DE102009053316A1

DE102009053316A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Masse oder des Massenstroms von Schüttgütern bei mobilen Arbeitsmaschinen

Info

Publication number: DE102009053316A1
Application number: DE200910053316
Authority: DE
Inventors: Karl Prof. Dr. agr. Wild
Original assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Current assignee: Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Priority date: 2009-11-09
Filing date: 2009-11-09
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: DE102009053316B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Masse oder des Massenstroms von Schüttgütern bei mobilen Arbeitsmaschinen. Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten anzugeben, mit denen sowohl das Volumen, wie auch die Masse von Schüttgütern genauer bestimmt und der Aufwand für Kalibrierungen reduziert werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird Schüttgut in einen unmittelbar oberhalb eines Zellenrades angeordneten Pufferbehälter aufgegeben. Dabei rotiert das Zellenrad um eine horizontal ausgerichtete Achse und bei Drehung des Zellenrades fällt Schüttgut aus den Zellen auf einen unterhalb angeordneten Bandförderer und wird mit diesem transportiert. Mittels eines im/am Pufferbehälter angeordneten Füllstandssensors wird der Antrieb des Zellenrades so gesteuert, dass eine Drehung nur erfolgt, wenn eine jeweilige Zelle des Zellenrades definiert mit Schüttgut befüllt ist und dabei aus der bestimmten Drehzahl des Zellenrades mittels einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit das geförderte Volumen an Schüttgut oder der jeweilige Volumenstrom bestimmbar ist. Außerdem erfolgt eine Masse- oder Massenstrombestimmung mittels mindestens eines Sensors, sensitiven Elements oder Messeinrichtung zur Bestimmung der für den Antrieb des Bandförderers erforderlichen Leistung oder des Antriebsdrehmoments, wobei die Messwerte für den Antrieb des Bandförderers der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Masse oder des Massenstroms von Schüttgütern bei mobilen Arbeitsmaschinen. Dabei soll insbesondere eine Bestimmung von Erntegut einer Erntemaschine (Mähdrescher) durchgeführt werden können. Dies erlangte in der jüngeren Vergangenheit immer größere Bedeutung, um den jeweiligen Ernteertrag lokal mit hoher örtlicher Auflösung und Genauigkeit ermitteln und später berücksichtigen zu können. Die Erfindung kann aber auch an anderen mobilen Arbeitsmaschinen für eine Steuerung oder Regelung eingesetzt werden. Bei den Arbeitsmaschinen kann es sich um Streufahrzeuge handeln, mit denen Schüttgüter, wie Splitt zum Abstumpfen oder Düngemittel verteilt werden sollen.
Hierfür sind schon unterschiedliche technische Lösungsansätze vorgeschlagen worden.
Dabei wird im Wesentlichen der jeweilige Volumenstrom oder das Volumen ermittelt. Eine bereits bekannte Möglichkeit hierzu ist die Bestimmung der Drehzahl von Zellenrädern. Das Innenvolumen der Zellen der Zellenräder ist bekannt, so dass das Volumen durch Messung der Drehzahl bestimmt werden kann.
Da aber die Dichte, der Feuchtigkeitsgehalt, die Kornform und Korngrößenverteilung sich ändernde Parameter sind und außerdem Beschleunigungen auf eine mobile Arbeitsmaschine bei deren Bewegung wirken, die auch durch Nutzung an Anstiegen oder Gefällestrecken wirken können, treten Fehler bei der Volumenbestimmung und insbesondere der Bestimmung der Masse des jeweiligen Schüttguts und dem Ernteertrag einer Erntemaschine auf.
Dem kann in begrenztem Maß durch häufiges Kalibrieren entgegen gewirkt werden. Da zumindest einige der genannten Parameter sich ständig verändern können, müssten solche Kalibrierungen ebenfalls ständig durchgeführt werden, was natürlich nicht realistisch ist.
Andere bekannte technische Lösungen beruhen auf dem Messen von Kräften. Dabei werden Prallplatten eingesetzt auf die Schüttgut geschleudert wird. Auch hier haben die nicht beeinflussbaren Umgebungsbedingungen Einfluss und beeinträchtigen demzufolge die Messgenauigkeit.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen sowohl das Volumen, wie auch die Masse von Schüttgütern genauer bestimmt und der Aufwand für Kalibrierungen reduziert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Dabei kann mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gearbeitet werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind mit in untergeordneten Ansprüchen realisierbar.
