngröße für die Abtastung des Füllstandes
dienen.
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Als Anwendung der Erfindung sind alle Möglichkeiten zu bezeichnen,
die Änderungsgeschwindigkeit einer Zustandsgröße zur Abtastung eines Füllstandes
zu benutzen.