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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Füllelement zum Befüllen von Behältern mit einer Flüssigkeit, insbesondere einem Getränk, welches auch ein CO
2-haltiges Getränk sein kann. Das Füllelement hat einen Füllelementkörper mit einem Produktkanal, in welchem ein Füllventil ausgebildet ist, um das Befüllen eines unter dem Füllelement gehaltenen Behälters zu starten und zu stoppen. Am unteren Ende des Produktkanals ist eine Abgabeöffnung ausgebildet und das Füllelement hat unter der Abgabeöffnung eine Aufnahme für einen Behälter, wie zum Beispiel eine Standfläche, einen Greifer oder eine Hängend-Aufnahme. Des Weiteren hat das Füllelement einen Füllstandssensor, der sich zumindest teilweise vertikal unter die Abgabeöffnung erstreckt, wobei das Füllventil in Abhängigkeit von dem Signal des Füllstandssensors betätigbar ist. Ein derartiges Füllelement der gattungsgemäßen Art ist z.B. aus der
DE 10 2011 056 370 A1 bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, das oben genannte gattungsgemäße Füllelement derart weiterzuentwickeln, dass eine möglichst gleichmäßige Befüllung eines in dem Füllelement angeordneten Behälters erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Füllelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind auch in der Beschreibung und in den Zeichnungen offenbart.
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Erfindungsgemäß weist der Füllstandssensor wenigstens einen Schwingungskörper auf und eine Messeinrichtung, um die Schwingung des Schwingungskörpers zu messen. In dem erfindungsgemäßen Füllstandssensor des Füllelements wird der Schwingungskörper in Schwingung versetzt, z.B. durch die Strömung im oder durch das beim Füllen austretende Gas. Vorzugsweise kann eine, z.B. elektrische, Anregungseinrichtung vorgesehen sein, um den Schwingungskörper in Schwingung zu versetzen. Der Schwingungskörper schwingt unabhängig davon, ob er im Füllstrahl oder neben dem Füllstrahl angeordnet ist, mit einer definierten Frequenz, vorzugsweise mit seiner Resonanzfrequenz. Steigt nun der Füllstandspegel in dem Behälter so stark an, dass er das untere Endes des Schwingungskörpers berührt, und eventuell sogar am Schwingungskörper hochsteigt, ändert sich die Schwingungsfrequenz des Schwingungskörpers, was mittels der Messeinrichtung gemessen und mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet wird, um das Füllventil zu schließen. Die Auswerteeinrichtung kann dem Füllelement oder zentral einer Füllmaschine zugeordnet sein kann, die eine Mehrzahl der oben genannten Füllelemente aufweist.
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Diese entweder dem Füllelement oder der Füllmaschine zugeordnete Auswerteeinrichtung hat vorzugsweise wenigstens einen Referenzwert gespeichert, der ein Grenzfrequenz des Schwingungskörpers enthält, wenn der Füllstand das untere Ende des Schwingungskörpers erreicht hat oder eine vorgegebene Höhe an diesem hochgestiegen ist. Diese Frequenz wird als Referenzwert festgelegt und gespeichert. Die aktuelle Schwingungsfrequenz wird in der Auswerteeinrichtung dann mit dem Referenzwert verglichen, und wenn der Referenzwert erreicht bzw. überschritten wird, wird das Füllventil geschlossen.
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Der Schwingungskörper kann kontinuierlich oder diskontinuierlich, z.B. in Pulsen in Schwingung versetzt werden. Bei diskontinuierlichem Betrieb sollten der Abstand zwischen den Pulsabständen der Anregungssignale der Anregungseinrichtung nicht größer als 100 ms, vorzugsweise nicht größer als 10 ms sein, damit eine gewünschte hohe Genauigkeit in der Füllhöheneinstellung erreicht wird.
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Der Schwingungskörper wird vorzugsweise durch die Anregungseinrichtung in seiner Eigenresonanzfrequenz angeregt. Eine derartige Schwingung ist leicht induzierbar und in ihrer Frequenz sehr definiert. Diese Frequenz wird verändert, wenn der Füllstand den Schwingungskörper erreicht und an ihm hochsteigt.
