Die Erfindung betrifft die Prozessmesstechnik und die Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld. Insbesondere betrifft die Erfindung einen autarken Grenzstandsensor, einen autarken Drucksensor, und, allgemeiner, einen autarken Füllstandsensor, sowie die Verwendung eines autarken Grenzstandsensors oder Drucksensors zum Detektieren eines Grenzstands, eines Füllstands oder Drucks eines Füllguts in einem Behälter, insbesondere einem Transportbehälter.

Technischer Hintergrund

Grenzstandsensoren, Füllstandsensoren oder Drucksensoren können autark eingerichtet sein. Hierfür weisen sie eine interne Energieversorgung auf, welche sie von einer externen Energieversorgung unabhängig macht. Zur Kommunikation kann insbesondere eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer WLAN-Schnittstelle oder einer Bluetooth-Schnittstelle.

Die Grenzstandsensoren, Drucksensoren oder Füllstandsensoren sind typischerweise an einer Behälteröffnung oder der Behälterwand angebracht. Sie können sich aber auch außerhalb des Behälters befinden, insbesondere wenn es sich um einen Kunststoffbehälter handelt, beispielsweise einen IBC-Behälter. Radarsensoren, die zur Grenzstands- oder Füllstandsbestimmung eingesetzt werden, können das Sendesignal durch die Wand des Kunststoffbehälters hindurchstrahlen und den berechneten Messwert dann drahtlos an eine Cloud oder einen externen Server übermitteln.

Zusammenfassung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bestimmung von Grenzständen, Drücken oder Füllständen zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen. Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen autarken

Grenzstandsensor und einen autarken Drucksensor, der für die

Grenzstandsbestimmung oder (alternativ oder zusätzlich) für die

Füllstandsbestimmung eingerichtet und programmiert ist. Der Sensor ist demnach zum Detektieren eines Grenzstands oder Drucks eines Füllguts eingerichtet, insbesondere in einem Transportbehälter. Insbesondere kann er für die

Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld ausgeführt und eingerichtet sein.

Bei dem genannten Transportbehälter kann es sich um einen Kunststoffbehälter handeln, beispielsweise einen IBC-Behälter, der transportiert werden kann. Beim Transport können auf den Behälter hohe mechanische Kräfte wirken, beispielsweise Schläge oder Rüttelbewegungen. Der Grenzstandsensor oder Drucksensor ist, gemäß einer Ausführungsform, eingerichtet, diesen mechanischen Belastungen zu widerstehen. Er weist ein geschlossenes Gehäuse auf, beispielsweise aus Kunststoff, welches zum Untertauchen in dem Füllgut eingerichtet ist. Es ist somit ausreichend dicht, sodass die im Inneren befindliche Elektronik geschützt ist. Der autarke Sensor weist eine Sensorelementeanordnung auf, mit einem oder mehreren Sensorelementen. Die Sensorelemente sind in oder an dem Gehäuse angeordnet und eingerichtet, Messdaten zu erfassen, aus welchen sich berechnen lässt, ob der Grenzstand erreicht ist oder wie hoch der Druck ist. Die Sensorelemente können in Form von Schwinggabeln, Paddeln, Stäben oder Membranen ausgeführt sein.

Der autarke Grenzstandsensor oder Drucksensor ist zum Aufliegen auf den Boden des Behälters während der Messung ausgeführt, ohne dass er an den Behälter oder einer anderweitigen Halteeinrichtung befestigt ist.

Der Sensor kann so ausgeführt sein, dass er durch eine Behälteröffnung in den Behälter abgelassen werden kann. Im einfachsten Fall kann er in das Füllgut fallengelassen werden. Wenn er den Boden des Behälters erreicht, führt seine Form und Gewichtsverteilung dazu, dass der Sensor eine Standposition einnimmt, in welcher zumindest eines der Sensorelemente ungehindert von der Behälterwand messen kann. Beispielsweise ist die Form und Gewichtsverteilung derart, dass der Sensor stets aufrecht steht, in Form eines Stehaufmännchens.

Hierfür kann er beispielsweise eine halbkugelförmige Unterseite aufweisen, welche entsprechend schwer ist, und ein Sensorelement an seiner kegel- oder kegelstumpfförmigen Spitze. Das Gehäuse kann aber auch vollständig kugelförmig ausgeführt sein oder einen mehreckigen Gehäusequerschnitt aufweisen, beispielsweise einen sechs- oder achteckigen Gehäusequerschnitt.

