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Die Erfindung betrifft eine Fremdkörpernachweiseinrichtung für eine landwirtschaftliche Erntemaschine, mit einem Durchsatzänderungssensor zur Erfassung einer mit der zeitlichen Änderung des Durchsatzes in einem von Erntegut durchströmbaren Kanal im Zusammenhang stehenden Größe und einer mit dem Durchsatzänderungssensor verbundenen Auswertungseinrichtung zur Erzeugung eines auf die Aufnahme eines Fremdkörpers hinweisenden Signalwerts.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind verschiedene Nachweiseinrichtungen für mit dem Erntegut aufgenommene Fremdkörper in landwirtschaftlichen Maschinen beschrieben worden:
Gebräuchlich sind Metalldetektoren (
EP 0 702 248 A2 ), die einen Einzugkanal der Erntemaschine mit einem Magnetfeld beaufschlagen. Induktionsspulen erfassen Änderungen des Magnetfelds, die durch einen mit dem Erntegut aufgenommenen, ferromagnetischen Fremdkörper verursacht werden und sind mit einer Nachweisschaltung verbunden, die ggf. ein Anhalten der Einzugselemente der Erntemaschine veranlasst. Mit diesen Metalldetektoren können Fremdkörper aus nicht-ferromagnetischen Materialien nicht nachgewiesen werden.
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Außerdem wurden Vibrationssensoren beschrieben, die bei einem Aufprall eines Fremdkörpers auf eine Zuführwalze im Einzugskanal entstehende Schwingungen erfassen (
DE 10 2011 007 843 A1 ).
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Schließlich wurde vorgeschlagen, eine sich abhängig von der Dicke der Erntegutmatte nach oben und unten bewegende Vorpresswalze mit einem Positions- oder Beschleunigungsmesser auszustatten (
EP 1 900 273 A2 und der dort zitierte Stand der Technik). Wenn ein bestimmter Beschleunigungswert der Vorpresswalze überschritten wird, wird davon ausgegangen, dass ein Fremdkörper, z. B. ein Stein, in der Erntegutmatte enthalten ist, und es wird selbsttätig ein Anhalten der Einzugselemente der Erntemaschine veranlasst.
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Aufgabe der Erfindung
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Bei den gebräuchlichen Vibrationssensoren besteht das Problem, dass die Ansprechschwelle relativ niedrig gesetzt werden muss, um eine hinreichende Nachweiswahrscheinlichkeit zu erhalten und beispielsweise auch Steine nachweisen zu können, die in einer Erntegutmatte eingebettet sind. Diese niedrige Ansprechschwelle führt zu einer unbefriedigend hohen Rate an Fehlauslösungen, denn auch andere vom Vibrationssensor erfasste Geräusche werden mitunter einem aufgenommenen Stein zugeordnet. Analoge Probleme bestehen bei den die Dicke der Erntegutmatte erfassenden Fremdkörpersensoren, denn ungleichmäßig geformte Schwade, z.B. im Vorgewende, bedingen ähnlich sprunghafte Bewegungen der Vorpresswalze wie mit dem Schwad aufgenommene Steine.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Nachweiseinrichtungen für mit dem Erntegut aufgenommene Fremdkörper eingangs genannter Art bereitzustellen, deren Empfindlichkeit gegenüber Fehlauslösungen vermindert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei in den weiteren Patentansprüchen Merkmale aufgeführt sind, die die Lösung in vorteilhafter Weise weiterentwickeln.
