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Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor zur Bestimmung eines Füllstands in einem Behälter nach dem TDR-Prinzip gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Ein bekanntes Verfahren zur Füllstandsmessung beruht darauf, ein elektromagnetisches Signal in den Behälter mit dem zu vermessenden Füllstand zu senden und das reflektierte Signal auszuwerten. Eine Möglichkeit ist, das Signal frei abzustrahlen, wie dies beim Radar geschieht. Wegen der unkontrollierten Wellenausbreitung wird häufig das Verfahren der Zeitbereichsreflektometrie (TDR, Time Domain Reflectometry) bevorzugt. Es basiert auf der Bestimmung von Laufzeiten eines elektromagnetischen Signals, um den Abstand einer Diskontinuität des Leitungswellenwiderstandes zu ermitteln. Der Unterschied zum Radar besteht darin, dass die elektromagnetischen Wellen nicht ins Freie abgestrahlt, sondern entlang eines Leiters geführt werden. Der Leiter ist als Monosonde oder Koaxialsonde ausgebildet, welche senkrecht oder schräg in den Tank eingeführt wird und möglichst dicht bis zum Boden reicht, um den vollen Messbereich abzudecken.
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Bei einer TDR-Messung wird typischerweise ein sehr kurzer elektrischer Sendeimpuls in den Leiter eingespeist und durchläuft ihn in Richtung des gegenüberliegenden Endes. Trifft der Impuls auf eine Störstelle, was gleichbedeutend mit einer Änderung des örtlichen Wellenwiderstands ist, wird ein Teil der Sendeenergie zum Leitungseingang zurückreflektiert. Aus der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Sendeimpulses und dem Empfang der Reflexion lässt sich die Position der Störstelle ortsgenau errechnen. Ein wichtiges Beispiel einer Störstelle ist eine Grenzfläche, welche zwei räumliche Bereiche mit unterschiedlichen physikalischen oder chemischen Eigenschaften trennt, wie eine Grenzfläche zwischen zwei Medien. Um den Empfangszeitpunkt präzise bestimmen zu können, wird der Verlauf des Empfangssignals abgetastet und einer digitalen Auswertung zugeführt. Dabei werden beispielsweise lokale Extremstellen im Signalverlauf gesucht und deren zeitliche Lage einer Reflexion an einer Grenzfläche zugeordnet.
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In den meisten Anwendungen beträgt der Behälterdurchmesser ein Vielfaches des Sondendurchmessers, so dass die Sonde ohne Weiteres Platz in dem Behälter findet. Unter Umständen lassen aber die Raumverhältnisse, beispielsweise wegen eines kleinen oder schmalen Behälters oder anderer beengender Verhältnisse, wie schlechter Zugang oder Einbauten innerhalb des Behälters, keine Montage einer TDR-Sonde zu. Dabei muss nicht zwingend der Behälter so klein sein, dass bereits physikalisch keine TDR-Sonde hineinpasst. Würde beispielsweise eine TDR-Sonde nahe neben einem Befüllrohr eines Behälters mit hochviskoser Flüssigkeit montiert, so entstehen bereits durch die räumliche Nähe erhebliche Probleme für den Prozess in dem Behälter, die Füllstandsmessung und die Reinigung des Behälters.
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Für solche Fälle gibt es keine geeigneten herkömmlichen Sensoren. Die Sendekeule eines Ultraschallsensors wäre zu breit. Die Füllstandsmessung mit einem Schwimmer, dessen Position beispielsweise mit Magnetsensoren bestimmt wird, bedarf aufwändiger mechanischer Konstruktionen, die sich bei höheren Hygieneanforderungen besonders störend auswirken.
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Aus der
DE 10 2009 045 180 A1 ist ein mit geführter Mikrowelle arbeitender Füllstandssensor bekannt, an dessen Prozessanschluss Koaxialsonden oder Stabsonden angeschlossen werden können. Anhand des gemessenen Signalverlaufs wird ein für den jeweiligen Sondentyp besonders geeigneter Auswertungsalgorithmus ausgewählt. Eine Auswahl der zu verwendenden Sonde löst aber nicht das Problem bei beengten Platzverhältnissen, in denen eine Sonde nicht im Behälter untergebracht werden kann.
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Die
EP 1 965 182 A2 befasst sich mit einem Füllstandsmessgerät mit einer elektrischen Leiteranordnung zum Führen eines elektromagnetischen Signals in den Behälter hinein und reflektierter Anteile des Signals aus dem Behälter heraus. Die elektrische Leiteranordnung ist in die Wand des Behälters integriert und wird dadurch nicht von Behältereinbauten behindert. Allerdings ist damit nach wie vor eine zusätzliche Leiteranordnung als Sonde erforderlich, auch wenn sie fest mit dem Behälter verbunden wird. Für die Integration in die Behälterwand ist sogar ein erhöhter Montageaufwand erforderlich.
