DE10003094A1

DE10003094A1 - Non-contact ultrasonic filling characteristic measuring method for medical/pharmaceutical material, involves estimating resonance oscillation frequency of gas under ultrasonic excitation and comparing with reference frequency

Info

Publication number: DE10003094A1
Application number: DE2000103094
Authority: DE
Inventors: Johann L Camenisch
Original assignee: Hamilton Bonaduz AG
Current assignee: Hamilton Bonaduz AG
Priority date: 2000-01-25
Filing date: 2000-01-25
Publication date: 2001-07-26

Abstract

Specific gas is supplied to the vessel (12) containing the filling material (36). The gas is excited by applying ultrasonic waves and the resonance oscillation frequency of gas is estimated. The resonance characteristic variation is determined, by measuring temperature and pressure of gas along with length of gas column. The resonance frequency is compared with reference frequency, to recognize the filling level of vessel. An Independent claim is also included for non-contact ultrasonic filling characteristic measuring device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungs losen Bestimmen von wenigstens einer Füllungseigenschaft eines mit einem Material befüllbaren oder befüllten und im Übrigen mit einer eine Gassäule bildenden Gasmenge gefüllten Gefäßes durch Schallwellen.The invention relates to a method and a device for touch loose determination of at least one filling property of one with one Material can be filled or filled and, moreover, with a gas column forming amount of gas filled vessel by sound waves.

Aus dem Produktkatalog "The Probe - Der Füllstandssensor" (Druck 2/95) der Firma NIVUS Kontrollgeräte GmbH, D-75031 Eppingen, ist bereits ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum berührungslosen Bestimmen der Füllhöhe eines in einen Behälter eingefüllten Materials durch Ultraschall wellen bekannt. Das dort erläuterte Verfahren beruht auf dem Prinzip der Echolaufzeitmessung. Dabei wird von einer im oder am Behälter angebrach ten Ultraschallquelle eine schnelle Folge von Ultraschallimpulsen in orthogonaler Richtung auf die freie Oberfläche des in den Behälter eingefüllten Materials zu abgesandt. Die Ultraschallimpulse werden an der freien Oberfläche reflektiert und von einem Sensor empfangen. Durch Messung der Laufzeit eines Impulses vom Aussenden bis zum Empfang desselben kann mit Kenntnis der Schallgeschwindigkeit, der Behältergeome trie sowie des Anbringungsortes von Schallquelle und Sensor die Füllhöhe des Materials in dem Behälter bestimmt werden.From the product catalog "The sample - The level sensor" (pressure 2/95) of the company NIVUS control devices GmbH, D-75031 Epping, a method and a device for contactless determination of the filling height is already a filled in a container material by ultrasonic waves is known. The method explained there is based on the principle of echo delay measurement. In this case, a rapid sequence of ultrasonic pulses in the orthogonal direction is sent from an ultrasound source mounted in or on the container to the free surface of the material filled into the container. The ultrasonic pulses are reflected on the free surface and received by a sensor. By measuring the transit time of a pulse from sending to receiving the same, the fill level of the material in the container can be determined with knowledge of the speed of sound, the container geometry and the location of the sound source and sensor.

Bei dieser bekannten berührungslosen Füllstandsmessung durch Schall wellen nach dem Verfahren der Echolaufzeitmessung begrenzt die Länge eines Schallimpulses die maximal mögliche Messauflösung. Um Messvor richtungen kompakt anzuordnen, d. h., die Schallquelle in kurzem Abstand von der die Schallimpulse reflektierenden Materialoberfläche anzuordnen und um bereits geringe Füllhöhenunterschiede erfassen zu können, sind immer kürzere Schallimpulse nötig, jedoch setzt die Trägheit der Schallquellen der Verkürzung der Schallimpulse Grenzen. Weiterhin erlauben nur sehr hohe Frequenzen (größer 1 bis 2 MHz) die erforderliche Fokussierung der Schallwellen auf einen "Brennfleck". Bei derart hohen Frequenzen wird eventuell vorhandener Schaum aber als Flüssigkeit interpretiert und eine falsche Niveaumessung ist die Konsequenz. An diesem Verfahren ist also nachteilig, dass es lediglich Informationen über die Einfüllhöhe des Materials in dem Behälter, nicht jedoch über den Zustand etwa der Grenzfläche zwischen Gas und Material im Behälter liefern kann. Störungen, wie z. B. Gasblasen oder Schaum auf einer Flüssigkeitsoberfläche führen häufig zu fehlerhaften Messergebnissen, ohne dass dies durch das Messverfahren selbst erkannt werden könnte. Somit ist eine Zusatzeinrichtung notwendig, um die Messbedingungen zu überprüfen.In this known non-contact level measurement by sound Waves using the echo delay measurement method limit the length the maximum possible measurement resolution of a sound pulse. To measure Arrange directions compactly, d. that is, the sound source at a short distance from the material surface reflecting the sound impulses and in order to be able to detect even small filling level differences, are always Shorter sound impulses are necessary, however the inertia of the sound sources sets the Shortening the sound impulse limits. Furthermore, only allow very high ones Frequencies (greater than 1 to 2 MHz) the required focus of the Sound waves on a "focal spot". At such high frequencies any existing foam but interpreted as a liquid and one incorrect level measurement is the consequence. So at this procedure disadvantageous that there is only information about the fill level of the material in the container, but not about the condition of the interface can deliver between gas and material in the container. Disorders such as B. Gas bubbles or foam on a liquid surface often lead to erroneous measurement results without this being caused by the measurement process itself could be recognized. An additional device is therefore necessary to check the measurement conditions.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zum Laufzeitmessverfahren alternatives Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, wenigstens eine Füllungseigenschaft eines mit einem Material befüllbaren oder befüllten Gefäßes, beispielsweise Einfüllpegel, Einfüllmenge des Materials und Beschaffenheit der Grenzfläche zwischen Gas und Material, auch bei geringen Materialmengen mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a Runtime measurement method to specify alternative method with which it it is possible to have at least one filling property with a material fillable or filled vessel, for example filling level, filling quantity of the material and nature of the interface between gas and Material, even with small quantities of material with high accuracy determine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem durch Anregen von Resonanzschwin gungen der Gasmenge wenigstens eine Resonanzeigenschaft der Gasmenge bestimmt wird und aus der wenigstens einen Resonanzeigenschaft die wenigstens eine Füllungseigenschaft ermittelt wird.This object is achieved by a method of the beginning mentioned type, in which by exciting resonance oscillation conditions of the gas quantity at least one resonance property of the gas quantity is determined and from the at least one resonance property at least one filling property is determined.

Die Resonanzeigenschaften der Gasmenge hängen davon ab, ob sich die Gasmenge in einem im Wesentlichen geschlossenen oder in einem offenen Gefäß befindet. Weiterhin hängen die Resonanzeigenschaften der Gasmenge von den Zustandsgrößen der Gasmenge, wie z. B. Druck und Temperatur, sowie von der Geometrie des die Gasmenge umgrenzenden Teilraums innerhalb des Gefäßes ab. Dabei können vorteilhafterweise die Grundwelle oder eine der Oberwellen oder, zur besseren Diskriminierung auch mehrere dieser Wellen zur Interpretation herangezogen werden.The resonance properties of the amount of gas depend on whether the Amount of gas in a substantially closed or open one Vessel is located. The resonance properties of the amount of gas also depend from the state quantities of the amount of gas, such as B. pressure and temperature, as well as the geometry of the sub-space delimiting the gas quantity within the vessel. In this case, the fundamental wave can advantageously or one of the harmonics or, for better discrimination, several of these waves are used for interpretation.

Soll beispielsweise der Einfüllpegel bestimmt werden, so kann bspw. aus einer messtechnisch ermittelten Resonanzfrequenz (über die Schallgeschwindigkeit des Gases und die damit errechnete Wellenlänge) die Höhe des Gasmengenvolumens berechnet werden; aus dieser Höhe bestimmt sich der Einfüllpegel und darüber hinaus bei vorausgesetzter Kenntnis der Geometrie des Gefäßinnenraums auch die Einfüllmenge.If, for example, the fill level is to be determined, it can be, for example a metrologically determined resonance frequency (over the Speed of sound of the gas and the calculated wavelength) Amount of gas volume can be calculated; from this height the filling level is determined and, in addition, if the Knowledge of the geometry of the interior of the vessel, including the filling quantity.

Die Resonanzeigenschaften der Gasmenge hängen, wie bereits angespro chen, von der Geometrie des Teilraums ab und damit auch von der speziellen Form der Grenzfläche zwischen Gas und Material. Störungen der Form der Grenzfläche z. B. durch Gasblasen, insbesondere Schaum, oder Festkörper, wie z. B. Styroporteilchen, wirken sich auf die Resonanzeigen schaften in erster Linie der höheren Harmonischen aus, insbesondere auf den z. B. durch Anregungsfrequenzvariation erhaltenen Amplitudenverlauf der in der Gasmenge angeregten Schwingungen (z. B. auf die Breite und Lage von Resonanzpeaks).The resonance properties of the gas quantity depend, as already mentioned Chen, on the geometry of the subspace and thus on the special shape of the interface between gas and material. Disorders of the Shape of the interface z. B. by gas bubbles, especially foam, or Solids, such as B. Styrofoam particles affect the resonance indicators primarily exploit the higher harmonics, in particular the z. B. amplitude variation obtained by excitation frequency variation the vibrations excited in the gas quantity (e.g. across the width and Location of resonance peaks).

Aufgrund des oben angedeuteten direkten Zusammenhangs zwischen der Länge der Gassäule und der Wellenlänge einer Resonanzschwingung der Gasmenge wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt die Wellenlänge einer Resonanzschwingung der Gasmenge ermittelt. Da die Wellenlänge zum Quotienten aus Schallgeschwindigkeit und Frequenz proportional ist, kann die Wellenlänge zum einen durch eine Variation der Frequenz, zum anderen durch eine Veränderung der Schallgeschwindigkeit, z. B. durch Variation des Gasdruckes oder der Gastemperatur, verändert werden. Due to the direct connection between the Length of the gas column and the wavelength of a resonance oscillation The amount of gas is preferred with the inventive method Wavelength of a resonance vibration of the gas quantity determined. Since the Wavelength to the quotient of the speed of sound and frequency is proportional, the wavelength can, on the one hand, be varied by Frequency, on the other hand by changing the speed of sound, e.g. B. changed by varying the gas pressure or the gas temperature become.

Im Vergleich zu einer Veränderung einer der Zustandsgrößen des Gases kann die wenigstens eine Resonanzeigenschaft der Gasmenge mit baulich einfacheren Maßnahmen in kürzerer Zeit durch eine Variation der Anregungsfrequenz bestimmt werden mit dem Vorteil, dass hierbei sowohl Grundwelle wie auch Oberwellen erfasst werden können. Ein weiterer Vorteil der Variation der Anregungsfrequenz liegt darin, dass hier das die Gasmenge enthaltende Gefäß nicht abgedichtet zu werden braucht, wie dies z. B. bei einer Variation des Druckes der Fall ist. Es erfolgt also eine berührungslose Messung, was die Kontaminationsgefahr durch im Gefäß vorhandene Messproben entscheidend reduziert.Compared to a change in one of the state variables of the gas can the at least one resonance property of the amount of gas be structural easier measures in less time by varying the Excitation frequency can be determined with the advantage that both Fundamental wave as well as harmonics can be recorded. Another The advantage of varying the excitation frequency is that this is the Vessel containing gas amount need not be sealed like this e.g. B. is the case with a variation of the pressure. So there is a non-contact measurement of what the risk of contamination by in the vessel existing measurement samples significantly reduced.

