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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen industriellen Sensor, ein Montagehilfsmittel für einen industriellen Sensor, eine Montageanordnung aufweisend einen industriellen Sensor und ein Montagehilfsmittel und eine Verwendung eines optischen Mittels zur Ausrichtung eines Sensors.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei der Montage von Sensoren muss in manchen Fällen der Sensor auf ein spezielles Objekt, einen speziellen Punkt, wie z.B. einen Auslassstutzen im Silo oder eine aktive bzw. passive Empfangseinheit ausgerichtet werden. Da die Montage immer ohne Versorgungsspannung am Sensor erfolgt, ist es bei der Montage nicht möglich, eine optimale Ausrichtung auf einen speziellen Punkt oder eine aktive bzw. passive Empfangseinheit auszurichten. Somit werden Hilfsmittel benötigt.
Die
US 2012 / 0 027 251 A1 beschreibt ein Gerät mit einem Sensor in einem Kommunikationsnetzwerk, dessen Lage und Position bestimmt werden soll. Hierzu weist das Gerät unterschiedliche Markierungen auf, die von Netzwerk-Kameras an verschiedenen, erhöhten Positionen fotografiert werden, so dass durch Bildauswertung über Sichtachsen und Markierungen Winkel für die Lagebestimmung erhalten werden können. Die Positionsbestimmung erfolgt über Triangulation. Die
DE 10 2011 119 732 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Ermitteln der Lage von mechanischen Elementen. Hierzu werden von Lampen Muster mit unterschiedlichen Farben erzeugt und an einem Strahlteiler reflektiert bzw. transmittiert, so dass die Muster überlagert werden. Aus den relativen Positionen der Muster wird die relative Lage ermittelt. Die
EP 3 757 507 A1 beschreibt, dass eine Zielplatte zur Lokalisierung von Löchern einen selbstzentrierenden Einsatz mit einer Mittellinie und eine optische Zielplatte umfasst, die an dem selbstzentrierenden Einsatz in einer festen Position relativ zur Mittellinie des selbstzentrierenden Einsatzes angebracht ist. Die optische Zielscheibe ist mit einem zweidimensionalen Muster versehen. Die
DE 10 2019 110 674 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bereitstellung eines optischen Feedbacks. Eine Visualisierung der Ausrichtung eines Sensors relativ zu der Oberfläche eines Messobjekts erfolgt in Bezug auf mindestens zwei Freiheitsgrade gemeinsam in einer Ansicht des Messobjekts. Die Ausrichtung kann mittels eines Linienmusters visualisiert werden. Die
US 2007 / 0 091 174 A1 beschreibt ein dreidimensionales Messsystem, das automatisch einen großen Bereich unter Verwendung einer Projektionsvorrichtung zum Projizieren eines Zielmusters für dreidimensionale Messungen und eines fotografierten Bildes, das das projizierte Muster enthält, messen kann. Die
US 2016 / 0 371 855 A1 beschreibt ein optisches System zur Extraktion von Messinformationen der zweidimensionalen Oberfläche eines Objekts aus einem Bild, das aus einem nicht-orthografischen Blickwinkel aufgenommen wurde, und zur Extraktion von Korrekturdatensätzen für Bildverzerrungen, die durch einen nicht-orthografischen Blickwinkel verursacht werden. Das System erzeugt geometrisch korrekte reale Messkoordinaten aus einem Bild, das unter einem beliebigen Blickwinkel aufgenommen wurde.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Sensor bereitzustellen, der eine Ausrichtung ohne weitere Hilfsmittel zum Ausrichten benötigt.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
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Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen in ähnlicher Weise den industriellen Sensor, das Montagehilfsmittel für den industriellen Sensor und die Montageanordnung. Synergieeffekte können sich aus verschiedenen Kombinationen der Ausführungsformen ergeben, obwohl sie möglicherweise nicht im Detail beschrieben werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein industrieller Sensor bereitgestellt, der ein optisches Mittel aufweist. Das optische Mittel ist auf einer Oberfläche des Sensors angeordnet und weist eine Struktur auf, die derart beschaffen ist, dass sie eine Richtungsinformation der Oberfläche in Bezug auf einen Betrachtungspunkt im Raum liefert.
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Somit ist es dem Sensor möglich, eine visuelle Lageerkennung für einen Betrachter bereitzustellen. Die Richtungsinformation kann beispielsweise auf den Normalenvektor der Oberfläche bzw. gleichbedeutend die Ebene der Oberfläche bezogen sein, so dass eine Verschwenkung des Normalenvektors und damit des Sensors gegenüber einer Sollrichtung erkannt werden kann. Eine Sollrichtung ist hierbei beispielsweise eine Blickrichtung senkrecht auf die Oberfläche. Die Ablage kann auch eine Verdrehung um eine Drehachse bedeuten. Solche Verschwenkungen oder Verdrehungen werden aus Blick eines Betrachters auch erreicht, wenn der Sensor einer reinen Translation unterzogen wird, oder eine Translation und Rotation erfährt, wenn bei der Rotation der Normalenvektor nicht zur Betrachterposition ausgerichtet bleibt.
