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Die Erfindung betrifft einen Behälter zur Aufnahme von Schüttgut, wobei der Behälter ein Messsystem zur Bestimmung zumindest eines Füllstandes des Schüttgutes umfasst.
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Aus der
EP2944178B1 ist ein Mähdrescher mit einem Messsystem zur Ermittlung des Füllstandes von Schüttgut bekannt. Das Messsystem nutzt dabei einen Sensor mit einem Leitermaterialband und einem Widerstandsband, welche durch das Schüttgut aneinandergedrückt und in elektrisch leitenden Kontakt gebracht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein alternatives Messsystem zu entwickeln.
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Gelöst wird die Aufgabe durch Behälter zur Aufnahme von Schüttgut, wobei der Behälter ein Messsystem zur Bestimmung zumindest eines Füllstandes des Schüttgutes umfasst, wobei das Messsystem zumindest einen Sensor umfasst, wobei der Sensor innerhalb des Behälters angebracht ist, wobei der Sensor zur mechanischen Betätigung durch das Schüttgut ausgestaltet ist, wobei der Sensor eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode umfasst, wobei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ein piezoresistives Material vorhanden ist, wobei der elektrische Widerstand des piezoresistiven Materials durch einen mechanischen Druck des Schüttguts veränderbar ist.
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Ein piezoresistives Material zeichnet sich dadurch aus, dass der elektrische Widerstand des Materials abhängig ist vom auf das Material ausgeübten Druck. Bevorzugt ändert sich der Widerstand zwischen einem Minimaldruck und einem Maximaldruck kontinuierlich mit dem ausgeübten Druck. Solche Materialien sind dem Fachmann bekannt und kommerziell erhältlich.
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Das Messsystem legt eine Spannung zwischen den Elektroden an und bestimmt den elektrischen Widerstand des piezoresistiven Materials. Der elektrische Widerstand des Materials kann bspw. bestimmt werden, indem ein Spannungsteiler mittels eines Hilfswiderstandes aufgebaut wird. Die angelegte Spannung verteilt sich über das piezoresistive Material und den Hilfswiderstand. Je kleiner der Widerstand des Materials, umso größer die Spannung über dem Hilfswiderstand. Eine Messung der Spannung über dem Hilfswiderstand ist daher gleichbedeutend mit der Bestimmung des Widerstandes des Materials. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Widerstand bei steigendem Druck sinkt.
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Ein solches Messsystem ermöglicht damit nicht nur die Feststellung, dass Schüttgut auf den Sensor drückt, sondern auch wie groß der Druck des Schüttgutes ist. Aus Einbauhöhe des Sensors im Behälter und dem Widerstand des Materials kann daher auf den Füllstand des Schüttgutes geschlossen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sensor als vorwiegend in Längsrichtung ausgeprägter Sensor ausgestaltet. Ein solcher Sensor wird im Folgenden als Bandsensor bezeichnet. Bei einem Bandsensor ist die Längsausdehnung wesentlich größer als die Querausdehnung und die Querausdehnung wesentlich größer als die Höhenausdehnung. Wesentlich größer bedeutet hier mindestens ein Faktor 2 in der Ausdehnung, bevorzugt ein Faktor 10. Die Elektroden breiten sich dabei in der Längsrichtung und der Querrichtung aus und sind in der Höhe beabstandet und durch das piezoresistive Material getrennt. Ein Bandsensor ermöglicht eine Messung über einen großen Bereich mit nur einem Sensor. Dadurch wird insbesondere der Einbau des Sensors im Behälter vereinfacht. Drückt das Schüttgut mit gleichem Druck auf eine größere Fläche des Sensors, so steigt der Gesamtdruck auf das Material und die eine größere Widerstandsänderung im Vergleich zum unbelasteten Zustand kann vom Messsystem detektiert werden. Das Messsystem ist so in der Lage zu erkennen auf welche Fläche des Sensors Druck ausgeübt wird. Bei dieser Ausgestaltung überlagern sich Effekte von steigendem Druck und Druck auf einer größeren Fläche.
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In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung ist der Bandsensor in eine Vielzahl elektrisch getrennter Teilbereiche aufgeteilt. Durch die Aufteilung kann das Messystem unterscheiden auf welchen Teilbereich Druck ausgeübt wird. Dadurch wird die Überlagerung der Effekte von steigendem Druck und Druck auf einer größeren Fläche vermieden. Das Messsystem kann so für jeden Teilbereich bestimmen wie groß der Druck auf den Teilbereich des Sensors ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Sensor als Bandsensor mit einer Vielzahl elektrisch getrennter Teilbereiche ausgestaltet und das Messsystem dazu vorgesehen und eingerichtet den Füllstand aus dem am höchsten angeordneten vom Schüttgut betätigten Teilbereich zu bestimmen. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders einfache Bestimmung des Füllstandes, da nur geprüft werden muss welche Teilbereiche betätigt werden und welcher betätigte Teilbereich der höchste ist. Die Höhe der Teilbereiche im Behälter ist aus dem Einbau bekannt.
