DE19600888C2

DE19600888C2 - Behälter mit einer Einrichtung zum Bestimmen der Füllmenge des Behälters

Info

Publication number: DE19600888C2
Application number: DE1996100888
Authority: DE
Inventors: Heinz Klemp; Hugo Westerkamp
Original assignee: Individual
Current assignee: Klemp Heinz 30916 Isernhagen De Westerkamp Hug
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2016-01-13
Also published as: DE19600888A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Behälter mit einer Einrichtung zum Bestimmen der Füllmenge des Behälters.

In vielen Bereichen besteht ein Bedarf, den Füllstand von Behältern, insbesondere von geschlossenen Behältern, zu erfassen und anzuzeigen. In industriellen Großanlagen werden hierzu Optische-, Ultraschall-, Mikrowellen- und andere Meß verfahren für entsprechende Behälter eingesetzt. Diese Ver fahren sind jedoch sehr aufwendig und teuer.

Vor allem im Bereich "Konsumer" besteht ein großer Bedarf an geeigneten Füllstandsmeßsystemen für unterschiedlichste Anwendungen, die eine sehr kostengünstige Lösung erfordern. Hierbei soll der Füllstand von z. B. Thermoskannen, Bier fässern, Gasflaschen etc. ermittelt werden. Bei einer der artigen Thermoskanne ist bislang die Erfassung des Füllstands nur durch Anheben, Öffnen, Schütteln etc. möglich. Aufgrund des konstruktiven Aufbaus kann auch kein Sichtfenster vorge sehen werden.

Die Ermittlung der Füllmenge kann über das Behältergewicht und eine gewichtsproportionale Längenänderung mit Dehnungs meßstreifen durchgeführt werden. Dehnungsmeßstreifen bewirken bei einer Längenänderung eine Widerstandsänderung, die mit einer geeigneten Schaltung ausgewertet werden kann. Der Nach teil derartiger Sensoren liegt darin, daß diese niederohmig sind und daher einen hohen Strom erfordern. Der resultierende Energiebedarf ist für die hauptsächlich durch Batterie bzw. Akkus versorgten Behälter zu hoch.

Denkbar wäre auch die Erfassung des Behältergewichts mit Foliendrucksensoren, die ebenfalls eine Widerstandsänderung bewirken. Nachteilig ist hierbei eine auftretende Drift des Widerstands in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und der Zeit. Diese Sensoren kommen somit bei Behältern, die Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, nicht in Betracht.

Es wäre auch denkbar, Keramiksensoren einzusetzen. Das Meß prinzip beruht dabei auf einer Änderung der Kapazität. Diese Sensoren sind bislang für den Einsatz im genannten Bereich erheblich zu teuer.

Auch die übrigen genannten Sensoren kommen vor allem in Hin blick auf die Anwendung im Konsumerbereich aus Kostengründen nicht in Betracht.

In der DE-OS 43 43 919 A1 ist eine Isolierkanne beschrieben, in deren Standfläche ein kompakter, handelsüblicher Druck sensor zur Ermittlung des Füllstands angebracht ist. Die Ver wendung eines Drucksensors hat die oben genannten Nachteile.

In der EP 0 259 494 A1 ist ein kompakter kapazitiver Kraft aufnehmer mit zwei voneinander beabstandeten Elektroden beschrieben. Die Elektroden sind auf elestischen Substraten aufgebracht, so daß eine definierte Verformung durch eine auf die Substratfläche einwirkende Kraft auftritt. Zur Gewähr leistung einer konstanten Elastizität wird vorgeschlagen, daß nur eine Substratfläche eine Krafteinwirkung erfährt. Es ist eine aufwendige Qualitätskontrolle des elastischen Materials erforderlich. Zudem muß der Sensor mit relativ aufwendigen und teuren Herstellungsschritten luftdicht vergossen sein.

In der DE 34 26 165 A1 ist ein sehr kompakter kapazitiver Kraftaufnehmer beschrieben, der aus Silizium besteht und Dünnschichtelektroden aufweist, die einander gegenüberliegend auf Substraten aufgebracht sind. Die Substrate sind mit Ab standshaltern in einem festen Abstand voneinander fixiert. Durch eine auf die Mitte eines der Substrate einwirkende Kraft erfolgt eine definierte Verformung des Substrats und damit eine Kapazitätsänderung des durch die Substrate gebil deten Kondensators. Die Herstellung erfolgt mit relativ auf wendigen Ätz- und Beschichtungsverfahren, so daß die Sensoren verhältnismäßig teuer sind.

