DE102012112751A1

DE102012112751A1 - Verfahren und Messeinrichtung zur Messung von Inhaltsstoffen und/oder Eigenschaften eines Produktes

Info

Publication number: DE102012112751A1
Application number: DE102012112751.4A
Authority: DE
Inventors: Rainer Strietzel; Matthias Rädle; Patrick Dörnhofer; Tobias Roland Teumer
Original assignee: ASG Luftfahrttechnik und Sensorik GmbH
Current assignee: ASG Luftfahrttechnik und Sensorik GmbH
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-06-26
Also published as: EP2936126A1; WO2014096089A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Messung von Inhaltsstoffen und/oder Eigenschaften eines Produktes (P) wie Erntegut mittels einer Messeinrichtung (ME), wobei eine Relativbewegung zwischen dem Produkt (P) und der Messeinrichtung (ME) erzeugt wird, wobei das Produkt (P) mittels zumindest einer Lichtquelle (L1, L2, L3) mit Licht beaufschlagt wird, wobei von dem Produkt (P) reflektiertes Licht durch zumindest einen Detektor (D) erfasst wird, wobei an dem zumindest einem Detektor (D) anliegende Signale, welche der Intensität in einem bestimmten Lichtwellenlängenbereich des reflektierten Lichts entsprechen, ausgewertet werden. Um bei einem kompakten und robusten Aufbau der Messeinrichtung eine Auswertung der Signale mit geringem elektronischen Aufwand zu ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass einzelne Objekte (O) des Produktes (P) in einer definierten Fokusebene (FE) mittels der Dimension der Objekte (O) entsprechenden Messpunkte (MP) abgetastet werden, und dass nur Signale derjenigen Objekte (O) des Produktes (P) weiterverarbeitet werden, die sich in der definierten Fokusebene (FE) befinden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von Inhaltsstoffen und/oder Eigenschaften eines Produktes wie Erntegut mittels einer Messeinrichtung, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Produkt und der Messeinrichtung erzeugt wird, wobei das Produkt mittels zumindest einer Lichtquelle mit Licht beaufschlagt wird, wobei von dem Produkt reflektiertes Licht durch zumindest einen Detektor erfasst wird, wobei an dem zumindest einem Detektor anliegende Signale, welche der Intensität in einem bestimmten Lichtwellenlängenbereich des reflektierten Lichts entsprechen, ausgewertet werden sowie auf eine Messeinrichtung zur Messung von Inhaltsstoffen und/oder Eigenschaften eines Produktes wie Erntegut, umfassend einen Messkopf, entlang dem sich das Produkt bewegt, wobei in dem Messkopf zumindest eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht auf das Produkt und zumindest einen Detektor zum Erfassen des von dem Produkt reflektierten Lichts angeordnet ist sowie eine Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung zur Erfassung und Verarbeitung eines an dem zumindest einen Detektor anliegenden Signals, welches der Intensität zumindest in einem bestimmten Lichtwellenlängenbereich des reflektierten Lichts entspricht.
Ein entsprechendes Verfahren sowie eine Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in der DE 199 22 867 A1 beschrieben. Die Messseinrichtung umfasst ein optisches Spektrometer, dass die Intensität von Erntegut reflektierten Lichts wellenlängenaufgelöst erfasst. Dabei wird das Erntegut mit breitbandigem (sog. weißem) Licht beaufschlagt. Die einzelnen lichtangeregten Schwingungsmoden der nachzuweisenden Inhaltsstoffe des Ernteguts (die sich durch Absorption, Streuung bzw. Extinktion auswirken), bzw. zur Messung der Parameter des Ernteguts selbst, können so erfasst und die gemessenen Daten einer geeigneten Auswerteeinrichtung zugeführt werden, die den jeweiligen Gehalt an den interessierenden Inhaltsstoffen bzw. die Parameter in an sich bekannter Weise berechnet.
Die Messeinrichtung umfasst das in sichtbarem Wellenbereich oder in nahem Infrarotbereich arbeitende Spektrometer, das die Intensität des von dem Erntegut reflektierenden, breitbandigen Lichts wellenlängenaufgelöst erfasst. Das Spektrometer weist eine dem Erntegut unmittelbar benachbart angeordnete Lampe, die das Erntegut mit weißem Licht beaufschlagt sowie einen Sensor auf, welcher eine im Gehäuse angeordnetes, von dem Erntegut reflektiertes Licht in wellenlängenabhängige Richtungen ablenkendes dispersives Element sowie einen im Gehäuse angeordneten Detektor mit nebeneinander angeordneten lichtempfindlichen Elementen aufweist; das Ausgangssignal der Elemente des Detektors der in einem bestimmten Lichtwellenbereich empfangenen Intensität entspricht.