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Es ist selbstverständlich auch möglich, dass die Frequenz des Schwingungskörpers durch den Füllstand im Behälter beeinflusst wird. Daher kann in dem Referenzspeicher der Auswerteeinrichtung nicht nur ein definierter Frequenzwert gespeichert sein, sondern auch ein zeitlicher Frequenzverlauf, was die Auswertesicherheit des Füllstandssensors beträchtlich verbessert, weil dann nicht nur ein Frequenzsprung (wenn der Füllstand den Schwingungskörper erreicht hat) sondern auch der davor befindliche Frequenzverlauf ausgewertet wird. Über diesen kann es sogar möglich sein, eventuelle Defekte an der Flasche oder am Füllvorgang zu eruieren.
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Vorzugsweise ist der Schwingungskörper ein elektromechanischer Wandler, zum Beispiel ein Piezoelement. Ein derartiges Piezoelement kann zum Beispiel durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen Wechselfeldes leicht in Resonanzschwingung versetzt werden, wenn auf die elektrischen Anschlüsse, das heißt Anschlusselektroden des Piezoelements, eine entsprechende Anregungsspannung mit der erforderlichen Frequenz angelegt wird, z.B. in Pulsform. Auch die Auswerteeinrichtung kann mit denselben Anschlüssen verbunden sein, so dass alternierend angeregt und ausgewertet werden kann. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind daher die Anregungseinrichtung als auch die Auswerteeinrichtung des Füllelements bzw. der Füllmaschine mit denselben elektrischen Anschlüssen des Piezoelements verbunden. Es ist natürlich auch möglich separate Elektroden an dem Piezoelement für die Auswertung vorzusehen.
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Die Anregungseinrichtung und die Auswerteeinrichtung können in einer elektronischen Schaltung integriert sein, die entweder separat für jedes Füllelement ausgebildet ist oder die zentral in der Füllmaschine für eine Mehrzahl von Füllelementen vorgesehen ist, so dass die entsprechende Anregungseinrichtung und Auswerteeinrichtung multiplex arbeiten können muss.
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Vorzugsweise ist der Schwingungskörper als Stab oder Gabel ausgebildet, was den Vorteil hat, dass er zum einen den Füllstrahl nicht nennenswert beeinträchtigt und dass zum anderen die Resonanzfrequenz eines derartigen Körpers sehr definiert ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich der Schwingungskörper zentral unter der Abgabeöffnung, so dass er vollständig vom Füllstrahl umschlossen ist. Auf diese Weise werden während des ganzen Füllvorgangs definierte Umgebungs- und damit Schwingungsverhältnisse für den Schwingungskörper geschaffen, was geringe Abweichungen in der Schwingungsfrequenz beim Füllen mit sich bringt, besonders wenn er in Eigenresonanz schwingt.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Schwingungskörper senkrecht von der Abgabeöffnung nach unten, so dass er zum einen gut in den Behälter hineinragt und dort für die Füllstandsmessung geeignet ist als auch andererseits den Füllstrahl nicht wesentlich beeinträchtigt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Schwingungskörper unterhalb des Produktkanals koaxial zu diesem angeordnet, so dass er von der aus der Abgabeöffnung austretenden Flüssigkeit, das heißt vom Füllstrahl, völlig umgeben ist. Dies führt zu definierten Schwingungsbedingungen beim Füllen und zu einer minimalen Beeinträchtigung des Füllstrahls.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Schwingungskörper von dem axial bewegbaren Ventilelement gehalten, das axial bewegbar in dem Produktkanal gehalten ist und mit einem am Produktkanal ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt. Dadurch, dass der Schwingungskörper somit in dem Ventilelement aufgehängt ist, muss keine separate Aufhängung für den Schwingungskörper im oder unterhalb des Produktkanals vorgesehen werden. Der Schwingungskörper beeinträchtigt somit den Füllstrom im Produktkanal so gut wie überhaupt nicht und auch unterhalb des Produktkanals nur minimal. Auf diese Weise kann eine ausgezeichnete Füllstandsmessung bei hoher Füllleistung realisiert werden.