Besonders günstig ist es, die Variation der Anregungsfrequenz mit einer Frequenz zu beginnen, die niedriger als eine erwartete Resonanzgrundfrequenz (Resonanzfrequenz nullter Ordnung) ist und die Anregungsfrequenz ausgehend von dieser Startfrequenz kontinuierlich zu erhöhen. Da bei einem im Wesentlichen geschlossenen Gefäß die Wellenlänge der Resonanzgrundschwingung dem Doppelten der Länge der zwischen der Grenzfläche Gas/Material und der dieser gegenüberliegenden Gefäßwand vorhandenen Gassäule und bei einem offenen Gefäß dem Vierfachen des Abstandes des offenen Gefäßrandes zur Oberfläche des Materials entspricht, lässt sich eine Start-Anregungsfrequenz einfach über die Schallgeschwindigkeit abschätzen. Es kann als Startfrequenz jedoch auch eine Frequenz in der Nähe der Resonanzgrundfrequenz eines nicht mit Material befüllten Gefäßes gewählt werden.It is particularly favorable to vary the excitation frequency with a Frequency to start that is lower than an expected Fundamental resonance frequency (zero-order resonance frequency) and Excitation frequency continuously increasing from this start frequency increase. Since in a substantially closed vessel the Wavelength of the fundamental resonance oscillation twice the length of the between the gas / material interface and the opposite one Vessel wall existing gas column and in an open vessel Four times the distance from the open edge of the vessel to the surface of the Corresponds to the material, a start excitation frequency can be simply estimate the speed of sound. It can be used as a starting frequency, however also a frequency close to the fundamental resonance frequency not one Material filled vessel can be selected.

Das Bestimmen von Resonanzeigenschaften kann weiterhin ein Erfassen einer Schwingungsamplitude der Gasmenge umfassen. Die Schwingungs amplituden einer Gasmenge sind leicht zu erfassen und bieten, vorzugs weise in Zuordnung zu den Anregungsparameterwerten, z. B. den Anre gungsfrequenzen, bei denen sie erfasst werden, eine einfache, kosten günstige und sichere Möglichkeit, Aussagen über das Resonanzverhalten einer Gasmenge zu machen. So entspricht der einem lokalen Maximum der parameterabhängigen Schwingungsamplituden zugeordnete Parameterwert einem Resonanzparameterwert der Gasmenge.The determination of resonance properties can furthermore be an acquisition an oscillation amplitude of the gas amount. The vibration amplitudes of a gas quantity are easy to record and offer, preferably in association with the excitation parameter values, e.g. B. the inc frequencies at which they are detected, a simple, cost cheap and safe way to make statements about the resonance behavior to make a gas amount. So that corresponds to a local maximum of Parameter value assigned to parameter-dependent vibration amplitudes a resonance parameter value of the amount of gas.

Es ist möglich, dass sich die Variation des Anregungsparameters auf eine Charakteristik der Anregungsschwingung auswirkt. So ist es denkbar, dass sich etwa die von einer Schallquelle abgegebene Schallleistung mit einer Variation der Anregungsfrequenz oder des Drucks im Gasraum ändert. Eine derartige Änderung in der Sender- bzw. Sendecharakteristik führt in der Regel zu einer Änderung des Schwingungsverhaltens der Gasmenge, was die Möglichkeit der Fehlinterpretation des Gasmengen-Schwingungsver haltens in sich birgt. Irrtümliche Rückschlüsse auf Resonanzeigenschaften der Gasmenge aus lediglich technisch bedingten Veränderungen im Sendeverhalten können dadurch vermieden werden, dass Schwingungs amplituden der Gasmenge mit Schwingungsamplituden einer Referenz schwingung, vorzugsweise der Anregungsschwingung, verglichen werden.It is possible that the variation of the excitation parameter relates to a Characteristic of the excitation vibration affects. So it is conceivable that the sound power emitted by a sound source with a Varying the excitation frequency or the pressure in the gas space changes. A such a change in the transmitter or transmitter characteristics leads to Rule to change the vibration behavior of the gas amount what the possibility of misinterpretation of the gas volume vibration ver holds in itself. Erroneous conclusions about resonance properties the amount of gas from only technical changes in the Sending behavior can be avoided by making vibration amplitudes of the amount of gas with vibration amplitudes of a reference vibration, preferably the excitation vibration, are compared.

Weiterhin kann das Bestimmen von Resonanzeigenschaften das Bestimmen der Breite eines Resonanzpeaks von Schwingungen der Gasmenge umfassen.Furthermore, determining resonance properties can determine the width of a resonance peak of vibrations in the amount of gas include.

Idealerweise tritt Resonanz lediglich in einem sehr eng begrenzten Bereich des variierten Parameters um den idealen Resonanzparameterwert auf. Daher ist die Breite des Parameterbereiches, in dem eine resonanzartige Schwingungsanregung der Gasmenge möglich ist (Breite des Resonanz peaks), ein Maß für die Abweichung des gerade bestimmten Zustands vom Ideal- oder Referenzzustand.Ideally, resonance occurs only in a very narrow range of the varied parameter by the ideal resonance parameter value. Hence the width of the parameter range in which a resonance-like Vibration excitation of the gas quantity is possible (width of the resonance peaks), a measure of the deviation of the currently determined state from the Ideal or reference state.

Da eine solche Abweichung, abgesehen von Produktionsfehlern des Gefäßes, ausschließlich von dem im Gefäß vorhandenen Material verursacht werden kann, lässt die Breite des Resonanzpeaks Rückschlüsse auf den Zustand des im Gefäß vorhandenen Materials zu. Die Peakbreite kann bereits durch das Variieren des Resonanzschwingungs-Anregungsparameters bei gleichzeitigem Erfassen der Schwingungsamplitude der Gasmenge ohne weiteren Aufwand bestimmt werden.Since such a deviation, apart from production errors of the Vessel, caused exclusively by the material present in the vessel the width of the resonance peak allows conclusions to be drawn about the Condition of the material present in the vessel. The peak width can already by varying the resonance vibration excitation parameter with simultaneous detection of the vibration amplitude of the gas quantity can be determined without further effort.

Vorzugsweise umfasst das Bestimmen der wenigstens einen Reson anzeigenschaft das Bestimmen von Resonanzfrequenzen, besonders bevorzugt das Bestimmen einer Grundfrequenz (Resonanzfrequenz nullter Ordnung) oder/und das Bestimmen wenigstens einer Resonanzfrequenz erster Ordnung oder höher.The determination of the at least one reson preferably comprises display property determining resonance frequencies, especially preferably determining a fundamental frequency (resonance frequency zero Order) or / and determining at least one resonance frequency first order or higher.

Zum einen können Resonanzfrequenzen mit geringem baulichen und zeitlichen Aufwand bestimmt werden und zum anderen kann bereits aus der Kenntnis einer einzigen Resonanzfrequenz der Einfüllgrad des Gefäßes unter der Voraussetzung bestimmt werden, dass die Ordnung der Resonanz frequenz bekannt ist. Besonders einfach kann dabei die nullte Ordnung (Grundfrequenz) bestimmt werden, da bei niedrigeren Anregungsfrequenzen als der Grundfrequenz keine Resonanz mehr auftritt. Grundsätzlich ist jedoch die Bestimmung des Einfüllgrades anhand jeder Resonanzfrequenz möglich.On the one hand, resonance frequencies with low structural and time expenditure can be determined and on the other hand can already from the Knowing a single resonance frequency under the degree of filling of the vessel the requirement that the order of resonance be determined frequency is known. The zero order can be particularly simple (Fundamental frequency) can be determined because at lower excitation frequencies than the fundamental frequency no longer occurs resonance. Basically is however, the determination of the degree of filling based on each resonance frequency possible.

Weiterhin kann anhand der Lage von Resonanzfrequenzen unterschiedlicher Ordnung (z. B. Grundwelle und Oberwelle) zueinander auf Störungen im Inneren des Gefäßes rückgeschlossen werden. Nur im idealen Resonanzfall, d. h. glatte, das Gasvolumen begrenzende Grenzflächen, sind die Resonanzfrequenzen höherer Ordnung ganzzahlige Vielfache der Resonanzgrundfrequenz.Furthermore, based on the location of resonance frequencies different Order (e.g. fundamental and harmonic) to each other for disturbances in the Be closed inside the vessel. Only in the ideal case of resonance, d. H. smooth interfaces that limit the gas volume are the Resonance frequencies of higher order integer multiples of Fundamental resonance frequency.

Bevorzugt wird das Verfahren an Materialien, die fließ- oder schüttfähig sind, besonders bevorzugt an Flüssigkeiten, ausgeführt.The method is preferred on materials that are flowable or pourable are, particularly preferably carried out on liquids.

Flüssigkeiten besitzen den Vorteil, dass sie im Idealfall eine glatte Ober fläche aufweisen und somit Schall sehr gut reflektieren. Es ist darüber hinaus jedoch denkbar, die Füllungseigenschaften von Gefäßen zu bestimmen, welche mit feinkörnigen, schüttfähigen Materialien, wie z. B. Pulver, Sand u. dgl., oder mit einem flüssig zugegebenen und später erstarrten Material gefüllt sind. Auch diese Materialien bilden eine aus reichend glatte Grenzfläche.Liquids have the advantage that they ideally have a smooth surface surface and therefore reflect sound very well. It's about it however, it is also conceivable to increase the filling properties of vessels determine which with fine-grained, pourable materials, such as. B. Powder, sand u. Like., Or with a liquid added and later solidified material are filled. These materials also form one sufficiently smooth interface.

Ein genaues, berührungsloses Bestimmen von Füllungseigenschaften von geringen Mengen eines Materials ist beispielsweise häufig in medizinischen oder pharmazeutischen Dosiervorgängen nötig. Somit kommen als Materialien besonders flüssige oder pulverförmige Medikamente, Lösungen, Emulsionen, Suspensionen oder auch Humanseren, wie beispielsweise Blut, Blutplasma oder allgemein hochmolekulare Proteine in wässriger Lösung, in Frage.An exact, contactless determination of the filling properties of For example, small amounts of a material is common in medical or pharmaceutical dosing processes. Thus come as Materials especially liquid or powdered drugs, solutions, Emulsions, suspensions or human sera, such as blood, Blood plasma or generally high molecular weight proteins in aqueous solution, in Question.

Gerade bei medizinischen oder pharmazeutischen Dosieranwendungen kommt es entscheidend darauf an, die dosierte Menge an Material genau zu kennen. Besonders im Falle der Dosierung von Flüssigkeiten besteht die Gefahr, dass der Einfüllgrad des Gefäßes bzw. die in das Gefäß dosierte Flüssigkeitsmenge etwa durch Blasen-, insbesondere Schaumbildung, an den Gefäßwänden anhaftende Gaseinschlüsse oder Benetzung der Gefäßwände verfälscht wird.Especially in medical or pharmaceutical dosing applications it is crucial that the metered amount of material is precisely added know. This is particularly the case when dosing liquids Danger that the degree of filling of the vessel or that dosed into the vessel Amount of liquid, for example, due to the formation of bubbles, especially foam Gas inclusions adhering to the vessel walls or wetting of the Vessel walls is falsified.

