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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zum Bestimmen eines Füllstandes einer in einem Behälter füllbaren Flüssigkeit.
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Um den Füllstand beim Befüllen eines Behälters mit einer Flüssigkeit zu bestimmen, sind unterschiedliche Verfahren bzw. Vorrichtungen bekannt, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen.
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Zum Beispiel wird der Füllstand zum einen mittels eines auf Veränderung der elektrischen Eigenschaften basierenden Sensors oder zum anderen mittels eines auf Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen basierenden Sensors bestimmt.
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Bei der Verwendung eines Sensors, der die Veränderung der elektrischen Eigenschaften bestimmt, wird ein sich verändernder elektrischer Messstrom zwischen zwei Elektroden gemessen, um daraus den Füllstand der Flüssigkeit in dem Behälter zu erhalten. Hierzu muss die zu vermessende Flüssigkeit elektrisch leitend sein.
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Bei einem auf Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen basierenden Sensor werden die Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen entweder in dem Behälter ausgesendet und die reflektierten Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen erfasst oder entlang einer Sonde in dem Behälter geleitet und eine Veränderung der Sonde durch Eintauchen in die Flüssigkeit gemessen.
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Anhand einer Laufzeit der Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen zwischen dem Aussenden und dem Empfangen der Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen im ersten Fall bzw. einer Größe einer Absorption der Schallwellen oder elektromagnetischen Wellen durch die Flüssigkeit im zweiten Fall, kann der aktuelle Füllstand der Flüssigkeit in dem Behälter bestimmt werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Sensor zum Bestimmen eines Füllstandes einer in einem Behälter füllbaren Flüssigkeit derart zu verbessern, dass eine genaue Bestimmung des Füllstandes möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor zum Bestimmen eines Füllstandes einer in einem Behälter füllbaren Flüssigkeit, mit einem Lichtsender zum Aussenden wenigstens eines Lichtimpulses; einem Empfänger zum Empfangen wenigstens eines reflektierten Rücklichtimpulses, wobei der Lichtimpuls an einer Flüssigkeitsoberfläche zumindest teilweise reflektierbar ist; einer Steuer- und Auswerteeinheit zum Steuern des Sensors und zum Auswerten des empfangenen Rücklichtimpulses; und einer Ein- und Auskopplungseinheit zum Einkoppeln des Lichtimpulses in einen Flüssigkeitsstrahl, der in den Behälter einleitbar ist, und zum Auskoppeln des Rücklichtimpulses an den Empfänger, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet ist, zum Bestimmen einer Zeitdifferenz zwischen einem Aussenden des Lichtimpulses und einem Empfangen des Rücklichtimpulses, um eine Entfernung zwischen der Ein- und Auskopplungseinheit und der Flüssigkeitsoberfläche zu errechnen.
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Hierbei weist die Erfindung den Vorteil auf, dass durch eine Führung des Lichtimpulses in den Flüssigkeitsstrahl eine fokussierte Reflexion des Lichtimpulses an der Flüssigkeitsoberfläche erzielbar ist, so dass eine höhere Energie des Rücklichtimpulses gegenüber einer offenen Reflexion auf der Flüssigkeitsoberfläche für die Auswertung zur Verfügung steht. Ferner ist eine Messentfernung des Sensors durch die Nutzung des Flüssigkeitsstrahls als Leitmedium nicht unnötig eingeschränkt.