Die Außenform des Gehäuses und die Gewichtsverteilung im Grenzstandsensor oder Drucksensor können also derart aufeinander abgestimmt sein, dass stets zumindest eines der Sensorelemente ungehindert von der Behälterwand im Füllgut messen kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sich der Schwerpunkt des Grenzstandsensors oder Drucksensors unterhalb seines Mittelpunkts befindet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse eine Einbuchtung auf, in welcher eines der Sensorelemente angeordnet ist. Es kann für jedes der Sensorelemente eine solche Einbuchtung vorgesehen sein.

Das Sensorelement wird durch die Einbuchtung vor einer Berührung des Behälterbodens geschützt, unabhängig von der Orientierung des Sensors. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Sensorelement nicht „hervorsteht“, mit anderen Worten kürzer ist, als die Tiefe der Einbuchtung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sensor eine Auswerteelektronik auf, welche eingerichtet ist zu entscheiden, welches der Sensorelemente zum Detektieren des Grenzstands oder des Drucks des Füllguts verwendet wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Auswerteelektronik immer das jeweils geeignetste Sensorelement zur Messung verwendet. Hierfür kann zunächst eine Messung von allen Sensorelementen durchgeführt werden und die Auswerteelektronik entscheidet dann bei der Auswertung der Messdaten, welches Sensorelement das beste Messergebnis liefert.

Auch können die Messungen anderer Sensorelemente zum Plausibilitätscheck verwendet werden. Stimmen beispielsweise zwei Messergebnisse überein, kann relativ sicher davon ausgegangen werden, dass die Messung korrekt ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sensorelementeanordnung (mindestens) zwei Sensorelemente auf, die gegenüber voneinander angeordnet sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Gehäuse spiegelsymmetrisch ausgebildet. Auch kann es mehrere Spiegelachsen aufweisen, die senkrecht zueinander angeordnet sind. Ein weiterer Aspekt betrifft die Verwendung eines autarken Grenzstandsensors oder Drucksensors, wie oben und im Folgenden beschrieben, zum Detektieren eines Grenzstands, eines Füllstands oder eines Drucks eines Füllguts in einem Transportbehälter, ohne dass der Grenzstandsensor oder Drucksensor am oder im Behälter oder anderswo befestigt ist. Unter dem Begriff „Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld“ kann ein Teilgebiet der Technik verstanden werden, welches alle Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert verändert werden können.

Ein Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Logistikautomation. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D- Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.

Ein weiteres Teilgebiet der Prozessautomatisierung im industriellen Umfeld betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der

Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar.

Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Werden in der Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so beschreiben diese gleiche oder ähnliche

Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt mögliche Querschnittsformen eines autarken Grenzstandsensors oder Drucksensors gemäß mehrerer Ausführungsformen.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Grenzstandsensors gemäß einer Ausführungsform.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Sensor der Fig. 2. Fig. 4 zeigt einen Behälter mit einem Grenzstandsensor gemäß einer

Ausführungsform. Fig. 5 zeigt den Behälter der Fig. 4 mit einem Füllstand unterhalb des Grenzstands.

Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Drucksensors gemäß einer

Ausführungsform. Fig. 7 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Grenzstandsensors gemäß einer Ausführungsform.

Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf den Sensor der Fig. 7. Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt Querschnittsansichten verschiedener Sensoren, bei denen es sich um Grenzstandsensoren oder Drucksensoren hadeln kann, gemäß verschiedener Ausführungsformen.

Der erste Sensor 100 weist einen achteckigen Querschnitt auf, der zweite Sensor 100 einen sechseckigen Querschnitt und der dritte Sensor 100 einen runden Querschnitt. Beispielsweise kann der dritte Sensor kugelförmig ausgestaltet sein. Der vierte Sensor 100 ist Kegelstupfförmig ausgeführt, mit einer halbkugelförmigen Unterseite, so dass er sich stets aufstellt, wenn er auf den Boden gesetzt wird.