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In einer Ausgestaltung ist der Sensor an einer Seitenwand des Behälters, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, angebracht. Durch die Anbringung an der Seitenwand stört der Sensor kaum beim Füllen und Entleeren des Behälters. Bei senkrechter Anbringung wird im Wesentlichen der horizontale Druck des Schüttgutes gemessen. Da der horizontale Druck an einem festen Messpunkt von der Höhe des Füllstandes über dem Messpunkt und der Dichte des Schüttgutes abhängt kann aus dem Druck und dem Füllstand auf die Dichte des Schüttgutes geschlossen werden. Alternativ kann bei bekannter Dichte des Schüttgutes aus dem Druck auf den Füllstand geschlossen werden.
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In einer Ausgestaltung ist das Messsystem dazu eingerichtet den mechanischen Druck auf den Sensor zu bestimmen und aus dem Füllstand und dem Druck eine Dichte des Schüttgutes zu bestimmen. Jedem Widerstand des piezoresistiven Materials ist bevorzugt eindeutig ein Druck zugeordnet. Die Zuordnung kann vom Fachmann unter kontrollierten Bedingungen bestimmt werden und prinzipiell für jeden Sensor unterschiedlich sein. Die Zuordnung kann auch vom Hersteller des Sensors bestimmt worden sein und im Messsystem hinterlegt sein. Der Füllstand kann wie oben beschrieben bspw. mittels eines Bandsensors mit einer Vielzahl elektrisch getrennter Teilbereiche bestimmt werden. Auch andere bekannte Messmethoden zur Bestimmung des Füllstandes sind möglich. Da der Druck an einem festen Messpunkt von der Höhe des Füllstandes über dem Messpunkt und der Dichte des Schüttgutes abhängt kann aus dem Druck und dem Füllstand auf die Dichte des Schüttgutes geschlossen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Messsystem dazu eingerichtet aus dem Füllstand und der Dichte des Schüttgutes eine Masse des im Behälter befindlichen Schüttgutes zu bestimmen. Die Dichte des Schüttgutes kann vom Bediener vorgegeben sein oder wie oben bestimmt werden. Da das Schüttgut einen nur ungenau bekannten Schüttkegel bilden kann, kann zur Bestimmung, bevorzugt in Abhängigkeit von der Art des Schüttguts, eine feste Geometrie des Schüttkegels angenommen werden, oder der Schüttkegel durch einen optischen Sensor zur räumlichen Abstandsmessung approximiert werden. Der optische Sensor kann dabei bspw. eine Kamera, eine Stereokamera, eine Time of Flight Kamera, ein Imaging Radar oder ein LiDAR sein. Der optische Sensor kann bspw. am oberen Rand des Behälters oder an einer Haltevorrichtung mit Blick auf den Behälter befestigt werden. Weiterhin ist klar, dass die Geometrie des Behälters bekannt sein muss und die durchschnittliche Dichte des Schüttgutes als konstant angenommen wird.