Bekannte Messeinrichtungen vermessen die Feuchte z. B. über Nahinfrarotemission eines Bereichs auf einer Oberfläche des Ernteguts. Dieser Bereich wird als Ganzes und nicht ortsaufgelöst erfasst, sodass sich ein Mittelwert des rückgestrahlten Lichtes bildet, welches in den Detektor gelangt. Das Verfahren ist nachteilig, da einzelne Oberflächenbereiche – Löcher und Strukturen – zur Verfälschung des Messwertes führen können.
Erntegüter im landwirtschaftlichen Bereich müssen hinsichtlich ihres Wertstoffgehaltes untersucht werden. Im üblichen Anwendungsfall wird ein Erntemaschine oder ein anderes zu Erntezwecken eingesetztes Gerät, das in der Regel biologische Produkte durch ein Schneidwerkzeug aberntet, zerhäckselt und über einen Auswurfschacht z. B. zu einem LKW transportiert. Der Auswurfschacht kann ebenfalls in einen integrierten Speicherbehälter führen. Der Wert des Ernteguts hängt von dem Trockengehalt bzw. an dem Restwassergehalt ab. Je mehr Restwasser im Erntegut ist, umso geringer ist logischerweise der Trockengehalt und damit umso geringer der Wert des Ernteguts pro Gesamtmasseneinheit.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass bei einem kompakten und robusten Aufbau der Messeinrichtung eine Auswertung der Signale mit geringem elektronischen Aufwand ermöglicht wird.
Die für diese Messung vorgesehene Umgebung lässt sich folgendermaßen beschreiben:
Die Messeinrichtung muss auf einem fahrbaren Gerät untergebracht sein, Erschütterungen, Staub und schwankende Temperaturen überstehen. Daher soll die Messeinrichtung möglichst einfach und robust ausgeführt sein.
Gleichzeitig muss eine hohe Präzision gewährleistet sein, weil z. B. in einem typischen Anwendungsfall der Feuchtigkeitsgehalt zwischen < 5% und 60 % schwankt und die Messung wenigstens auf einen Prozentpunkt genau erfolgen muss.
Die Messung muss ebenfalls schnell erfolgen, da sich das fahrbare Gerät mit ca. 0,5 bis 15 km/h fortbewegt. Es müssen daher Messwerte von kontinuierlich bis mindestens einmal pro Sekunde abgegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß u. a. dadurch gelöst, dass einzelne Objekte des Produktes in einer definierten Fokusebene mittels der Dimension der Objekte entsprechenden Messpunkte abgetastet werden, und dass nur Signale derjenigen Objekte des Produktes weiterverarbeitet werden, die sich in der definierten Fokusebene befinden.
Die erfinderische Idee, damit sich die obigen Anforderungen der Messeinrichtung erfüllen, lässt sich folgendermaßen beschreiben:
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein breitbandiger Nahinfrarotdetektor eingesetzt, wobei eine Wellenlängenselektion auf der Lichtsendeseite, zum Beispiel durch Verwendung schmalbandiger LED`s oder andere entsprechende Strahlungsquellen, in der Messeinrichtung erfolgt.
Dabei werden die Lichtquellen sequenziell, getaktet betrieben. Zum Beispiel, senden drei als Infrarot-LEDs ausgebildete Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge, jeweils nacheinander einen sehr kurzen Puls, fokussiert auf das Messgut, aus. Die vom Messgut zurückgesendete Strahlung wird von einem einzigen Detektor empfangen.
Bei dieser Ausführungsform ist eine besonders kompakte Bauweise möglich.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messeinrichtung dadurch gelöst, dass der Messkopf eine Fokusebene definiert, entlang der einzelne Objekte des Produktes bewegt und mittels der Dimension der Objekte entsprechende Messpunkte abgetastet werden und dass die Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung einen Intensitäts-Sollwert-Vergleicher zur Selektion derjenigen Signale aufweist, die von Objekten reflektiert werden, die sich in der definierten Fokusebene befinden.
Im einfachsten Fall kommen vorzugsweise zwei bis maximal acht sendende Lichtquellen wie Leuchtdioden mit vorzugsweise integrierter Fokussieroptik zum Einsatz. Auf der Nachweisseite werden über eine einzelne Linse und einen einzelnen Detektor plus Verstärker wie Transimpedanzverstärker die Signale erfasst. Es ist damit leicht einsehbar, dass die erfindungsgemäße Messeinrichtung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten komplexen Nahinfrarotspektrometern durch die geschickte Auswahl der Bauteile erhebliche Vorteile vorweist.
In der erfindungsgemäßen Messeinrichtung wird in vorteilhafter Weise eine transparente Trennscheibe, vorzugsweise aus Saphir eingesetzt, um LED`s und Detektor vor Umwelteinflüssen zu schützen. Die Fokussierung wird so ausgelegt, dass unmittelbar über dem Fenster eine Messzone entsteht. Die geernteten Erntegüter werden in Teilchenform über die Trennscheibe und somit durch die Messzone geführt. Treten aufgrund geringer Dichte Löcher im Gutstrom auf, sodass die NIR Impulse kein Messgut treffen, wirkt sich dies drastisch auf das Detektorsignal aus und wird von der speziell angewandten Datenverarbeitung erkannt und entsprechend korrigierend berücksichtigt.
