DE102005009176B4

DE102005009176B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Füllstandsmessung

Info

Publication number: DE102005009176B4
Application number: DE102005009176.8A
Authority: DE
Inventors: Heinz Sayer
Original assignee: RETEC ELEKTRONISCHE REGELTECHNIK GmbH
Current assignee: Retec Elektronische Regeltechnik De GmbH
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2025-02-18
Also published as: EP1848969A1; WO2006087069A1; DE102005009176A1; WO2006087069A8

Abstract

Füllstandsmessverfahren an Behältern (12) wie Flaschen, wobei ein Behälter (12) in einer Transportrichtung (20) durch eine Messstation (17) hindurch bewegt wird, die eine spaltenartige Sendeeinrichtung (14) für Messstrahlen (22) und eine hierzu parallele spaltenartige Empfangseinrichtung (16) für Messstrahlen (22; 88) aufweist, die generell quer zu der Transportrichtung (20) ausgerichtet sind und zwischen denen der Behälter (12) hindurch bewegt wird, wobei die Messstrahlen (22; 88) eine Frequenz aufweisen, für die die Behälter (12) durchsichtig sind, wobei die spaltenartige Sendeeinrichtung (14) mehrfach angesteuert wird, um jeweils eine von mehreren Bildspalten (24) zu erzeugen, während der Behälter (12) durch die Messstation (17) hindurch bewegt wird, und wobei die Bildspalten (24) zu einem zweidimensionalen Durchlichtbild (60) des Behälters (12) zusammengesetzt werden und wobei die Sendeeinrichtung (14) eine Mehrzahl (n) von Sendern (42) und die Empfangseinrichtung (16) eine entsprechende Mehrzahl (n) von Empfängern (44) aufweist, so dass eine Mehrzahl (n) von Messstrecken (45) gebildet wird, und wobei jeder Sender (42) vor jedem eigentlichen Messvorgang einen Vorstrahl (86) mit einer Intensität (I_v) absendet, die kleiner als die maximale zulässige Intensität (I_max) des zugeordneten Empfängers (44) ist, und wobei ein darauf folgender Messstrahl (22; 88) mit einer Intensität (I_M) gesendet wird, die an die von dem Empfänger (44) zuvor empfangene Intensität (I_E) derart angepasst ist, dass der Empfänger (44) nicht übersteuert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Füllstandsmessung an Behältern wie Flaschen, wobei ein Behälter in einer Transportrichtung durch eine Messstation hindurch bewegt wird, die eine spaltenartige Sendeeinrichtung für Messstrahlen und eine hierzu parallele spaltenartige Empfangseinrichtung für Messstrahlen aufweist, die generell quer zu der Transportrichtung ausgerichtet sind und zwischen denen der Behälter hindurch bewegt wird, wobei die Messstrahlen eine Frequenz aufweisen, für die die Behälter durchsichtig sind.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Füllstandsmessung, wobei die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung eine Messstation bilden und wobei eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Messstation vorgesehen ist, derart, dass anhand der empfangenen Messstrahlen der Füllstand des Behälters messbar ist.
Ein derartiges Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung zur Füllstandsmessung sind bekannt aus der DE 44 10 515 C2 .
Die gattungsgemäßen Vorrichtungen zur Füllstandsmessung werden beispielsweise in automatischen Abfüllanlagen verwendet, in denen Füllgut automatisiert in Behälter gefüllt wird. Bei dem Füllgut kann es sich beispielsweise um Flüssigkeiten, wie Getränke, um Milchprodukte, um Schüttgut, wie beispielsweise Cerealien, oder ähnliches handeln.
Es ist aus der Praxis bekannt, als Messstrahlung γ-Strahlung zu verwenden. Insbesondere dann, wenn es sich bei dem Füllgut um Lebensmittel handelt, findet diese Art der Füllstandsmessung nur noch wenig Akzeptanz.
Auch ist es bekannt, ein Messverfahren auf Hochfrequenzbasis zu verwenden, bei dem der Effekt ausgenutzt wird, dass sich die Frequenz der jeweiligen HF-Strahlung aufgrund kapazitiver Kopplung mit dem Füllgut verschieben kann. Dieses Verfahren ist jedoch im Hinblick auf die Störanfälligkeit nicht überzeugend.
Aus der DE 31 28 094 A1 ist ein Verfahren zum Messen des Füllstandes von durchsichtigen Behältern bekannt. Hierbei werden die Behälter, die entlang einer Messstation bewegt werden, jeweils mit einer vorbestimmten Anzahl von seitlich aufeinanderfolgenden Lichtblitzen aus einem Infrarot-Laser beaufschlagt. Die aus dem Behälter austretenden Lichtblitze werden auf einen Empfänger gerichtet, wobei die Ausgangssignale aufintegriert werden.
Aus der DE 24 37 798 C2 ist eine weitere Füllstandsmessvorrichtung für Flaschen bekannt. Die Vorrichtung weist eine erste Lichtquelle und einen ersten Lichtempfänger auf, zwischen denen die zu prüfenden Flaschen hindurch wandern und dabei einen ersten Lichtstrahl schneiden. Ferner weist die Vorrichtung eine zweite Lichtquelle und einen zweiten Lichtempfänger auf, zwischen denen die Flaschen ebenfalls hindurch geführt werden. Die erste Messstrecke ist in Höhe des Flaschenhalses oberhalb des normalen Füllstandsniveaus angeordnet. Die zweite Messstrecke verläuft geneigt hierzu und trifft auf eine von der Zylinderform abweichende Flaschenwand auf. Ein weiterer Lichtempfänger, der Licht von der ersten Lichtquelle empfängt, ist vorgesehen, um die Flaschenposition für den Signalabruf zu bestimmen, dient also mit anderen Worten zur Triggerung des Messvorganges.