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Erfindungsgemäß wird unter Einkoppeln unter anderem verstanden, dass der vom Sender ausgesendete Lichtimpuls durch die Ein- und Auskopplungseinheit in den Flüssigkeitsstrahl eingeleitet bzw. gelenkt wird, so dass sich der Lichtimpuls in dem Flüssigkeitsstrahl fortbewegt. Auskoppeln bedeutet analog der umgekehrte Vorgang, bei dem der reflektierte Rücklichtimpuls aus dem Flüssigkeitsstrahl austritt und in Richtung des Empfängers geleitet bzw. gelenkt wird.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Lichtimpuls aus ultraviolettem, sichtbarem oder infrarotem Licht. Insbesondere ist die Wellenlänge des Lichtimpulses in Abhängigkeit von der optischen Eigenschaft der Flüssigkeit auszuwählen. D.h. die Wellenlänge des Lichtimpulses muss in einem Bereich der Lichtdurchlässigkeit des Flüssigkeitsstrahls liegen.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ein- und Auskopplungseinheit eine Reflexionseinheit auf, die ausgebildet ist, den ausgesendeten Lichtimpuls in Richtung des Flüssigkeitsstrahls durchzulassen und den reflektierten Rücklichtimpuls in Richtung des Empfängers umzulenken. Hierdurch ist es vorteilhaft, dass der Sensor keine Messelemente aufweist, die in der Flüssigkeit angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Strahlführungseinheit zum Bündeln des Flüssigkeitsstrahls vorgesehen, die ausgebildet ist, den Flüssigkeitsstrahl entlang einer vorgegebenen Strecke in einer vorgegebenen Richtung, vorzugsweise in Richtung der Flüssigkeitsoberfläche, zu formen. Dies hat den Vorteil, dass der Flüssigkeitsstrahl seine Form über eine wesentlich größere Entfernung beibehält, so dass die Lichtimpulse und Rücklichtimpulse verbessert geleitet sind.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Strahlführungseinheit aus einem Material, das für die Wellenlänge des Lichtimpulses undurchlässig ist, so dass der Lichtimpuls und der Rücklichtimpuls in den Flüssigkeitsstrahl entlang der Strahlführungseinheit leitbar sind.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ein- und Auskopplungseinheit eine Verbindungseinheit auf, die die Ein- und Auskopplungseinheit mit einer Leitung einer Befüllungsanlage verbindet. Vorteilhafterweise ist die Verbindungseinheit ausgebildet, den Flüssigkeitsstrahl in Richtung der Flüssigkeitsoberfläche zu lenken, und den Lichtimpuls und den reflektierten Rücklichtimpuls durchzulassen.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet, ein erstes Referenzsignal zu erhalten, wenn der Lichtimpuls die Reflexionseinheit passiert, und ein zweites Referenzsignal zu erhalten, wenn der Lichtimpuls eine zu der Flüssigkeitsoberfläche hin angeordnete Öffnung der Strahlführungseinheit passiert. Dadurch stehen der Steuer- und Auswerteeinheit mehrere Signaldaten für die Auswertung zur Verfügung.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuer- und Auswerteeinheit ausgebildet, aus dem ersten Referenzsignal einen Startzeitpunkt für einen Messvorgang und aus dem zweiten Referenzsignal einen Referenzzeitpunkt für den Messvorgang zu bestimmen. Mittels der zu dem Zeitpunkt des Rücklichtimpuls zusätzlichen Zeitpunkte kann vorteilhafterweise eine genauere Auswertung der Laufzeit des Lichtimpulses und damit der Entfernung zwischen dem Sensor und der Flüssigkeitsoberfläche durchgeführt werden.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuer- und Auswerteeinheit mit einem Rotor verbunden, der in der Leitung der Befüllungsanlage vorgesehen ist und durch die Flüssigkeit in der Leitung antreibbar ist.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Betriebsenergie des Sensors durch Drehung des Rotors, der einem Generator angehört, beziehbar. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Befüllungsanlage den Sensor mit Energie versorgt und nur Energie während eines Befüllungsvorgangs erzeugt und vom Sensor verbraucht wird.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Aktivierung des Sensors durch die Drehung des Rotors auslösbar, und die Steuer- und Auswerteeinheit ist ausgebildet, die Drehung des Rotors zu unterbinden. Hierdurch ist sichergestellt, dass einerseits der Sensor zu Beginn eines Befüllungsvorgangs betriebsbereit ist und andererseits beim Erreichen eines vorgegebenen Füllstandes die Steuer- und Auswerteeinheit die Befüllung durch Unterbinden eines Drehens des Rotors unterbricht.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuer- und Auswerteinheit ausgebildet, den Lichtimpuls in einer bestimmten Zeitperiode auszusenden und die Zeitperiode mit der Zeitdauer eines Messvorganges zu verkürzen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie weitere Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Im Nachfolgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Erfindung ist hierbei nicht auf das näher erläuterte Anwendungsbeispiel beschränkt. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
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1 eine schematische Darstellung einer Befüllungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Sensor, und
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2 eine schematische Auswertung der Steuer- und Auswerteeinheit des erfindungsgemäßen Sensors.
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Die 1 zeigt schematisch eine Befüllungsanlage, die aus einem Behälter B und einer Leitung L besteht. In der Leitung L wird die zu befüllende Flüssigkeit Fl Richtung des Behälters B und in diesem in Form eines Flüssigkeitsstrahls 8 eingeleitet.
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Um die Befüllung des Behälters B zu steuern und zu überwachen, ist an einer Austrittöffnung der Leitung L ein Sensor 1 zum Bestimmen eines Füllstandes h der Flüssigkeit Fl in dem Behälter B vorgesehen.
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Der Sensor 1 weist einen Lichtsender 2, einen Empfänger 3 und eine Steuer- und Auswerteeinheit 5 auf. Der Lichtsender 2 dient dazu, wenigstens einen Lichtimpuls 2a auszusenden, der in Richtung einer Flüssigkeitsoberfläche 4 in dem Behälter B gerichtet ist. Hierbei kann der Lichtimpuls 2a aus ultraviolettem, sichtbarem oder infrarotem Licht bestehen. Die Wellenlänge des Lichtimpulses 2a ist abhängig von der optischen Eigenschaft der Flüssigkeit Fl auszuwählen. D.h. die Wellenlänge des Lichtimpulses 2a muss in einem Bereich der Lichtdurchlässigkeit des Flüssigkeitsstrahls 8 liegen.