Dies wird in der erfindungsgemäßen Messeinrichtung dadurch gewährleistet, dass mittels eines Intensitäts-Sollwertverfahrens eine Intensitätsdiskriminierung erfolgt, um eine Abstandsinformation zu erhalten. Partikel oder andere Objekte, die sich außerhalb des Fokusbereich befinden, führen zu einem wesentlich reduzierten Detektorsignal.
Da es sich um eine punktförmige Messzone handelt, ist die Intensität des Detektorsignals sehr viel geringer, wenn der NIR-Impuls kein oder ein Partikel außerhalb der Messzone trifft.
Solche Vorgänge können mittels einer Auswerteelektronik mit einer Datenrate bis zu Megahertz abgetastet werden. Auch Datenströme in der genannten Größenordnung lassen sich in einfachen elektronischen Schaltungen empfangen, verstärken und in Mikrocontrollern verarbeiten. Auch können komplexe mathematische Zusammenhänge in Mikrocontrollern abgebildet werden.
In dem hier beschriebenen Anwendungsfall wird z. B. ein Datenstrom von 100 kHz empfangen und als Zeitreihe in einer Auswerteschaltung wie Mikrocontroller abgelegt. Der Mikrocontroller untersucht die Detektorsignale entsprechend der ausgesendeten 2 bis 5 Wellenlängen, ermittelt daraus die charakteristischen Absorptionen und bestimmt über Korrelationsmethoden zum Beispiel die Feuchte.
Die Feuchte lässt sich über die üblichen Messungen der Extinktion, der Wasserbanden im Nahinfraroten, auswerten. Die hierzu verwendeten Wellenlängen sind in der Literatur bekannt und lassen sich in dieser Erfindung nachfolgend beschreiben.
Aus den zu einem Zeitpunkt gehörenden N-tupeln von Informationen wird eine gemäß Kalibrierkurve festgelegte Feuchte hinterlegt. Im üblichen Messablauf führt nur jeder 3. bis 20. Messpunkt zu einer Auswertung, da sich zu den Zeitpunkten der anderen Messungen kein Partikel im Fokus befand. Dies bedeutet, dass der Infrarotlichtstrahl zu diesem Zeitpunkt zwischen fliegende Partikel in den Hintergrund leuchtet und ein von diesem Hintergrund remittiertes Signal nicht sinnvoll ausgewertet werden sollte.
Damit erhält das erfindungsgemäße System auf sehr einfache Weise mit extrem wenigen Bauteilen und einem einfachen Aufbau eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Zuverlässigkeit und Anwendungsbreite.
Die Beschreibung der notwendigen Wellenlängen lässt sich wie folgt darstellen: Grundidee ist jeweils die Verwendung einer Wellenlänge in einer Absorptionsbande von Wasser im Nahinfraroten, hier sind Wellenlängen vorzugsweise um den Bereich von 1.470 nm anzuwenden. Bei höheren Wassergehalten ist dieser Wellenlängenbereich ungünstig, ab einer Feuchte von 80 % oder überständigem Wasser auf Oberflächen ist die Absorption zu stark, sodass sie in eine Sättigung geht. Hier bietet sich ein Wellenlängenbereich um 1200 nm bis 1300 nm an, der schwächere Extinktionen für Wasser aufweist.
Bei extrem schwachen Wassergehalten, also ggf. unter 5 % oder 3 % Feuchte, ist es vorteilhaft, auf Wellenlängen im Bereich 1900 nm auszuweichen, um die dort stärkere Wasserbande auszunutzen.
In allen Fällen muss mindestens eine Referenzwellenlänge vermessen werden. Dies geschieht dadurch, dass eine Wellenlänge, beispielsweise 1100 nm, verwendet wird.
Es können auch andere Wellenlängen zur Anwendung kommen. Bei Produkten, die im Nahinfrarot selbst neben Wasser andere Absorptionen aufweisen, muss mehr als eine Vergleichswellenlänge angewendet werden.
Hier bietet sich an, Wellenlängen im Bereich um 1100 nm, 1300 nm, 1470 nm und 1700 nm zu verwenden. Die entsprechenden exakten Wellenlängen sind in der Literatur bekannt und kein wesentlicher Bestandteil der hier beschriebenen Erfindung.
Die Geschwindigkeit, mit der die Daten erfasst werden, ermöglicht eine diskrete Abtastung auch von stark zerklüfteten Oberflächen, wie eben auch dem vorbeifliegenden Produktteppich.
