DE10040942A1

DE10040942A1 - Filling level of bulk material determination device, especially loose solid material within a container, using a matrix of measurement points on the material surface to precisely determine the material volume

Info

Publication number: DE10040942A1
Application number: DE2000140942
Authority: DE
Inventors: Frank Lacher
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2002-03-07

Abstract

Device for determination of the level (F) of a liquid or bulk material (2) within a container (3) has a transmitter (5) for emission of electromagnetic waves or a particle beam in a narrow measurement region (8) on the surface of the material. A receiver (6) is set up to detect the measurement area (8) and uses an analysis unit (7) that determines the material level from one or more measurement area determinations. For solid bulk material a matrix of measurement points over the surface of the bulk material can be defined to accurately determine the volume of material within a container.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter.The invention relates to a device for determining the Level of a product in a container.

Zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter werden Meßsysteme eingesetzt, die unterschiedliche physikalische Größen messen. Anhand dieser Größen wird nachfolgend die gewünschte Information über den Füllstand abgeleitet. Neben mechanischen Abtastern werden kapazitive, konduktive oder hydrostatische Meßsonden eingesetzt, ebenso wie Detektoren, die auf der Basis von Ultraschall, Mikrowellen oder radioaktiver Strahlung arbeiten.To determine the level of a product in a container Measuring systems used that measure different physical quantities. The desired information about the Level derived. In addition to mechanical scanners, capacitive, conductive or hydrostatic measuring probes are used, as well Detectors based on ultrasound, microwaves or radioactive Radiation work.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine alternative, kostengünstige Vorrichtung zur Bestimmung/Überwachung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter vorzuschlagen.The invention has for its object an alternative, inexpensive Device for determining / monitoring the level of a product in to propose a container.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest eine in einer ersten Position angeordnete Sendeeinheit vorgesehen ist, die elektromagnetische Wellen oder Partikelstrahlung in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet, wobei die elektromagnetischen Wellen oder die Partikelstrahlung zumindest einen eng begrenzten Meßbereich auf der Oberfläche des Füllguts definieren/definiert, daß zumindest eine in einer zweiten Position angeordnete Empfangseinheit vorgesehen ist, die die Lage des zumindest einen Meßbereiches detektiert, und daß eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die anhand der Lage des zumindest einen Meßbereichs den Füllstand des Füllguts in dem Behälter bestimmt.The object is achieved in that at least one in a first position arranged transmitter unit is provided, the electromagnetic waves or emits particle radiation in the direction of the surface of the filling material, the electromagnetic waves or the particle radiation at least define / define a narrowly limited measuring range on the surface of the product, that at least one arranged in a second position Receiving unit is provided, the location of at least one Measuring range detected, and that an evaluation unit is provided, the based on the position of the at least one measuring range, the fill level of the Filled goods determined in the container.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei der Sendeeinheit um eine Energiequelle, die einen scharf gebündelten Energiestrahl aussendet. Bevorzugt wird als Sendeeinheit eine Laserdiode eingesetzt. Im Falle einer radiometrischen Messung kommen die bekannten Strahlungsquellen zum Einsatz. According to an advantageous development of the device according to the invention the transmitter unit is an energy source that sharpens you bundled energy beam emits. A transmission unit is preferred Laser diode used. In the case of a radiometric measurement, the known radiation sources used.

Bevorzugt handelt es sich bei der Empfangseinheit um einen Sensor, der die im Meßbereich vorhandene Strahlung detektiert. Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, wenn es sich bei der Empfangseinheit um eine digitale Kamera handelt.The receiving unit is preferably a sensor which detects the Radiation present in the measuring range is detected. It has been particularly cheap it turns out if the receiving unit is a digital one Camera acts.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die Sendeeinheit so angeordnet ist, daß die elektromagnetischen Wellen oder die Partikelstrahlung nahezu senkrecht auf die Oberfläche des Füllguts auftreffen/auftrifft. Ist - wie eine günstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiterhin vorsieht - die Empfangseinheit bevorzugt auf gleicher Höhe aber seitlich versetzt zur Sendeeinheit angeordnet, erweist sich die Auswertung der Meßdaten als besonders einfach.An advantageous embodiment of the device according to the invention provides that the transmitter unit is arranged so that the electromagnetic waves or the particle radiation almost perpendicular to the surface of the product incident / incident. Is - like a cheap embodiment of the device according to the invention further provides - the receiving unit preferably at the same height but laterally offset from the transmitter unit arranged, the evaluation of the measurement data proves to be special simple.