Aus der DE 39 39 959 A1 ist eine Waage bekannt, bei der die Meßdaten drahtlos z. B. durch einen induktiven Übertrager an eine Anzeige- und Auswerteeinheit übertragen werden.

In der DE 24 53 960 A1 ist ein Behälter mit einem Behälter rumpf, der Füllgut umschließt, und mit mindestens einem Tragelement für den Rumpf dargestellt. Der Rumpf liegt auf einer Seite fest auf dem Tragelement. Auf der gegenüber liegenden Seite lagert er auf einem mit dem Tragelement ver bundenen Hebel, wobei der Rumpf durch eine Feder am Hebel in Abhängigkeit von dem Gewicht des Behälters in bezug auf den Rumpf beweglich ist. Über einen weiteren Hebelmechanismus, der wirksam mit dem Hebel verbunden ist, wird ein induktiver bzw. ein potentiometrischer Wegaufnehmer zur Messung der Wegänderung betätigt. Die Wegänderung ist ein Maß für das Gewicht des Behälters. Durch die Vielzahl von Hebeln ist die Vorrichtung nicht für kleinere Behälter verwendbar.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Behälter mit einer Einrichtung zum Bestimmen der Füllmenge des Behälters anzu geben, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist. Insbesondere sollten die Bauteile derart miteinander wirken, daß diese trotz der einwirkenden Kraft preiswert aus Kunststoff gefertigt werden können. Der Behälter sollte aus einem Rumpf, der Füllgut umschließt, und einem Tragelement für den Rumpf bestehen, wobei das Tragelement durch eine Feder in Abhängigkeit von dem Gewicht des Behälters in bezug auf den Rumpf beweglich gelagert ist.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung nach Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Festlegung, daß der Füllstand über das Gewicht des Behälters ermittelt wird. Der Rumpf und das Tragelement sind zueinander mit mindestens einer Feder beweglich befestigt. Dadurch, daß die Feder eine Bewegung zulassen muß, erfolgt durch die Eigenschaften der Feder eine definierte Änderung des Abstands zwischen dem Rumpf und dem Tragelement. Erfindungsgemäß wird jeweils eine Ringelektrode an dem Behälter und dem Rumpf angebracht, die zueinander so ausgerichtet sind, daß sie einen Kondensator, d. h. eine Kapazität, bilden. Die Elektroden sind dabei so angeordnet, daß die Abstandsänderung zwischen Rumpf und Tragelement eine Änderung der Kapazität bewirkt.

Der Vorteil des Zusammenwirkens der Feder mit dem durch die Ringelektroden gebildeten Kondensator besteht in der einfachen Fertigung und dem im Vergleich zu handelsüblichen Sensorelementen niedrigeren Herstellungskosten. Bei kapazitiven Sensoren treten Probleme durch Feuchtigkeitsein flüsse auf. Diese Einflüsse machen sich jedoch bei der Ver wendung von Ringelektroden, die sich um den gesamten Umfang des Behälters erstrecken, aufgrund der großen Elektroden fläche kaum bemerkbar. Die Ringelektroden können aus Kunst stoff gefertigt und mit einer Metallschicht bedampft werden.

Durch die Verwendung einer Feder anstelle der üblichen elastischen Substrate wird eine zur Kraft proportionale Weg- bzw. Kapazitätsänderung bewirkt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Mit der Auswerteschaltung nach Anspruch 4 oder 5 ist es mit geringem Schaltungsaufwand möglich, die Kapazität des durch die Ringlektroden gebildeten Kondensators und damit die Füll menge des Behälters zu bestimmen.

Besonders vorteilhafte Anwendungen der Erfindung sind mit dem Behälter nach Anspruch 7 denkbar. Indem die Meßsignale mit kostengünstigen Sende- und Empfangsbausteinen an eine externe Stelle übermittelt wird, kann die Steuerung des Zu- bzw. Ab flußes des Füllguts oder die Auswertung der Füllmenge extern erfolgen.