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Daher ist Aufgabe der Erfindung, einen kompakteren und flexibler einsetzbaren Füllstandssensor anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch einen Füllstandssensor zur Bestimmung eines Füllstands in einem Behälter nach dem TDR-Prinzip gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, für einen TDR-Sensor keine eigene Sonde in dem Behälter zu montieren, sondern stattdessen bereits vorhandene Einbauten als Sonde zu nutzen. Solche Behältereinbauten sind in vielen Fällen schon vorgesehen und können erfindungsgemäß eine zusätzliche Funktion als Sonde erfüllen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Platzbedarf für eine Sonde entsteht und damit ein TDR-Sensor selbst noch bei äußerst beengten räumlichen Verhältnissen einsetzbar wird. Der Herstellungsaufwand für eine Sonde entfällt ebenso wie dessen Montage innerhalb des Behälters, der nicht immer leicht zugänglich ist, beziehungsweise anderweitige konstruktive Maßnahmen am Behälter. Der Verzicht auf eine eigene Sonde verbessert die hygienische Ausgestaltung der Anlage, da in Summe weniger Einbauten in dem Behälter erforderlich sind, an denen sich Verunreinigungen absetzen könnten. Das Messverfahren ist unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Sofern der als Sonde genutzte Behältereinbau sich bis nach außerhalb des Behälters erstreckt, kann der Sensor und damit dessen Auswertungselektronik mit einem gewissen Sicherheitsabstand montiert werden, in dem eine geringere Belastung etwa durch Reinigungsprozesse, Feuchtigkeit oder das zu vermessende Medium auftritt.
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Die Sonde ist vorzugsweise von einem Befüllrohr zum Einfüllen des Mediums in den Behälter gebildet. Ein solches Befüllrohr stellt in Geometrie und Anordnung einen besonders als Sonde geeigneten Behältereinbau dar. Durch die Zusatzfunktion des Befüllrohrs als Sonde wird nicht nur Bauraum eingespart, sondern auch sichergestellt, dass der Befüllvorgang und die TDR-Messung reibungslos nebeneinander ablaufen können. Alternativ zu einen Befüllrohr sind auch andere Rohre, beispielsweise ein Ablauf- oder Überlaufrohr, und ganz allgemein langgestreckte und in den Behälter hineinragende Behältereinbauten besonders geeignet. Dazu zählen Heizstäbe, Antriebswellen wie von einer Rührvorrichtung, aber auch innere Stützelemente des Behälters und dergleichen.
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Der Behälter ist vorzugsweise ein am unteren Ende mediumsdicht abgebundener Schlauch aus Verpackungsmaterial. Aus dem Schlauch werden befüllte Verpackungen hergestellt, beispielsweise Milchtüten oder Getränkekartons, indem jeweils stückweise eine Abdichtung als Decken- beziehungsweise Bodenbereich hergestellt wird, etwa durch Abschnüren, Falten, Kleben, thermisches Behandeln und dergleichen. Als Sonde wird ein Schlauchfüller genutzt, also ein Befüllrohr, das sich in den aus Verpackungsmaterial gebildeten Schlauch erstreckt und die Verpackungen befüllt. Der Sensor misst dabei vorzugsweise, wann ein gewünschter Befüllzustand erreicht wird, um daraufhin die soeben befüllte Verpackung abzubinden und ein neues Schlauchstück nachrücken zu lassen.
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Der Sensor ist bevorzugt seitlich auf den Behältereinbau aufgesetzt montiert. Dadurch bleibt die eigentliche Funktion des Behältereinbaus erhalten. Dazu kann ein Gewinde an dem Behältereinbau angebracht und der Sensor dort eingeschraubt werden. Wenn der Behältereinbau eine Rohrleitung ist, kann darin eine seitliche Öffnung vorgenommen und der Sensor dort montiert werden. Gegen ein Medium in der Rohrleitung wird die Öffnung anschließend abgedichtet.
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Der Sensor weist bevorzugt ein Verbindungsstück zum Überbrücken eines Abstands zwischen Sensor und Behältereinbau auf. Dies ermöglicht, den Sensor in einem zusätzlichen Abstand sowohl von dem Behälter als auch dem als Sonde genutzten Behältereinbau zu montieren. Damit wird der Sensor zusätzlich von Einflüssen des Prozesses innerhalb des Behälters geschützt.