Bevorzugt ermittelt die Auswerteeinheit die Lage des zumindest einen Meßbereichs auf der Oberfläche des Füllguts anhand einer vorgegebenen Kennlinie oder anhand trigonometrischer Berechnungen.The evaluation unit preferably determines the position of the at least one Measuring range on the surface of the product based on a predetermined Characteristic or based on trigonometric calculations.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Sende- und die Empfangseinheit als integrale Einheit ausgestaltet. Dies erleichtert den Einbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung an dem Behälter.According to an advantageous development, the transmit and the Receiver unit designed as an integral unit. This makes installation easier the device according to the invention on the container.

Die zuvor beschriebenen Ausgestaltung ermittelt den Füllstand bevorzugt anhand der Bestimmung der Position eines einzelnen Meßbereichs. Für hochgenaue Messungen, die die Oberflächenstruktur des Füllguts mitberücksichtigen, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung folgendermaßen modifiziert: Es ist zumindest eine Sendeeinheit vorgesehen, die mehrere Meßbereiche in Form eines definierten Punktegitters auf die Oberfläche des Füllguts projeziert. Je nach Neigung der überwachten Meßfläche sieht die Empfangseinheit die einzelnen Meßbereiche in verkürztem oder verlängertem relativem Abstand. Bevorzugt ermittelt die Auswerteeinheit anhand der Position der einzelnen Meßbereiche und anhand der Verzerrung der relativen Abstände der einzelnen Meßbereiche die Oberflächenform des Füllguts. The configuration described above preferably determines the fill level based on the determination of the position of a single measuring range. For highly accurate measurements of the surface structure of the product take into account, the device according to the invention is as follows modified: At least one transmitter unit is provided, the several Measuring ranges in the form of a defined grid of points on the surface of the Projected goods. Depending on the inclination of the monitored measuring surface, the Receiver the individual measuring ranges in shortened or extended relative distance. The evaluation unit preferably uses the Position of the individual measuring ranges and based on the distortion of the relative Distances of the individual measuring ranges the surface shape of the product.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nähert die Auswerteeinheit die Form der Oberfläche des Füllguts durch ein mathematisches Modell an; nachfolgend bestimmt die Auswerteeinheit anhand der Meßdaten das Volumen des Füllguts in zumindest einem ausgewählten Bereich des Behälters.According to an advantageous development of the device according to the invention the evaluation unit approximates the shape of the surface of the filling material mathematical model; subsequently the evaluation unit determines based on the measurement data, the volume of the filling material in at least one selected area of the container.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The invention is illustrated by the following drawings. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 1 is a schematic representation of the device according to the invention,

Fig. 2 ein Flußdiagramm, über das die Auswerteeinheit den Füllstand des Füllguts in einem Behälter ermittelt, und Fig. 2 is a flowchart, via which the evaluation unit determines the level of the contents in a container, and

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Projektion (Fig. 3b) eines gleichförmigen Punktegitters (Fig. 3a) auf die Oberfläche des Füllguts. Fig. 3 is a schematic representation of the projection ( Fig. 3b) of a uniform point grid ( Fig. 3a) on the surface of the filling material.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt. Der Behälter 3 ist bis zum Füllstand F mit einem flüssigen oder festen Füllgut 2 angefüllt. Die Höhe des Behälters 3 ist mit H gekennzeichnet. In einer ersten Position oberhalb des Füllguts 2 ist eine Sendeeinheit 5 angeordnet; eine Empfangseinheit 6 ist auf gleicher Höhe seitlich versetzt zur Sendeeinheit 5 in einer zweiten Position vorgesehen. Bevorzugt handelt es sich bei der Sendeeinheit 5 um eine Laserdiode, deren gebündelte Strahlung auf der Oberfläche 4 des Füllguts 2 einen eng begrenzten - quasi punktförmigen - Meßbereich 8 definiert. Die Lage dieses Meßbereichs 8 wird von der Empfangseinheit 6, bei der es sich bevorzugt um eine digitale Kamera handelt, detektiert. Das Sichtfeld der elektronischen Kamera ist so bemessen, daß der Meßbereich auf der Oberfläche 4 des Füllguts 2 bei allen möglichen Füllständen F innerhalb des Behälters 3 erfaßt werden kann.In Fig. 1 is a schematic representation of the apparatus 1 according to the invention is shown. The container 3 is filled to the level F with a liquid or solid filling material 2 . The height of the container 3 is marked with H. A transmission unit 5 is arranged in a first position above the filling material 2 ; a receiving unit 6 is laterally offset from the transmitting unit 5 in a second position at the same height. The transmitter unit 5 is preferably a laser diode, the focused radiation of which defines a narrowly limited - quasi-punctiform - measuring range 8 on the surface 4 of the filling material 2 . The position of this measuring range 8 is detected by the receiving unit 6 , which is preferably a digital camera. The field of view of the electronic camera is dimensioned such that the measuring range on the surface 4 of the filling material 2 can be detected at all possible filling levels F within the container 3 .