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Wie oben bereits ausgeführt wurde, ist vorzugsweise an dem Füllelement oder an einer Füllmaschine ein Referenzspeicher für einen Schwingungsverlauf und/oder eine Grenzschwingung vorgesehen und die Auswerteeinrichtung hat einen Komparator, der das beim Schwingungskörper gemessene Schwingungssignal mit dem gespeicherten Schwingungsverlauf oder der gespeicherten Grenzschwingung zur Ableitung eines Betätigungssignals für das Füllventil vergleicht. Auf diese Weise kann sehr zuverlässig erfasst werden, wenn der Füllstand im Behälter das untere Ende oder einen anderen definierten Punkt des Schwingungskörpers erreicht.
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Vorzugsweise hat der Füllelementkörper an seiner Unterseite eine Anlagefläche für den Behälter, die somit eine Dichtfläche für eine Druckbefüllung bildet. In einer horizontalen Ebene ist der Schwingungskörper selbstverständlich innerhalb dieser Anlagefläche angeordnet und erstreckt sich unter die Anlagefläche, so dass er in die Behälteröffnung hineinragt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich daher der Schwingungskörper von dem Produktkanal bis unter die Abgabeöffnung.
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Insbesondere wenn der Schwingungskörper im Füllstrahl angeordnet ist, ist es auch möglich, über die Schwingung des Schwingungskörpers Unregelmäßigkeiten im Füllstrahl zu erfassen und auszuwerten.
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Der Schwingungskörper, insbesondere wenn er als Piezoelement ausgebildet ist, kann somit ein starrer Körper sein. Es ist jedoch auch möglich, als Schwingungskörper einen sehr flexiblen Körper, wie zum Beispiel ein Band oder einen dickeren Faden, zu verwenden, dessen Schwingung durch einen Sensor, zum Beispiel einen optischen Sensor, oder falls es sich um ein ferromagnetisches Material handelt, einen Hall-Sensor erfasst werden kann. Wenn dieser Schwingungskörper ein derartiges flexibles Element ist, wird er insbesondere bei der Anordnung im Füllstrahl in einer Eigenfrequenz vibrieren. Wenn hingegen der Füllstand das untere Ende dieses flexiblen Elements erreicht, wird diese Schwingung des flexiblen Elements stark verändert, was dann von dem optischen oder magnetischen oder sonstigen Näherungssensor erfasst werden kann. Zur Erfassung der Schwingung des flexiblen Elements kann selbstverständlich auch ein akustischer Sensor verwendet werden. Für das flexible Element kann natürlich auch ein polymerbasiertes piezoelektrisches Element verwendet werden, womit die Messung über die Kontaktelektroden des Piezoelements erfolgt. Hier ist dann keine Anregungseinrichtung notwendig.
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Die Erfindung betrifft in gleicher Weise eine Füllmaschine, die mehrere Füllelemente der oben genannten Art aufweist. Insbesondere kann bei einer derartigen Füllmaschine die Auswerteeinrichtung und/oder die Anregungseinrichtung zentral für alle Füllelemente vorgesehen sein, entweder separat oder integriert in die Steuerung der Füllmaschine.
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Die Erfindung betrifft in gleicher Weise ein Verfahren zur Füllstandsmessung eines von einem Füllelement befüllten Behälters, wobei das Füllelement einen Produktkanal und ein darin ausgebildetes Füllventil aufweist, als auch eine Abgabeöffnung am unteren Ende des Produktkanals, durch welche eine abzufüllende Flüssigkeit in die Behälteröffnung eines unterhalb der Abgabeöffnung befindlichen Behälters einströmt. Gemäß der Erfindung ist im Bereich unterhalb der Abgabeöffnung des Füllelements ein Schwingungskörper angeordnet, so dass er sich zumindest teilweise in die Behälteröffnung hineinerstreckt. Der Schwingungskörper wird zumindest während eines Füllvorgangs in Schwingungen versetzt, entweder durch eine Anregungseinrichtung oder durch den Füllstrahl der aus der Abgabeöffnung austretenden Flüssigkeit oder das entweichende Gas selbst, welche Schwingungen von einer Messeinrichtung gemessen werden, wobei das Füllventil geschlossen wird, wenn eine vorgegebene Schwingungsänderung oder eine vorgegebene Änderung im zeitlichen Schwingungsverlauf eintritt oder überschritten wird.