Das jeweilige Schüttgut wird in einen unmittelbar oberhalb eines Zellenrades angeordneten Pufferbehälter aufgegeben. Das Zellenrad rotiert um eine horizontal ausgerichtete Achse mittels eines Drehantriebs. Bei Drehung des Zellenrades fällt Schüttgut aus den Zellen auf einen unterhalb des Zellenrades angeordneten Bandförderer und wird mit diesem weiter transportiert. Mittels eines im/am Pufferbehälter angeordneten Füllstandssensors wird der Antrieb des Zellenrades so gesteuert, dass eine Drehung nur erfolgt, wenn eine jeweilige Zelle des Zellenrades definiert mit Schüttgut befüllt ist. Mit der bestimmten Drehzahl des Zellenrades kann dann mit Hilfe einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit das geförderte Volumen an Schüttgut oder der jeweilige Volumenstrom bestimmt werden. Außerdem wird eine Masse- oder Massenstrombestimmung mittels mindestens eines Sensors, sensitiven Elements oder Messeinrichtung zur Bestimmung der für den Antrieb des Bandförderers erforderlichen Leistung oder des Antriebsdrehmoments durchgeführt, wobei die Messwerte für den Antrieb des Bandförderers der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit zugeführt werden.
Das jeweilige Schüttgut kann dabei allein durch die wirkende Gravitationskraft aus dem Pufferbehälter in die Zellen des Zellenrades fließen. Die Wände des Pufferbehälters können hierfür in einem geeigneten Winkel konisch geneigt sein.
Mit dem mindestens einen Füllstandssensor kann erreicht werden, dass eine Drehung des Zellenrades nur dann erfolgt, wenn mindestens eine detektierte Zelle in definierter Form, beispielsweise randvoll befüllt ist.
Unterhalb des Zellenrades ist der Bandförderer angeordnet. Am Zellenrad ist an dessen vertikal tiefsten Punkt eine Öffnung vorhanden, aus der das Schüttgut auf den Bandförderer fällt. Diese Öffnung sollte trapezförmig ausgebildet und unter Berücksichtigung der Zellengröße so dimensioniert sein, dass zumindest zwei Zellen bei entsprechender Drehung des Zellenrades gleichzeitig entleert und Schüttgut aus ihnen auf den Bandförderer fallen kann. Dadurch kann eine Unterbrechung des geförderten Massenstroms auf dem Bandförderer vermieden werden. Ein gleichmäßiger Massengutstrom kann so auf dem Bandförderer transportiert werden.
Das jeweilige Volumen an Schüttgut kann in Kenntnis der in Zellen enthaltenen Volumina an Schüttgut und der Drehzahl des Zellenrades zur Berechnung des Gesamtvolumens genutzt werden.
Zur Bestimmung des Massenstroms bzw. der Masse können unterschiedliche Messtechniken allein oder auch mindestens zwei gemeinsam eingesetzt werden.
So können das Antriebsdrehmoment des Bandförderers und dessen Drehzahl bestimmt werden. Hierfür können eine Drehmomentenmesswelle und ein Drehzahlsensor eingesetzt werden.
Bei einem elektrischen Antrieb für den Bandförderer kann auch die Leistung durch die Ermittlung der elektrischen Spannung und des elektrischen Stromes für den Elektromotor bestimmt werden.
Bei hydraulischen oder pneumatischen Antrieben kann die Druckdifferenz in einer Zuführ- und in einer Abflussleitung eines entsprechenden Antriebsmotors gemessen und daraus in Kenntnis der Drehzahl bzw. der Fördergeschwindigkeit des Transportbandes des Bandförderers die Masse und/oder der Massenstrom des Schüttgutes bestimmt werden.
Außerdem besteht die Möglichkeit mittels Beschleunigungssensorik am Transportband des Bandförderers die jeweilige Masse oder den Massenstrom des auftreffenden und zu transportierenden Schüttguts bestimmen zu können.
Die Geschwindigkeit des Transportbandes sollte relativ hoch sein, um eine entsprechend hohe Beschleunigung des auf das Transportband fallenden Schüttguts einzuhalten. Dadurch ist die erforderliche Antriebsleistung ebenfalls größer, was zu einem verbesserten Signal-Rausdh-Verhältnis führt. Die Geschwindigkeit des Transportbandes sollte in der Regel mindestens 0,3 m/s betragen.