Wie bereits gesagt, sind im dargestellten Fall die Sendeeinheit 5 und die Empfangseinheit 6 auf gleicher Höhe positioniert. Desweiteren fällt die von der Sendeeinheit 5 abgestrahlte Energie senkrecht auf die Oberfläche 4 des Füllguts 2 ein. Bei dem in der Fig. 1 eingezeichneten Füllstand F ist der Abstand der Sendeeinheit 5 (bzw. der Empfangseinheit 6) von der Oberfläche 4 des Füllguts 2 mit B gekennzeichnet, der Abstand zwischen der Sende einheit 5 und der Empfangseinheit 6 ist durch A charakterisiert.As already mentioned, the transmitting unit 5 and the receiving unit 6 are positioned at the same height in the case shown. Furthermore, the energy emitted by the transmission unit 5 falls perpendicularly onto the surface 4 of the filling material 2 . In the depicted in FIG. 1 level F of the distance between the transmitter unit 5 (or the receiving unit 6) is characterized by the surface 4 of the filling material 2 with B, the distance between the transmitter unit 5 and the receiving unit 6 is characterized by A.

Die Bestimmung des Füllstandes F des Füllguts 2 in dem Behälter 3 kann über trigonometrische Berechnungen in dem von Meßbereich 8, Sendeeinheit 5 und Empfangseinheit 6 aufgespannten Dreieck erfolgen. Bei der bevorzugten Anordnung von Sendeeinheit 5 und Empfangseinheit 6 erfolgen die trigonometrischen Berechnungen in einem rechtwinkligen Dreieck, was die Bestimmung des Füllstandes F sehr einfach macht. Selbstverständlich ist es auch möglich, vorab eine Eichkurve aufzunehmen und anhand eines Vergleichs der aktuellen Position des Meßbereichs 8 mit der entsprechenden Position des Meßbereichs 8 auf der abgespeicherten Eichkurve den jeweiligen Füllstand F des Füllguts 2 in dem Behälter 3 zu ermitteln.The level F of the filling material 2 in the container 3 can be determined using trigonometric calculations in the triangle spanned by the measuring area 8 , the transmitting unit 5 and the receiving unit 6 . In the preferred arrangement of transmitter unit 5 and receiver unit 6 , the trigonometric calculations are carried out in a right-angled triangle, which makes the determination of the fill level F very simple. Of course, it is also possible to record a calibration curve beforehand and to determine the respective filling level F of the filling material 2 in the container 3 by comparing the current position of the measuring range 8 with the corresponding position of the measuring range 8 on the stored calibration curve.

In Fig. 2 ist ein Flußdiagramm dargestellt, über das die Auswerteeinheit 7 den Füllstand F des Füllguts 2 in einem Behälter 3 ermittelt. Die Füllstands messung erfolgt in regelmäßigen Zeitintervallen T. Bekannt sind weiterhin der Abstand A zwischen der Sendeeinheit 5 und der Empfangseinheit 6 sowie der Winkel γ zwischen der Strahlrichtung der Sendeeinheit 5 und der Position der Empfangseinheit 6. Im beschriebenen Fall wird davon ausgegangen, daß die Sendeeinheit 5 und die Empfangseinheit 6 auf gleicher Höhe B oberhalb der Oberfläche 4 des Füllguts angeordnet sind; darüber hinaus fällt die Meßstrahlung der Sendeeinheit 5 senkrecht auf die Oberfläche 4 des Füllguts 2 ein. Folglich ist der Winkel γ zwischen der Einfallsrichtung der Meßstrahlung und der Verbindungslinie Sendeeinheit 5 - Empfangseinheit 6 ein rechter Winkel. FIG. 2 shows a flowchart, via which the evaluation unit 7 determines the fill level F of the fill material 2 in a container 3 . The fill level measurement takes place at regular time intervals T. The distance A between the transmitter unit 5 and the receiver unit 6 and the angle γ between the beam direction of the transmitter unit 5 and the position of the receiver unit 6 are also known . In the case described, it is assumed that the transmitter unit 5 and the receiver unit 6 are arranged at the same height B above the surface 4 of the filling material; In addition, the measuring radiation of the transmitter unit 5 is incident perpendicularly on the surface 4 of the filling material 2 . Consequently, the angle γ between the direction of incidence of the measuring radiation and the connecting line between transmitter unit 5 and receiver unit 6 is a right angle.