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Zu den Vorteilen dieses Verfahrens wird auf die obige Beschreibung des erfindungsgemäßen Füllelements Bezug genommen.
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Vorzugsweise werden hierbei ein Referenz-Schwingungsverlauf und/oder eine Referenz-Grenzschwingung abgespeichert, und die gemessene Schwingung des Schwingungskörpers wird mit dem gespeicherten Referenz-Schwingungsverlauf oder der Referenz-Grenzschwingung verglichen. Das Füllventil wird geschlossen, wenn der Referenz-Schwingungsverlauf bzw. die Referenz-Grenzschwingung von der aktuellen Schwingung des Schwingungskörpers erreicht oder überschritten werden.
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Es soll klargestellt sein, dass der Füllstandssensor nicht nur einen Schwingungskörper, sondern mehrere (z.B. parallele) Schwingungskörper aufweisen kann, um ein redundantes Messergebnis zu erzielen. Es ist weiterhin offensichtlich, dass der Schwingungskörper entweder im Füllstrahl oder neben dem Füllstrahl angeordnet werden kann, auf jeden Fall so, dass er sich unter die Abgabeöffnung erstreckt derart, dass er in die Behälteröffnung eines in der Aufnahme des Füllelements befindlichen Behälters hineinragt. Insbesondere wird die anzustrebende Füllhöhe durch das untere Ende des Schwingungskörpers definiert, das heißt, der Füllvorgang wird gestoppt, sobald der Füllstand im Behälter das untere Ende des Schwingungskörpers erreicht hat. Es ist selbstverständlich auch möglich, den Füllvorgang erst zu stoppen, wenn der Füllstand erst auf einen gewissen Pegel im Bereich des Schwingungskörpers angestiegen ist, so dass zum Beispiel der Füllvorgang gestoppt werden kann, wenn der Schwingungskörper bereits 3 bis 15 mm in die eingefüllte Flüssigkeit eingetaucht ist. Da das zunehmende Eintauchen des Füllelements in die eingefüllte Flüssigkeit mit einer Schwingungsänderung verbunden ist, kann somit jeder Flüssigkeitsstand relativ zur Länge des Schwingungskörpers zur Initiierung des Schließens des Füllventils genutzt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform eines piezoelektrischen Füllelements,
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2 eine zweite Ausführungsform eines gabelartigen piezoelektrischen Füllelements,
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3 und 4 zwei weiteren Ausführungsformen eines piezoelektrischen Füllelements, wobei das Element als Schwingungs- oder Biegungsstreifen ausgebildet ist.