Bei der eingangs genannten gattungsgemäßen Füllstandskontrollvorrichtung wird ein Verfahren verwendet, bei dem ein Messstrahl im infraroten Wellenlängenbereich durch das Innere eines Behälters gelenkt wird, wobei mittels einem oder zwei Messempfängern festgestellt wird, wo der Messstrahl aus dem Behälter ausgetreten ist. Der jeweils getroffene Empfänger ermöglicht eine Aussage darüber, ob der Messstrahl auf seinem Weg durch das Innere des Behälters auf Füllgut getroffen ist oder nicht. Auch ist es möglich, zwei derartige Messstrahlen zu verwenden, um so eine Qualifizierung bezüglich Überfüllung/ Unterfüllung zu ermöglichen. Dabei gibt der vertikale Abstand zwischen den beiden Messstrahlen den Toleranzbereich für die Ungenauigkeit des Füllstandes wieder.
Obgleich sich diese Füllstandsmessvorrichtung bewährt hat, bleibt Raum für Verbesserungen.
Die EP 1 176 416 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Durchleuchten von Flüssigkeitsbehältern. Hier wird vorgeschlagen, die zu untersuchenden Behälter mittels mehrerer Beleuchtungsquellen zu durchleuchten bzw. anzustrahlen und das transmittierende bzw. reflektierende Licht über CCD-Kameras zu erfassen.
Die WO 97/12233 A1 zeigt ein Behälterinspektionssystem mit einer Strahlungsquelle, die auf einen Behälter gerichtet ist. Eine Verarbeitungsschaltung soll ein mehrdimensionales Bild von dem Behälter erzeugen. Aus dem Bild soll ermittelt werden, wie hoch der Füllstand in dem Behälter ist.
Die WO 98/43052 A1 zeigt ein Füllhöhenmesssystem. Es wird dabei eine erste Höhe oberhalb des Füllstands und eine zweite Höhe unterhalb des Füllstands ermittelt. Der Füllstand wird dann zwischen diesen beiden Höhen ermittelt. Dabei soll es auch möglich sein, einen Schaum oberhalb des Füllstands zu berücksichtigen.
Es ist demzufolge die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Füllstandsmessverfahren bzw. eine verbesserte Füllstandsmessvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung wird folglich ein zweidimensionales Durchlichtbild des Behälters bereitgestellt. Hierdurch ergibt sich bei entsprechender Auflösung die Möglichkeit, nicht nur eine Aussage in Bezug auf eine korrekte bzw. inkorrekte Befüllung (Unterfüllung/Überfüllung) zu treffen. Vielmehr ist es auch möglich, den Füllpegel sozusagen „analog“ zu messen und auszugeben. Ferner ergeben sich durch das zweidimensionale Durchlichtbild weitere Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere auf der Grundlage einer digitalen Bildverarbeitung, z.B. eine Kontrolle der Behälterform, eine Verschlusskontrolle etc.
Die Frequenz der Messstrahlen kann so gewählt sein, dass ein in die Behälter einzufüllendes Füllgut für die Messstrahlen durchsichtig ist. Alternativ ist das Füllgut für die Messstrahlen jedoch nicht durchsichtig.
Der Begriff durchsichtig soll im vorliegenden bedeuten, dass Messstrahlen hindurchgehen, jedoch „gedämpft“ werden können in dem Sinne, das die Intensität eingangsseitig größer ist als ausgangsseitig.
Von besonderem Vorteil ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn die spaltenartige Sendeeinrichtung eine Mehrzahl von Sendern aufweist, die bei einem Ansteuervorgang zur Erzeugung einer Bildspalte jeweils wenigstens einmal angesteuert werden, um einen jeweiligen Messstrahl zu erzeugen. Die Auflösung der Bildspalte wird bestimmt durch die Anzahl der Sender der spaltenartigen Sendeeinrichtung. Vorzugsweise liegt die Anzahl der Sender im Bereich zwischen 10 und 250, insbesondere im Bereich zwischen 12 und 50.
Die Sendeeinrichtung eine Mehrzahl von Sendern und die Empfangseinrichtung eine entsprechende Mehrzahl von Empfängern auf, so dass eine Mehrzahl von Messstrecken gebildet wird.
Mit anderen Worten erfolgt hierbei eine Durchlichtmessung an den einzelnen Messstrecken, wobei während eines Ansteuervorganges zur Erzeugung einer Bildspalte (während eines „Scans“) jede Messstrecke wenigstens einmal angesteuert wird.
Die Auflösung des zweidimensionalen Durchlichtbildes in Spaltenrichtung ergibt sich folglich durch die Anzahl der Messstrecken. Die Auflösung senkrecht zu der Spaltenrichtung (im Vorliegenden „Zeilenrichtung“) ergibt sich durch die Anzahl der Scans während des Durchgangs des betreffenden Behälters durch die Messstation hindurch. Diese Anzahl wird zum einen bestimmt durch die Scan-Geschwindigkeit selbst, zum anderen jedoch durch die Geschwindigkeit, mit der der Behälter durch die Messstation hindurch bewegt wird.
Es ist generell möglich, den Behälter schrittweise durch die Messstation hindurch zu bewegen, wobei der Behälter für jeden Scan anhält. Bevorzugt wird der Behälter jedoch im Wesentlichen kontinuierlich durch die Messstation hindurch bewegt, wobei die Scans beispielsweise unmittelbar aufeinander folgen.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Empfänger der Empfangseinrichtung in wenigstens zwei Gruppen aufgeteilt sind und wenn die Reihenfolge der Ansteuerung der Sender der Sendeeinrichtung zur Erzeugung einer Bildspalte so gewählt wird, dass in der Folge jeweils eine Messstrecke einer anderen Gruppe angesteuert wird.