Neben der Feuchte lassen sich also sinnreich auch Informationen über die Oberflächendichte erhalten. Dabei wird die Intensitätsverteilung des zurückgestreuten Lichtes aufgezeichnet und entsprechende Perzentilen in der Intensität mittels einer mathematischen Korrelation der Dichte des vorbeifliegenden Teppichs zugeordnet.
Die höchsten Intensitäten entsprechen den im Fokus liegenden Partikeln und damit quasi der Oberfläche des vorbeifliegenden Produktteppichs. Der 50%-Intensitätswert zeigt damit dieses Produkt in einer bestimmten Tiefe an. Über das Ablesen der Perzentile des 50%-Intensitätswertes lässt sich also eine Tiefeninformation gewinnen. Die Zeitreihe lässt weitere mathematische Auswertungen zu, die in bisher marktüblichen Geräten keine Anwendung finden können.
Ein wesentlicher Vorteil der hier beschriebenen Erfindung ist die punktförmige Abtastung der Oberfläche. Einzelne Produktpunkte, die zu Fehlern führen können, werden in mathematischen Algorithmen aus der Zeitreihe ausgelesen und nur von den die Vorprüfung überstehenden Messpunkten kann ein Mittelwert gebildet werden, der den genauen Wert der Feuchte abgibt.
Alternativ können auch andere mathematische Werte gebildet werden. Es bietet sich beispielsweise an, anstelle des Mittelwertes den Medianwert zu nehmen. Dieser Medianwert reagiert häufig weniger stark auf asymmetrische Verteilungen. Auch Mischungen von Mittelwerten und Medianwerten sind möglich. Dadurch können über eine mathematische Korrelation auch bei sehr inhomogenen Oberflächen sehr genaue Feuchtewerte erhalten werden.
Ein weiterer, hier anzuwendender Filter wird in der Literatur unter dem Namen Boxplot-Filter gefunden. Dabei werden von der Verteilung der Intensitäten ein unterer und ein oberer Anteil abgeschnitten, z. B. jeweils 20 %, und von den mittleren Werten im Beispiel 60 % können weitere mathematische Verarbeitungen durchgeführt werden, wie z. B. der Mittelwert oder Medianwert.
Die Möglichkeiten der hier verwendeten Messeinrichtung sowie die Anwendungsbreite gehen weit über gängige Apparaturen hinaus. Die am Markt gängigen Geräte vermessen die Feuchte z. B. über Nahinfrarotremission eines Bereiches aus der Oberfläche. Dieser Bereich wird nicht ortsaufgelöst abgebildet, sondern der Mittelwert des Lichtes aus dem Bereich gelangt in den Detektor. Hier wird er mit dem üblichen Verfahren im Nahinfraroten diskriminiert, z. B. über den Nachweis von zwei oder mehr Wellenlängen oder auch über Spektrometer bis zu 256 Wellenlängen.
Dennoch ist dieses Verfahren über die vorangeschaltete Mittelwertbildung gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren nachteilig, da einzelne Oberflächenpunkte, -löcher und -strukturen alle zu Verfälschungen des Mittelwertes führen können.
Das erfindungsgemäße Verfahren hingegen scannt die Oberfläche auf Einzelpunkte ab, obwohl die Messeinrichtung selbst keine bewegten Teile hat. Das erfindungsgemäße Gerät verwendet vielmehr die Eigenbewegung des Produktes und ist damit selbst extrem kompakt und robust zu bauen. Nur dadurch kann es auf den stark vibrierenden Mähdreschern, Feldhäckslern und anderen fahrbaren Geräten eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform der Messeinrichtung wird dieses über eine kratzfeste Oberfläche, gegenüber dem Produktraum abgeschlossen und toleriert in dieser Bauform vorbeischießendes und auch auftreffendes Produkt. Das auftreffende Produkt führt dann eher zur Säuberung der Oberfläche.
Andere konkurrierende Systeme verwenden Mittelinfrarot oder kapazitive Messungen oder Mikrowellenmessungen. Alle diese Bauformen weisen jedoch Nachteile gegenüber dem, hier dargestellten erfindungsgemäßen System auf.
Ein häufig genannter Vorteil von Mikrowelle, nämlich die Feuchte im gesamten Raum zu erfassen und nicht nur an der Oberfläche, ist im Anwendungsfall ohne Bedeutung, da das Produkt geschnitten und in zufälliger Lage an dem Sensor vorbeigeführt wird. Damit kommt quasi jeder innere Zustand des Produktes auch einmal als Rand des vorbeifliegenden Produktteppichs vor und es wird eine automatische Mittelwertbildung über das gesamte Produkt durchgeführt.
Die optischen Ausführungsformen der Nahinfrarotstrahlungsführung können anwendungsangepasst aufgebaut sein. Beispielsweise kann die sog. 45-0-Geometrie Anwendung finden. Dabei wird die Beleuchtungsseite unter 45° schräg auf das Produkt geführt, die Nachweisseite unter 0°, also senkrecht zum Produkt, die Feuchte bestimmt.