Die Erfindung wird durch die Zeichnungen und die Ausführungs beispiele verdeutlicht. Es zeigen:

Fig. 1 Thermoskanne mit Tragelementen und Ringelektroden;

Fig. 2 Ausschnitt der Thermoskanne mit dem Tragelement, der Feder und den Ringelektroden;

Fig. 3 Blockschaltbild eines Elektronikmoduls zur Auswertung der Elektrodenkapazität und der sich daraus ergeben den Füllmenge.

Die Erfindung wird für eine besondere Anwendung, der Füll mengenbestimmung bei Thermoskannen, erläutert. Fig. 1 zeigt eine verschließbare Thermoskanne mit einem zumindestens am Boden kreisförmigen Rumpf (1). Ein Schraubgewinde (2) am Boden des Rumpfs (1) dient dazu, die Elemente der Einrichtung zur Füllmengenbestimmung zu befestigen und eine einfache Montage der Thermoskanne zu ermöglichen. Die Kanne hat im Inneren einen doppelwandigen Glaseinsatz (3) mit innerer Metallisierung. Er erfüllt damit die Anforderungen hoher Iso lierung. Der Glaseinsatz (3) ist mit einer Gummidichtung (4) gedämpft gelagert.

Der Rumpf (1) steht auf Tragelementen (5). Mindestens ein Tragelement (5) ist über eine Feder (6), das als Druckfeder ausgeführt ist, beweglich gelagert. In der Ausführungsform ist ein Führungsbolzen (7) zwischen der Feder (6) vorgesehen, durch den eine Bewegung des Rumpf (1) zu dem Tragelement (5) in vertikaler Richtung festgelegt ist. Durch die Feder (6) wird der Rumpf (1) von dem auf einer Tragfläche stehenden Tragelement (5) in vertikaler Richtung nach oben gedrückt. Zwischen dem Tragelement (5) und der Feder (6) bzw. dem Führungsbolzen (7) ist eine erste Ringelektrode (8) ange bracht, die sich um den gesamten Umfang der Thermoskanne erstreckt. Diese Ringelektrode (8) kann z. B. eine dünne Blechscheibe oder ein metallisierter Kunststoffring sein. Auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Ringelektrode (8) ist eine zweite Ringelektrode (9) an einer Verschlußplatte (10) angebracht, die fest mit dem Rumpf (1) über das Schraub gewinde (2) verschraubt und damit ein fester Bestandteil des Rumpfs (1) ist. Die Tragelemente (5) werden über einen Sockelring (11), der mit dem Schraubgewinde (2) an den Rumpf (1) geschraubt ist, beweglich zu dem Rumpf (1) getragen.

Die zwei Ringelektroden (8, 9) sind somit über die vertikale Verschieblichkeit des Tragelements (5) in bezug auf den Rumpf (1) über die Feder (6) ebenfalls vertikal zueinander verschieblich. Durch eine Gewichtserhöhung bewegt sich der Rumpf (1) relativ zu dem Tragelement (5) vertikal nach unten. Dadurch wird der Abstand zwischen den Ringelektroden (8, 9) erhöht, wodurch sich die Kapazität zwischen den beiden Ringelektroden (8, 9) verkleinert.

Die Kapazität wird über ein Elektronikmodul (12) ausgewertet, das in den Rumpf (1) der Thermoskanne an geeigneter Stelle eingebaut wird. Die Stromversorgung der Elektronik erfolgt über eine auswechselbare Batterie (13) oder einen Akku. Der Füllstand kann an einem Anzeigemodul (14), z. B. einem LCD- Display, angezeigt werden. Hierzu kann der Füllstand z. B. quantisiert in Form verbleibender Tassen, die noch mit dem Kanneninhalt gefüllt werden können, angegeben werden.

Die Elektronik kann mit Hilfe eines im Rumpf (1) befindlichen Reedkontakt (16), der gegenüberliegend zu einem im Behälter deckel angebrachten Permanentmagneten (15) angeordnet ist, ein- bzw. ausgeschaltet werden. Der Permanentmagnet (15) und der Reedkontakt (16) wirken dabei derart zusammen, daß der Reedkontakt (16) geschlossen ist, wenn der Deckel im Schließ zustand ist.