Die Oberfläche des Transportbandes sollte möglichst aufgerauht und/oder dort Mitnehmer vorhanden sein, um Reibungsverluste zu vermeiden.
Durch eine solche bevorzugte Beschickung des Transportbandes des Bandförderers können störende Kraftschlüsse verhindert werden.
Bei Stillstand des Zellenrades und einer Drehzahl gleich „Null” kann das Leerlaufdrehmoment oder die Leerlaufleistung des Bandförderers bestimmt und dann bei der Bestimmung der Masse bzw. des Massenstroms des Schüttguts durch Differenzbildung bei einer Förderung von Schüttgut berücksichtigt werden. Da dies zu jedem Zeitpunkt, bei dem das Zellenrad nicht rotiert durchgeführt werden kann, ist eine entsprechend häufige Aktualisierung möglich und ggf. auftretende oder aufgetretene Störgrößen, die zu einer Veränderung des Leerlaufdrehmoments bzw. der Leerlaufleistung führen, können dadurch kompensiert werden.
An der mobilen Arbeitsmaschine können auch Beschleunigungs- und/oder Neigungssensoren vorhanden sein. Damit können bei der Bewegung der Arbeitsmaschine auftretende Störbeschleunigungen oder seine Neigung in Bezug zur Horizontalen ermittelt und berücksichtigt werden.
Die am Zellenrad und dem Bandförderer gemessenen Messwerte können ständig mittels der Auswerte- und Steuereinheit miteinander verglichen werden. Bei auftretenden Abweichungen können Fehler oder Störungen frühzeitig erkannt werden. Erhöhen sich beispielsweise die Messwerte, die mit Sensoren am Zellenrad ermittelt werden und die am Bandförderer gemessenen Werte bleiben nahezu konstant oder verkleinern sich gar, kann dies ein Hinweis auf eine Störung sein. Es kann ein entsprechendes Warnsignal generiert werden. Außerdem kann aus einem ständigen Vergleich dieser Messwerte eine Bestimmung der physikalischen Dichte des Schüttgutes durchgeführt werden, was insbesondere bei Erntegut von Bedeutung ist.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt 1 in schematischer Form eine Anordnung der Elemente eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Unmittelbar oberhalb eines Zellenrades 1 mit einzelnen Zellen ist ein Pufferbehälter 3 so angeordnet, dass in ihn aufgegebenes Schüttgut in die einzelnen Zellen fließen kann. Am Pufferbehälter 3 ist mindestens ein Füllstandssensor 4 vorhanden, mit dem bevorzugt berührungslos ein ausreichender Füllstand an Schüttgut im Pufferbehälter 3 detektiert werden kann, mit dem gesichert ist, das jede Zelle des Zellenrades 1 vollständig gefüllt ist.
Als Füllstandssensoren 4 können Ultraschallabstandssensoren oder optische Lichtschranken eingesetzt werden.
Das Zellenrad 1 rotiert um eine Drehachse, die hier senkrecht zur Zeichnungsebene ausgerichtet ist. Die Drehzahl kann mit einem nicht dargestellten Drehzahlsensor bestimmt werden. Aus der Drehzahl kann unter Berücksichtung des bekannten Volumens der Zellen das Volumen des Schüttguts bestimmt werden. Der Volumenstrom kann dann mittels Zeitmessung ebenfalls berechnet werden.
Das Schüttgut kann bei Drehung des Zellenrades 1 durch die Öffnung aus den einzelnen Zellen auf das Transportband des unterhalb angeordneten Bandförderers 2 herabfallen und dabei zu einem Behälter oder einer Aufgabe- bzw. Streueinrichtung (nicht dargestellt) transportiert werden.