Ein Scan erfolgt hierbei folglich nicht so, dass jeweils zueinander benachbarte Sender aufeinanderfolgend angesteuert werden. Vielmehr erfolgt die Ansteuerung der Sender so, dass diese nacheinander jeweils zu einem Empfänger einer anderen Gruppe passen.
Die Aufteilung der Empfänger in Gruppen hat den besonderen Vorteil, dass es zum einen nicht notwendig ist, für jeden Empfänger einen eigenen Messverstärker vorzusehen. Hierdurch kann die Baugröße insbesondere der Empfangseinrichtung deutlich verringert werden. Jeder Gruppe wird dann vorzugsweise ein Messverstärker zugeordnet. Da jeder Messverstärker für jeden neuen Messvorgang eines Empfängers neu einschwingen muss, kann ein Messverstärker einer Gruppe einschwingen, während der Messverstärker einer anderen Gruppe noch damit beschäftigt ist, ein empfangenes Messsignal zu verstärken. Demzufolge kann auch die Geschwindigkeit der Scans erhöht werden.
Da bei dieser Art der Ansteuerung der Sender jeweils solche Sender nacheinander aktiviert werden, die nicht unmittelbar benachbart zueinander sind, können zudem Streu-Interferenzen auf der Empfängerseite vermieden werden.
Beim Ansteuern der Sendeeinrichtung werden zum Erzeugen einer Bildspalte (während eines „Scans“) vor dem Absenden von Messstrahlen so genannte Vorstrahlen abgesendet, um die Messstrahlen in Abhängigkeit hiervon einzustellen.
Hierbei wird erreicht, dass ein hoher Dynamikumfang der einzelnen Scans erzielbar ist.
Da auf der Empfängerseite dann, wenn sich kein Behälter in der Messstation befindet, eine hohe Lichtintensität „ankommt“ und andererseits bei Vorhandensein eines Behälters, insbesondere eines gefüllten Behälters, nur noch eine geringe Intensität bei der Empfangseinrichtung „ankommt“, kann durch einen solchen Vorstrahl geprüft werden, mit welcher Intensität die Sendeeinrichtung Messstrahlen absenden darf, ohne die Empfangseinrichtung zu übersteuern.
Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn jeder Sender vor Absenden eines Messstrahles einen Vorstrahl mit einer Intensität absendet, die an die maximale zulässige Intensität des zugeordneten Empfängers angepasst ist, und wenn ein darauffolgender Messstrahl mit einer Intensität gesendet wird, die an die von dem Empfänger zuvor empfangene Intensität angepasst ist.
Generell ist es zwar denkbar, für einen Scan nur einen „pauschalen“ Vorstrahl abzusenden, um zu überprüfen, ob ein Behälter in der Messstation ist oder nicht.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Sender jeweils einzeln vor Absenden eines jeweiligen Messstrahles einen Vorstrahl senden, um zu überprüfen, wie stark der Sender für den eigentlichen Messstrahl eingestellt werden kann.
Dies hat den Vorteil, dass der Messstrahl für jeden Empfänger individualisiert ideal eingestellt werden kann, um einen hohen Dynamikumfang zu erzielen.
Bei der „Pauschallösung“ besteht hingegen generell die Gefahr, dass während eines Scans manche der Empfänger bereits durch einen Behälter abgedeckt sind, andere hingegen nicht.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der individuellen Vorstrahlen kann hingegen beispielsweise ein Sender, dessen Füllstandsmessung bereits durch einen Behälterbereich abgedeckt ist, mit einer hohen Intensität angesteuert werden, damit der Empfänger auch in einem günstigen Bereich betrieben werden kann.
Insgesamt ist es ferner vorteilhaft, wenn die Auswertung von Messwerten der Empfänger beinhaltet, die durch den Behälter hervorgerufene Dämpfung der Messstrahlen zu eliminieren.
Bei dieser Ausführungsform kann das Füllstandsmessverfahren weitgehend unabhängig von dem Material des Behälters durchgeführt werden.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Messwerte logarithmiert werden und die Auswertung eine Differenzbildung von logarithmischen Messwerten beinhaltet, um die Dämpfung durch den Behälter zu eliminieren.
Es ist herausgefunden worden, dass die Dämpfung durch das Material des Behälters sich im Messwert als ein Faktor darstellt. Durch Logarithmieren wird der Faktor in eine additive Konstante umgewandelt. Wenn die Auswertung Differenzen von Messwerten bildet, fällt die Konstante (und damit das Flaschenmaterial) heraus.
Bei der erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sendeeinrichtung einen von der Steuereinrichtung steuerbaren Sender-Multiplexer aufweist, um die einzelnen Sender der Sendeeinrichtung aufeinanderfolgend anzusteuern.
Der Multiplexer ist dabei vorzugsweise adressierbar, in dem Sinn, dass nicht notwendigerweise benachbarte Sender aufeinanderfolgend angesteuert werden, sondern, wie bei der bevorzugten Ausführungsform, jeweils möglichst weit voneinander beabstandete Sender, die unterschiedlichen Empfängergruppen zugeordnet sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Empfangseinrichtung eine Mehrzahl von Empfängern auf, die in wenigstens zwei Gruppen aufgeteilt sind, wobei jeder Gruppe ein Messverstärker zugeordnet ist.
Wie bereits oben erwähnt, kann durch die Aufteilung der Empfänger in Gruppen erreicht werden, dass einerseits schnelle Scans möglich sind (da Einschwingzeiten von Messverstärkern unberücksichtigt bleiben können). Andererseits ist es auch möglich, die Anzahl der Messverstärker möglichst gering zu halten, um den Bauteilaufwand und damit die Kosten sowie den notwendigen Bauraum zu minimieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es dabei bevorzugt, wenn die Empfangseinrichtung einen von der Sendeeinrichtung steuerbaren Verstärker-Multiplexer aufweist, der die Ausgänge der Messverstärker zusammenfasst.