Aufgrund der unkomplizierten Erfassbarkeit von Schwingungsamplituden kann das Vorhandensein von Schaum in dem Gefäß auf einfache Weise aus einem Vergleich einer Schwingungsamplitude der Gasmenge mit einer Schwingungsamplitude der Anregungsschwingung einer Schallquelle bestimmt werden. Dies ist möglich, da Schaum aufgrund der relativ großen darin eingeschlossenen Gasmenge die Schallenergie auftreffender Schallwellen etwa durch Anregung von Eigenschwingungen der Gas bläschen wesentlich stärker dissipiert, als dies bei einer blasen- bzw. schaumfreien Grenzfläche Gas/Material der Fall wäre und somit die Schwingungsamplitude der Gasmenge abnimmt. Because of the uncomplicated detection of vibration amplitudes can easily detect the presence of foam in the jar a comparison of an oscillation amplitude of the gas quantity with a Vibration amplitude of the excitation vibration of a sound source be determined. This is possible because of the relatively large foam the amount of gas contained therein affects the sound energy Sound waves, for example, by exciting natural gas vibrations bubbles dissipate much more than is the case with a foam-free gas / material interface would be the case and thus the Vibration amplitude of the gas quantity decreases.

Daneben kann ein Vorhandensein von Schaum auch durch einen Vergleich der Amplitude oder/und der Breite oder/und der Lage eines Resonanzpeaks mit der Amplitude oder/und Breite oder/und der Lage eines Resonanzpeaks aus einer Referenzmessung an einem schaumfreien Gefäß bestimmt werden.In addition, the presence of foam can also be compared the amplitude or / and the width or / and the position of a resonance peak with the amplitude or / and width or / and the position of a resonance peak can be determined from a reference measurement on a foam-free vessel.

Es hat sich gezeigt, dass bei Vorhandensein von Schaum im Gefäß die Höhe eines Resonanzpeaks abnimmt, dessen Breite aber zunimmt. Vorzugsweise wird diese Breite des Frequenzbereichs mit Hilfe eines Diagramms bestimmt, bei dem die Schwingungsamplitude der Gasmenge über die Frequenz der Anregungsschwingung aufgetragen ist. Der Resonanz-Frequenzbereich bildet sich in einem derartigen Diagramm als sogenannter Peak mit einem Maximum bei der Resonanzfrequenz ab. Eine zuverlässige Aussage über das Vorhandensein von Schaum im Gefäß anhand der Peakbreite kann dabei nur gemacht werden, wenn die Peakbreiten der zu vergleichenden Peaks nach demselben Verfahren bzw. an entsprechenden Stellen bestimmt werden. Als besonders aussagekräftig hat es sich erwiesen, die Peakbreite in einem Bereich von 40% bis 90%, vorzugsweise bei ca. 80%, der maximalen Peak höhe zu bestimmen. Es sind jedoch auch andere Verfahren zur Bestimmung der Peakbreite denkbar.It has been shown that in the presence of foam in the vessel the height of a resonance peak decreases, but its width increases. Preferably this width of the frequency range is determined using a diagram, in which the vibration amplitude of the gas quantity over the frequency of the Excitation vibration is applied. The resonance frequency range forms in such a diagram as a so-called peak with a Maximum at the resonance frequency. A reliable statement about that The presence of foam in the vessel based on the peak width can only be made if the peak widths of the peaks to be compared to same procedure or at appropriate points. As It has proven to be particularly meaningful, the peak width in one Range from 40% to 90%, preferably at about 80%, of the maximum peak to determine height. However, there are other methods of determination the peak width conceivable.

Eine weitere Möglichkeit, das Vorhandensein von Schaum in dem Gefäß zu bestimmen, besteht in einem Vergleich von wenigstens zwei Resonanz frequenzen unterschiedlicher Ordnung miteinander, vorzugsweise der Resonanzgrundfrequenz mit einer Resonanzfrequenz höherer Ordnung. Es hat sich gezeigt, dass im Gefäß vorhandener Schaum die Resonanz frequenzen zu höheren Frequenzwerten hin verschiebt und zwar von der Frequenz abhängig, in unterschiedlichem Ausmaß. Das bedeutet, dass Resonanzfrequenzen höherer Ordnung keine ganzzahligen Vielfachen der Resonanzgrundfrequenz mehr sind. Die Ursachen dieses Effektes sind derzeit noch nicht vollständig geklärt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Reflexionseigenschaften der Schaumoberfläche von der Schallfrequenz abhängig sind. Another way to check for the presence of foam in the vessel determine is a comparison of at least two resonances frequencies of different order with each other, preferably the Fundamental resonance frequency with a higher order resonance frequency. It It has been shown that foam present in the vessel has the resonance frequencies shifts to higher frequency values from the Frequency dependent, to varying degrees. It means that Higher order resonance frequencies are not integer multiples of Fundamental resonance frequency are more. The causes of this effect are not yet fully clarified. However, it can be assumed that the reflective properties of the foam surface from the sound frequency are dependent.

Der Einfüllgrad des Gefäßes kann, wie bereits beschrieben, auf einfache Art und Weise bei vorausgesetzter Kenntnis der Schallgeschwindigkeit aus der Resonanzgrundfrequenz oder/und wenigstens einer Resonanz-Oberfrequenz bestimmt werden. Um das Ergebnis der Einfüllgradbestimmung abzusichern, können auch mehrere Resonanzfrequenzen unterschiedlicher Ordnung zur Einfüllgradbestimmung herangezogen werden.The degree of filling of the vessel can, as already described, in a simple manner and way with presupposed knowledge of the speed of sound from the Fundamental resonance frequency and / or at least one resonance upper frequency be determined. To ensure the result of the degree of filling, can also have multiple resonance frequencies of different orders Filling degree determination can be used.

Da das Vorhandensein von Schaum im Gefäß das Ergebnis der Einfüll gradmessung verfälschen kann, ist es ratsam, das Ergebnis der Einfüll gradbestimmung im Falle des Vorhandenseins von Schaum zu verwerfen. Somit kann sichergestellt werden, dass beispielsweise eine fehlerhafte Dosierung einer Substanz vermieden wird, wodurch gerade bei medizini schen oder pharmazeutischen Anwendungen verhängnisvolle Auswirkungen vermieden werden können.Because the presence of foam in the jar is the result of the filling degree measurement can falsify, it is advisable to fill the result discard degree determination in the presence of foam. This ensures that, for example, a faulty one Dosage of a substance is avoided, which is precisely the case with medicines fatal or pharmaceutical applications can be avoided.

Eine raumsparende, kompakte Messanordnung ergibt sich, wenn als Schallwellen Ultraschallwellen verwendet werden. Bevorzugt können Ultraschallwellen in einem Frequenzbereich von 0,1 kHz bis 20 kHz, vorzugsweise von 1 kHz bis 10 kHz liegen. Damit können sehr kleine Gefäße, beispielsweise sogenannte Wells einer Mikrotiterplatte vermessen werden, deren Abmessungen in der Größenordnung der entsprechenden Wellenlängen liegen.A space-saving, compact measuring arrangement results if as Sound waves Ultrasonic waves are used. Can prefer Ultrasonic waves in a frequency range from 0.1 kHz to 20 kHz, are preferably from 1 kHz to 10 kHz. This allows very small ones Measure vessels, for example so-called wells of a microtiter plate the dimensions of which are on the order of the corresponding Wavelengths.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch eine Messvorrichtung zum berührungslosen Bestimmen von wenigstens einer Füllungseigenschaft wenigstens eines mit einem Material befüllbaren oder befüllten und im Übrigen mit einer eine Gassäule bildenden Gasmenge gefüllten Gefäßes durch Schallwellen, vorzugsweise nach einem der oben beschriebenen Verfahren gelöst, wobei die Messvorrichtung umfasst: eine Schallquelle zum Anregen von Schwingungen der Gasmenge, einen Schwingungserfassungs sensor zum Erfassen von Schwingungen der Gasmenge sowie eine Steuer- oder/und Regeleinrichtung zum Verändern von Eigenschaften der von der Schallquelle abgesendeten Schallwellen, vorzugsweise deren Frequenz.The object of the invention is further achieved by a measuring device contactless determination of at least one filling property at least one fillable or filled with a material and in Otherwise with a vessel filled with a gas column forming a gas quantity by sound waves, preferably according to one of the above Method solved, the measuring device comprising: a sound source for Excitation of vibrations in the amount of gas, a vibration detection sensor for detecting vibrations in the gas volume and a control or / and control device for changing properties of the Sound source emitted sound waves, preferably their frequency.

Mit Hilfe der Schallquelle in Verbindung mit der Steuer- oder/und Regel einrichtung können verschiedene Schwingungszustände der in dem Gefäß vorhandenen Gasmenge angeregt und mit dem Schwingungserfassungs sensor erfasst werden. Wie zuvor beschrieben wurde, erlauben Schwin gungseigenschaften der Gasmenge, Aussagen über die im Gehäuse vorhandene Menge an Gas und damit, unter Voraussetzung der Kenntnis der Geometrie des Gefäßinnenraums, über das Volumen des in das betreffende Gefäß eingefüllten Materials zu treffen.With the help of the sound source in connection with the control or / and regulation Different vibration conditions can occur in the vessel Existing amount of gas excited and with the vibration detection sensor can be detected. As previously described, Schwin allow properties of the amount of gas, statements about those in the housing existing amount of gas and therefore, provided knowledge of the Geometry of the interior of the vessel, about the volume of the in the concerned Material to be filled.

Es ist aufgrund der Schwingungsanregung durch ein längeres, mehrere Schwingungsperioden umfassendes Wellensignal möglich, die wenigstens eine Füllungseigenschaft, beispielsweise die Einfüllmenge, selbst von geringen Mengen eines Materials in einem kleinen Gefäß mit großer Genauigkeit zu bestimmen.It is due to the vibration excitation by a longer one, several Vibration periods comprehensive wave signal possible, at least a filling property, for example the filling quantity, even from small amounts of a material in a small container with a large one To determine accuracy.

Durch die Schallquelle werden, wie zuvor beschrieben, Schwingungen der im Gefäß vorhandenen Gasmenge angeregt. Der Schwingungserfas sungssensor erfasst die Schwingungen der Gasmenge, beispielsweise durch Erfassen von Parametern wie Schwingungsamplitude oder/und Frequenz. Die Steuer- oder/und Regeleinrichtung zum Verändern von Eigenschaften der von der Schallquelle abgesendeten Schallwellen erlaubt, das Schwingungs verhalten der Gasmenge in einem breiten Parameterbereich zu ermitteln.As described above, the sound source causes vibrations of the The amount of gas in the vessel is excited. The vibration detector solution sensor detects the vibrations of the gas quantity, for example by Acquisition of parameters such as vibration amplitude and / or frequency. The control or / and regulating device for changing properties of the allowed sound waves emitted by the sound source, the vibration behavior of the gas quantity in a wide parameter range.