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Beim Auftreffen des Flüssigkeitsstrahls 8 auf die Flüssigkeitsoberfläche 4 in dem Behälter B, entsteht lokal eine Verwirbelung der Flüssigkeitsoberfläche 4, die sich wie eine Reflexionsfläche für den Lichtimpuls 2a verhält. An dieser Reflexionsfläche reflektiert der Lichtimpuls 2a und bildet einen reflektierten Rücklichtimpuls 2b, der von dem Empfänger 3 detektiert wird.
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Ferner weist der Sensor 1 eine Ein- und Auskopplungseinheit 7 mit einer Verbindungseinheit 6 auf, wobei die Verbindungseinheit 6 die Ein- und Auskopplungseinheit 7 mit der Austrittsöffnung der Leitung L der Befüllungsanlage verbindet. Über die Ein- und Auskopplungseinheit 7 ist somit der Sensor 1 an die Befüllungsanlage befestigt und in Richtung des Behälters B gerichtet.
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Hierbei ist die Verbindungseinheit 6 auch dazu vorgesehen, die Flüssigkeit Fl aus der Leitung L der Befüllungsanlage in Form des Flüssigkeitsstrahls 8 in Richtung des Behälters B, insbesondere der Flüssigkeitsoberfläche 4, zu lenken, und den Lichtimpuls 2a und den reflektierten Rücklichtimpuls 2b durchzulassen.
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Bei der Befüllung des Behälters B fließt somit die Flüssigkeit Fl entlang der Leitung L in die Verbindungseinheit 6 des Sensors 1 und wird in Richtung des Behälters B gelenkt.
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Eine Strahlführungseinheit 9 zum Bündeln des Flüssigkeitsstrahls 8 ist vorgesehen, wobei die Strahlführungseinheit 9 ausgebildet ist, den Flüssigkeitsstrahl 8 entlang einer vorgegebenen Strecke, d.h. entsprechend einer Länge der Strahlführungseinheit 9, in einer vorgegebenen Richtung, vorzugsweise in direkte Richtung zu der Flüssigkeitsoberfläche 4, zu führen. Dadurch ist der Flüssigkeitsstrahl 8 dazu gezwungen, seine Form über eine wesentlich größere Entfernung beizubehalten, bevor er auseinander fällt und verwirbelt.
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Vorteilhafterweise besteht die Strahlführungseinheit 9 aus einem Material, das für die Wellenlänge des Lichtimpulses 2a undurchlässig ist, so dass der Lichtimpuls 2a und der Rücklichtimpuls 2b in dem Flüssigkeitsstrahl 8 entlang der Strahlführungseinheit 9 ohne Abschwächung leitbar ist. D.h. insbesondere, dass der Lichtimpuls 2a und der Rücklichtimpuls 2b nicht aus dem Flüssigkeitsstrahl 8 emittieren und somit an Intensität abschwächen können.
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Weiterhin weist die Ein- und Auskopplungseinheit 7 eine Reflexionseinheit 7a auf, die ausgebildet ist, den ausgesendeten Lichtimpuls 2a in Richtung des Flüssigkeitsstrahls 8 durchzulassen und den reflektierten Rücklichtimpuls 2b in Richtung des Empfängers 3 umzulenken.
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Durch solch einen Aufbau der Ein- und Auskopplungseinheit 7, aber insbesondere des Sensors 1, sind keine messenden Sensorelemente in der Flüssigkeit Fl bzw. dem Flüssigkeitsstrahl 8 angeordnet, die als „Fremdkörper“ in der Flüssigkeit Fl betrachtet werden können. Somit wäre auf einfacherweise ein Reinheitsgebot der Flüssigkeit Fl erzielbar.
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Weiterhin stehen keine messenden Sensorelemente in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit Fl, so dass einerseits eine Abnutzung des Sensors 1 verringert ist und andererseits eine Betriebsdauer des Sensors 1 erhöht ist.
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Gemäß der Erfindung ist die Steuer- und Auswerteeinheit 5 zum Steuern des Sensors 1 und zum Auswerten des empfangenen reflektierten Rücklichtimpulses 2b vorgesehen, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit 5 ausgebildet ist, eine Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Lichtimpulses 2a und dem Empfangen des Rücklichtimpulses 2b zu bestimmen. Aus der Zeitdifferenz errechnet die Steuer- und Auswerteeinheit 5 eine Entfernung zwischen der Ein- und Auskopplungseinheit 7 und der Flüssigkeitsoberfläche 4, so dass daraus der aktuelle Füllstand h des Behälters B ermittelt ist.