Die Anwendung kann selbstverständlich auch umgekehrt sein, sodass der Lichtstrahl mit 0° bestrahlt wird und der Nachweis 45° beträgt. Es zeigt sich jedoch auch, dass eine 180°-Rückstreuung vorteilhaft für die Messung sein kann. Dabei wird Licht unter einem Winkel, z. B. 45°, schräg auf das Produkt geleuchtet und das vom Produkt 180° remittierte Licht nachgewiesen.
Eine weitere Ausführungsform kann in einer diffusen Beleuchtung bestehen. Dabei wird das Licht unter vielen oder allen Winkeln des rückwärtigen Halbraumes auf das Produkt geleuchtet und kommt diffus auf der Produktoberfläche an. Unter einem Winkel, z. B. 0°, sitzt der Detektor samt Abbildungsoptik. Diese Geometrie ist in der Mikroskopie unter Diffus-Auflicht bekannt und kann hier ebenfalls vorteilhaft angewendet werden.
Als Lichtquelle können unterschiedliche zum Einsatz kommen.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Verfahren:
Das Grundprinzip der schnellen Abtastung aus jeweils einem Ortspunkt und der damit möglichen mathematischen Diskriminierung und Auslesung der optimalen Messpunkte lässt sich sehr vielfältig anwenden.
Hier zu erwähnen sind Oberflächenfeuchtemessungen von allen diffus strahlenden Körpern, wie Papier, Tapete, Erde, Erdkrume, Asphalt und vielen anderen. Auch die Feuchte von Haufwerken kann hiermit bestimmt werden. Auch einzelne fliegende Partikel können auf Feuchte abgetastet werden.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber z.B. bildhaften Abbildungen liegt in der Einfachheit des Aufbaus. In unserem Verfahren wird nur 1 bis max. 5 Einzelstrahler verwendet. Diese führen zu einem extrem einfachen elektronischen Aufbau.
Bildanalytische Systeme verwenden Kameras mit z. B. 128 × 128 Pixeln. Diese Bildpunkte, genannt Pixel, müssen mit einzelnen Nahinfrarotdetektoren ausgestattet sein.
Hier kommen Materialien wie Indium/ Gallium/Arsenid zum Einsatz. Es können auch Germaniumdetektoren zum Einsatz kommen.
Es ist jedoch sofort einsichtig, dass ein komplexer bildanalytischer Aufbau einer im derzeitigen Stand der Technik unüblichen Bauweise zu sehr hohem elektronischen Aufwand führt, da eine Vielzahl von Einzelbildpunkten gebaut und verarbeitet werden müssen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
2 eine schematische Seitenansicht eines Messkopfes und
3 eine Unteransicht des Messkopfes gemäß 2.
1 zeigt rein schematisch eine Messeinrichtung ME zur Messung von Inhaltsstoffen und/oder Eigenschaften eines Produktes P wie Erntegut EG. Die Messeinrichtung ME umfasst einen Messkopf MK, entlang dem sich das Produkt P bewegt, wobei in dem Messkopf MK zumindest eine Lichtquelle L1, L2, L3 zum Aussenden von Licht auf das Produkt P und zumindest ein Detektor D zum Erfassen des von dem Produkt P reflektierten Lichts angeordnet ist. Der Messkopf MK ist mit einer Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung SVE zur Erfassung und Verarbeitung eines an dem zumindest einen Detektor D anliegenden Signals verbunden, welches der Intensität zumindest in einem bestimmten Lichtwellenlängenbereich λ1, λ2, λ3 des reflektierten Lichts entspricht.
Der Messkopf MK bildet eine Fokusebene FE, entlang der einzelne Objekte O des Produktes P bewegt und mittels der Dimension der Objekte O entsprechenden Messpunkte MP abgetastet werden. Die Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung SVE weist einen Intensitäts-Sollwert-Vergleicher zur Selektion derjenigen Signale auf, die von Objekten O reflektiert werden, die sich in der definierten Fokusebene FE befinden.
Die Messeinrichtung ME weist einen einzigen, breitbandigen Nahinfrarotdetektor D auf, der alle in der Messeinrichtung ME zur Anwendung kommenden Wellenlängen λ1, λ2, λ3 akzeptiert, wobei eine Wellenlängendiskriminierung auf einer Lichtsendeseite der Messeinrichtung ME erfolgt.