Durch diese Maßnahme können die Ausgänge der Messverstärker auf eine einzelne Leitung gelegt werden, zur Weiterverarbeitung in der - in der Regel digitalen - Steuereinrichtung.
So ist es von besonderem Vorteil, wenn ein Ausgang des Verstärker-Multiplexers mit der Steuereinrichtung verbunden ist.
Vorzugsweise erfolgt diese Verbindung dabei über einen Analog-Digital-Wandler.
Insgesamt ist es ferner vorteilhaft, wenn die Sendeeinrichtung einen Stromregler aufweist, mittels dessen die Intensität der zu sendenden Messstrahlen einstellbar ist.
Der Stromregler kann beispielsweise zwischen einem mit der Steuereinrichtung verbundenen Digital-Analog-Wandler und dem Sender-Multiplexer angeordnet sein.
Ferner ist es bei der erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung vorteilhaft, wenn die spaltenartige Sendeeinrichtung wenigstens zwei Teilspalten aufweist, die jeweils eine Mehrzahl von Sendern beinhalten, wobei die zwei Teilspalten in Spaltenrichtung gegeneinander versetzt sind.
Dies ermöglicht es, dass die Auflösung der Bildspalte in Spaltenrichtung erhöht werden kann, und zwar bei gegebener Baugröße von Sendern.
Es versteht sich, dass die Empfangseinrichtung eine ähnliche Anordnung von Empfängern aufweisen kann, dass die Empfangseinrichtung jedoch auch gegebenenfalls als rein lineare Anordnung von Empfängern ausgebildet sein kann.
Insgesamt kann folglich ein zweidimensionales Durchlichtbild erzeugt werden, jedoch nicht durch eine einzelne abbildende Optik aus am Behälter reflektiertem Licht einer Beleuchtungseinrichtung. Vielmehr erfolgt die Bildgebung bevorzugt ohne Optik aus einer Durchlichtmessung einzelner zugeordneter Messstrahlen, die vorzugsweise vertikal aufgelöst sind durch den Abstand der Messstrahlen (Messstrecken) und horizontal durch die Bewegung des Behälters (beispielsweise synchronisiert mittels eines Drehimpulsgebers).
Mit anderen Worten ist die horizontale Auflösung nicht durch die Bauart der Sender bzw. Empfänger vorgegeben, sondern vorzugsweise durch den zeitlichen/räumlichen Abstand der einzelnen Ansteuervorgänge zur Erzeugung einer Bildspalte („Scans“).
Sofern ausschließlich diskrete Messstrahlen verwendet werden, empfängt ein Empfänger nur Licht von seinem zugeordneten Sender, nicht jedoch Licht aus daneben liegenden Lichtquellen. Demzufolge kann das entstehende zweidimensionale Durchlichtbild einzelne horizontale Schichten des Behälters beschreiben.
Die Messstrahlen sind vorzugsweise Infrarot-Messstrahlen, wie es in der DE 44 10 515 C2 beschrieben ist. Die Sender können beispielsweise IR-Fotodioden sein.
Die zweidimensionalen Durchlichtbilder können durch digitale Bildverarbeitung ausgewertet werden. Der aktuelle Füllpegel kann sozusagen „analog“ ermittelt und ausgegeben werden. Auch ist es möglich, die Form der Behälter zu kontrollieren und gegebenenfalls eine Verschlusskontrolle oder ähnliches durchzuführen, also ob ein Verschluss vorhanden ist, ob er beschädigt ist oder ähnliches.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung;
2 eine schematische Längsschnittansicht durch die Füllstandsmessvorrichtung der 1;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung;
4 ein Beispiel eines zweidimensionalen Durchlichtbildes, das von einer erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung erzeugt ist;
5 eine schematische Seitenansicht einer Sendeeinrichtung einer erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; und
6 Diagramme mit Intensitäten von gesendeten bzw. empfangenen Messstrahlen, wobei 6a Vor- und Messimpulse eines einzelnen Senders zeigt, wobei 6b die an einem zugeordneten Empfänger empfangenen Impulse zeigt, und wobei 6c die aus den empfangenen Impulsen berechneten Messwerte darstellt.

In den 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung generell mit 10 bezeichnet.
Die Füllstandsmessvorrichtung 10 dient zum Messen des Füllstandes von Behältern 12, sowie gegebenenfalls anderer Füllparameter. Die Behälter 12 können beispielsweise Flaschen, Becher etc. sein. Das Material der Behälter 12 kann beispielsweise Glas sein, Kunststoff (PET) etc.
Die Füllstandsmessvorrichtung 10 weist eine spaltenartige Sendeeinrichtung 14 und eine entsprechende, spaltenartige Empfangseinrichtung 16 auf. Die Sendeeinrichtung 14 und die Empfangseinrichtung 16 bilden eine Messstation 17.
Zwischen der Sendeeinrichtung 14 und der Empfangseinrichtung 16 verläuft ein Transportpfad 18, auf dem Behälter 12 durch die Messstation 17 hindurch transportiert werden. Die entsprechende Transportrichtung ist bei 20 gezeigt.
Die Sendeeinrichtung 14 und die Empfangseinrichtung 16 sind im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen quer zu der Transportrichtung 20 ausgerichtet.
Im vorliegenden Fall sind die Sendeeinrichtung 14 und die Empfangseinrichtung 16 etwa vertikal ausgerichtet. Generell könnten sie jedoch auch horizontal ausgerichtet sein. Der vorliegend verwendete Begriff der Spalte bezieht sich auf eine generell linienförmige Anordnung und ist synonym mit dem Begriff „Zeile“ zu verwenden.