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Eine Fremdkörpernachweiseinrichtung für eine landwirtschaftliche Erntemaschine umfasst einen Durchsatzänderungssensor zur Erfassung einer mit der zeitlichen Änderung des Durchsatzes in einem von Erntegut durchströmbaren Kanal im Zusammenhang stehenden Größe und eine mit dem Durchsatzänderungssensor verbundene Auswertungseinrichtung zur Erzeugung eines auf die Aufnahme eines Fremdkörpers hinweisenden Signalwerts. Weiterhin ist ein Vibrationssensor zur Erfassung von bei einem Aufprall eines Fremdkörpers an einer Fläche entstehenden Schwingungen vorgesehen, der signalübertragend mit der Auswertungseinrichtung verbunden ist. Die Auswertungseinrichtung ist eingerichtet, den auf die Aufnahme eines Fremdkörpers hinweisenden Signalwert anhand einer zeitlichen Korrelation zwischen den Signalen des Durchsatzänderungssensors und den Signalen des Vibrationssensors zu erzeugen. Es wird demnach vorgeschlagen, die Signale des Durchsatzänderungssensors und des Vibrationssensors zu kombinieren und nur dann einen auf die Aufnahme eines Fremdkörpers hinweisenden Signalwert abzugeben, wenn die Signale beider Sensoren innerhalb eines zeitlichen Fensters jeweils darauf hindeuten, dass ein Fremdkörper aufgenommen wurde.
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Auf diese Weise wird die Wahrscheinlichkeit für eine Fehlauslösung der Fremdkörpernachweiseinrichtung wesentlich reduziert, denn es ist relativ unwahrscheinlich, dass die beiden, unterschiedliche Parameter erfassenden Sensoren aufgrund von nicht durch einen Fremdkörper bedingten Ereignissen nahezu gleichzeitig ansprechen.
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Der Durchsatzänderungssensor wirkt vorzugsweise mit einer im Kanal angeordneten Förderwalze zusammen und erfasst deren Position, Geschwindigkeit oder Beschleunigung quer zur Erntegutflussrichtung. Dafür kommt insbesondere eine Vorpresswalze im Einzugskanal eines Feldhäckslers oder eine vertikal beweglich angeordnete, untere Schrägfördererwalze im Schrägförderer eines Mähdreschers in Frage, die aktiv angetrieben sein oder frei mit dem Erntegut mitlaufen kann und vorzugsweise im Einzugsförderer der Erntemaschine angeordnet ist. Es können jedoch auch mit der Erntegutmatte zusammenwirkende, separate Tastbügel oder -fühler o.ä. verwendet werden, die nicht zur aktiven Förderung des Ernteguts dienen, oder die Oberfläche des Ernteguts wird optisch (z.B. durch einen Laserscanner) abgetastet. Der Durchsatzänderungssensor kann den Durchsatz erfassen, d.h. die Höhe der Erntegutmatte sensieren, und es wird der Auswertungseinrichtung die erste, zweite, dritte oder vierte etc. zeitliche Ableitung des Durchsatzes übermittelt, d.h. eine Information über die Geschwindigkeit der Änderung des Durchsatzes oder eine zeitliche Ableitung davon. Diese Geschwindigkeit ändert sich relativ stark, wenn ein Fremdkörper aufgenommen wurde und kann durch die Auswertungseinrichtung mit einem Schwellenwert verglichen werden. Wird der Schwellenwert überschritten, kann von der Aufnahme eines Fremdkörpers ausgegangen und der entsprechende Signalwert abgegeben werden. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Durchsatzänderungssensor als Beschleunigungssensor (d.h. Trägheitssensor) ausgeführt und erfasst die Änderungsgeschwindigkeit des Durchsatzes.
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Der Signalwert der Auswertungseinrichtung wird zweckmäßigerweise dazu verwendet, einen Einzugsförderer der Erntemaschine selbsttätig anzuhalten, wenn die Auswertungseinrichtung einen auf die Aufnahme eines Fremdkörpers hinweisenden Signalwert abgibt.
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Der Vibrationssensor kann innerhalb einer Förderwalze angeordnet sein, deren Mantelfläche die Fläche bildet, an welcher aufprallende Fremdkörper Schwingungen auslösen, die durch den Vibrationssensor erfassbar sind.