Aufgrund des bereits erläuterten Zusammenhangs zwischen der Wellenlänge der angeregten Schwingung und der Länge der Gassäule kann etwa der Einfüllpegel besonders einfach durch Verändern der Wellenlänge der Anregungsschwingung bestimmt werden. Hinsichtlich der Veränderung der Wellenlänge der Anregungsschwingung wird auf die eingangs beschriebenen Zusammenhänge verwiesen. Besonders bevorzugt ist die Steuer oder/und Regeleinrichtung dazu ausgebildet, die Wellenlänge der Anregungsschwin gung mittelbar durch Variation der Anregungsschwingungsfrequenz zu ver ändern, da die wenigstens eine Füllungseigenschaft so in sehr kurzer Zeit bestimmt und eine vollständige Berührungslosigkeit auch des Gefäßes aufrecht erhalten werden kann.Because of the relationship between the wavelength already explained the excited vibration and the length of the gas column can be about Fill level particularly easy by changing the wavelength of the Excitation vibration can be determined. Regarding the change in Wavelength of the excitation oscillation is based on that described at the beginning Connections referenced. The tax or / and is particularly preferred Control device designed to determine the wavelength of the excitation oscillation supply indirectly by varying the excitation oscillation frequency change as the at least one filling property so in a very short time determined and complete contactlessness of the vessel too can be maintained.

Eine Automatisierung und eine damit einhergehende Erhöhung der Genauigkeit der Messergebnisse durch Standardisierung der Messumgebung kann erreicht werden, wenn die Messvorrichtung eine Auswerteeinheit zum Bestimmen der wenigstens einen Füllungseigenschaft des Gefäßes anhand von wenigstens einer erfassten Resonanzeigenschaft der Gasmenge umfasst, wobei die Auswerteeinheit einen mit dem Schwingungserfassungs sensor verbundenen Messwertspeicher aufweist.Automation and an accompanying increase in Accuracy of measurement results through standardization of the measurement environment can be achieved if the measuring device has an evaluation unit for Determining the at least one filling property of the vessel based on of at least one recorded resonance property of the gas quantity comprises, wherein the evaluation unit with the vibration detection sensor connected measurement memory.

Der Messwertspeicher kann die während des Messbetriebs erfassten Daten speichern, so dass sie von der Auswerteeinheit abgerufen und verarbeitet werden können. So ist es denkbar, dass der Messwertspeicher beispiels weise eine Zuordnung von Schwingungsamplituden der Gasmenge zu jeweiligen Anregungsfrequenzen speichert, die Auswerteeinheit daraus die Resonanzgrundfrequenz und wenigstens eine weitere Resonanzfrequenz höherer Ordnung ermittelt, daraus den Einfüllgrad des Gefäßes errechnet und Informationen über den Zustand des in das Gefäß eingefüllten Materials bereitstellt. Daneben können im Messwertspeicher weitere Größen, wie beispielsweise Anregungsschwingungsamplituden, eine Zuordnung von Anregungsschwingungsamplituden zu jeweiligen Anregungsfrequenzen oder etwa die Ergebnisse einer Referenzmessung, hinterlegt sein.The measured value memory can store the data recorded during the measuring operation save so that it can be called up and processed by the evaluation unit can be. So it is conceivable that the measured value memory, for example assign an assignment of vibration amplitudes to the amount of gas the respective excitation frequencies, the evaluation unit stores the Fundamental resonance frequency and at least one further resonance frequency higher order determined, from this the degree of filling of the vessel is calculated and information about the condition of the material filled in the vessel provides. In addition, other variables such as for example excitation vibration amplitudes, an assignment of Excitation vibration amplitudes at respective excitation frequencies or such as the results of a reference measurement.

Da die Schwingungseigenschaften der Gasmenge von Zustandsgrößen, wie z. B. Gasdruck, Temperatur und Dichte, abhängen, kann das von der Messvorrichtung gelieferte Messergebnis in seiner Genauigkeit weiter verbessert werden, wenn die Messvorrichtung eine Parameter-Erfas sungseinheit zum Eingeben oder/und Erfassen von Messparametern umfasst. Durch ein Eingeben der benötigten Parameter, zu denen für die Umrechnung von Frequenz in Wellenlänge und umgekehrt auch die Schallgeschwindigkeit gehören kann, kann sichergestellt werden, dass das jeweilige Messergebnis mit aktuellen, die Messbedingungen zutreffend wiedergebenden Parametern verarbeitet wird. Im Falle einer automatisierten Messung, etwa in einem Rein- oder Reinstraum, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Parameter von der Parameter-Erfassungseinheit selbständig, d. h. ohne Einschaltung eines menschlichen Bedieners, bspw. durch Messung erfasst werden.Since the vibration properties of the gas quantity from state variables, such as e.g. B. gas pressure, temperature and density, depend on the Measuring device delivered measurement result in its accuracy further be improved if the measuring device detects a parameter unit for entering and / or recording measurement parameters includes. By entering the required parameters, for which for the Conversion of frequency into wavelength and vice versa also Speed of sound can be ensured that respective measurement result with current, the measurement conditions applicable reproducing parameters is processed. In the case of an automated Measurement, for example in a clean or clean room, it is also advantageous if the parameters from the parameter acquisition unit independently, d. H. without involving a human operator, for example by measurement be recorded.

Die Vorrichtung kann weiterhin ein Gefäßanschlussteil umfassen, welches mit dem Gefäß in Schallübertragungskopplung bringbar ist. Durch ein solches Gefäßanschlussteil, welches beispielsweise deckel-, hauben- oder kappenartig ausgebildet sein kann, kann zusammen mit dem zu messenden Gefäß ein definierter Resonanzhohlraum gebildet werden, in welchem eine definierte Gasmenge enthalten ist. Weiterhin kann durch ein derartiges Gefäßanschlussteil eventueller Störschall aus der Umgebung abgeschirmt werden, was die Messgenauigkeit der Vorrichtung erhöht. Bevorzugt ist das Gefäßanschlussteil mit einem zum Gefäßinnenraum hin offenen Teilhohlraum ausgebildet. Dieser kann den Schwingungserfassungssensor aufnehmen. Auch können durch entsprechende Dimensionierung des Teilhohlraums die erforderlichen Anregungsfrequenzen auf einen vorgegebenen Höchstwert begrenzt werden (d. h. unabhängig von der Füllhöhe).The device may further comprise a vessel connection part, which can be brought into sound transmission coupling with the vessel. Through a such vessel connection part, which, for example, cover, hood or can be formed cap-like, together with that to be measured A defined resonance cavity is formed in which a defined amount of gas is included. Furthermore, such Vessel connection part shields any interference from the environment be what increases the measuring accuracy of the device. This is preferred Vessel connection part with a partial cavity open to the interior of the vessel educated. This can accommodate the vibration detection sensor. By appropriate dimensioning of the partial cavity, the required excitation frequencies to a predetermined maximum value limited (i.e. regardless of the fill level).

Um eine absolute Berührungslosigkeit der Messvorrichtung gewährleisten zu können, kann das Gefäßanschlussteil während des Messbetriebs mit einem Abstand vom Gefäß angeordnet sein. Es wurde in bisherigen Versuchen festgestellt, dass sich ein geringer Abstand zwischen dem Gefäßanschlussteil und dem Gefäß nicht negativ auf die Qualität des Messergebnisses auswirkt. Demgegenüber kann durch einen Abstand zwischen Gefäßanschlussteil und Gefäß eine Schmutzübertragung vom Gefäßanschlussteil an das Gefäß vermieden werden, was die Fehleranfälligkeit des Gesamtprozesses erhöht, von dem die Messung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung lediglich einen Teil darstellen kann. So kann dadurch etwa die Sterilität eines Gefäßes gewahrt bleiben. Auch wird die bereits angesprochene Gefahr der Kontamination des Gefäßanschlussteils durch Probenmaterial stark reduziert.To ensure absolute contactlessness of the measuring device to be able to use the vessel connection part during the measuring operation a distance from the vessel. It has been in previous Try to find that there is a small gap between the Vascular connector and the vessel does not adversely affect the quality of the Measurement result affects. In contrast, by a distance between the vessel connection part and the vessel a dirt transfer from Vascular connection part to the vessel can be avoided, making the error prone of the overall process, of which the measurement by the The device according to the invention can only represent a part. So can thereby maintaining the sterility of a vessel. Also the already mentioned risk of contamination of the vessel connection part greatly reduced by sample material.

Darüber hinaus kann das Gefäßanschlussteil weitere Funktionen erfüllen, beispielsweise können über das Gefäßanschlussteil evtl. im Gefäß vor handene Aerosol- oder Staubpartikel abgesaugt werden.In addition, the vessel connection part can perform other functions, For example, the vessel connection part may be in front of the vessel existing aerosol or dust particles are suctioned off.

Eine Vereinfachung des Aufbaus der Messvorrichtung kann dadurch erreicht werden, dass das Gefäßanschlussteil wenigstens eine Öffnung aufweist, durch die der von Gefäßanschlussteil und Gefäß gebildete Resonanzhohl raum mit einem die Schallquelle oder/und den Schwingungserfassungs sensor aufweisenden Schallraum in Schallübertragungskopplung bringbar ist. Beispielsweise kann der Schallraum die äußere Umgebung des Gefäßanschlussteils sein. Somit besteht eine größere Freiheit hinsichtlich der Anordnung der Schallquelle oder/und des Schwingungserfassungs sensors. Diese können beispielsweise außerhalb des Gefäßanschlussteils angeordnet sein. Weiterhin können Schallquelle oder/und Schwingungs sensor mit Schallankopplungsmitteln, beispielsweise einem Schallwellenlei ter, an den Resonanzhohlraum angekoppelt sein. Dadurch kann, im Vergleich zu einer Anordnung derselben außerhalb des Gefäßanschlussteils ohne Schallankopplungsmittel, einerseits die von der Schallquelle benötigte Leistung bei gleicher Anregung der Gasmenge verringert oder andererseits bei gleicher Leistung mehr Anregungsenergie der Gasmenge zugeführt werden. Letzteres verbessert die Zuverlässigkeit der Messung. Darüber hinaus wird der Resonanzraum nicht durch darin angeordnete, zur Schall quelle oder/und zum Schwingungssensor gehörende Bauteile gestört.This can simplify the construction of the measuring device that the vessel connection part has at least one opening, through which the resonance cavity formed by the vessel connection part and vessel room with a the sound source and / or the vibration detection sensor-containing sound space can be brought into sound transmission coupling is. For example, the sound space can be the external environment of the Vascular connector. Thus there is greater freedom in terms of the arrangement of the sound source and / or the vibration detection sensors. These can be outside of the vessel connection part, for example be arranged. Furthermore, sound source and / or vibration sensor with sound coupling means, for example a sound wave guide ter, be coupled to the resonance cavity. This allows, in Comparison to an arrangement of the same outside of the vessel connection part without sound coupling means, on the one hand the one required by the sound source Performance reduced with the same excitation of the gas quantity or on the other hand with the same power, more excitation energy is supplied to the gas volume become. The latter improves the reliability of the measurement. About that moreover, the resonance space does not become sound through the space arranged in it Source or / and components belonging to the vibration sensor disturbed.

Daneben kann die Schallquelle oder/und der Schwingungssensor an oder sogar innerhalb des Gefäßanschlussteils angeordnet sein. Dadurch wird die Bildung eines Messkopfes ermöglicht, bei dem der zur Verfügung stehende Bauraum zur Anordnung aller funktionswesentlichen Elemente effektiv genutzt ist.In addition, the sound source and / or the vibration sensor can be on or even be located within the vessel connector. This will make the Formation of a measuring head enables the available one Installation space for arranging all functionally essential elements effectively is used.

Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die Schallquelle oder/und der Schwingungssensor an einer Außenseite des Gefäßes angeordnet ist. Beispielsweise kann das Gefäß integral mit der Schallquelle oder/und dem Schwingungssensor ausgebildet bzw. hergestellt sein. Somit ist es möglich, Bauteile einzusparen, den Raum über dem Gefäß freizuhalten und somit den Messvorgang gleichzeitig mit oder unmittelbar nach einem Dosiervorgang einzuleiten, wodurch Verfahrenszeit eingespart werden kann.In addition, it is also conceivable that the sound source and / or the Vibration sensor is arranged on an outside of the vessel. For example, the vessel can be integral with the sound source and / or the Vibration sensor can be designed or manufactured. So it is possible Saving components, keeping the space above the vessel free and thus the Measuring process simultaneously with or immediately after a dosing process initiate, whereby process time can be saved.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schallquelle eine Ultraschallquelle. Wie bereits zuvor dargelegt wurde, können durch den Einsatz von Ultraschallwellen sehr kleine Gefäße mit sehr wenig Materialin halt sehr genau vermessen werden. Darüber hinaus sind Ultraschallwellen durch den Menschen nicht wahrnehmbar, wodurch eine Belastung von eventuell in der Nähe der Messvorrichtung arbeitendem Personal vermieden wird.In a preferred embodiment of the invention, the sound source is a Ultrasound source. As previously stated, the Use of ultrasonic waves very small vessels with very little material stop being measured very precisely. They are also ultrasonic waves not perceivable by humans, causing a burden of any personnel working in the vicinity of the measuring device are avoided becomes.

Eine besonders hohe Qualität der von der Schallquelle abgesendeten Schallwellen kann erreicht werden, wenn die Schallquelle ein piezoelek trisches Element als Erreger umfasst, wenn auch grundsätzlich andere Erregerarten in Frage kommen, wie z. B. elektromagnetische Erreger. Piezoelektrische Elemente zeichnen sich besonders im Ultraschallbereich durch eine hohe Frequenztreue, Amplitudenstabilität und kleine Bauform aus.A particularly high quality of those sent by the sound source Sound waves can be achieved if the sound source is a piezoelectric tric element as a pathogen, albeit fundamentally different Pathogen types come into question, such as. B. electromagnetic exciters. Piezoelectric elements stand out particularly in the ultrasonic range due to high frequency fidelity, amplitude stability and small design out.

Durch die Messvorrichtung können einzelne Gefäße oder auch eine Mehrzahl von Gefäßen gemessen werden, die beispielsweise in einer Matrixanord nung, etwa in Form einer Mikrotiterplatte, angeordnet sein können. Mikrotiterplatten werden bevorzugt in medizinischen und pharmazeutischen Labors eingesetzt und bieten die Möglichkeit, das Messverfahren und die Messergebnisauswertung zu vereinfachen und zu standardisieren. Um bei einer derartigen Gefäßmatrixanordnung die Zeitdauer zu verkürzen, die benötigt wird, um jedes vorhandene Gefäß zu vermessen, kann eine Mehrzahl von Gefäßanschlussteilen in einer der Gefäßmatrixanordnung entsprechenden Gefäßanschlussteil-Matrixanordnung oder einer Reihen anordnung quer zu einer Vorschubrichtung angeordnet sein, in welcher Vorschubrichtung die Gefäßanschlussteil-Matrixanordnung relativ zur Reihenanordnung mittels einer Vorschubvorrichtung schrittweise ver schiebbar ist.Individual vessels or even a plurality can be measured by the measuring device measured from vessels, for example in a matrix arrangement tion, such as in the form of a microtiter plate, can be arranged. Microtiter plates are preferred in medical and pharmaceutical Laboratories used and offer the possibility of the measurement method and the Simplify and standardize measurement result evaluation. To at of such a vascular matrix arrangement to shorten the period of time that needed to measure each existing vessel, one can A plurality of vessel connection parts in one of the vessel matrix arrangement corresponding vascular connector matrix arrangement or a row arrangement to be arranged transversely to a feed direction in which Feed direction the vessel connector matrix arrangement relative to Ver row arrangement by means of a feed device is slidable.

Dadurch können Messvorgänge parallelisiert und beschleunigt werden, so dass der Gesamtdurchsatz an Gefäßen pro Zeiteinheit erhöht werden kann.As a result, measurement processes can be parallelized and accelerated that the total throughput of vessels per unit of time can be increased.

Weiterhin kann im Betriebsbereich der Messvorrichtung ein Referenzgefäß vorgesehen sein, um Referenzmessungen durchzuführen. Dies hat den Vorteil, dass etwa bei einem Datenverlust, beispielsweise bei einem Fehler im Messwertspeicher oder durch einen Stromausfall, ohne großen Zeitver lust Referenzmessungen durchgeführt werden können. Eine derartige Referenzmessung kann eine Einfüllgradbestimmung eines leeren Gefäßes sein, um eine Untergrenze für eine mögliche Resonanzgrundfrequenz und damit eine Startfrequenz, von der aus die Resonanz-Anregungsfrequenz in Richtung höherer Frequenzen variiert wird, zu ermitteln. Das Referenzgefäß kann aber auch anders konfiguriert sein; es kann etwa eine definierte Menge des Materials enthalten, mit dem die zu messenden Gefäße befüllt werden.Furthermore, a reference vessel can be located in the operating range of the measuring device be provided to perform reference measurements. This has the Advantage that, for example, in the event of data loss, for example in the event of an error in the measured value memory or due to a power failure, without great time delay lust reference measurements can be carried out. Such Reference measurement can be used to determine the degree of filling of an empty vessel to be a lower limit for a possible resonance fundamental frequency and thus a start frequency from which the resonance excitation frequency in Direction of higher frequencies is varied to determine. The reference vessel can also be configured differently; it can be about a defined amount of the material with which the vessels to be measured are filled.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es stellt dar:The present invention will hereinafter be described with reference to the accompanying Drawings are explained in more detail. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einem nicht mit Material befüllten Gefäß; Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of the measuring device according to the invention with a vessel not filled with material.

Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 1 mit einem mit einer Flüssigkeit befüllten Gefäß; FIG. 2 shows the device according to the invention from FIG. 1 with a vessel filled with a liquid;

Fig. 3 zwei Diagramme, welche die Resonanzschwingungsamplitude als Funktion der Anregungsschwingungsfrequenz aus je einer Messung ohne bzw. mit Schaum im Gefäß qualitativ zeigen, wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung erhalten werden können; FIG. 3 shows two graphs showing the resonance vibration amplitude as a function of the stimulation oscillation frequency from each of a measurement with or without foam in the vessel qualitatively how they can be obtained by method according to the invention and the device according to the invention;

Fig. 4 ein Diagramm, welches den Quotienten aus Gasmengen- Schwingungsamplitude und Anregungsschwingungsamplitude in Abhängigkeit von der im Gefäß vorhandenen Schaummenge qualitativ zeigt; Fig. 4 is a diagram showing the ratio of Gasmengen- vibration amplitude and stimulation oscillation amplitude in dependence on the amount of foam present in the vessel quality;

Fig. 5 ein Diagramm, welches die durchschnittliche Peakbreite in Abhängigkeit von der im Gefäß vorhandenen Schaummenge qualitativ zeigt; Fig. 5 is a diagram showing the average peak width in dependence on the amount of foam present in the vessel quality;

Fig. 6 ein Diagramm, welches die Abweichung der Peakposition in Abhängigkeit von der im Gefäß vorhandenen Schaummenge qualitativ zeigt. Fig. 6 is a diagram showing the quality of the deviation of the peak position depending on the amount of foam present in the vessel.

Fig. 1 zeigt eine Messvorrichtung 10 zum berührungslosen Bestimmen von wenigstens einer Füllungseigenschaft eines kreiszylindrischen Bechers 12 durch Schallwellen. Der Becher 12 mit einem kreiszylindrischen Innenraum weist an seinem einen Ende einen ebenen, kreisförmigen Boden 12a und an dem dem Boden 12a gegenüberliegenden Ende einen offenen Rand 12b auf. Fig. 1 shows a measuring device 10 for non-contact determination of at least a filling property of a circular cylindrical cup 12 by sound waves. The cup 12 with a circular cylindrical interior has a flat, circular bottom 12 a at one end and an open edge 12 b at the end opposite the bottom 12 a.

Die Messvorrichtung 10 umfasst ein im Wesentlichen nach einer Seite offenes, haubenartig ausgebildetes Gefäßanschlussteil 14 mit kreiszylind rischem Innenraum (Teilhohlraum 14c) auf. Der Raum 14c besitzt in etwa den gleichen Innendurchmesser wie der Innenraum 12c des Bechers 12. Weiterhin weist das Gefäßanschlussteil an seinem einen Ende einen ebenen, kreisförmigen Boden 14a und an seinem anderen, dem ersten gegenüber liegenden Ende einen offenen Rand 14b auf. Der Becher 12 und das Gefäßanschlussteil 14 sind in Gebrauchsstellung koaxial zueinander ausgerichtet, wobei sich die offenen Ränder 12b, 14b gegenüberstehen. Zwischen dem Rand 12b des Bechers 12 und dem Rand 14b des Gefäßanschlussteils 14 ist ein Abstand a von 0,1 mm bis 2 mm, vorzugsweise 0,5 mm vorgesehen, um ein Berühren des Bechers 12 und des Gefäßanschlussteils 14 und damit eine wechselseitige Kontamination zu vermeiden. Gefäßanschlussteil 14 und Becher 12 definieren so in ihrem gemeinsamen Innenraum einen Resonanzhohlraum 15, in dem eine definierte Menge an Luft bei Raumtemperatur und Raumdruck, d. h. bei ca. 20°C und etwa 1000 hPa, umgrenzt ist.The measuring device 10 comprises an essentially open to one side, hood-shaped vessel connection part 14 with a circular cylindrical interior (partial cavity 14 c). The space 14 c has approximately the same inner diameter as the interior 12 c of the cup 12 . Furthermore, the vessel connection part has a flat, circular bottom 14 a at one end and an open edge 14 b at its other end opposite the first. The cup 12 and the receptacle connector 14 are aligned coaxially with each other in the use position, with the open edges b 12, b 14 are facing. A distance a of 0.1 mm to 2 mm, preferably 0.5 mm, is provided between the edge 12 b of the cup 12 and the edge 14 b of the vessel connection part 14 in order to make contact with the cup 12 and the vessel connection part 14 and thus a reciprocal one Avoid contamination. Vessel connection part 14 and cup 12 thus define in their common interior a resonance cavity 15 in which a defined amount of air at room temperature and room pressure, ie at approximately 20 ° C. and approximately 1000 hPa, is delimited.