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1 zeigt ein Füllelement 10 mit einem länglichen Füllelementkörper 12, in welchem sich ein Produktkanal 14 erstreckt. Konzentrisch zu dem Produktkanal 14 ist ein Ventilelement 16 axial beweglich angeordnet, welches Ventilelement 16 an seinem unteren Ende einen verdickten Ventilkörper 18 hat, welcher mit einem Ventilsitz 20 in der dem Produktkanal bildenden Innenwandung des Füllelementkörpers 12 zusammenwirkt, um so ein Füllventil 22 zu bilden. An dem unteren Ende des Ventilkörpers 12 ist eine Abgabeöffnung 24 für das abzufüllende Füllgut, insbesondere Getränk, ausgebildet, als auch optional eine Anlage- bzw. Dichtfläche 26 zur dichten Anlage der Behälteröffnung 32 eines auf einer Aufnahme 28 des Füllelements 10 oder einer Füllmaschine. Am unteren Ende des Ventilelements 18 ist konzentrisch zu diesem ein Schwingungskörper 34 gehalten, welcher eine längliche Stabform hat. Der Schwingungskörper 34 erstreckt sich unterhalb der Abgabeöffnung 24 in den Behälter 30 hinein. Das Schwingungselement 34 ist vorzugsweise ein Piezoelement, welches über eine Anschlusskabel 36 mit einer kombinierten Anregungs- und Messeinrichtung 38 verbunden ist. Die Anregung und Messung der Schwingung des piezoelektrischen Schwingungskörpers 34 erfolgt alternierend in sehr kurzen Intervallen, insbesondere im Micro- bis Millisekundenbereich. Der Schwingungskörper bildet zusammen mit der Anregungs- und Messeinrichtung einen Füllstandssensor 35. Des Weiteren ist mit der Anregungs-/Messeinrichtung 38 eine Auswerteeinrichtung 40 verbunden, die entweder separat für das Füllelement 10 ausgebildet sein kann oder die zentral bei einer Füllmaschine angeordnet sein kann, die mehrere der dargestellten Füllelemente 10 aufweist. Des Weiteren ist in 1 ist mit dem Bezugszeichen 44 ein Rückgaskanal dargestellt, der ein Abfließen des im Behälter 30 befindlichen Luftvolumens ermöglicht, wenn der Behälter in Dichtlage z.B. mit einem CO2-haltigen Getränk gefüllt wird.
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Die Erfindung funktioniert wie folgt:
Zum Füllen eines Behälters 30 wird dieser in die in 1 dargestellte Füllposition gebracht, wobei er auf einer Aufnahme 28, die hier als Standfläche ausgebildet ist, aufsteht und in Dichtlage an der Anlage- oder Dichtfläche 26 an der Unterseite des Füllelementkörpers 12 anliegt. Dies erlaubt zum Beispiel ein Druckbefüllen des Behälters z.B. mit CO2-haltigen Getränken im Freistrahlverfahren. Freistrahlverfahren bedeutet hierbei, dass der Füllstrahl nicht durch irgendwelche Leitelemente geführt ist bzw. an der Innenwand des Behälters entlanggeführt wird, sondern frei in den Behälter hineinströmt. Zum Befüllen des Behälters 30 wird der Ventilkörper 18 in die dargestellte Öffnungsstellung nach oben bewegt. Nun kann das Füllgut 37, welches horizontal schraffiert dargestellt ist, durch die Abgabeöffnung 24 als Füllstrahl 38 in den Behälter frei einströmen, wo das Füllgut einen der Dauer des Befüllungsvorgangs entsprechenden Füllspiegel 40 innerhalb des Behälters 30 einnimmt. Während des Füllens wird das Piezoelement 34 über die Anregungseinrichtung 38 kontinuierlich oder über kurze Anregungspulse in Resonanzschwingung versetzt. Wenn nun der Flüssigkeitsspiegel das untere Ende 42 des Schwingungskörpers bzw. Piezoelements 34 erreicht, ändert sich die Resonanzschwingung des Schwingungskörpers schlagartig. Die Eigenschwingung des Schwingungskörpers wird über die Messeinrichtung 38 erfasst. Wenn nun der Füllspiegel 40 entlang der Höhe des Piezoelements 34 weiter ansteigt, ändert sich die Frequenz des Schwingungskörpers fortwährend. In der Auswerteeinrichtung 40 ist eine Referenzfrequenz abgespeichert, die einem gewünschten Füllstand 40 des Füllgutes innerhalb des Behälters 30 entspricht. Sobald die Schwingung des Piezoelements 34 diese Grenzfrequenz erreicht hat, bewirkt die Auswerteeinrichtung 40 ein Schließen des Füllventils 22, in dem das Ventilelement 18 und damit der Ventilkörper 18 gegen den Ventilsitz 20 bewegt wird. Auf diese Weise ist eine reproduzierbare Befüllung des Behälters mit einem gewünschten Füllstand möglich. Als Triggerpunkt für das Schließen des Füllventils kann hierbei füllstandmäßig das Erreichen des unteren Endes des Schwingungskörpers oder eine etwas höherer Füllstand entlang der Länge des Schwingungskörpers gewählt werden.