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Die Auswertungseinrichtung kann innerhalb eines definierten, zeitlichen Fensters einlaufende Signale des Durchsatzänderungssensors und des Vibrationssensors einem einzigen Fremdkörper zuordnen und somit einen auf die Aufnahme eines Fremdkörpers hinweisenden Signalwert abgeben, wenn die Signale beider Sensoren innerhalb des Fensters jeweils auf einen erkannten Fremdkörper hinweisen. Die zeitliche Größe dieses Fensters hängt von der jeweiligen, durch einen Sensor erfassbaren bzw. durch die Drehzahl angetriebener Förderelemente im Kanal definierten Geschwindigkeit des Ernteguts im Kanal und dem Abstand zwischen der Fläche, an welcher aufprallende Fremdkörper durch den Vibrationssensor erfassbare Schwingungen auslösen, und der Stelle, an welcher der Durchsatzänderungssensor mit dem Erntegut zusammenwirkt, sowie den jeweiligen Reaktionszeiten des Durchsatzänderungssensors und des Vibrationssensors ab.
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Ausführungsbeispiel
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Anhand der Abbildungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer selbstfahrenden Erntemaschine in Form eines Feldhäckslers mit einem Gutaufnehmer,
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2 eine seitliche Ansicht des Einzugsgehäuses der Erntemaschine, und
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3 ein Flussdiagramm, nach dem die Auswertungseinrichtung arbeitet.
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In der 1 ist eine Erntemaschine 10 in der Art eines selbstfahrenden Feldhäckslers dargestellt. Die Erntemaschine 10 baut sich auf einem Rahmen 12 auf, der von vorderen angetriebenen Rädern 14 und lenkbaren rückwärtigen Rädern 16 getragen wird. Die Bedienung der Erntemaschine 10 erfolgt von einer Fahrerkabine 18 aus, von der aus ein Erntevorsatz in Form eines Gutaufnehmers 20 einsehbar ist. Mittels des Gutaufnehmers 20 vom Boden aufgenommenes Erntegut, z. B. Gras oder dergleichen wird über einen Einzugsförderer 42 mit Vorpresswalzen, die innerhalb eines Einzugsgehäuses 52 an der Frontseite des Feldhäckslers 10 angeordnet sind, einer Häckseltrommel 22 zugeführt, die es in kleine Stücke häckselt und es einer Fördervorrichtung 24 aufgibt. Das Gut verlässt die Erntemaschine 10 zu einem nebenher fahrenden Anhänger über einen um eine etwa vertikale Achse drehbaren und in der Neigung verstellbaren Austragschacht 26. Zwischen der Häckseltrommel 22 und der Fördervorrichtung 24 erstreckt sich eine Nachzerkleinerungsvorrichtung 28 mit zwei Körnerprozessorwalzen, durch die das zu fördernde Gut der Fördervorrichtung 24 tangential zugeführt wird.
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Der Gutaufnehmer 20 ist als so genannte Pick-Up ausgebildet. Der Gutaufnehmer 20 baut sich auf einem Gestell 32 auf und stützt sich über beidseitig angebrachte Stützräder 38, die über je einen Träger 46 am Gestell 32 befestigt sind, auf dem Erdboden ab. Die Aufgabe des Gutaufnehmers 20 besteht darin, auf dem Boden eines Felds in einem Schwad 50 abgelegtes Erntegut aufzunehmen und es der Erntemaschine 10 zur weiteren Bearbeitung zuzuführen. Hierzu wird der Gutaufnehmer 20 während des Erntebetriebes mit geringem Abstand zum Erdboden über das Feld bewegt, während er zum Transport auf einer Strasse oder auf Wegen mittels eines Hydraulikzylinders 48 angehoben wird, welcher das Einzugsgehäuse 52 und den daran befestigten Gutaufnehmer 20 um die Drehachse der Häckseltrommel 22 verschwenkt. Der Hydraulikzylinder 48 dient auch zur Einstellung der Höhe des Gutaufnehmers 20 über dem Boden, bzw. zur Einstellung des Auflagedrucks der Stützräder 38 auf dem Erdboden. Zum Gutaufnehmer 20 gehört ein Abgabeförderer 36 in Form einer Förderschnecke, die das aufgenommene Gut von den Seiten des Gutaufnehmers 20 zu einer in der Mitte gelegenen, nicht gezeigten Abgabeöffnung fördert, hinter der der Einzugsförderer 42 folgt. Der Gutaufnehmer 20 weist auch einen, wie auch der Abgabeförderer 36, rotativ angetriebenen Aufnehmerrotor 34 auf, der unterhalb des Abgabeförderers 36 angeordnet ist und mit seinen Förderzinken das Gut vom Erdboden anhebt, um es dem Abgabeförderer 36 zu übergeben. Außerdem ist ein Niederhalter 40 in Form eines über dem Aufnehmerrotor 34 angeordneten Bleches am Gestell 32 befestigt.