Die Messvorrichtung umfasst weiter eine Schallquelle 16, welche von einer Spannungsquelle 18 durch Leitungen 20 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Schallquelle 16 besitzt einen Piezokristall zum Anregen von Schwingungen im Frequenzbereich von 0,1 kHz bis 20 kHz. Die Schallquelle 16 ist mit einer Frequenzsteuerung 22 verbunden. Mit der Frequenzsteuerung 22 kann die Frequenz der von der Schallquelle 16 ausgesendeten Schallwellen innerhalb des Frequenzbereichs der Schallquelle 16 verändert werden.The measuring device further comprises a sound source 16 , which is supplied with electrical energy by lines 20 from a voltage source 18 . The sound source 16 has a piezo crystal for exciting vibrations in the frequency range from 0.1 kHz to 20 kHz. The sound source 16 is connected to a frequency control 22 . The frequency control 22 can be used to change the frequency of the sound waves emitted by the sound source 16 within the frequency range of the sound source 16 .

Die Schallquelle 16 ist in dem den Becher 12 und das Gefäßanschlussteil umgebenden Außenraum in der Nähe einer Öffnung 24 im Boden 14a des Gefäßanschlussteils 14 angeordnet. Es ist denkbar, diese Verbindung auch über einen Schallwellenleiter zu realisieren. Die kontinuierlich abgesendeten Schallwellen treten über die Öffnung 24 in den Resonanzhohlraum 15 ein, werden am Boden 12a des Bechers 12 reflektiert und in Richtung des Bodens 14a des Gehäuseanschlussteils zurückgeworfen, wo sie ebenfalls reflektiert werden. Durch die Reflektion und Überlagerung von Schallwellen bildet sich im Resonanzhohlraum 15 eine stehende Welle aus. Die Amplitude der stehenden Welle im Resonanzhohlraum 15 ist abhängig von der Wellenlänge und damit von der Frequenz der Anregungsschwingungen. The sound source 16 is arranged in the outer space surrounding the cup 12 and the vessel connection part in the vicinity of an opening 24 in the bottom 14 a of the vessel connection part 14 . It is conceivable to implement this connection via an acoustic waveguide. The continuously emitted sound waves enter through the opening 24 into the resonance cavity 15 , are reflected at the bottom 12 a of the cup 12 and are thrown back in the direction of the bottom 14 a of the housing connection part, where they are also reflected. Due to the reflection and superposition of sound waves, a standing wave is formed in the resonance cavity 15 . The amplitude of the standing wave in the resonance cavity 15 is dependent on the wavelength and thus on the frequency of the excitation vibrations.

Auf der dem Resonanzhohlraum 15 zugewandten Seite des Bodens 14a des Gehäuseanschlussteils 14 ist ein Schwingungserfassungssensor 26 angeordnet, welcher die Amplitude der Schwingungen der im Resonanz hohlraum 15 vorhandenen Luftmenge am Sensorort erfasst. Zwar befindet sich an der dem Resonanzhohlraum 15 zugewandten Seite des Bodens 14a unabhängig von der Ordnung einer angeregten Resonanzschwingung stets ein Knoten, was gerade den Boden 14a als Anbringungsort des Sensors im Gegensatz zum restlichen Resonanzhohlraum 15 auszeichnet, da in der Nähe eines Knotens erfasste Resonanzschwingungsamplituden unter schiedlicher Ordnung miteinander vergleichbar sind. Durch seine räumliche Ausdehnung erstreckt sich der Schwingungserfassungssensor 26 jedoch in Bereiche des Resonanzhohlraums 15 hinein, in denen eine Schwingungs amplitude erfasst werden kann.On the resonant cavity 15 facing side of the bottom 14 a of the housing connection portion 14 is a vibration detecting sensor 26 is arranged, which detects the amplitude of the oscillations in the resonant cavity 15 existing amount of air at the sensor location. There is always a knot on the side of the bottom 14 a facing the resonance cavity 15 regardless of the order of an excited resonance oscillation, which is what characterizes the bottom 14 a as the attachment location of the sensor in contrast to the rest of the resonance cavity 15 , since in the vicinity of a knot Resonance vibration amplitudes under different orders are comparable. Due to its spatial extension, however, the vibration detection sensor 26 extends into areas of the resonance cavity 15 in which a vibration amplitude can be detected.

Über eine Datenleitung 28 ist der Schwingungserfassungssensor 26 mit einer Auswerteeinheit 30 verbunden. Die Auswerteeinheit 30 umfasst wiederum einen Messwertspeicher 32, in welchem unter anderem die vom Schwingungserfassungssensor 26 erfassten Schwingungsamplituden abgespeichert werden können bzw. abgespeichert sind. Über eine aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Datenleitung ist darüber hinaus die Schallquelle 16 mit der Auswerteeinheit 30 verbunden, so dass auch die Anregungsfrequenzen im Messwertspeicher 32 abgespeichert werden können und eine Zuordnung der erfassten Schwingungsamplituden zu den zugehörigen Anregungsfrequenzen durch zusätzliches Abspeichern der der jeweiligen Schwingungsanregung und der jeweiligen Amplituden erfassung zugeordneten Systemzeit hergestellt werden kann. Darüber hinaus können neben Anregungsfrequenzen und Schwingungsamplituden der Luftmenge auch Zustandsgrößen des Gases wie Druck, Temperatur oder alternativ die Schallgeschwindigkeit im Messwertspeicher 32 abgespeichert sein. Die Ergebnisse der Auswertung werden über ein mit der Auswerte einheit 30 verbundenes Anzeigegerät 34 optisch dargestellt. The vibration detection sensor 26 is connected to an evaluation unit 30 via a data line 28 . The evaluation unit 30 in turn comprises a measured value memory 32 , in which, among other things, the vibration amplitudes detected by the vibration detection sensor 26 can be stored. In addition, the sound source 16 is connected to the evaluation unit 30 via a data line (not shown for reasons of clarity), so that the excitation frequencies can also be stored in the measured value memory 32 and an assignment of the detected vibration amplitudes to the associated excitation frequencies by additionally storing the respective vibration excitation and system time assigned to the respective amplitude detection can be produced. In addition to excitation frequencies and vibration amplitudes of the air quantity, state variables of the gas such as pressure, temperature or alternatively the speed of sound can also be stored in the measured value memory 32 . The results of the evaluation are visually displayed on a display device 34 connected to the evaluation unit 30 .

Fig. 2 zeigt im Wesentlichen die gleiche Anordnung wie Fig. 1, jedoch ist in den Becher 12 eine Flüssigkeit 36 eingefüllt. Dementsprechend werden Schallwellen, die durch die Öffnung 24 in den Resonanzhohlraum 15 eintreten, nicht vom Boden 12a des Bechers 12, sondern von der Grenz fläche 36a der Flüssigkeit 36 mit der im Resonanzhohlraum 15 vorhandenen Luft reflektiert. FIG. 2 shows essentially the same arrangement as FIG. 1, but a liquid 36 is filled into the cup 12 . Accordingly, sound waves that enter through the opening 24 in the resonance cavity 15 are not reflected from the bottom 12 a of the cup 12 , but from the boundary surface 36 a of the liquid 36 with the air present in the resonance cavity 15 .

Im Folgenden wird ein Beispiel für eine mögliche Vorgehensweise zur Ermittlung der Einfüllhöhe d der Flüssigkeit 36 im Becher 12 erläutert werden:An example of a possible procedure for determining the filling height d of the liquid 36 in the cup 12 is explained below:

Zunächst wird eine Referenzmessung am leeren Gefäß gemäß Fig. 1 durch geführt. Dazu wird in Verbindung mit der bekannten Schallgeschwindigkeit eine Startfrequenz einer Anregungsschwingung abgeschätzt, deren Wellen länge mehr als doppelt so groß ist wie der Abstand zwischen den Böden 12a und 14a des in Gebrauchsstellung angeordneten Bechers 12 bzw. Gefäßanschlussteils 14. Ausgehend von dieser Startfrequenz wird die Frequenz der Anregungsschallwellen durch Betätigen der Frequenzsteuerung 22 kontinuierlich erhöht. Bei einer Frequenz F₀, bei der die Wellenlänge λ₀ der Anregungsschwingungen (durchgezogene Linie 50 in Fig. 1) gerade doppelt so groß ist wie der Abstand zwischen dem Boden 12a des Bechers 12 und dem Boden 14a des Gefäßanschlussteils 14, tritt im Resonanzhohl raum 15 ein erstes Amplitudenmaximum auf. Es handelt sich bei F₀ um die Grundfrequenz der in dem Resonanzhohlraum 15 vorhandenen Luftmenge.First, a reference measurement is carried out on the empty vessel according to FIG. 1. For this purpose, a starting frequency of an excitation oscillation is estimated in connection with the known speed of sound, the wave length of which is more than twice as large as the distance between the bottoms 12 a and 14 a of the cup 12 or vessel connection part 14 arranged in the use position. Starting from this starting frequency, the frequency of the excitation sound waves is continuously increased by actuating the frequency control 22 . At a frequency F ₀ at which the wavelength λ _{0 of} the excitation vibrations (solid line 50 in FIG. 1) is just twice as large as the distance between the bottom 12 a of the cup 12 and the bottom 14 a of the vessel connection part 14 occurs in Resonance cavity 15 a first amplitude maximum. F ₀ is the fundamental frequency of the amount of air present in the resonance cavity 15 .

Durch weiteres Erhöhen der Frequenz erhält man ein zweites Amplitudenma ximum der Luftmengenschwingung im Resonanzhohlraum 15 bei der Anregungsfrequenz F₁, deren zugehörige Wellenlänge λ₁ genau dem Abstand zwischen dem Boden 12a des Bechers 12 und dem Boden 14a des Gehäuseanschlussteils 14 entspricht (in Fig. 1 durch gestrichelte Linie 52 dargestellt). Da das Produkt aus Frequenz und Wellenlänge die konstante Schallgeschwindigkeit ergibt, entspricht der Wert F₁, da λ₁ genau halb so groß ist wie λ₀, dem doppelten Wert der Grundfrequenz F₀.By further increasing the frequency, a second amplitude maximum of the air quantity oscillation in the resonance cavity 15 is obtained at the excitation frequency F ₁ , the associated wavelength λ _{1 of} which corresponds exactly to the distance between the base 12 a of the cup 12 and the base 14 a of the housing connection part 14 (in FIG .) is represented by dashed line 52. 1 Since the product of frequency and wavelength gives the constant speed of sound, the value F ₁ corresponds to the fact that λ _{1 is} exactly half the size of λ ₀ , twice the value of the fundamental frequency F ₀ .

In entsprechender Weise wird verfahren, wenn in dem Becher 12 die Flüssigkeit 36 eingefüllt ist. Ist eine ungefähre Einfüllhöhe der Flüssigkeit 36 bekannt, so kann daraus, analog zum oben beschriebenen Vorgehen, eine neue Startfrequenz ermittelt werden; die Schwingungsanregung der Gasmenge im Resonanzhohlraum 15 kann jedoch auch mit der zuvor für den leeren Becher bestimmten Startfrequenz begonnen werden.A corresponding procedure is followed when the liquid 36 is filled in the cup 12 . If an approximate filling level of the liquid 36 is known, a new starting frequency can be determined from this, analogous to the procedure described above; the vibration excitation of the gas quantity in the resonance cavity 15 can, however, also be started with the starting frequency previously determined for the empty cup.