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Das Verbindungsstück ist noch bevorzugter aus einem flexiblen Material hergestellt. Dadurch wird die Zuleitung biegsam und erleichtert das Montieren des Sensors sowie das Auffinden einer geeigneten und zugänglichen Position für den Sensor.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt für einen Einlernmodus ausgebildet, in dem ein effektiver Sondenanfang und/oder ein effektives Sondenende eingelernt wird. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Sensor weist der als Sonde genutzte Behältereinbau eine möglicherweise erhebliche Zulaufstrecke auf, ehe der eigentliche Messbereich bei einem maximalen oder, bei Montage des Sensors an einem unteren Teil eines Behältereinbaus, auch einem minimalen zu messenden Füllstand beginnt. Diese Zulaufstrecke ist auch zunächst unbekannt, weil der zu nutzende Behältereinbau anders als eine dedizierte Sonde bei der Herstellung des Sensors regelmäßig noch gar nicht bekannt ist. Ähnlich kann auch der zweite Endpunkt des Messbereichs bei minimalem beziehungsweise maximalem Füllstand eingelernt werden. Zum Einlernen gibt es zahlreiche Möglichkeiten, angefangen bei einem direkten Parametrieren bis hin zu einem Auswerten von Testmessungen, welche Reflexionssignale von vorhandenen Störstellen, etwa von Krümmungen oder Enden des Behältereinbaus, oder auch von gezielt an einzulernenden Positionen angebrachten Störstellen enthalten. Im Betrieb werden Reflexionssignale von außerhalb des eingelernten Messbereichs vorzugsweise unterdrückt oder ignoriert. Derartige Reflexionssignale können bei Ausnutzen eines Behältereinbaus leicht entstehen, weil der Behältereinbau anders als eine dedizierte Sonde nicht auf Freiheit von Störstellen ausgelegt wird.
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Die Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, bei der Bestimmung der Laufzeit ein im oberen Bereich der Sonde erzeugtes Echo in dem reflektierten Signal zu berücksichtigen. Bei einer dedizierten Sonde befindet sich der Sensor an deren oberem Ende. Bei Ausnutzen eines Behältereinbaus als Sonde wird vorzugsweise eine seitliche Montage vorzusehen sein. Beispielsweise ist bei Rohrleitungen, Rührstäben oder Temperaturfühlern das obere Ende bereits anderweitig belegt. Das führt dann aber dazu, dass ein Reflexionssignal aus dem Behälter nicht nur in den Sensor, sondern auch weiter an das nicht von dem Sensor besetzte obere Ende läuft. Dort wird es partiell erneut reflektiert, und dieses Echo gelangt als Störsignal in den Sensor. Die Berücksichtigung dieses Echos bei der Auswertung erhöht die Präzision und Robustheit der Messung. Die Auswertung ist dabei vorzugsweise so ausgelegt, dass auch bei Ausbleiben des Echos, etwa wenn der Sensor doch an dem oberen Ende eines Behältereinbaus montiert wurde, ein robustes Ergebnis erzielt wird.
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Vorzugsweise wird der Behälter zyklisch neu von einem Schlauch aus Verpackungsmaterial gebildet, in das ein Befüllrohr hineinragt, welches als Sonde genutzt wird. Hier wird vorzugsweise ein Endlosband aus Folie, Kartonage oder dergleichen zu einem Schlauch gerollt oder gefaltet und abschnittsweise befüllt. Das Befüllrohr wird dabei als Sonde für eine Füllstandsmessung zur Überwachung des Füllvorgangs genutzt.