Die Sendeeinrichtung 14 weist eine Mehrzahl von Sendern auf, die in Spaltenrichtung angeordnet sind und jeweils einen Messstrahl 22 abgeben. Der Abstand der Messstrahlen 22 (folglich der Abstand der einzelnen Sender der Sendeeinrichtung 14) ist bei 23 gezeigt.
Zur Darstellung einer Bild- bzw. Messspalte 24 werden die Sender der Sendeeinrichtung 14 jeweils mindestens einmal angesteuert. Dies erfolgt vorzugsweise nacheinander, um den Bauteilaufwand und den Signalverarbeitungsaufwand zu verringern, und zwar in Form eines so genannten „Scans“.
Die einzelnen Sender werden jedoch nicht notwendigerweise in der Reihenfolge ihrer Anordnung angesteuert. Vielmehr kann die Folge so gewählt werden, dass möglichst weit voneinander beabstandete Sender unmittelbar aufeinanderfolgend angesteuert werden.
Der oben genannte Scan-Vorgang erfolgt während des Durchganges eines Behälters 12 durch die Messstation 17 hindurch mehrfach. Dies ist am besten in 2 zu erkennen, in der gezeigt ist, dass der gesamte Messbereich des Behälters mit einem Raster von Messpunkten überzogen ist. Dieses Raster setzt sich zusammen aus einer Mehrzahl von Messspalten 24, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Durchganges des Behälters 12 durch die Messstation 17 hindurch aufgenommen worden sind und demzufolge jeweils mit einem Index i-1, i, i+1, i+2 versehen sind (vgl. auch Fig. 1 für die Position des Behälters 12 in den verschiedenen Positionen innerhalb der Messstation 17).
Mit der erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung 10 lässt sich somit ein zweidimensionales Durchlichtbild eines Behälters 12 erzeugen.
Die Auflösung des Durchlichtbildes in Richtung parallel zu der Spaltenanordnung ist in 2 mit 26 bezeichnet. Die Auflösung 26 bestimmt sich im Wesentlichen durch den Abstand der Messstrahlen 22.
Die Auflösung in Transportrichtung 20 ist in 2 mit 28 bezeichnet. Die Auflösung 28 bestimmt sich im Wesentlichen durch das Verhältnis von Scan-Geschwindigkeit zu Geschwindigkeit der Bewegung des Behälters 12 durch die Messstation 17 hindurch.
Generell wird bei dem erfindungsgemäßen Füllstandsmessverfahren der Behälter 12 kontinuierlich durch die Messstation 17 hindurch bewegt.
Generell ist es jedoch auch denkbar, den Behälter 12 für die einzelnen Positionen 12i, 12i+1, 12i+2 etc. jeweils anzuhalten, um dann einen Scanvorgang durchzuführen.
Bei der kontinuierlichen Bewegung sind die einzelnen Messpunkte der Messspalten 24 streng genommen auch nicht genau untereinander bzw. miteinander ausgerichtet angeordnet, und zwar wegen der Tatsache, dass der Behälter 12 während eines Scans bewegt wird. Aufgrund der Geschwindigkeit des Scans im Verhältnis zu der Geschwindigkeit des Behälters 12 kann dieser Effekt jedoch weitgehend vernachlässigt werden. Alternativ kann der Effekt von einer Signalauswertung kompensiert werden.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Füllstandsmessvorrichtung mit 10' bezeichnet.
Der generelle Aufbau und die generelle Funktionsweise der Füllstandsmessvorrichtung 10' entsprechen jener der Vorrichtung 10 der 1 und 2. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede erläutert.
Die Füllstandsmessvorrichtung 10' weist eine Steuereinrichtung 40 auf, insbesondere eine digitale Steuereinrichtung.
Die Sendeeinrichtung 14 weist eine Mehrzahl n von Sendern 42-1, ..., 42-n auf. Die Empfangseinrichtung 16 weist in entsprechender Weise eine Mehrzahl n von Empfängern 44-1, ..., 44-n auf. Demzufolge bildet die Messstation 17 eine Mehrzahl n von Messstrecken 45-1, ..., 45-n.
Die Sender 42 sind an einen Sender-Multiplexer 46 angeschlossen, der von der Steuereinrichtung 40 angesteuert bzw. adressiert wird.
Der Eingang des Sender-Multiplexers 46 ist mit dem Ausgang eines Stromreglers 48 verbunden, der einen von der Steuereinrichtung 40 einstellbaren Strom zum Betrieb der jeweiligen Sender 42 liefert.
Der Eingang des Stromreglers 48 ist über einen Digital-Analog-Wandler 50 (DAC) mit der Steuereinrichtung 40 verbunden.
Die Empfänger 44 sind in eine Mehrzahl von m Gruppen aufgeteilt, wobei jeder Gruppe ein eigener Empfänger-Multiplexer 52-1, ..., 52-m zugeordnet ist. Die Ausgänge der Empfänger-Multiplexer 52-1, ..., 52-m sind mit einem jeweiligen Messverstärker 54-1, ..., 54-m verbunden.
Die Ausgänge der Messverstärker 54 sind mit einem Verstärker-Multiplexer 56 verbunden, dessen Ausgang mit einem Analog-Digital-Wandler 58 verbunden ist. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 58 ist mit der Steuereinrichtung 40 verbunden.
Die Empfänger-Multiplexer 52 und der Verstärker-Multiplexer 56 werden ebenfalls von der Steuereinrichtung 40 angesteuert bzw. adressiert.
Die Durchführung eines Scans, also die Ansteuerung sämtlicher Sender 42 der Sendeeinrichtung 14 nacheinander, muss schnell erfolgen. Um Einschwingvorgänge zu minimieren, könnte jeder Empfänger 44 einen eigenen Messverstärker 54 aufweisen.