Aufgrund des geringeren Abstands zwischen der Grenzfläche 36a zwischen Flüssigkeit 36 und Luftmenge im Resonanzraum 15 und Boden 14a des Gefäßanschlussteils 14, wird sich ein erstes Maximum der Amplitude der Luftmengenschwingung im Resonanzhohlraum 15 während des Erhöhens der Anregungsfrequenz durch die Frequenzsteuerung 22 bei einer höheren Frequenz F'₀ einstellen, als dies im leeren Gefäß der Fall ist (F'₀ < F₀; in Fig. 2 durch die durchgezogene Linie 50' dargestellt). Die Wellenlänge λ'₀, die der Frequenz F'₀ zugeordnet ist, entspricht dem Doppelten des Abstands zwischen den beiden schallreflektierenden Grenzflächen 36a und 14a. Durch weiteres kontinuierliches Erhöhen der Anregungsfrequenz lassen sich weitere Resonanzschwingungen anregen. So ist in Fig. 2 durch die mit 52' gekennzeichnete gestrichelte Linie die Resonanzschwingung erster Ordnung der Luftmenge im Resonanzhohlraum 15 angedeutet, deren Frequenz F'₁ doppelt so groß und deren Wellenlänge λ'₁, halb so groß ist wie die der Resonanzgrundschwingung des befüllten Bechers 12.Due to the smaller distance between the interface 36 a between the liquid 36 and the amount of air in the resonance chamber 15 and bottom 14 a of the vessel connection part 14 , there will be a first maximum of the amplitude of the air flow vibration in the resonance cavity 15 while the excitation frequency is being increased by the frequency control 22 at a higher frequency Set F ' ₀ than is the case in the empty vessel (F' ₀ <F ₀ ; shown in Fig. 2 by the solid line 50 '). The wavelength λ ' ₀ , which is assigned to the frequency F' ₀ , corresponds to twice the distance between the two sound-reflecting interfaces 36 a and 14 a. Further resonance vibrations can be excited by continuously increasing the excitation frequency. Thus, the first-order resonance vibration of the air quantity in the resonance cavity 15 is indicated in FIG. 2 by the dashed line denoted by 52 ', the frequency F' _{1 of which is} twice as large and the wavelength λ ' _{1 of} which is half that of the fundamental resonance vibration of the filled one Mug 12

Die Einfüllhöhe d entspricht nun der Differenz der Wellenlänge λ₁ und λ'₁ des nicht mit Flüssigkeit bzw. mit Flüssigkeit 36 befüllten Bechers 12. Daneben entspricht die Einfüllhöhe d auch der halben Differenz der Wellenlängen λ₀ und λ'₀ der Resonanzgrundschwingung. Somit kann die Einfüllhöhe d von der Auswerteeinheit 30 unter Verwendung der folgenden Daten aus dem Messwertspeicher 32 berechnet werden: erfasste Schwin gungsamplitude, Anregungsfrequenz und Schallgeschwindigkeit.The filling height d now corresponds to the difference in the wavelengths λ ₁ and λ ' _{1 of} the cup 12 not filled with liquid or liquid 36 . In addition, the filling height d also corresponds to half the difference between the wavelengths λ ₀ and λ ' ₀ of the fundamental resonance vibration. The fill level d can thus be calculated by the evaluation unit 30 using the following data from the measured value memory 32 : detected vibration amplitude, excitation frequency and speed of sound.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm A (durchgezogene Linie) der Resonanzschwin gungsamplitude als Funktion der Anregungsschwingungsfrequenz, wie sie durch einen sogenannten Sweep der Anregungsfrequenz, d. h. einer Variation der Anregungsfrequenz über einen Frequenzbereich, durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten werden kann. Das Diagramm A entspricht dabei dem Ergebnis einer Messung eines mit einer Flüssigkeit befüllten Bechers 12, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, wobei kein Schaum im Resonanzhohlraum 15 vorhanden ist. Fig. 3 shows a diagram A (solid line) of the resonance oscillation amplitude as a function of the excitation oscillation frequency, as can be obtained by a so-called sweep of the excitation frequency, ie a variation of the excitation frequency over a frequency range, by the method according to the invention. The diagram A corresponds to the result of a measurement of a cup 12 filled with a liquid, as shown in FIG. 2, wherein there is no foam in the resonance cavity 15 .

Das Diagramm A zeigt sechs im gleichen Abstand voneinander aufretende Resonanzpeaks, die von links nach rechts der Resonanzgrundschwingung sowie den Resonanzschwingungen erster bis fünfter Ordnung entsprechen. Die Spitzen der Resonanzpeaks sind durch eine Einhüllende E miteinander verbunden. Die Gestalt der Einhüllenden E, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, wird durch zwei sich überlagernde Effekte bestimmt. Erstens nimmt die Amplitude einer Resonanzfrequenz unter der Voraussetzung konstanter Anregungsschallleistung mit steigender Ordnung ab, zweitens hängt die von der Schallquelle abgegebene Schallleistung von der Frequenz der Schall quelle ab. So vermag im in Fig. 3 dargestellten Beispiel die Schallquelle im Bereich der Resonanzgrundfrequenz eine geringere Schallleistung ab zugeben, als dies im Bereich der Resonanzfrequenz erster Ordnung der Fall ist. Das in Fig. 3 gezeigte Diagramm reicht jedoch aus, um damit den Einfüllpegel, wie zuvor beschrieben, quantitativ und das Vorhandensein von Schaum im Becher 12 qualitativ zu bestimmen. Eine weitergehende Untersuchung, z. B. eine quantitative Erfassung des im Becher 12 vorhande nen Schaums ist unter Umständen möglich, wenn der Verlauf der Resonanzschwingungsamplitude in Abhängigkeit von der Anregungsschwingungsfrequenz normiert wird. Dazu kann die Resonanzschwingungsamplitude auf eine entsprechende Resonanzschwingungsamplitude einer Referenzmessung mit definierten Bedingungen, bspw. Fehlen von Schaum, oder auch auf die Amplitude des anregenden Piezokristalls bezogen werden.Diagram A shows six resonance peaks appearing at the same distance from one another, which correspond from left to right to the fundamental resonance vibration and the resonance vibrations of the first to fifth order. The peaks of the resonance peaks are connected to one another by an envelope E. The shape of the envelope E, as shown in FIG. 3, is determined by two overlapping effects. First, the amplitude of a resonance frequency decreases with increasing order, provided the excitation sound power is constant; second, the sound power emitted by the sound source depends on the frequency of the sound source. Thus, in the example shown in FIG. 3, the sound source can emit a lower sound power in the range of the fundamental resonance frequency than is the case in the range of the first order resonance frequency. However, the diagram shown in FIG. 3 is sufficient to quantitatively determine the filling level, as described above, and to qualitatively determine the presence of foam in the cup 12 . A further investigation, e.g. B. a quantitative detection of the existing in the cup 12 NEN foam is possible under certain circumstances if the course of the resonance oscillation amplitude is normalized depending on the excitation oscillation frequency. For this purpose, the resonance vibration amplitude can be related to a corresponding resonance vibration amplitude of a reference measurement with defined conditions, for example lack of foam, or also to the amplitude of the exciting piezo crystal.

Fig. 3 zeigt weiterhin ein Diagramm S, wie es aus einer Messung eines Bechers 12 mit gleichem Einfüllgrad wie im Falle des Diagramms A, jedoch bei Vorhandensein von Schaum im Resonanzhohlraum 15 erhalten werden kann. FIG. 3 further shows a diagram S as can be obtained from a measurement of a cup 12 with the same filling level as in the case of diagram A, but with the presence of foam in the resonance cavity 15 .

Bei einem paarweisen Vergleich von Resonanzpeaks gleicher Ordnung der Diagramme A und S erkennt man, dass die Peaks des Diagramms S eine geringere Höhe sowie eine größere Breite als die entsprechenden Peaks des Diagramms A aufweisen. So ist die Höhe des Resonanzpeaks der dritten Ordnung und damit die Resonanzschwingungsamplitude des Diagramms S einer Messung mit Schaum um Δu geringer als der entsprechende Reso nanzpeak des Diagramms A. Weiterhin ist die bei halber Peakhöhe gemessene Peakbreite w des Resonanzpeaks dritter Ordnung des Dia gramms S deutlich größer als die entsprechende Peakbreite v des Resonanz peaks dritter Ordnung des Diagramms A.In a pairwise comparison of resonance peaks of the same order of Diagrams A and S show that the peaks of diagram S are one lower height and a greater width than the corresponding peaks of the Have diagram A. So the height of the resonance peak is the third Order and thus the resonance vibration amplitude of the diagram S a measurement with foam is Δu less than the corresponding reso nanzpeak of the diagram A. Furthermore is that at half the peak height measured peak width w of the third order resonance peak of the slide gramms S significantly larger than the corresponding peak width v of the resonance Third order peaks of diagram A.

Darüber hinaus sind die Maxima der Anregungsschwingungsfrequenzen im Falle des Vorhandenseins von Schaum im Resonanzhohlraum 15 gegenüber einer Messung eines schaumfreien Becherinnenraums zu höheren Frequen zen verschoben. Zum Beispiel tritt das Maximum des Resonanzpeaks zweiter Ordnung des Diagramms S im Vergleich zum gleichen Maximum des Resonanzpeaks zweiter Ordnung des Diagramms A an einer um den Betrag ΔF erhöhten Frequenz auf. Der Wert ΔF ist von der Frequenz abhängig. Die Frequenzpeaks höherer Ordnung liegen dann nicht mehr bei ganzzahligen Vielfachen der Resonanzgrundfrequenz. Durch Vergleichen des von der Anregungsfrequenz abhängigen Verlaufs der Resonanzschwingungs amplitude mit einem Verlauf der Resonanzschwingungsamplitude aus einer Messung eines schaumfreien Becherinnenraums, kann auf das Vorhandensein von Schaum im Becher 12 geschlossen werden.In addition, the maxima of the excitation oscillation frequencies are shifted to higher frequencies in the presence of foam in the resonance cavity 15 compared to a measurement of a foam-free cup interior. For example, the maximum of the second-order resonance peak of diagram S compared to the same maximum of the second-order resonance peak of diagram A occurs at a frequency increased by the amount ΔF. The value ΔF depends on the frequency. The higher order frequency peaks are then no longer integer multiples of the fundamental resonance frequency. By comparing the course of the resonance oscillation amplitude, which is dependent on the excitation frequency, with a course of the resonance oscillation amplitude from a measurement of a foam-free cup interior, the presence of foam in the cup 12 can be concluded.