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Zur Bestimmung der Laufzeit wird bevorzugt die zeitliche Lage eines Messpulses in dem reflektierten Signal bestimmt, wobei ausgeschlossen wird, dass der Messpuls ein in einem oberen Bereich der Sonde erzeugter Echopuls ist, indem der erste Puls aus einem Messbereich als Messpuls verwendet wird oder indem die zeitliche Lage aus einem Doppelpulsmodell aus sich überlagerndem Messpuls und Echopuls bestimmt wird. Wie oben erläutert, kann von einem oberen Ende des Behältereinbaus ein zusätzliches Echo als Störsignal entstehen, das sich mit dem eigentlichen Messpuls überlagert. Es gibt dann verschiedene Möglichkeiten, diese Überlagerung auszuwerten. Im einfachsten Fall wird der erste Puls als Messpuls aufgefasst, und spätere Signalanteile bleiben in der Auswertung unberücksichtigt. Es ist aber auch möglich, ein genaueres Modell des durch Überlagerung von Messpuls und Echopuls auftretenden Doppelpulses zugrunde zu legen. Die Überlagerung führt nicht zwingend zu einem unmittelbar erkennbaren Messpuls und Echopuls. Eine etwaige Dämpfung des Echopulses gegenüber dem Messpuls sowie deren gegenseitiger Abstand sind durch den oberen Teil des Behältereinbaus determiniert und somit prinzipiell durch Kalibrieren oder Parametrieren zugänglich. Damit kann ein Doppelpulsmodell noch genauer werden. Es wird dann beispielsweise die Lage des Doppelpulses bestimmt und aus dem Doppelpulsmodell abgeleitet, welche zeitliche Lage dann dem Messpuls in dem Doppelpuls zuzuordnen ist. Der Echopuls kann in dem Doppelpuls sogar als redundante Messinformation genutzt werden, zumindest sofern die relevanten Verhältnisse in dem oberen Teil des Behältereinbaus bekannt oder eingelernt sind.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Darstellung eines TDR-Sensors, der an einem Befüllrohr eines Behälters montiert ist und das Befüllrohr als Sonde nutzt; und
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2 eine schematische Darstellung eines TDR-Sensors ähnlich 1, wobei der Behälter ein Abschnitt eines Schlauches ist, der zu befüllten Verpackungseinheiten verarbeitet wird.
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1 zeigt schematisch einen TDR-Sensor 10, der als Füllstandssensor in einem Tank oder Behälter 12 mit einer Flüssigkeit oder allgemein einem Medium 14 angebracht ist. Das Medium 14 bildet gegenüber der Luft 16 eine Grenzfläche 18. Der Sensor 10 ist dafür ausgebildet, die Entfernung der Grenzfläche 18 zu ermitteln und daraus sowie aus seiner bekannten Anbringungslage den Füllstand und bei Bedarf anhand der Geometrie des Behälters 12 auch die Menge des Mediums 14 abzuleiten. Die Grenzfläche 18 ist nicht auf einen Übergang zwischen einem Medium 14 und Luft 16 beschränkt, sondern kann alternativ beispielsweise auch zwischen verschiedenen Flüssigkeiten oder zu und zwischen Schüttgut oder Granulaten bestehen.
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Der Sensor 10 weist einen Sensorkopf 20 mit einem Sender 22, einem Empfänger 24 sowie einer damit verbundenen Steuer- und Auswertungseinheit 26 auf. Außerdem ist stellvertretend für verschiedene denkbare Anschlüsse eine Schnittstelle 28 vorgesehen, beispielsweise um den Sensor 10 zu parametrieren, diagnostizieren oder dessen Messergebnisse auszulesen.
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In den Behälter 12 ragt ein Befüllrohr 30, über welches das Medium 14 wie durch Blockpfeile 32 angedeutet in den Behälter 12 gelangt. Die Erfindung wird an diesem Beispiel eines Behältereinbaus in Form des Befüllrohrs 30 beschrieben, umfasst aber auch andere Behältereinbauten, von denen einleitend mehrere beispielhaft genannt sind.
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Der Sensorkopf 20 ist auf dem Befüllrohr 30 derart seitlich montiert, dass ein oberer Teil 30a und ein unterer Teil 30b des Befüllrohrs 30 je nach Lage gegenüber dem Sensorkopf 20 entsteht. Für die Montage wird beispielsweise eine Öffnung in dem Befüllrohr 30 angebracht, dort ein Gewinde montiert und das Befüllrohr 30 anschließend wieder abgedichtet. Andere Montageformen sind ebenso denkbar, wie Anschweißen, das Anbringen von Halteklammern und ähnliches. Abweichend von der Darstellung sind zusätzliche Verbindungsstücke zwischen Sensorkopf 20 und Befüllrohr 30 denkbar, die insbesondere aus einem flexiblen Material bestehen, um größere Flexibilität für den Montageort des Sensorkopfes 20 zu gewinnen. Dabei kann beispielsweise der Sensorkopf 20 außerhalb des Behälters 12 vorgesehen sein, und der Anschluss zwischen Verbindungsstück und Behältereinbau liegt innerhalb des Behälters 12. Ist der Behälter 12 anders als in 1 geschlossen, so kann es erforderlich sein, eine zusätzliche Öffnung für das Verbindungsstück oder den Behältereinbau in dem Behälter 12 anzubringen, um das Durchleiten des Sensorsignals zu ermöglichen, und die Öffnung mit einem isolierenden Material abzudichten.