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Im Folgenden beziehen sich Richtungsangaben, wie seitlich, unten und oben, auf die Vorwärtsbewegungsrichtung V des Gutaufnehmers 20, die in den 1 und 2 nach links verläuft.
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Die 2 zeigt Einzelheiten des Einzugsförderers 42 und der Häckseltrommel 22, die im Einzugsgehäuse 52 angeordnet sind. Der Einzugsförderer 42 enthält zwei vordere Vorpresswalzen 54, 56, die eine Vorverdichtung des bei A eintretenden Erntegutes bewirken. Eine homogene Verdichtung und Weiterführung des Ernteguts erfolgt dann zwischen den zwei hinteren Vorpresswalzen 58, 60, die einen variablen Abstand d zueinander aufweisen.
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Die hintere untere Vorpresswalze 60 ist ortsfest gelagert, während die Welle der hinteren oberen Vorpresswalze 58 in seitlichen Schlitzen 62 geführt ist. An den beiden Enden der hinteren oberen Vorpresswalze 20 ist je ein sich nicht mitdrehender Flansch 64 angeordnet. Die beiden Flansche 64 tragen eine zur Vorpresswalze 58 parallele Querstrebe 66, die sich mit der Vorpresswalze 58 auf und ab bewegt und deren Enden ebenfalls in den seitlichen Schlitzen 62 geführt sind. Die hintere obere Vorpresswalze 58 kann sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung zwischen einem unteren Anschlag und einem oberen Anschlag 68 bewegen. Die oberen Vorpresswalzen 54, 58 sind in an sich bekannter Weise durch die Kraft einer Feder und/oder eines Hydraulikzylinders nach unten vorgespannt, während die unteren Vorpresswalzen 56, 60 starr am Einzugsgehäuse 52 gelagert sind.
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An der Querstrebe
66 ist ein Durchsatzänderungssensor
70 befestigt. Der Durchsatzänderungssensor
70 ist hier als Beschleunigungssensor ausgeführt und umfasst eine Masse, die gegen eine Federkraft gegen eine wirkende Beschleunigung ausweichen kann und deren Position erfasst wird. Ein derartiger Sensor wird beispielsweise in der
DE 10 2011 007 843 A1 beschrieben. Der Durchsatzänderungssensor
70 gibt somit ein Signal ab, das direkt von der Beschleunigung der Vorpresswalze
58 quer zur Flussrichtung des Ernteguts im Einzugsförderer
42 abhängt. Diese Beschleunigung ist ein Maß für die zeitliche Ableitung der Änderung der Dicke d der Erntegutmatte im Einzugsförderer
42. Anders als in der Zeichnung dargestellt, kann anstelle der hinteren Vorpresswalze
58 die vordere obere Vorpresswalze
54, die ebenfalls durch Federkraft nach unten vorgespannt ist, mit dem Durchsatzänderungssensor
70 verbunden sein. Es wäre auch denkbar, beide oberen Vorpresswalzen
54,
58 gemeinsam an einer Schwinge anzubringen und deren Beschleunigung mit dem Durchsatzänderungssensor
70 zu erfassen.