Beispielsweise kann das Diagramm A als Referenzverlauf der Resonanz schwingungsamplitude für einen bestimmten, mit einer definierten Flüssigkeitsmenge befüllten Becher 12 verwendet werden. Peaks gleicher Ordnung des Referenzdiagramms A einerseits sowie eines durch eine aktuelle Messung eines gleichartigen, mit einer Flüssigkeit befüllten Bechers ermittelten Verlaufs der Resonanzschwingungsamplitude andererseits werden paarweise miteinander hinsichtlich einer Frequenzverschiebung ΔF, einer Verringerung Δu der Resonanzamplitude sowie einer Zunahme der Peakbreite v verglichen. Falls wenigstens einer der Parameter ΔF, Δu oder v einen jeweiligen vorbestimmten Grenzwert dem Betrage nach übersteigt, so wird auf das Vorhandensein von Schaum geschlossen. Bei Nachweis von Schaum wird keine Einfüllhöhe d bestimmt bzw. ein bereits bestimmter Wert verworfen und dies z. B. einer Bedienungsperson weitergemeldet. Im Falle des Nachweises des Nichtvorhandenseins von Schaum wird in einem wei teren Schritt, wie zuvor beschrieben, aus den Frequenzwerten der Maxima der Resonanzpeaks die Einfüllhöhe d im Becher 12 bestimmt werden.For example, the diagram A can be used as a reference curve of the resonance vibration amplitude for a specific cup 12 filled with a defined amount of liquid. Peaks of the same order of the reference diagram A on the one hand and a course of the resonance oscillation amplitude determined by a current measurement of a similar cup filled with a liquid on the other hand are compared in pairs with one another with regard to a frequency shift ΔF, a decrease Δu in the resonance amplitude and an increase in the peak width v. If at least one of the parameters .DELTA.F, .DELTA.u or v exceeds a respective predetermined limit value, it is concluded that foam is present. If foam is detected, no filling height d is determined or an already determined value is discarded. B. reported to an operator. In the event of the detection of the absence of foam, in a further step, as described above, the filling height d in the cup 12 is determined from the frequency values of the maxima of the resonance peaks.

Zur Ermittlung der in den Fig. 4 bis 6 gezeigten Diagramme wurden jeweils die Informationen mehrerer Peaks unterschiedlicher Ordnung als Mittelwerte zusammengefasst, um eine statistisch besser abgesicherte Aussage über das Vorhandensein von Schaum machen zu können. Neben der einfachen Mittelwertbildung sind auch andere Verfahren, wie z. B. die gewichtete Mittelwertbildung, einsetzbar.To determine the diagrams shown in FIGS. 4 to 6, the information from several peaks of different orders was combined as mean values in order to be able to make a statistically better-assured statement about the presence of foam. In addition to simple averaging, other methods such as B. the weighted averaging can be used.

Fig. 4 zeigt die Veränderung des Quotienten aus Amplitude der Luftmen genschwingung und Amplitude der Anregungsschwingung bei Zunahme der im Resonanzhohlraum 15 vorhandenen Menge an Schaum. Der Quotient der Amplituden der Gasmengenschwingung und der Anregungsschwingung nimmt mit zunehmender Menge an Schaum im Resonanzhohlraum 15 degressiv ab. Fig. 4 shows the change in the quotient of the amplitude of the Luftmen gene vibration and the amplitude of the excitation vibration as the amount of foam present in the resonance cavity 15 increases. The quotient of the amplitudes of the gas quantity vibration and the excitation vibration decreases degressively with increasing amount of foam in the resonance cavity 15 .

Fig. 5 zeigt die Abhängigkeit der durchschnittlichen Peakbreite von der im Resonanzhohlraum 15 vorhandenen Menge an Schaum. Wie bereits beschrieben, steigt die durchschnittliche Peakbreite mit zunehmender Menge an Schaum im Resonanzhohlraum 15 an. Fig. 5 shows the dependence of the average peak width of the resonant cavity 15 present in the amount of foam. As already described, the average peak width increases with increasing amount of foam in the resonance cavity 15 .

Fig. 6 zeigt qualitativ die Abhängigkeit der Frequenzverschiebung der Peakmaxima von der im Resonanzhohlraum 15 vorhandenen Schaummenge. Mit zunehmender Menge an Schaum nimmt dabei die Verschiebung der Peakposition zu höheren Frequenzen hin zunächst zu und dann wieder ab. Fig. 6 shows the dependence of the frequency shift quality of the peak maxima of the resonant cavity 15 present in the amount of foam. With increasing amount of foam, the shift of the peak position to higher frequencies initially increases and then decreases again.

Falls bei einer Bestimmung der Füllungseigenschaften eines Gefäßes der in Fig. 4 dargestellte Grenzwert G1 unterschritten oder wenigstens einer der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Grenzwerte G2 und G3 überschritten wird, wird wiederum auf das Vorhandensein von Schaum im Resonanzhohlraum geschlossen, was zu den bereits oben beschriebenen Konsequenzen führt.If the limit value G1 shown in FIG. 4 falls below or at least one of the limit values G2 and G3 shown in FIGS. 5 and 6 is exceeded during a determination of the filling properties of a vessel, the presence of foam in the resonance cavity is again concluded, which leads to the consequences already described above.

Claims

1. A method for the contactless determination of at least one filling property of a vessel ( 12 ) that can be filled or filled with a material ( 36 ) and is otherwise filled with a gas quantity forming a gas column by sound waves, characterized in that at least one resonance property is excited by excitation of resonance vibrations of the gas quantity the amount of gas is determined and the at least one filling property is determined from the at least one resonance property.

2. The method according to claim 1, characterized in that determining the at least one resonance property comprises varying at least one of the following parameters:

- pressure of the gas
- temperature of the gas
- length of gas column.

3. The method according to claim 1, characterized, that determining the at least one resonance characteristic is the Varying an excitation frequency includes.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that determining resonance properties is a detection of a Vibration amplitude of the amount of gas includes.

5. The method according to claim 4, characterized, that vibration amplitudes of the amount of gas with vibration amplitudes of a reference vibration are compared.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that determining resonance properties is determining the Width (v, w) of a resonance peak of vibrations in the amount of gas includes.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that determining the at least one resonance property comprises determining at least one resonance parameter value, preferably a resonance frequency (F ₀ , F ₁ , F ' ₀ , F' ₁ ).

8. The method according to claim 7, characterized in that the determination of the at least one resonance frequency (F ₀ , F ₁ , F ' ₀ , F' ₁ ), the determination of a fundamental frequency (F ₀ , F ' ₀ ) (resonance frequency zero order) includes.

9. The method according to claim 7 or 8, characterized in that the determination of the at least one resonance frequency (F ₀ , F ₁ , F ' ₀ , F' ₁ ) the determination of at least one resonance frequency of the first order (F ₁ , F ' ₁ ) or higher.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the material ( 36 ) is flowable or pourable.

11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the material ( 36 ) is a liquid ( 36 ).

12. The method according to any one of claims 4 to 11, characterized in that the presence of foam in the vessel ( 12 ) is determined from a comparison of a vibration amplitude of the gas quantity with a vibration amplitude of the excitation vibration of a sound source.

13. The method according to any one of claims 4 to 12, characterized in that the presence of foam in the vessel ( 12 ) from a comparison of the height or / and the width or / and the position of a resonance peak with the height or width or The position of a resonance peak is determined from a reference measurement on a foam-free vessel ( 12 ).

14. The method according to claim 7 or 8, characterized in that the presence of foam in the vessel ( 12 ) is determined from a comparison of at least two resonance frequencies (F ₀ , F ₁ , F ' ₀ , F' ₁ ) with each other.

15. The method according to claim 14, characterized in that one of the at least two resonance frequencies (F ₀ , F ₁ , F ' ₀ , F' ₁ ) is the fundamental resonance frequency (F ₀ , F ' ₀ ).

16. The method according to claim 7 or 8, characterized in that the degree of filling of the vessel is determined from the fundamental resonance frequency (F ₀ , F ' ₀ ) and / or at least one resonance upper frequency (F ₁ , F' ₁ ).

17. The method according to claim 16, in connection with one of the An sayings 12 to 14, characterized, that the result of the degree of filling in the case of the existing which is rejected by foam.

18. The method according to any one of the preceding claims, characterized, that the sound waves are ultrasonic waves.

19. The method according to claim 18, characterized, that the ultrasonic waves in a frequency range from 0.1 kHz to 20 kHz, preferably 1 kHz to 10 kHz.

20.Measuring device ( 10 ) for the contactless determination of at least one filling property of at least one vessel ( 12 ) which can be filled or filled with a material ( 36 ) and is otherwise filled with a quantity of gas forming a gas column by means of sound waves, before preferably according to a method according to one of the Claims 1 to 19 comprising:

- a sound source ( 16 ) for exciting vibrations in the amount of gas,
- A vibration detection sensor ( 26 ) for detecting vibrations in the amount of gas, and
- A control or / and regulating device ( 22 ) for changing properties, preferably the frequency, of the sound waves emitted by the sound source ( 16 ).

21. Measuring device ( 10 ) according to claim 20, characterized in that the measuring device ( 10 ) further comprises an evaluation unit ( 30 ) for determining the filling properties of the vessel ( 12 ) on the basis of detected resonance properties of the gas quantity, which evaluation unit ( 30 ) has one with the Vibration detection sensor ( 26 ) connected measurement memory ( 32 ).

22. Measuring device ( 10 ) according to claim 20 or 21, characterized in that the measuring device ( 10 ) comprises a parameter acquisition unit for inputting and / or acquiring measurement parameters, for example gas pressure, temperature and / or speed of sound.

23. Measuring device ( 10 ) according to one of claims 20 to 20, characterized in that the device ( 10 ) comprises a vessel connection part ( 14 ) which is preferably provided with a partial cavity ( 14 c) which is open towards the interior of the vessel ( 12 c) and which is connected to the Vessel ( 12 ) can be brought into sound transmission coupling.

24. Measuring device ( 10 ) according to claim 23, characterized in that the vessel connection part ( 14 ) is arranged at a distance (a) from the vessel ( 12 ) during the measuring operation.

25. Measuring device ( 10 ) according to claim 23 or 24, characterized in that the vessel connection part ( 14 ) has at least one opening ( 24 ) through which a resonance cavity ( 15 ) formed by the vessel connection part ( 14 ) and vessel ( 12 ) with one Sound source ( 16 ) and / and the vibration detection sensor ( 26 ) having sound space can be brought into sound transmission coupling.

26. Measuring device ( 10 ) according to one of claims 23 to 25, characterized in that the sound source ( 16 ) and / or the vibration detection sensor ( 26 ) is arranged outside the vessel connecting part ( 14 ).

27. Measuring device ( 10 ) according to one of claims 23 to 26, characterized in that the sound source ( 16 ) and / or the vibration detection sensor ( 26 ) with sound coupling means, for example a sound waveguide, is coupled to the resonance cavity ( 15 ).

28. Measuring device ( 10 ) according to one of claims 23 to 27, characterized in that the sound source ( 16 ) and / or the vibration detection sensor ( 26 ) is arranged on or within the vessel connection part ( 14 ).

29. Measuring device ( 10 ) according to one of claims 20 to 27, characterized in that the sound source ( 16 ) and / or the vibration detection sensor ( 26 ) is arranged on an outside of the vessel ( 12 ).

30. Measuring device (10) according to one of claims 20 to 29, characterized in that the sound source (16) is an ultrasonic source (16).

31. Measuring device ( 10 ) according to one of claims 20 to 30, characterized in that the sound source ( 16 ) comprises at least one piezoelectric element.

32. Measuring device ( 10 ) according to one of claims 20 to 31, characterized in that a plurality of vessels are arranged in a matrix arrangement, for example in the form of a microtiter plate.

33. Measuring device ( 10 ) according to claim 32, characterized in that a plurality of vessel connection parts is arranged in a vessel connection part matrix arrangement corresponding to the vessel matrix arrangement, or a row arrangement is arranged transversely to a feed direction, in which feed direction the vessel connection part matrix arrangement is arranged relative to the row arrangement is gradually displaceable by means of a feed device.

34. Measuring device according to one of claims 20 to 33, characterized, that in the operating range of the measuring device a reference vessel for Implementation of reference measurements is provided.