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Das Befüllrohr 30 dient auf diese Weise als Sonde des Sensors 10. Für eine Füllstandsmessung wird nun gemäß dem einleitend beschriebenen TDR-Prinzip von dem Sender 22 ein Hochfrequenzsignal erzeugt, insbesondere ein Mikrowellenpuls, und auf das vorzugsweise metallische oder anderweitig ein Hochfrequenzsignal leitende Befüllrohr 30 gekoppelt. An der Grenzfläche wird das Hochfrequenzsignal partiell reflektiert und gelangt als Messpuls zurück zu dem Sensorkopf 20, wo es in dem Empfänger 24 registriert wird. Aus dem entstandenen Empfangssignal wird in der Steuer- und Auswertungseinheit 26 die Laufzeit und damit die Strecke zwischen Sensorkopf 20 und Grenzfläche 18 bestimmt. Mit geeigneter Kalibrierung wird diese Laufzeit in einen Füllstand des Mediums 14 umgerechnet.
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Die in dem Befüllrohr 30 eingezeichneten Pfeile symbolisieren verschiedene Signalwege, die zeigen, dass über den soeben beschriebenen Messpuls hinaus diverse weitere Signale von dem Empfänger 24 erfasst werden. Dabei sind einige Störstellen, etwa der Knick des Befüllrohrs 30, noch gar nicht berücksichtigt. Das Empfangssignal kann also eine sehr komplexe Gestalt annehmen. Ein Teil dieser Störungen kann ausreichend berücksichtigt werden, indem der relevante Messbereich möglicher Füllstände vorab eingestellt oder eingelernt wird. Zudem sind manche Überlagerungen von Reflexionssignalen sowie ein Umgang damit bei TDR-Sensoren bekannt, beispielsweise in Bezug auf einen Artefaktpuls von einem unteren Ende 34 des als Sonde dienenden Befüllrohrs 30, so dass hier nicht näher darauf eingegangen werden soll.
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Zumindest ein zusätzlicher Effekt ist aber der besonderen Montage des Sensorkopfes 20 geschuldet. Der Signalweg der Reflexion von der Grenzfläche 18 führt nämlich nicht nur in den Sensorkopf 20, sondern ein Teil der Energie folgt dem Befüllrohr 30 weiter in Richtung zu einem oberen Ende 36. Erfolgt dort eine weitere Reflexion, so gelangt ein solches Echo als zusätzliches Störsignal in den Sensorkopf 20.
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Solange das Befüllrohr 30 in das Medium 14 eingetaucht ist, wird das direkte Reflexionssignal von der Grenzfläche 18 als erstes in dem Empfänger 24 registriert. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, den eigentlichen Messpuls aufzufinden. Andererseits stellt die Geometrie und Beschaffenheit des Befüllrohrs 30 letztlich eine Konstante der Messung dar, so dass bekannt ist oder eingelernt werden kann, wie lange nach dem Messpuls ein Echo von dem oberen Ende 36 an dem Empfänger 24 eintrifft. Das ermöglicht robustere Auswertungen, welche die erwartungsgemäße Überlagerung von Messpuls und Echo berücksichtigen. Dabei bildet das Echo von dem oberen Ende 36 an sich sogar eine redundante Messinformation und kann folglich nicht nur als Störung unterdrückt, sondern sogar zur Verbesserung der Messgenauigkeit verwendet werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sensors 10 zur Füllstandsmessung. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder einander entsprechenden Merkmale. Der Behälter 12 gemäß 1 wird in der Ausführungsform gemäß 2 von einem Schlauch 38 gebildet, der aus einem Endlosband von Verpackungsmaterial 40 gefaltet wird. Abweichend von der Darstellung ist auch ein Rollen denkbar, das dann zu einem runden statt kantigen Querschnitt des Schlauches 38 führt. An einem unteren Ende des Schlauches 38 wird beispielsweise durch Falten ein Boden 42 gebildet, so dass aus dem unteren Schlauchstück ein Behälter entsteht.
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Das Befüllrohr 30 bildet einen Schlauchfüller, um diesen Behälter mit einem Medium zu füllen, beispielsweise einem Getränk. Das Befüllrohr 30 dient wie in der Ausführungsform gemäß 1 als Sonde des Sensors 10. Sobald ein gewünschter Füllstand erreicht ist, wird Verpackungsmaterial 40 wie durch Blockpfeile angedeutet nachtransportiert, um ein neues Schlauchstück zu formen, und der gefüllte Behälter zu einer Verpackungseinheit 44 abgebunden. Dazu wird ein neuer Boden 40 und entsprechend ein Deckel der abgebundenen Verpackungseinheit 44 gebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009045180 A1 [0006]
- EP 1965182 A2 [0007]