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Der Durchsatzänderungssensor
70 könnte auch durch einen Sensor zur Erfassung der Position einer oder beider der oberen Vorpresswalzen
54,
58 ersetzt werden (s.
EP 1 900 273 A2 ), dessen Ausgangssignal ein- oder zweimal zeitlich differenziert wird, um die Durchsatzänderung oder deren zeitliche Ableitung zu evaluieren.
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Der Auswertungseinrichtung 78 wird somit über eine Leitung 76 vom Durchsatzänderungssensor 70 ein Signal zugeführt, das mit der zeitlichen Änderung des Durchsatzes in einem von Erntegut durchströmbaren Kanal (hier: im Einzugsförderer 42) im Zusammenhang steht.
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Weiterhin ist die Auswertungseinrichtung
78 über eine Leitung
74 mit einem Ausgang eines Vibrationssensors
72 verbunden, der innerhalb der unteren, vorderen Vorpresswalze
56 an deren Achse befestigt ist. Der Vibrationssensor
72 erfasst eventuell beim Auftreffen eines Fremdkörpers auf den Mantel der Vorpresswalze
56 entstehende Schwingungen, die mechanisch (über den Mantel, die Lagerungen und die Achse) und/oder die Luft auf den Vibrationssensor
72 übertragen werden. Zum mechanischen Aufbau einer möglichen Ausführungsform des Vibrationssensors
72 sei auf die Offenbarung der
DE 10 2011 007 843 A1 verwiesen.
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Die Auswertungseinrichtung 78 ist mit einer Einrichtung 80 zum Anhalten des Einzugsförderers 42 verbunden. Diese Einrichtung 80 kann in an sich bekannter Weise eine abschaltbare Kupplung im Antriebsstrang der Vorpresswalzen 54–60 und eine Sperrklinke umfassen, die zum Anhalten des Einzugsförderers 42 in Eingriff mit einem mit den Vorpresswalzen 54–60 in Antriebsverbindung stehenden Zahnrad bringbar ist. Es wäre auch denkbar, die Vorpresswalzen 54–60 hydraulisch oder elektrisch anzutreiben und zum Anhalten den Antrieb durch geeignete Ventile oder Schaltelemente selbsttätig anzuhalten oder gar umzukehren.
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Die 3 zeigt ein Flussdiagramm, nach dem die Auswertungseinrichtung 78 während des Betriebs vorgeht. Nach dem Start im Schritt 100 wird im Schritt 102 abgefragt, ob das Signal des Vibrationssensors 72 einen Schwellenwert überschreitet. Dieser Schwellenwert kann fest vorgegeben sein oder durch einen Bediener eingegeben werden oder um einen bestimmten Prozentsatz (z.B. 50 %) höher liegen als die durchschnittlichen, nach oben gerichteten Beschleunigungen, die der Vibrationssensor 72 in einer bestimmten Zeitspanne (z.B. 10 s) erfasst hat. Dadurch erfolgt eine selbsttätige Anpassung des Schwellenwerts an die jeweiligen Erntebedingungen. Ist das Ergebnis des Schritts 102 negativ, folgt dieser Schritt wieder, anderenfalls der Schritt 104.
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Im Schritt 104 wird abgefragt, ob das Signal des Durchsatzänderungssensors 70 innerhalb eines zeitlichen Fensters nach dem Ansprechen des Vibrationssensors 72 einen Schwellenwert überschreitet. Dieser Schwellenwert kann fest vorgegeben sein oder durch einen Bediener eingegeben werden oder um einen bestimmten Prozentsatz (z.B. 50 %) höher liegen als die durchschnittlichen, nach oben gerichteten Beschleunigungen, die der Durchsatzänderungssensor 70 in einer bestimmten Zeitspanne (z.B. 10 s) erfasst hat. Dadurch erfolgt eine selbsttätige Anpassung des Schwellenwerts an die jeweiligen Erntebedingungen.