In der Fig. 2 ist ein Ausschnitt der Thermoskanne mit dem Tragelement (5), der Druckfeder als Lagerelement und den Ringelektroden (8, 9) gezeigt. Es ist ersichtlich, daß das Tragelement (5) beweglich an dem Rumpf (1) zwischen dem Sockelring (11) der Verschlußplatte (10) getragen ist. Der Glaseinsatz (3) der Thermoskanne liegt auf der Verschluß platte (10) auf. Desweiteren ist ein Stellring (17) gezeigt, in dem die Feder (6) angebracht ist. Der Führungsbolzen (7) gleitet in dem Stellring (17) zwischen der Feder (6) und sorgt für eine vertikale Beweglichkeit des Rumpfs (1) in bezug auf das Tragelement (5). Der Stellring (17) ist dabei mit einem Anschlagsring (18) fixiert. Der Führungsbolzen (7) ist an einem konzentrischen Trägerring (19) befestigt, der sich um den gesamten Umfang der Thermoskanne erstreckt. Der Trägerring (19) hat eine ebene, horizontale Fläche, an dem die erste Ringelektrode angebracht ist. Der Trägerring (19) kann beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sein. Die erste Ringelektrode (8) kann eine darauf geklebte Metallfolie sein. An der unteren horizontalen Ebene des Trägerrings (19) sind, wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, Einkerbungen vorgesehen, um die durch den Trägerring (19) und den Rumpf (1) gebildete parasitäre Kapazität zu minimieren.

Die bewegliche Verbindung des Rumpfes mit dem Tragelement kann durch ein Elastomer ausgeführt werden. Elastomere sind jedoch aufgrund des nichtlinearen Verhältnisses zwischen der Gewichts- und Längenänderung nicht zu bevorzugen. Sie haben außerdem den Nachteil, daß ihre Federeigenschaften tempera turabhängig sind und Alterungserscheinungen, vor allem bei Wechselbeanspruchung unterliegen.

Bevorzugt werden daher Metallfedern eingesetzt, die je nach Konstruktion als Druck- oder Zugfeder ausgeführt sein kann. Metallfedern haben den Vorteil einer linearen Beziehung zwischen Kraft und Längenänderung. Außerdem haben sie ein vorteilhaftes Temperatur- und Langzeitverhalten.

In der Fig. 3 ist das Blockschaltbild eines Elektronikmoduls zur Auswertung der Elektrodenkapazität und der sich daraus ergebenden Füllmenge gezeigt. Der Sensor, d. h die aus den Ringelektroden (8, 9) gebildete Kapazität, ist an einen CF-Converter angeschlossen. Der C/F-Converter bestimmt eine zur Kapazität des Sensors proportionale Frequenz. Hierzu werden die Elektroden, bzw. der durch die Elektroden gebildete Kondensator, mit einem Konstantstrom auf 5 eine erste Referenzspannung aufgeladen. Bei Erreichen der ersten Referenzspannung wird der Strom umkehrt, so daß der Kondensator auf eine zweite Referenzspannung, die geringer als die erste Referenzspannung ist, entladen wird. Der C/F- Converter kann vom Fachmann z. B. mit Schmitt-Triggern sehr einfach realisiert werden. Die Umschaltimpulse, mit denen die Stromumkehr bei Erreichen einer der beiden Referenzspannung gesteuert wird, kann die Frequenz ermittelt werden. Hierzu dient ein Counter Circuit zum Zählen der Impulse in Zeiträumen, die durch ein Gate festgelegt werden. Sowohl das Gate als auch der Counter Circuit werden durch einen Timing Circuit gesteuert. Ein Control Circuit dient dazu, die ermittelte Frequenz in einen zum Füllstand proportionalen Wert umzurechnen. Dieser kann z. B. auf einem Display in Form verbleibender Tassen, die mit dem Inhalt der Thermoskanne noch gefüllt werden können, angezeigt werden.

Es ist vorteilhaft, optional einen Temperatursensor an die Auswerteschaltung anzuschließen, um die ermittelte Kapazität bei Schwankungen der Umgebungstemperatur zu kompensieren.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung kann der Füll stand drahtlos an eine externe Stelle übermittelt und dort zur Anzeige gebracht werden. Hierzu wird das Meßsignal über ein Sendemodul an dem Behälter auf ein externes Empfangs- und Auswertemodul übertragen. An der externen Stelle wird dann die Auswertung vorgenommen. Indem die Füllstände z. B. an ein Sekretariat gemeldet werden, könnte eine kontinuierliche Ver sorgung mit frischen Getränken z. B. bei Besprechungen ermög licht werden.

Die Erfindung ist nicht nur auf den Einsatz in Thermoskannen beschränkt. Denkbar ist auch die Verwendung bei Gasflaschen, Bierfässern etc.