Dazu ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung ME mehrere, im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Lichtquellen L1, L2, L3 aufweist. Diese werden mittels einer Steuereinheit STE getaktet betrieben, um bei einem sequenziellen, jeweils sehr kurzem Impuls nacheinander eine IR-Strahlung mit jeweils einer Wellenlänge λ1, λ2, λ3 auf das Produkt P zu senden. Die Lichtquellen L1, L2, L3 sind als Infrarot-LEDs mit integrierter Fokussieroptik FOL1, FOL2, FOL3 ausgebildet und erzeugen jeweils einen in der Fokusebene liegenden Messpunkt MP. Die Rückstrahlung wird von dem einzigen Detektor D empfangen. Dem Detektor D ist eine Fokussieroptik FOD wie Linse zugeordnet, die auf die Fokussierebene FE fokussiert ist. Des Weiteren ist der Detektor D mit einem Transimpendanzverstärker TIV verbunden, dessen Ausgang mit einem Analog-Digital-Wandler AD verbunden ist. Die durch den Analog-Digital-Wandler AD digitalisierten Signale werden in einem Speicher SP gespeichert und in einem Intensität-Sollwert-Vergleicher ISV verarbeitet.
2 zeigt rein schematisch den Messkopf MK mit einem Gehäuse G und einer in einer Gehäusewandung angeordneten transparenten Scheibe S, durch die hindurch das Produkt P beleuchtet wird. In dem Gehäuse G sind die Lichtquellen L1, L2, L3 sowie der Detektor D angeordnet. Die transparente Scheibe S bildet die Fokusebene FE, entlang der Objekte O des Produktes P bewegt werden.
Eine Unteransicht des Messkopfes MK ist in 3 dargestellt. In dem Gehäuse G ist eine kegelstumpfförmige Ausnehmung A angebracht, mit einem umlaufenden Rand R, der die Scheibe S aufnimmt. Parallel zu der von dem umlaufenden Rand R aufgespannten Ebene weist die Ausnehmung A eine Bodenfläche BF auf, in der zentral der Detektor D angeordnet ist. In einer umlaufenden Randfläche RF sind die Lichtquellen L1, L2, L3 angeordnet. Diese verlaufen entlang von optischen Achsen OAL1, OAL2, OAL3, die bezogen auf eine optische Achse OAD des Detektors D einen Winkel α von etwa 45° einnehmen. Die optischen Achsen OAL1, OAL2, OAL3 und OAD schneiden sich in der definierten Fokusebene FE und bilden eine Messzone MZ mit dem Messpunkt MP.
Nachfolgend soll die Datenverarbeitung der Messeinrichtung ME beschrieben werden.
In der erfindungsgemäßen Messeinrichtung ME wird in vorteilhafter Weise eine spezielle Datenverarbeitung verwendet. Die Objekte O des Produktes P wie geerntete Gräser oder Hackschnipsel durchfliegen die Messzone MZ und werden dort von den Lichtquellen z. B. L1, L2, L3 pulsförmig mit Messpunkten MP beleuchtet. Das rückgestrahlte Infrarotsignal wird von dem Detektor D empfangen. Es muss jedoch gewährleistet sein, dass das Gesamtsystem nur die für die Messung relevanten Objekte O auswertet.
Dies wird dadurch erreicht, dass in der Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung SVE mittels dem Intensitäts-Sollwert-Vergleicher ISV eine Intensitätsdiskriminierung durchgeführt wird. Die erfindungsgemäße Ausführung ermöglicht es, über die Intensitätsdiskriminierung der Messsignale eine Abstandsinformation zu erhalten.
In dem hier beschriebenen Anwendungsfall wird ein Datenstrom von 100 kHz empfangen und als Zeitreihe in dem Speicher SP der als Mikrocontroller ausgebildeten Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung SVE abgelegt. Der Mikrocontroller untersucht eine Wellenlänge mit geringer Absorption durch die auftretende Feuchte. Für die Zeitpunkte, in denen die Intensität eines empfangenen Lichtsignals einer Sollvorgabe entspricht, also das Objekt O in der Fokusebene FE liegt, sucht der Mikrocontroller die zu diesem Zeitpunkt gehörende Information der zweiten bzw. zweiten bis dritten Wellenlänge aus den erfassten Daten. Aus diesen zeitmäßig zusammengehörenden Daten wird über Korrelation eine Feuchte bestimmt. Die Feuchte lässt sich einfach über die üblichen Messungen der Extinktion, der Wasserbanden im Nahinfraroten, auswerten.
Aus dem zu einem Zeitpunkt gehörenden N-Tupeln von Informationen wird eine gemäß Kalibierkurve festgelegte Feuchte hinterlegt. Im üblichen Messablauf führt nicht jeder Messpunkt zu einer Auswertung, da sich zu manchen Zeitpunkten kein Objekt O im Fokus befand. Dies bedeutet, dass der Infrarotstrahl zu diesem Zeitpunkt zwischen fliegende Objekte in den Hintergrund leuchtet und ein von diesem Hintergrund reimitiertes Signal ausgewertet wird.
Es wird jeweils eine Wellenlänge in einer Absorptionsbande von Wasser im Infraroten verwendet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sendet die Lichtquelle L1 Licht mit einer Wellenlänge von 1400 nm, die Lichtquelle L2 Licht mit einer Wellenlänge von 1200 nm und die Lichtquelle L3 Licht mit einer Wellenlänge von 1050 nm aus.