Dabei können, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits ausgeführt, je nach Antriebsart des Bandförderers 2 Messwerte für dessen erforderliches Antriebsdrehmoment, der erforderlichen Antriebsleistung oder von wirkenden Beschleunigungen ermittelt und daraus wiederum die Masse oder auch der Massenstrom des Schüttguts bestimmt werden.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Masse oder des Massenstroms von Schüttgut bei mobilen Arbeitsmaschinen, bei der Schüttgut, insbesondere Erntegut in einen unmittelbar oberhalb eines Zellenrades (1) angeordneten Pufferbehälter (3) aufgebbar ist, und dabei das Zellenrad (1) um eine horizontal ausgerichtete Achse mittels eines Drehantriebs rotiert und bei Drehung des Zellenrades (1) Schüttgut aus den Zellen auf einen unterhalb angeordneten Bandförderer (2) fällt und mit diesem transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines im/am Pufferbehälter (3) angeordneten Füllstandssensors (4) der Antrieb des Zellenrades (1) so gesteuert ist, dass eine Drehung nur erfolgt, wenn eine jeweilige Zelle des Zellenrades (1) definiert mit Schüttgut befüllt ist und dabei aus der bestimmten Drehzahl des Zellenrades (1) mittels einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit das geförderte Volumen an Schüttgut oder der jeweilige Volumenstrom bestimmbar ist und außerdem eine Masse- oder Massenstrombestimmung mittels mindestens eines Sensors, sensitiven Elements oder Messeinrichtung zur Bestimmung der für den Antrieb des Bandförderers (2) erforderlichen Leistung oder des Antriebsdrehmoments durchführbar ist, wobei die Messwerte für den Antrieb des Bandförderers (2) der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit zuführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am vertikal tiefsten Punkt des Zellenrades (1) eine trapezförmige Öffnung vorhanden ist, aus der gleichzeitig Schüttgut aus zwei benachbarten Zellen des Zellenrades (1) auf den Bandförderer (2) fällt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Bandförderer (2) ein Drehzahlsensor, eine Drehmomentmesswelle, ein Beschleunigungssensor, ein Messgerät zur Bestimmung der elektrischen Leistung des Antriebs des Bandförderers (2) und/oder Drucksensoren zur Bestimmung des Druckes in einer Hydraulikflüssigkeitszufuhr- und einer Hydraulikflüssigkeitsabflussleitung eines hydraulischen Antriebs des Bandförderers (2) vorhanden ist/sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beschleunigungssensor und/oder ein Neigungssensor an der jeweiligen Arbeitsmaschine vorhanden und an die elektronische Auswerte- und Steuereinheit angeschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllstandssensor (4) ein Ultraschallabstandssensor oder eine optische Lichtschranke ist.
Verfahren zur Bestimmung der Masse oder des Massenstroms von Schüttgut bei mobilen Arbeitsmaschinen, bei dem Schüttgut, insbesondere Erntegut in einen unmittelbar oberhalb eines Zellenrades (1) angeordneten Pufferbehälter (3) aufgegeben und dabei das Zellenrad (1) um eine horizontal ausgerichtete Achse mittels eines Drehantriebs rotiert, bei Drehung des Zellenrades (1) Schüttgut aus den Zellen auf einen unterhalb angeordneten Bandförderer (2) fällt und mit diesem transportiert wird, und mittels eines im/am Pufferbehälter (3) angeordneten Füllstandssensors (4) der Antrieb des Zellenrades (1) so gesteuert wird, dass eine Drehung nur erfolgt, wenn eine jeweilige Zelle des Zellenrades (1) definiert mit Schüttgut befüllt ist und dabei aus der bestimmten Drehzahl des Zellenrades (1) mittels einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit das geförderte Volumen an Schüttgut oder der jeweilige Volumenstrom bestimmbar wird und außerdem eine Masse- oder Massenstrombestimmung mittels mindestens eines Sensors, sensitiven Elements oder Messeinrichtung zur Bestimmung der für den Antrieb des Bandförderers (2) erforderlichen Leistung oder des Antriebsdrehmoments durchgeführt wird, wobei die Messwerte für den Antrieb des Bandförderers (2) der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment der Antriebswelle des Bandförderers (2), die Geschwindigkeit des Transportbandes des Bandförderers (2), die Beschleunigung des Transportbandes des Bandförderers (2), die elektrische Leistung des Antriebs des Bandförderers (2) und/oder die Drücke in einer Hydraulikflüssigkeitszufuhr- und einer Hydraulikflüssigkeitsabflussleitung eines hydraulischen Antriebs des Bandförderers (2) zur Bestimmung der Masse des Schüttguts bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht rotierendem Zellenrad die Leerlaufleistung und/oder das Leerlaufdrehmoment für den Antrieb des Bandförderers (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die am Zellenrad (1) und die am Bandförderer (2) ermittelten Messwerte ständig miteinander verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mit den am Zellenrad (1) und den am Bandförderer (2) ermittelten Messwerten die physikalische Dichte des Schüttguts bestimmt wird.