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Das zeitliche Fenster soll sicherstellen, dass die Signale des Vibrationssensors 72 und des Durchsatzänderungssensors 72 ein und demselben Fremdkörper zuzuordnen sind. Die zeitliche Größe dieses Fensters hängt von der jeweiligen Geschwindigkeit des Ernteguts im Einzugsförderer 42 und dem Abstand zwischen der unteren Vorpresswalze 54, an welcher aufprallende Fremdkörper durch den Vibrationssensor 72 erfassbare Schwingungen auslösen, und der hinteren oberen Vorpresswalze 58, an welcher der Durchsatzänderungssensor 70 mit dem Erntegut zusammenwirkt, sowie den jeweiligen Reaktionszeiten des Durchsatzänderungssensors 70 und des Vibrationssensors 72 ab. Die Reaktionszeiten und die Abstände sind bekannt bzw. können durch Versuche ermittelt werden und die Geschwindigkeit des Ernteguts im Einzugsförderer 42 kann anhand der Drehzahl der Vorpresswalzen 54 bis 60 ermittelt werden, die mit einem Drehzahlsensor 82 gemessen werden kann.
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Das zeitliche Fenster im Schritt 104 öffnet somit etwas (z.B. einige 10 ms) früher, als man nach dem Nachweis eines Fremdkörpers durch den Vibrationssensor 72 ein Signal vom Durchsatzänderungssensor 70 erwarten würde, und schließt etwas (z.B. einige 10 ms) später. Nur innerhalb dieses zeitlichen Fensters eingehende Signale des Durchsatzänderungssensors 70 werden berücksichtigt, alle anderen werden ignoriert. Falls nun innerhalb des Fensters das Signal des Durchsatzänderungssensors den Schwellenwert nicht überschreitet, folgt wieder der Schritt 102.
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Anderenfalls kann davon ausgegangen werden, dass ein Fremdkörper nachgewiesen wurde. Es folgt somit der Schritt 106, in dem die Auswertungsschaltung 78 die Einrichtung 80 zum Anhalten des Einzugsförderers 42 veranlasst, letzteren anzuhalten, da möglicherweise ein Fremdkörper aufgenommen wurde. Außerdem wird der Bediener in der Fahrerkabine 18 mittels einer geeigneten Anzeige und/oder akustischen Signals über das Ansprechen der Fremdkörpernachweiseinrichtung informiert. Der Bediener (oder eine entsprechende Automatik) kann dann ein Reversieren des Einzugsförderers 42 und vorzugsweise des Gutaufnehmers 20 veranlassen. Nach Beseitigen des Fremdkörpers folgt dann wieder der Schritt 102.
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Die Auswertungsschaltung 78 und/oder die Einrichtung 80 zum Anhalten des Einzugsförderers 42 können auch mit einem in der Vorpresswalze 56 angeordneten, konventionellen Metalldetektor (nicht gezeigt) zum Nachweis ferromagnetischer Materialien verbunden werden.
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Falls der Durchsatzänderungssensor 70 derart räumlich angeordnet wäre (z.B. am Erntevorsatz), dass er einen Fremdkörper zeitlich vor dem Vibrationssensor 72 erfasst, wären die Schritte 102 und 104 zu vertauschen. Im Schritt 104 wäre dann das Fenster entsprechend der dann geltenden Abstände und Positionen der Sensoren 70, 72 zu wählen. Weiterhin wäre es möglichen, jeweils einen der Sensoren (Vibrationssensor 72 und Durchsatzänderungssensor 70) durch den Bediener abschaltbar zu machen, um auf besondere Erntebedingungen reagieren zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0702248 A2 [0002]
- DE 102011007843 A1 [0003, 0023, 0026]
- EP 1900273 A2 [0004, 0024]