Um die Baugröße und die Kosten der Empfangseinrichtung 16 zu verringern, werden die Empfänger 44 der Gruppen 1, ..., m jeweils auf einen eigenen Messverstärker 54-1, ..., 54-m gemultiplext. Es sind mindestens zwei Empfänger-Multiplexer erforderlich, damit während einer aktuellen Messung an einer Messstrecke 45 (z.B. Messstrecke 45-1) der Messverstärker 54 der im Rahmen des Scans als nächstes folgenden Messstrecke 45 (beispielsweise Messstrecke 45-n) einschwingen kann.
Man erkennt hieraus, dass es im Rahmen eines Scans dann in entsprechender Weise nicht sinnvoll ist, die einzelnen Messstrecken 45 fortlaufend von oben nach unten oder umgekehrt anzusteuern. Vielmehr können jeweils weit voneinander beabstandete Messstrecken 45 aufeinanderfolgend angesteuert werden. Hierdurch wird auch die Lichtmenge auf den als nächstes zu messenden Empfänger 44 verringert, so dass sich die Einschwingzeit auch für die Messverstärker 54 weiter verringert.
Demzufolge ist jeder Gruppe 1, ..., m jeweils ein Satz von n : m, hier acht (24 : 3), Empfängern 44 zugeordnet.
Ein Beispiel für eine Reihenfolge der Ansteuerung der Messstrecken 45 wäre dann beispielsweise 1, 9, 17, 2, 10, 18, 3, 11, 19, ..., 8, 16, 24.
Durch diese Reihenfolge wird gewährleistet, dass immer ein anderer Messverstärker 54 aktiv wird, so dass die notwendige Einschwingzeit der Messverstärker 54 im Wesentlichen keinen Einfluss auf die Geschwindigkeit eines Scan-Vorganges hat.
In der Steuereinrichtung 40 erfolgt eine Signalverarbeitung des zweidimensionalen Durchlichtbildes, das sich von der Füllstandsmessvorrichtung 10' erfassen lässt. In dieser Signalverarbeitung können beispielsweise Nichtlinearitäten der Sender 42 (beispielsweise Kennlinienkrümmungen) ausgeglichen werden. Auch können Toleranzen der Sender 42 und der Empfänger 44 ausgeglichen werden.
Die Messwerte der einzelnen Messstrecken 45 können logarithmiert werden. Da sich die Dämpfung eines empfangenen Messstrahls 22 durch das Flaschenmaterial als Faktor im Messwert äußert, kann die Dämpfung durch das Flaschenmaterial mittels einer Logarithmierung auf günstige Weise eliminiert werden. Denn durch Logarithmieren wird der Faktor in eine additive Konstante umgewandelt. Wenn man bei der Auswertung Differenzen von logarithmierten Messwerten bildet, fällt die Konstante und damit der Einflussfaktor des Flaschenmaterials heraus.
Durch die erfindungsgemäße Füllstandsmessvorrichtung 10, 10' bzw. das damit verbundene Füllstandsmessverfahren ist es möglich, zweidimensionale Durchlichtbilder von Behältern zu erzielen, um so den Füllstand mit hoher Auflösung (quasi „analog“) zu messen und um gegebenenfalls zusätzliche Füllparameter, wie die Behälterform (beispielsweise Außenkontur) und Behälterverschluss (Verschluss vorhanden oder gegebenenfalls beschädigt), durch geeignete digitale Bildverarbeitung zu erfassen und auszuwerten.
In 4 ist ein beispielhaftes zweidimensionales Durchlichtbild 60 gezeigt.
Das Durchlichtbild 60 setzt sich zusammen aus einer Mehrzahl von Bildspalten 61, die im Wesentlichen den Messspalten 24 entsprechen.
Man erkennt in dem Durchlichtbild 60 zum einen, dass ein Verschluss 62 vorhanden ist. Ferner kann die Außenkontur 64 des Behälters 12 erfasst und auf Beschädigungen überprüft werden. Bei 66 ist der Füllstand des Behälters mit einem Füllgut 68, wie beispielsweise einer Flüssigkeit oder einem Schüttgut, gezeigt.
5 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Sendeeinrichtung 14', die für die Sendeeinrichtungen 14 der Füllstandsmessvorrichtungen 10, 10' der 1 bis 3 verwendbar ist.
Die Sendeeinrichtung 14' weist eine erste Teilspalte 70 mit einer Anzahl Sendern 42 und eine zweite Teilspalte 72 mit einer Anzahl Sendern 42 auf. Im vorliegenden Fall beträgt die Gesamtanzahl der Sender 42 der Sendeeinrichtung 14' zwanzig. Dabei sind die Sender 1, 3, 5, ..., 19 der ersten Teilspalte 70 zugeordnet. Die Sender 2, 4, ... 20 sind der zweiten Teilspalte 72 zugeordnet. Die zwei Teilspalten 70, 72 sind unmittelbar benachbart zueinander angeordnet und sind gegeneinander in Spaltenrichtung versetzt.
Durch diese Maßnahme kann bei vorgegebener Baugröße der einzelnen Sender 42 die Auflösung in Spaltenrichtung vergrößert werden. Während die Abmessung eines Senders 42 in Spaltenrichtung bei 74 gezeigt ist, sind die zwei Teilspalten 70, 72 um einen Wert 76 gegeneinander versetzt, der vorzugsweise halb so groß ist wie der Abmessungswert 74.
Demzufolge kann die Auflösung in Spaltenrichtung halbiert werden, und zwar im Wesentlichen von dem Abmessungswert 74 auf den Versatzwert 76.
Es versteht sich, dass die Empfangseinrichtung 16' eine ähnliche Anordnung von Empfängern 44 aufweisen kann.