Die Füllstandsbestimmung startet unter Programmpunkt 10 nach Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls. Bei den Programmpunkten 11, 12 wird der Pixel x, der den Meßbereich 8 auf der digitalen Kamera abbildet, detektiert. Anschließend wird die Position des Pixels 6ε(x) anhand der von der digitalen Kamera gelieferten Daten ermittelt. Anschließend wird der Winkel β ermittelt, wobei β den Winkel zwischen der Verbindungslinie Sendeeinheit 5 - Empfangseinheit 6 und der Verbindungslinie Empfangseinheit 6 - Meßbereich 8 auf der Oberfläche 4 Füllguts 2 kennzeichnet. Über den Sinussatz wird bei Programmpunkt 14 der Abstand der Sendeeinheit 5 von der Oberfläche 4 des Füllguts 2 berechnet. Durch Differenzbildung zwischen dem bekannten Abstand von Sendeeinheit 5 und Behälterboden und dem errechneten Abstand zwischen der Sendeeinheit 5 und der Oberfläche 4 des Füllguts 2 wird der Füllstand F des Füllguts 2 in dem Behälter 3 ermittelt.The level determination starts under program point 10 after the specified time interval. At program points 11 , 12 , the pixel x, which images the measuring range 8 on the digital camera, is detected. The position of the pixel 6 ε (x) is then determined on the basis of the data supplied by the digital camera. The angle β is then determined, where β denotes the angle between the connecting line transmitter unit 5 - receiving unit 6 and the connecting line receiver unit 6 - measuring range 8 on the surface 4 of the filling material 2 . At program point 14, the distance of the transmission unit 5 from the surface 4 of the filling material 2 is calculated using the sine theorem. The level F of the filling material 2 in the container 3 is determined by forming the difference between the known distance between the transmitting unit 5 and the container bottom and the calculated distance between the transmitting unit 5 and the surface 4 of the filling material 2 .

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Projektion (Fig. 3b) eines gleichförmigen Punktegitters (Fig. 3a) auf die Oberfläche 4 des Füllguts 2. Die Sendeeinheit 5 ist derart ausgestaltet, daß sie Meßbereiche in einem definierten Raster auf die Oberfläche 4 des Füllguts projeziert. Die auf die Oberfläche 4 des Füllguts projizierten Meßbereiche 8 werden von der Empfangseinheit 6, bei der es sich bevorzugt um eine digitale Kamera handelt, aufgenommen. Fig. 3 of a uniform dot screen shows a schematic representation of the projection (Fig. 3b) (Fig. 3a) on the surface 4 of the filling. 2 The transmitter unit 5 is designed in such a way that it projects measurement areas onto the surface 4 of the filling material in a defined grid. The measuring areas 8 projected onto the surface 4 of the filling material are recorded by the receiving unit 6 , which is preferably a digital camera.

Da unebene Oberflächenstrukturen üblicherweise nur bei der Lagerung von Feststoffen in Behältern auftreten, handelt es sich bei dem Füllgut 2 im gezeigten Fall z. B. um ein Granulat. Während bei einer ebenen Oberfläche 4 die relativen Abstände der von der Sendeeinheit 5 auf die Oberfläche 4 projizierten Meßbereiche 8 unverändert bleiben, erkennt die Empfangseinheit Unebenheiten der Oberfläche anhand von Änderungen der relativen Abstände zwischen den einzelnen Meßbereichen 8. Die digitale Kamera "sieht" - je nach Neigung der Oberfläche 4 des Füllguts 2 - die Meßbereiche in verkürzten oder verlängerten Abständen.Since uneven surface structures usually only occur during the storage of solids in containers, it is the filling 2 in the case shown, for. B. a granulate. While on a flat surface 4 the relative distances between the measuring areas 8 projected by the transmitting unit 5 onto the surface 4 remain unchanged, the receiving unit detects unevenness on the surface by means of changes in the relative distances between the individual measuring areas 8 . The digital camera "sees" - depending on the inclination of the surface 4 of the filling material 2 - the measuring ranges in shortened or extended intervals.