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In einer Ausgestaltung ist der Sensor durch eine Schutzschicht, vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen, vor Beschädigung durch das Schüttgut geschützt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Behälter ein Korntank eines Mähdreschers, wobei der Behälter zu Aufnahme von Erntegut ausgestaltet ist und das Messsystem zur Bestimmung eines Füllstandes des Ernteguts im Behälter ausgestaltet ist. In einem Korntank eines Mähdreschers kann das Messsystem besonders gut genutzt werden, um den Füllstand des Ernteguts während der Ernte zu erfassen. Das Messsystem kann den Fahrer des Mähdreschers warnen bevor der Korntank überläuft. Der Mähdrescher ist damit ein Mähdrescher mit einem Korntank zur Aufnahme von landwirtschaftlichem Schüttgut, wobei der Korntank als erfindungsgemäßer Behälter ausgestaltet ist, wobei das Schüttgut Erntegut des Mähdreschers umfasst.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist der Behälter auf einem Anhänger montiert und das Messsystem zur Bestimmung des Füllstandes des Schüttgutes im Behälter ausgestaltet ist. Der Anhänger ist damit ein Anhänger zum Transport von landwirtschaftlichem Schüttgut, wobei der Anhänger einen erfindungsgemäßen Behälter umfasst. Da Anhänger kann von einem Zugfahrzeug bspw. einem Traktor gezogen werden und zur Aufnahme von Erntegut einer Erntemaschine, bspw. eines Mähdreschers oder Feldhäckslers, genutzt werden. Das Messsystem kann den Fahrer des Zugfahrzeugs und/oder der Erntemaschine warnen, bevor der Anhänger überläuft.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist der Behälter Teil eines Lastkraftwagens und das Messystem zur Bestimmung des Füllstandes des Schüttgutes im Behälter ausgestaltet. Der Lastkraftwagen kann bspw. zur Aufnahme von Erntegut einer Erntemaschine, bspw. eines Mähdreschers oder Feldhäckslers, genutzt werden. Das Messsystem kann den Fahrer des Lastkraftwagens und/oder der Erntemaschine warnen, bevor der Behälter überläuft.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen in
- 1: Einen Aufbau des Messsystems mit Spannungsteiler,
- 2: einen Aufbau eines Sensors im Querschnitt,
- 3: Einen Bandsensor,
- 4: Einen Bandsensor mit einer Vielzahl von Teilbereichen,
- 5: Zwei in einem Korntank eines Mähdreschers angebrachte Sensoren,
- 6: Einen Mähdrescher und einen Traktor mit Anhänger,
- 7: Ein Messergebnis eines Messsystems.
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1 zeigt schematisch einen Aufbau des Messsystems mit Spannungsteiler. Das Messsystem 1 umfasst eine Spannungsquelle 2, einen Sensor 3, einen Referenzwiderstand 4 und einen Spannungsmesser 5. Der Sensor 3 bildet einen variablen Widerstand. Der Widerstand ist abhängig vom auf den Sensor ausgeübten Druck. Der Sensor 3 wird mit dem Referenzwiderstand 4 in Reihe geschaltet. Die Spannungsquelle 2 legt eine definierte Spannung über der Widerstandsreihe an. Der Spannungsmesser 5 misst die Spannung über dem Referenzwiderstand 4. Abhängig vom Druck auf den Sensor 3 ändert sich der variable Widerstand und damit die vom Spannungsmesser 5 gemessene Spannung. Aus der vom Spannungsmesser gemessenen Spannung kann daher auf den auf den Sensor ausgeübten Druck geschlossen werden.
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2 zeigt schematisch einen Aufbau eines Sensors 3 im Querschnitt. Der Sensor 3 besteht aus einer ersten Elektrode 6, einer zweiten Elektrode 7 und einem zwischen den Elektroden liegenden piezoresistiven Material 8. Die Elektroden bestehen in diesem Beispiel aus Kupfer. Zur Stabilisierung ist der Sensor 3 auf einer Leiterplatte 9 befestigt. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen ist der Sensor 3 mit einer Schutzschicht 10 überzogen. In diesem Beispiel ist die Schutzschicht 10 aus Polytetrafluorethylen.
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3 zeigt schematisch einen Bandsensor. Der Sensor 3 ist in diesem Beispiel länglich, das heißt seine Länge 11 ist wesentlich größer als seine Breite 12. Die Schutzschicht 10 bedeckt den ganzen Sensor 3 und die ganze Leiterplatte 9. Auf der Leiterplatte 9 befindet sich neben dem Sensor 3 auch ein Mikrochip 13. Der Mikrochip umfasst unter anderem den Referenzwiderstand 4 und den Spannungsmesser 5.
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4 zeigt schematisch einen Bandsensor mit einer Vielzahl von Teilbereichen. Der in 4 gezeigte Bandsensor entspricht im Wesentlichen dem Bandsensor aus 3. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu 3 ausgeführt. Der Sensor 3 ist in diesem Beispiel in eine Vielzahl von Teilbereichen 3a, 3b, 3c, aufgeteilt. Auf der Leiterplatte 9 sind Leitungen 14a, 14b, 14c vom Mikrochip 13 sind zu jedem Teilbereich 3a, 3b, 3c vorhanden. Der Mikrochip 13 kann jeden Teilberiech 3a, 3b, 3c einzeln ausmessen.
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5 zeigt zwei in einem Korntank 15 eines Mähdreschers angebrachte Sensoren 3. Die Sensoren 3 sind jeweils als Bandsensoren ausgestaltet. Die Bandsensoren 3 sind jeweils an einer Seitenwand 16a, 16b des Korntanks 15 befestigt. Die untere Seitenwand 16a ist eine feste Seitenwand. Die obere Seitenwand 16b ist einklappbar.