In 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllstandsmessverfahrens anhand einiger Zeitdiagramme erläutert.
Diese Ausführungsform ist dadurch geprägt, dass sich ein hoher Dynamikumfang erzielen lässt, indem die Möglichkeit ausgenutzt wird, die Intensität I der Sender 42 jeweils in weiten Grenzen einstellen zu können. Dies wird insbesondere gefördert durch die Maßnahme, einen Stromregler 48 für die Sender 42 vorzusehen, wie oben erläutert.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Empfänger 44 niemals durch zu viel Licht übersteuert („geblendet“) werden dürfen. Allerdings ist der Dynamikumfang, also der Unterschied zwischen maximaler Transmission (kein Behälter in der Messstrecke 45) und minimaler Transmission (dunkler Behälter, trübe dunkle Flüssigkeit) derart hoch, dass ein einzelner Messbereich eines einzelnen Empfängers unter manchen Umständen nicht hinreichend ist.
Dies wird durch die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Füllstandsmessverfahrens gelöst, indem vor jedem eigentlichen Messvorgang ein Vormessvorgang durchgeführt wird, mit dem festgestellt wird, wie stark die Intensität des Senders 42 eingestellt werden kann.
Wie es in 6a gezeigt ist, wird vor jedem eigentlichen Messpuls 88 ein Vorpuls 86 konstanter Intensität I_V ausgelöst. Die Intensität I_V ist deutlich kleiner als die maximale Intensität I_max, die der Empfänger 44 erfahren darf. Der Wert von I_V kann beispielsweise 75 % des Wertes von I_max sein.
6a zeigt dabei die an einem einzelnen Sender 42 ausgelösten Signale bzw. Pulse.
6b zeigt die an dem zugeordneten Empfänger 44 empfangene Intensität.
In 6 sind die einzelnen Scan-Vorgänge jeweils mit i, i+1, i+2, ... bezeichnet.
Beispielsweise während des Scans i ist die aufgrund des Vorpulses 86 empfangene Intensität an dem Empfänger etwa genauso groß wie die Intensität I_V. In diesem Fall ist beispielsweise kein Behälter 12 in der zugeordneten Messstrecke 45 enthalten.
Demzufolge wird der anschließende Messpuls 88_i auf einen Ausgangswert bzw. Minimalwert I_m eingestellt. Als Ergebnis führt dies am Empfänger zu einem Empfangsimpuls 92, der deutlich unterhalb von I_max liegt und in etwa genauso groß ist wie der Wert von I_M.
Als nächstes (nachdem die anderen Sender jeweils entsprechend angesteuert worden sind, also jeweils mit Vorpuls 86 und Messpuls 88), erfolgt an dem hier betrachteten Sender in dem folgenden Scan i+1 ein weiterer Vorpuls 86.
In diesem Fall ist die an dem Empfänger empfangene Intensität deutlich geringer als in dem vorherigen Scan i. Dies bedeutet, dass sich nunmehr innerhalb der zugeordneten Messstrecke 45 ein Gegenstand befindet, der die Transmission begrenzt.
Demzufolge wird in dem darauffolgenden Messpuls 88_i+1 eine deutlich höhere Intensität eingestellt als zuvor, um den Empfänger 44 trotz der geringeren Transmission gut auszusteuern. Dies führt zu einem Empfangspuls 92_i+1, der nach wie vor in einem günstigen Aussteuerungsbereich des Empfängers liegt.
Im nächsten Scan i+2 wird aufgrund eines Vorpulses 86_i+2 nur eine sehr geringe Intensität am Empfänger gemessen (Puls 90_i+2). Demzufolge wird die Intensität des Senders für den zugeordneten Messpuls 88_i+2 sehr hoch eingestellt, wie es in 6a gezeigt ist.
Durch diese Maßnahme wird trotz der äußerst geringen Transmission über die Messstrecke 45 der Empfänger in einem günstigen Bereich ausgesteuert, wie es bei 92_i+2 gezeigt ist.
In 6c sind die aus den Empfangspulsen 92_i, 92_i+1 jeweilige Messwerte 94_i, 94_i+1, ... errechnet worden, und zwar mittels der Steuereinrichtung 40.
Man erkennt, dass die Messwerte nunmehr deutlich wiedergeben, dass die Transmission von dem Scan i bis zu dem Scan i+2 deutlich geringer geworden ist.
Die Messwerte 94 lassen sich aus den Empfangspulsen 92 sowie der Einstellung der jeweils zugeordneten Messpulse errechnen.
Insgesamt kann so mit angepasster Intensität der volle Dynamikumfang erhalten bleiben.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn jeder einzelne Bildpunkt des zweidimensionalen Bildes, also jeder einzelne Messvorgang, mit einem Sender 42 hinsichtlich der Intensität individuell eingestellt wird. Hierbei wird sozusagen jeder einzelne Bildpunkt individuell belichtet.
Ferner kann zwischen, vor oder nach jeder Messung der Dunkelwert des jeweiligen Empfängers 44 bei abgeschaltetem Sender 42 ermittelt und vom Messwert 94 abgezogen werden, so dass die Messung unabhängig ist von der Umgebungshelligkeit.