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2 zeigt eine alternative Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Füllelements, wobei identische oder funktionsgleiche Teile mit den identischen Bezugszeichen versehen sind. 2 unterscheidet sich von 1 lediglich darin, dass hier zwei parallele Schwingungskörper 34a, 34b verwendet werden, die entweder alternierend oder gemeinsam angeregt und separat ausgewertet werden. Auf diese Weise wird eine redundante Messung erzielt, die die Aussagesicherheit des Füllstandssensors 35 erhöht.
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Schließlich zeigt 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Schwingungskörper als flexibles Element 46 ausgebildet ist.
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Dieses flexible Element 46 kann entweder ein elektromechanischer Wandler sein, in welchem Fall die Messung der Schwingung wie in 1 und 2 stattfindet. Die Anregung kann durch den Füllstrahl oder die Anregungseinrichtung 38 erfolgen. Alternativ ist es möglich, dass es sich hier um ein flexibles Element handelt, bei welchem eine Verformung zum Beispiel einen variablen elektrischen Widerstand oder Kapazität hervorruft. In diesem Fall wird das flexible Element 46 durch den vorbeifließenden Füllstrahl 38 in Schwingung versetzt und die Schwingung wird erfasst durch ein Anschlusskabel 36 in Verbindung mit der Messeinrichtung 38 oder durch eine separate Messeinrichtung 48, die zum Beispiel das Ende oder einen Bereich des flexiblen Elements überwacht. Die Messeinrichtung 48 kann ein optischer Sensor oder ein magnetischer Sensor sein oder ein beliebiger Sensor, der in der Lage ist, eine Bewegung des flexiblen Elements aufzunehmen. Die Messeinrichtung 48 kann auch zentral in der Aufnahme 28 angeordnet sein, so dass ihr Messstrahl senkrecht nach oben gegen das flexible Element 46 gerichtet ist. Das flexible Element kann weiterhin einfach ein Band oder dickerer Faden sein, dessen Bewegung durch die Messeinrichtung 48 erfasst wird.
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4 unterscheidet sich von 3 nur in der Ausbildung des flexiblen Elements, welches hier äußerst elastisch ist, so dass das flexible Element sich in eine Wellenform kräuselt, wenn der Füllstrahl an ihm entlangstreicht.
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Die obigen Ausführungsformen der Erfindung sind nicht beschränkend für den Anmeldungsgegenstand. Dieser kann innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Patentansprüche variiert werden.
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Die Anregung des Schwingungskörpers muss nicht unbedingt durch eine separate Anregungseinrichtung erfolgen, sondern kann auch durch Medien erfolgen, die beim Befüllen in den Behälter hinein- bzw. aus dem Behälter hinaustreten. So kann zum Beispiel beim Anordnen eines flexiblen Schwingungskörpers im Füllstrahl dieser durch den Füllstrahl selbst in Schwingung versetzt werden. Falls der Schwingungskörper neben dem Füllstrahl angeordnet wird, kann dieser durch das entweichende Gas, welches beim Befüllen des Behälters 30 aus dem Behälterinnenraum entweicht, in Schwingung versetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Füllelement
- 12
- Füllelementkörper
- 14
- Produktkanal
- 16
- Ventilelement
- 18
- Ventilkörper
- 20
- Ventilsitz
- 22
- Füllventil
- 24
- Abgabeöffnung
- 26
- Anlagefläche-Dichtfläche
- 28
- Aufnahme-Standfläche
- 30
- Behälter
- 32
- Behälteröffnung
- 34
- Schwingungskörper-Piezoelement
- 35
- Füllstandssensor
- 36
- Anschlusskabel
- 37
- Füllgut
- 38
- Füllstrahl (freifallend)
- 40
- Füllstand
- 42
- Unteres Ende des Schwingungskörpers
- 44
- Rückgaskanal
- 46
- Schwingungskörper – flexibles Element
- 48
- optischer, akustischer oder magnetischer Sensor zur Messung der
- Bewegung
- des Schwingungskörpers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011056370 A1 [0001]