Durch den autarken Sensor 100 ist es möglich, Kunststoffbehälter nachträglich mit diesem Grenzstandsensor oder Drucksensor für eine sog. Minimum-Detektion auszurüsten. Der Sensor wird komplett in den Behälter eingelassen und ist von außen nicht sichtbar. Dadurch, dass der Sensor im Behälter liegt, ergibt sich kein Nachteil beim Transport und bei der Lagerung der Kunststoffbehälter. Es ist auch keine aufwändige Sensormontage notwendig. Der Sensor wird vielmehr ohne Befestigung in den Kunststoffbehälter gelegt. Für die meisten Anwendungen im Bereich von Kunststoffbehältern (Beispiel IBC) ist eine Grenzstanddetektion als Min- Melder ausreichend (es erfolgt also nur eine Detektion eines minimalen Füllstands). Bei Erreichen einer Min-Schwelle kann beispielsweise die Logistik zum Austausch des leeren Behälters getriggert werden.

Hierfür ist der Sensor mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle ausgerüstet, mithilfe welcher er über ein WLAN-Netz, mittels Bluetooth, NFC oder einer anderen kurz- oder mittelreichweitigen Kommunikationsverbindung Messdaten oder Signale absetzen kann. Der autarke Sensor ist typischerweise komplett geschlossen und hat beispielsweise die Form einer Kugel. In der Kugel sind mindestens zwei Sensorelemente angebracht. Durch mindestens zwei Sensorelemente ist stets gewährleistet, dass eines der Sensorelemente ohne Kontakt zum Kunststoffbehälter frei bzw. im Medium schwingen kann. Beim Sensorelement kann es sich sowohl um einen mechanischen Schwinger (Schwinggabel, Paddel, Stab, Membran) oder aber auch um einen Impedanzgrenzschalter handeln. Durch die Gehäuseabmessungen kann der Schaltpunkt eingestellt werden.

Fig. 2 zeigt einen Grenzstandsensor mit zwei Schwinggabelsensorelementen in einer Querschnittdarstellung. Insbesondere ist zu sehen, wie die Sensorelemente 102, 103 in jeweils einer Einbuchtung 104 untergebracht sind, welche sie vor einer Berührung des Behälterbodens oder der Behälterwand schützt. Das Gehäuse 101 weist einen mehreckigen Querschnitt auf und ist spiegelsymmetrisch ausgeführt. Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den autarken Sensor der Fig. 2. Man erkennt hier, dass die Einbuchtung 104 zylinderförmig ist. Insbesondere können Abtropfrinnen 105 vorgesehen sein.

Fig. 4 zeigt einen Behälter 200, insbesondere einen Transportbehälter, in dem sich Füllgut 201 befindet. Der Sensor 100 befindet sich am Boden des Behälters und hat sich so ausgerichtet, dass das Sensorelement 102 frei messen kann. Fig. 5 zeigt den Behälter der Fig. 4, bei sehr niedrigem Füllstand. Das Sensorelement 102 befindet sich nun oberhalb der Füllgutoberfläche, sodass der Sensor einen Min-Füllzustand detektiert, also eine Grenzstandwarnung ausgibt. Der Bedeckungszustand wird beispielsweise zyklisch, zum Beispiel alle vier Stunden, in die Cloud übertragen und kann vom Anwender nach Belieben abgegriffen werden.

Wird als Sensorelement eine Druckmesszelle verwendet, kann zusätzlich zum Grenzstand der Füllstand ermittelt werden. Ein Beispiel hierfür ist in Fig. 6 zu sehen, mit jeweils einer Druckmesszelle 106 in einer der beiden gegenüberliegenden Einbuchtungen 104.

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Grenzstandsensors gemäß einer Ausführungsform. Das Sensorgeäuse 101 besteht im Wesentlichen aus fünfeckigen Segmenten. Durch die gegenüberliegende Anordnung von zwei Sensorelementen 102, 103 (wobei das untere Sensorelement 103 nicht zu sehen ist) wird erreicht, dass unabhängig von der Lage des Grenzstandsensors stets mindestens eines der Sensorelemente einen für eine ungestörte Messung ausreichenden Abstand zum Behälterboden und zur Behälterwand aufweist.

Gut ist auch die zylinderförmige Einbuchtung 104 zu erkennen, welche das Sensorelement 102 schützt. Die Abtropfrinnen 105 sind in Form von Schlitzen im Gehäuse ausgeführt, so dass das Füllgut seitlich in die Einbuchtung 104 einfließen und auch daraus abfließen kann.

Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf den Sensor der Fig. 7.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.