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Der Messvorgang wird anhand der 2 schematisch dargelegt.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit 5 veranlasst den Lichtsender 2 in einer bestimmten Zeitperiode den Lichtimpuls 2a auszusenden.
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Wenn der Lichtimpuls 2a die Reflexionseinheit 7a passiert, erhält die Steuer- und Auswerteeinheit 5 ein erstes Referenzsignal S1, und wenn der Lichtimpuls 2a eine zu der Flüssigkeitsoberfläche 4 hin angeordnete Öffnung der Strahlführungseinheit 9 passiert, erhält die Steuer- und Auswerteeinheit 5 ein zweites Referenzsignal S2.
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Aus dem ersten Referenzsignal S1 bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 5 einen Startzeitpunkt t0 für einen Messvorgang. Mit dem Startzeitpunkt t0 erfasst die Steuer- und Auswerteeinheit 5 eine Intensität des Lichtimpulses 2a.
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Aus dem zweiten Referenzsignal S2 bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 5 einen Referenzzeitpunkt t1, an der der Lichtimpuls 2a bzw. der Flüssigkeitsstrahl 8 aus der Strahlführungseinheit 9 austritt. Die Intensität des Lichtimpulses 2a zu diesem Referenzzeitpunkt t1 wird ebenfalls von der Steuer- und Auswerteeinheit 5 erfasst.
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Der Lichtimpuls 2a reflektiert an der Flüssigkeitsoberfläche 4, und der gebildete Rücklichtimpuls 2b wird an der Reflexionseinheit 7a zum Empfänger 3 abgelenkt und zu einem Zeitpunkt t2 von der Steuer- und Auswerteeinheit 5 erfasst. Die Intensität des Rücklichtimpulses 2b zu dem Zeitpunkt t2 wird ebenfalls von der Steuer- und Auswerteeinheit 5 bestimmt.
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Anhand der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden des Lichtimpulses 2a und dem Empfangen des Rücklichtimpulses 2b bestimmt die Steuer- und Auswerteeinheit 5 eine Laufzeit des Lichtimpulses 2a und daraus die Entfernung zwischen der Flüssigkeitsoberfläche 4 und der Ein- und Auskopplungseinheit 7 bzw. dem Sensor 1. Hieraus kann die Steuer- und Auswerteeinheit 5 ganz präzise den Füllstand h der Flüssigkeit Fl in dem Behälter B herleiten.
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Um die Präzision der Messung des Füllstandes h zu erhöhen, ist die Steuer- und Auswerteeinheit 5 ausgebildet, die Zeitperiode, in dem der Lichtimpuls 2a ausgesendet wird, mit der Zeitdauer des Messvorganges zu verkürzen, so dass ein Abstand zwischen dem Aussenden von zwei Lichtimpulsen 2a immer kleiner wird.
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Ferner können die detektierten Zeitpunkte t0, t1, t2 und die gleichzeitig erfassten Intensitäten dazu genutzt werden, Fehler bei der Messung zu kompensieren.
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Weiterhin ist vorteilhafterweise in der Leitung L ein Rotor R vorgesehen, der einem nicht dargestellten Generator angehört und für die Leitung L abdichtend angeordnet ist. Der Rotor R ist mit der Steuer- und Auswerteeinheit 5 verbunden.
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Die in Richtung des Behälters B in der Leitung L fließende Flüssigkeit Fl treibt den Rotor R an, so dass Energie erzeugt wird. Die erzeugte Energie wird der Steuer- und Auswerteeinheit 5 des Sensors 1 zugeführt, so dass der Sensors 1 eine autonome Energieversorgung aufweist.
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Ferner kann mit der Bereitstellung der Energie über die Steuer- und Auswerteeinheit 5 der Betriebszustand des Sensors 1 aktiviert werden, so dass eine zusätzliche Prozesssicherheit bei der Befüllung des Behälters mit einer Überwachung durch den Sensor 1 gewährleistet ist. D.h. sobald die Flüssigkeit Fl in die Leitung L fließt, wird der Sensor 1 aktiviert, und der Befüllungsvorgang wird überwacht.
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Vorteilhafterweise ist die Steuer- und Auswerteeinheit 5 des Sensors 1 ausgebildet, beim Erreichen eines vorgegebenen Füllstandes h zusätzlich zu einem Stoppsignal an die Befüllungsanlage die Drehung des Rotors R zu unterbinden, so dass der Befüllungsvorgang durch Stoppen der Flüssigkeitszufuhr aufgrund eines Stopps der Befüllungsanlage und des Rotors R beendet ist. Damit ist durch eine redundante Abschaltung der Flüssigkeitszufuhr eine erhöhte Sicherheit beim Befüllungsvorgang erzielbar.