Die optischen Ausführungsformen der Nahinfrarotstrahlungsführung können anwendungsangepasst aufgebaut sein. Beispielsweise kann die sogenannte 45-0-Geometrie Anwendung finden. Dabei wird die Beleuchtungsseite unter 45° schräg auf das Produkt P geführt, die Nachweisseite unter 0°, also senkrecht zum Produkt, wie dies in den 1, 2 und 3 dargestellt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19922867 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Messung von Inhaltsstoffen und/oder Eigenschaften eines Produktes (P) wie Erntegut mittels einer Messeinrichtung (ME), wobei eine Relativbewegung zwischen dem Produkt (P) und der Messeinrichtung (ME) erzeugt wird, wobei das Produkt (P) mittels zumindest einer Lichtquelle (L1, L2, L3) mit Licht beaufschlagt wird, wobei von dem Produkt (P) reflektiertes Licht durch zumindest einen Detektor (D) erfasst wird, wobei an dem zumindest einem Detektor (D) anliegende Signale, welche der Intensität in einem bestimmten Lichtwellenlängenbereich des reflektierten Lichts entsprechen, ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Objekte (O) des Produktes (P) in einer definierten Fokusebene (FE) mittels der Dimension der Objekte (O) entsprechenden Messpunkte (MP) abgetastet werden, und dass nur Signale derjenigen Objekte (O) des Produktes (P) weiterverarbeitet werden, die sich in der definierten Fokusebene (FE) befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpunkte (MP) mit einer Datenrate im Bereich von 100 kHz erzeugt und abgetastet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intensität der von den abgetasteten Messpunkten (MP) reflektierten Lichtstrahlen mit Intensitäts-Sollwert-Vorgaben verglichen wird und dass nur die Signale derjenigen reflektierten Lichtstrahlen weiterverarbeitet werden, die einer Sollwert-Vorgabe entsprechen.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusebene (FE) in eine die zumindest eine Lichtquelle (L) und den zumindest einen Detektor (D) von dem Produkt (P) trennende Scheibe (S) gelegt wird, vorzugsweise in einem Abstand von 5mm bis 50 mm, wobei das Produkt (P) in Form eines Schüttgutes wie Erntegutes an der Scheibe (S) vorbeigeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass lichtsenderseitig eine Wellenlängenauflösung erfolgt, wobei mehrere Lichtquellen (L1, L2, L3) verwendet werden, die Licht einer definierten Wellenlänge (λ1, λ2, λ3) aussenden, dass die Lichtquellen (L1, L2, L3) getaktet betrieben werden, wobei sequenziell jeweils ein kurzer Lichtimpuls definierte Wellenlängen (λ1, λ2, λ3) zur Erzeugung des Messpunktes (MP) auf die Objekte (O) des Produktes (P) ausgesendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle (L1, L2, L3) eine Nahinfrarot-LED mit integrierter Fokussieroptik (FOL1, FOL2, FOL3) verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, vorzugsweise zwei bis fünf Lichtquellen (L1, L2, L3) mit Licht verschiedener Wellenlänge verwendet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Messpunkt (MP) reflektierte wellenlängenaufgelöste Infrarotstrahlung über eine Fokussieroptik (FOD) wie Linse von dem einzigen Detektor (D) empfangen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Messpunkt (MP) reflektierten Infrarotstrahlen von dem Detektor (D) erfasst, digitalisiert und als Zeitreihe abgespeichert werden, wobei zu jedem Infrarotimpuls ein Messwert in Form eines N-Tupels von Informationen umfassend zumindest eine Zeit, eine Intensität und eine Wellenlänge des Signals abgespeichert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für Zeitpunkte, in denen die Intensität des empfangenen Infrarotstrahls einer Soll-Vorgabe entspricht, d. h. die Objekte (O) des Produktes (P) in der definierten Fokusebene (FE) liegen, die zugehörigen Informationen der Wellenlänge aus den gespeicherten Informationen gesucht werden und dass aus den zeitmäßig zusammengehörigen Daten über Korrelation der Inhaltsstoff in und/oder die Eigenschaft des Produktes (P) bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Eigenschaft des Produktes (P) die Feuchte über die Messung der Extinktionen, d. h. der Wasserbanden im Nahinfrarotbereich, ausgewertet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den zu einem Messpunkt (MP) gehörenden N-Tupeln von Informationen eine gemäß einer Kalibrierkurve festgelegte Feuchte hinterlegt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Wellenlänge in einer Absorptionsbande von Wasser im Nahinfrarotbereich verwendet wird, vorzugsweise im Wellenlängenbereich 1470 nm, wobei bei höheren Wassergehalten, d. h. bei einer Feuchte ab 80 % oder überständigem Wasser auf Oberflächen ein Wellenlängenbereich 1200 nm bis 1300 nm und dass bei schwachem Wassergehalt, d. h. Feuchte im Bereich von < 3 oder 5 % Wellenlängen im Bereich von 1900 nm verwendet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Referenzwellenlänge vermessen wird, vorzugsweise 1100 nm, 1300 nm, 1470 nm oder 1700 nm.