Claims

Füllstandsmessverfahren an Behältern (12) wie Flaschen, wobei ein Behälter (12) in einer Transportrichtung (20) durch eine Messstation (17) hindurch bewegt wird, die eine spaltenartige Sendeeinrichtung (14) für Messstrahlen (22) und eine hierzu parallele spaltenartige Empfangseinrichtung (16) für Messstrahlen (22; 88) aufweist, die generell quer zu der Transportrichtung (20) ausgerichtet sind und zwischen denen der Behälter (12) hindurch bewegt wird, wobei die Messstrahlen (22; 88) eine Frequenz aufweisen, für die die Behälter (12) durchsichtig sind, wobei die spaltenartige Sendeeinrichtung (14) mehrfach angesteuert wird, um jeweils eine von mehreren Bildspalten (24) zu erzeugen, während der Behälter (12) durch die Messstation (17) hindurch bewegt wird, und wobei die Bildspalten (24) zu einem zweidimensionalen Durchlichtbild (60) des Behälters (12) zusammengesetzt werden und wobei die Sendeeinrichtung (14) eine Mehrzahl (n) von Sendern (42) und die Empfangseinrichtung (16) eine entsprechende Mehrzahl (n) von Empfängern (44) aufweist, so dass eine Mehrzahl (n) von Messstrecken (45) gebildet wird, und wobei jeder Sender (42) vor jedem eigentlichen Messvorgang einen Vorstrahl (86) mit einer Intensität (I_v) absendet, die kleiner als die maximale zulässige Intensität (I_max) des zugeordneten Empfängers (44) ist, und wobei ein darauf folgender Messstrahl (22; 88) mit einer Intensität (I_M) gesendet wird, die an die von dem Empfänger (44) zuvor empfangene Intensität (I_E) derart angepasst ist, dass der Empfänger (44) nicht übersteuert wird.
Füllstandsmessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (42) bei einem Ansteuervorgang zur Erzeugung einer Bildspalte (24) jeweils wenigstens einmal angesteuert werden, um einen jeweiligen Messstrahl (22) zu erzeugen.
Füllstandsmessverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfänger (44) der Empfangseinrichtung (16) in wenigstens zwei Gruppen (1-m) aufgeteilt sind und dass die Reihenfolge der Ansteuerung der Sender (42) der Sendeeinrichtung (14) zur Erzeugung einer Bildspalte (24) so gewählt wird, dass in der Folge jeweils eine Messstrecke (45) einer anderen Gruppe (1-m) angesteuert wird.
Füllstandsmessverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ansteuern der Sendeeinrichtung (14) zum Erzeugen einer Bildspalte (24) vor Absenden von Messstrahlen (22; 88) die Vorstrahlen (86) abgesendet werden, um die Messstrahlen (22; 88) in Abhängigkeit hiervon einzustellen.
Füllstandsmessverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung von Messwerten der Empfänger (44) beinhaltet, die Dämpfung der Messstrahlen (22; 88) durch den Behälter (12) zu eliminieren.
Füllstandsmessverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte (92') logarithmiert werden und die Auswertung eine Differenzbildung von logarithmischen Messwerten beinhaltet, um die Dämpfung durch den Behälter (12) zu eliminieren.
Vorrichtung (10) zur Füllstandsmessung an Behältern (12) wie Flaschen, insbesondere zu Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit - einer spaltenartigen Sendeeinrichtung (14) für Messstrahlen (22; 88) und einer entsprechenden spaltenartigen Empfangseinrichtung (16) für Messstrahlen (22; 88), wobei die Sendeeinrichtung (14) und die Empfangseinrichtung (16) eine Messstation (17) bilden, durch die hindurch ein Transportpfad (18) für Behälter (12) eingerichtet ist, und wobei die Messstrahlen (22; 88) eine Frequenz aufweisen, für die die Behälter (12) durchsichtig sind, und - einer Steuereinrichtung (40) zur Ansteuerung der Messstation (17) derart, dass anhand der empfangenen Messstrahlen (92) der Füllstand (66) des Behälters (12) messbar ist, wobei die Steuereinrichtung (40) dazu eingerichtet ist, die spaltenartige Sendeeinrichtung (14) mehrfach anzusteuern, um jeweils eine von mehreren Bildspalten (24) zu erzeugen, während der Behälter (12) durch die Messstation (17) hindurch bewegt wird, und die Bildspalten (24) zu einem zweidimensionalen Durchlichtbild (60) des Behälters (12) zusammenzusetzen, und wobei die Sendeeinrichtung (14) eine Mehrzahl (n) von Sendern (42) und die Empfangseinrichtung (16) eine entsprechende Mehrzahl (n) von Empfängern (44) aufweist, so dass eine Mehrzahl (n) von Messstrecken (45) gebildet wird, und wobei jeder Sender (42) vor jedem eigentlichen Messvorgang einen Vorstrahl (86) mit einer Intensität (I_v) absendet, die kleiner als die maximale zulässige Intensität (I_max) des zugeordneten Empfängers (44) ist, und wobei ein darauffolgender Messstrahl (22; 88) mit einer Intensität (I_M) gesendet wird, die an die von dem Empfänger (44) zuvor empfangene Intensität (I_E) derart angepasst ist, dass der Empfänger (44) nicht übersteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (14) einen von der Steuereinrichtung (40) steuerbaren Sender-Multiplexer (46) aufweist, um einzelne Sender (42) der Sendeeinrichtung (14) aufeinanderfolgend anzusteuern.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (16) eine Mehrzahl von Empfängern (44) aufweist, die in wenigstens zwei Gruppen (1-m) aufgeteilt sind, wobei jeder Gruppe (1-m) ein Messverstärker (54) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (16) einen von der Steuereinrichtung (40) steuerbaren Verstärker-Multiplexer (56, 58) aufweist, der die Ausgänge der Messverstärker (54) zusammenfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang des Verstärker-Multiplexers (56, 58) mit der Steuereinrichtung (40) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung (14) einen Stromregler (48) aufweist, mittels dessen die Intensität (I_M) der zu sendenden Messstrahlen (22; 88) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die spaltenartige Sendeeinrichtung (14') wenigstens zwei Teilspalten (70, 72) aufweist, die jeweils eine Mehrzahl von Sendern (42) aufweisen, wobei die zwei Teilspalten (70, 72) in Spaltenrichtung gegeneinander versetzt sind.