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6 zeigt einen Mähdrescher 17 und einen Traktor 18 mit Anhänger 19. Der Mähdrescher umfasst einen Korntank 15. Im Inneren des Korntanks 15 befindet sich mindestens ein Sensor (nicht dargestellt). Der Sensor ist Teil eines Messsystems (nicht dargestellt). Das Messsystem bestimmt den Füllstand des Ernteguts im Korntank. Abhängig vom Füllstand wird der Fahrer über den Füllstand informiert und/oder vor dem Überlaufen des Korntanks 15 gewarnt. Mittels einer Überladeeinrichtung 20 wird das Erntegut vom Mähdrescher in den Anhänger 19 befördert. Im Anhänger 19 befindet sich mindestens ein Sensor (nicht dargestellt). Der Sensor ist Teil eines Messsystems (nicht dargestellt). Das Messsystem bestimmt den Füllstand des Ernteguts im Anhänger 19. Abhängig vom Füllstand wird der Fahrer über den Füllstand informiert und/oder vor dem Überlaufen des Anhängers 19 gewarnt. Eine Alternative zu dem Traktor 18 mit Anhänger 19 stellt ein Lastkraftwagen dar.
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7 zeigt ein Messergebnis eines Messsystems. Das Messsystem entspricht dem in 1 gezeigten Messsystem und ist in einen Behälter eingebaut. Auf der waagerechten Achse 21 ist der Füllstand des Schüttgutes im Behälter aufgetragen. Auf der senkrechten Achse 22 ist die über dem Referenzwiderstand gemessene Spannung aufgetragen. Der Sensor des Messsystems ist ein Bandsensor mit einer Vielzahl elektrisch getrennter Teilbereiche, wie er in 4 dargestellt ist. Jeder Teilbereich des Sensors wird vom Messsystem einzeln ausgemessen. Die Unterschiede der Spannungen bei einem leeren Behälter stammen aus leichten produktionsbedingten Unterschieden der Elektroden, dem jeweils zwischen den Elektroden liegenden piezoresistiven Materials und den Leitungen auf der Leiterplatte. Bei steigendem Füllstand wird zunächst der unterste Teilbereich 3a des Sensors durch den Druck des Schüttgutes betätigt. Durch den Druck auf den Teilbereich des Sensors sinkt der Widerstand des piezoresistiven Materials im Teilbereich des Sensors. Dadurch steigt die über dem Referenzwiderstand abfallende erste Spannung 23a, die auf der senkrechten Achse aufgetragen ist. Je stärker der Füllstand steigt, umso größer wird die vom Schüttgut betätigte Fläche des Teilbereichs und damit der Druck auf den Teilbereich des Sensors und umso größer wird die über dem Referenzwiderstand gemessene erste Spannung 23a. Bei weiter steigendem Füllstand wird auch der zweite Teilbereich 3b des Sensors durch den Druck des Schüttgutes betätigt und eine steigende zweite Spannung 23b wird vom Messsystem gemessen. Durch die größer werdende Menge an Schüttgut oberhalb des ersten Teilbereichs 3a steigt der Druck auf den ersten Teilbereich 3a des Sensors weiter und damit die über dem Referenzwiderstand gemessene erste Spannung 23a. Bei weiter steigendem Füllstand wird auch der dritte Teilbereich 3c des Sensors durch den Druck des Schüttgutes betätigt und eine steigende dritte Spannung 23c wird vom Messsystem gemessen. Das hier verwendete piezoresistive Material weist eine Sättigung auf, sodass die gemessene Spannung ab einem gewissen Druck und damit verbundenem Füllstand nicht weiter ansteigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messsystem
- 2
- Spannungsquelle
- 3
- Sensor
- 3a, 3b, 3c
- Teilbereiche
- 4
- Referenzwiderstand
- 5
- Spannungsmesser
- 6
- Erste Elektrode
- 7
- Zweite Elektrode
- 8
- Piezoresistives Material
- 9
- Leiterplatte
- 10
- Schutzschicht
- 11
- Länge
- 12
- Breite
- 13
- Mikrochip
- 14a, 14b, 14c
- Leitungen
- 15
- Korntank
- 16
- Seitenwand
- 17
- Mähdrescher
- 18
- Traktor
- 19
- Anhänger
- 20
- Überladeeinrichtung
- 21
- Waagerechte Achse, Füllstand
- 22
- Senkrechte Achse
- 23a, 23b, 23c
- Spannungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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