Bezugszeichenliste

(

1

)Rumpf
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2

)Schraubgewinde
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3

)Glaseinsatz
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4

)Gummidichtung
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5

)Tragelemente
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6

)Feder
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7

)Führungsbolzen.
(

8

)erste Ringelektrode
(

9

)zweite Ringelektrode
(

10

)Verschlußplatte
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11

)Sockelring
(

12

)Elektronikmodul
(

13

)Batterie
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14

)Anzeigemodul
(

15

)Permamentmagnet
(

16

)Reedkontakt
(

17

)Stellring
(

18

)Anschlagsring
(

19

)Trägerring

Claims

1. Behälter mit einer Einrichtung zur kapazitiven Messung der Füllmenge des Behälters, bestehend aus einem Rumpf (1), der Füllgut umschließt, und mindestens einem Tragelement (5) für den Rumpf (1), wobei das Tragelement (5) durch eine Feder (6) in Abhängigkeit von dem Gewicht des Behäl ters in bezug auf den Rumpf (1) beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

1. eine erste flache Ringelektrode (8) fest mit dem Trag element (5) verbunden ist, die sich um den gesamten Umfang des Behälters erstreckt und
2. auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Ring elektrode (8) eine der ersten Ringelektrode (8) ent sprechende zweite Ringelektrode (9) angeordnet ist, die fest mit dem Rumpf (1) verbunden ist, wobei
3. die Ringelektroden derart geformt und aufeinander aus gerichtet sind, daß diese eine Kapazität bilden und
4. die Kapazität durch die Feder (6) proportional zu dem Behältergewicht veränderlich ist.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (6) eine Druckfeder ist.

3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ringelektrode (8) auf einem Träger (19) be festigt ist und der Träger (19) Einkerbungen zwischen der ersten Ringelektrode (8) und der Trägeroberfläche hat.

4. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Schaltung zur Auswertung der Kapazität der ersten und zweiten Ringelektrode (8, 9), bestehend aus einem Modul zur Spannungs- bzw. Stromversorgung der Auswerteschaltung, einem Meßmodul zur Messung der Kapazität des durch die ersten und zweiten Ringelektrode (8, 9) gebildeten Konden sators und einem Steuermodul zur Steuerung des Meßmoduls und zur Auswertung des Meßsignals, gekennzeichnet durch ein Meßmodul, welches den Kondensator mit einem Strom auf eine erste Referenzspannung auflädt, den Strom bei Errei chen der ersten Referenzspannung umkehrt, so daß der Kondensator auf eine zweite Referenzspannung, die geringer als die erste Referenzspannung ist, entladen wird, und die Zeit zwischen den Umschaltimpulsen, die bei Erreichen einer der beiden Referenzspannung erzeugt werden, ermit telt, wobei die ermittelte Zeitdauer ein zur Kapazität proportionaler Wert ist.

5. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Schal tung zur Auswertung der Kapazität der ersten und zweiten Ringelektrode (8, 9), bestehend aus einem Modul zur Span nungs- bzw. Stromversorgung der Auswerteschaltung, einem Meßmodul zur Messung der Kapazität des durch die ersten und zweiten Ringelektrode (8, 9) gebildeten Kondensators und einem Steuermodul zur Steuerung des Meßmoduls und zur Auswertung des Meßsignals, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmodul, welches den Kondensator mit einem Strom auf eine erste Referenzspannung auflädt, den Strom bei Errei chen der ersten Referenzspannung umkehrt, so daß der Kondensator auf eine zweite Referenzspannung, die geringer als die erste Referenzspannung ist, entladen wird, und die Frequenz von Umschaltimpulsen, die bei Erreichen einer der beiden Referenzspannung erzeugt werden, ermittelt, wobei die ermittelte Frequenz ein zur Kapazität proportionaler Wert ist.

6. Behälter nach Anspruch 4 oder 5 mit einem an die Auswerte schaltung angeschlossenen Temperatursensor zur Kompensa tion der ermittelten Kapazität bei Schwankungen der Umge bungstemperatur.

7. Behälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch ein Sendemodul und ein außerhalb des Behäl ters befindliches Empfangsmodul zur drahtlosen Übertragung des Meßsignals und eine außerhalb des Behälters befind liche Schaltung zur Auswertung des Meßsignals.