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Eigenschaft des Produktes (P) eine Oberflächendichte gemessen wird, wobei die Intensitätsverteilung des von dem Produkt (P) reflektierten Lichts aufgezeichnet und entsprechend Perzentile in der Intensität mittels einer mathematischen Korrelation die Dichte des Produktes (P) zugeordnet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Fokussierebene (FE) liegenden Objekte (O) des Produktes (P) Signale mit der höchsten Intensität erzeugen und einer Oberfläche des vorbeibewegten Produkt-Teppichs entsprechen und dass ein 50 %-Intensitätswert das Schüttgut in einer bestimmten Tiefe anzeigt, wobei über die Perzentile des 50 %-Intensitätswertes eine Tiefeninformation bestimmen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des an der Messeinrichtung (ME) vorbeigeführten Produkt-Teppichs punktgenau erfasst wird, wobei fehlerhafte Objektpunkte durch mathematische Algorithmen aus der Zeitreihe ausgelesen und nur von dem eine Vorprüfung überstehenden Messpunkten ein Mittelwert oder Medianwert gebildet wird, aus dem der genaue Wert der Feuchte gebildet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherten Messwerte einen Boxplot-Filter durchlaufen, wobei von der Verteilung der Intensitäten ein unterer und ein oberer Anteil abgeschnitten wird, beispielsweise jeweils 20 %, und von den mittleren Werten, z. B. 60 %, weitere mathematische Verarbeitungen durchgeführt werden, wie z. B. Mittelwert oder Medianwert bestimmt werden.
Messeinrichtung (ME) zur Messung von Inhaltsstoffen und/oder Eigenschaften eines Produktes (P) wie Erntegut (EG), umfassend einen Messkopf (MK), entlang dem sich das Produkt (P) bewegt, wobei in dem Messkopf (MK) zumindest eine Lichtquelle (L1, L2, L3) zum Aussenden von Licht auf das Produkt (P) und zumindest einen Detektor (D) zum Erfassen des von dem Produkt (P) reflektierten Lichts angeordnet ist sowie eine Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung (SVE) zur Erfassung und Verarbeitung eines an dem zumindest einen Detektor (D) anliegenden Signals, welches der Intensität zumindest in einem bestimmten Lichtwellenlängenbereich (λ1, λ2, λ3) des reflektierten Lichts entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (MK) eine Fokusebene (FE) definiert, entlang der einzelne Objekte (O) des Produktes (P) bewegt und mittels der Dimension der Objekte (O) entsprechende Messpunkte (MP) abgetastet werden und dass die Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung einen Intensitäts-Sollwert-Vergleicher(ISV) zur Selektion derjenigen Signale aufweist, die von Objekten (O) reflektiert werden, die sich in der definierten Fokusebene (FE) befinden.
Messeinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusebene (FE) durch eine die zumindest eine Lichtquelle (L1, L2, L3) und den zumindest einen Detektor (D) von dem Produkt (P) trennende transparente Scheibe (S) gebildet wird.
Messeinrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Lichtquelle (L1, L2, L3) eine Fokussieroptik (FOL1, FOL2, FOL3) derart aufweist, dass der von der zumindest einen Lichtquelle (L1, L2. L3) ausgehende Lichtstrahl in der Fokusebene (FE) fokussiert ist und den Messpunkt (MP) bildet.
Messeinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (D) eine Fokussieroptik (FOD) aufweist, die in die Fokusebene (FE) auf den Messpunkt (MP) fokussiert ist.
Messeinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (ME) mehrere, vorzugsweise drei Lichtquellen (L1, L2, L3) aufweist, die jeweils Licht einer definierten Wellenlänge (λ1, λ2, λ3) aussenden und getaktet betrieben werden.
Messeinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (L1, L2, L3) als Infrarot-LED ausgebildet sind.
Messeinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (D) als breitbandiger Nahinfrarot-Detektor ausgebildet ist.
Messeinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Signalverarbeitungseinrichtung (SVE) eine Analog-Digital-Wandlereinheit(ADW1) zur Digitalisierung der erfassten Signale sowie eine Speichereinheit (SP) zur Speicherung der Signale entsprechend ihrer Intensität, Empfangszeit und Wellenlänge aufweist.
Messeinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise drei Lichtquellen (L1, L2,L3) unter einem Winkel α von 45° schräg auf die Fokusebene (FE) in den Messpunkt (MP) gerichtet sind und dass der Detektor (D) unter einem Winkel von 0°, d. h. senkrecht, auf den Messpunkt (MP) zur Fokusebene (FE) ausgerichtet ist.