Anhand der Lage jedes einzelnen Meßbereichs 8, der von der digitalen Kamera aufgenommen wird, bestimmt die Auswerteeinheit 7 z. B. über trigonometrische Verfahren den Füllstand F des Füllguts 2 in dem Behälter 3. Die Oberflächenstruktur kann dann beispielsweise dadurch bestimmt werden, daß zu jedem der über das Punktegitter definierten Meßbereiche 8 nach dem in Fig. 2 dargestellten Flußdiagramm der Füllstand F ermittelt wird. Anschließend wird über ein Approximationsverfahren anhand der errechneten Füllstandswerte die Oberflächenstruktur des Füllguts 2 zumindest näherungsweise berechnet. Sind der Füllstand F und die Oberflächenstruktur bekannt, läßt sich auch die Masse des Füllguts 2 bestimmen. Based on the position of each individual measuring range 8 , which is recorded by the digital camera, the evaluation unit 7 determines z. B. using trigonometric methods, the level F of the filling material 2 in the container 3rd The surface structure can then be determined, for example, by determining the fill level F for each of the measuring ranges 8 defined via the point grid according to the flow chart shown in FIG. 2. The surface structure of the filling material 2 is then at least approximately calculated using an approximation method based on the calculated fill level values. If the filling level F and the surface structure are known, the mass of the filling material 2 can also be determined.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11

erfindungsgemäße Vorrichtung
device according to the invention

22

Füllgut
filling

33

Behälter
container

44

Oberfläche des Füllguts
Surface of the product

55

Sendeeinheit
transmission unit

66

Empfangseinheit
receiver unit

77

Auswerteeinheit
evaluation

88th

Meßbereich
Measuring range

Claims

1. Device for determining the filling level (F) of a filling material ( 2 ) in a container ( 3 ) with at least one transmitting unit ( 5 ) arranged in a first position, which emits electromagnetic waves or particle radiation in the direction of the surface ( 4 ) of the filling material ( 2 ), the electromagnetic waves or the particle radiation defining a narrowly defined measuring range ( 8 ) on the surface of the filling material ( 2 ), with a receiving unit ( 6 ) arranged in a second position, which detects the position of the measuring range ( 8 ), and with an evaluation unit ( 7 ) which determines the filling level (F) of the filling material ( 2 ) in the container ( 3 ) based on the position of the at least one measuring range ( 8 ).

2. Device according to claim 1, wherein the transmitter unit ( 5 ) is an energy source that emits a sharply focused energy beam.

3. Apparatus according to claim 1, wherein the receiving unit ( 6 ) is a sensor which detects the radiation present in the measuring area ( 8 ).

4. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the transmitter unit ( 5 ) is arranged so that the electromagnetic waves hit the surface ( 4 ) of the filling material ( 2 ) almost perpendicularly.

5. The device according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the receiving unit ( 6 ) is preferably arranged at the same height but laterally offset to the transmitting unit ( 5 ).

6. The device according to claim 1, wherein the evaluation unit ( 7 ) determines the position of the at least one measuring area ( 8 ) on the surface ( 4 ) of the filling material ( 2 ) on the basis of a predetermined characteristic curve or on the basis of trigonometric calculations.

7. The device according to one or more of the preceding claims, wherein the transmitting and receiving unit ( 5 , 6 ) form a unit.

8. The device according to claim 1, wherein the at least one transmitting unit ( 5 ) projects a plurality of measuring ranges ( 8 ) in the form of a defined point grid on the surface ( 4 ) of the filling material ( 2 ).

9. The device according to claim 8, wherein the evaluation unit ( 7 ) determines the surface shape of the filling material ( 2 ) on the basis of a distortion of the distances between the individual measuring areas ( 8 ).

10. The device according to claim 8 or 9,
the evaluation unit ( 7 ) approximating the shape of the surface ( 4 ) of the filling material ( 2 ) using a mathematical model and
The evaluation unit ( 7 ) uses the measurement data to determine the volume of the filling material ( 2 ) in at least one selected area of the container ( 3 ).