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Unter Richtungsinformation wird im Kontext der Erfindung somit verstanden, ob eine Ausrichtung des Sensors korrekt ist. Dies kann auch als eine binäre Richtungsinformation bezeichnet werden mit den Werten „korrekt“ / „nicht korrekt“. Darüber hinaus kann sie auch die Richtung der Ablage beinhalten, oder anders ausgedrückt, in welche Richtung der Sensor gedreht oder bewegt werden muss, um die richtige Lage einzunehmen, wie z.B. „nach oben“, „nach links“, etc. Eine solche Richtungsinformation kann auch, wie oben erwähnt, bei einer Verschiebung der Betrachterposition in einer Beobachterebene erhalten werden bzw. umgekehrt bei einer Verschiebung der Sensorposition in der Oberflächenebene, die das optischen Mittel aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Struktur des optischen Mittels ein Muster, oder die Struktur wird durch ausgerichtete Strukturelemente, z.B. einer Farbe, gebildet. Geeignete Farben sind zum Beispiel Metalliclack, der aufgrund der koloristischen Eigenschaften hauptsächlich einen sogenannten Helligkeitsflop-Effekt, also eine Änderung der Helligkeit, bewirkt, oder Interferenzlack, der hauptsächlich einen sogenannten Farbtonflop, also eine Änderung des Farbtons, bewirkt. Ursächlich für das Auftreten eines Flop-Effektes sind die in der Formulierung eingesetzten Effektpigmente. Metalleffektpigmente sind üblicherweise plättchenförmig und richten sich im Lack parallel aus, während Interferenzpigmente ihren Farbton durch Verstärkung und Auslöschung einzelner Wellenlängen erzeugen (Interferenz).
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Unter einem Muster wird eine Struktur verstanden, die durch erneutes oder paralleles gleichförmiges Auftreten gekennzeichnet ist, also eine durch gleichförmige Wiederholung geprägte Gestaltungsform aufweist. Das Muster kann eine Einprägung in den Kunststoff sein oder ein farbliches Muster. Weiterhin kann die Struktur auch durch eine Farbe selbst gebildet werden. Ein Muster kann hierbei z.B. auch sternförmig sein oder in Abschnitte unterteilt sein.
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Unter „Lage“ wird insbesondere eine Orientierung im zweidimensionalen oder dreidimensionalen Raum verstanden, wie z.B. eine Verdrehung gegenüber einer Soll-Lage. Von Interesse ist hier die relative Lage bezüglich eines Richtungsvektors von einer Betrachterposition zu der Position, zum Beispiel Mittelpunkt, des optischen Mittels. Eine solche relative Lageänderung wird auch durch eine relative Verschiebung erreicht, aufgrund derer sich ein Betrachtungswinkel von einer festen Position aus auf den Sensor ändert. Beispielsweise ändert sich durch die Verschiebung eine senkrechte Draufsicht in eine schräge Sicht.
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Das optische Muster ist als räumliche Struktur ausgebildet. Dadurch, dass die Struktur räumlich ist, können sich beispielsweise durch den Betrachtungswinkel oder durch den Lichteinfall bzw. -austritt auf das /von dem Muster und durch Lichtreflektion optische Effekte, z.B. Helligkeits- und Dunkelheitseffekte oder Farbeffekte, wie z.B. sichtbare Farbe oder eine durch Lichtbrechung hervorgerufene Farbe ergeben, die je nach Betrachtungswinkel unterschiedlich sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Muster ein Moire-Muster oder ein Hologramm. Ein Moire-Muster wird typischerweise aus zwei Lagen mit regelmäßigen Rastern gebildet. Die Abstände innerhalb des Rasters können hierbei in den beiden Lagen gleich oder unterschiedlich sein. Hierbei ist das obere Raster zumindest teilweise lichtdurchlässig. Durch Verdrehen der beiden Lagen relativ zueinander wird optisch ein sich mit der Verdrehung änderndes Muster erzeugt. Der gleiche Effekt tritt durch eine Änderung des Blickwinkels ein. Die Änderung wird für einen Betrachter aus gleichbleibender Entfernung sensibler, je größer der Abstand der beiden Lagen zueinander ist.
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Eine weitere Möglichkeit ist die Anbringung eines Hologramms. Das Hologramm kann beispielsweise so gestaltet sein, dass es je nach Blickrichtung einen Pfeil oder ein anderes Objekt zeigt, das die Richtung anzeigt, in die der Sensor gedreht oder verschoben werden muss, um ihn in eine gewünschte Lage oder Position zu bringen.
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Gesichtspunkte für die Auswahl der Art des optischen Mittels ist neben den Kosten und dem Aufwand für die Herstellung und Montage insbesondere die Sichtbarkeit oder Ablesbarkeit der Ablage. Beispielsweise oder unterstützend ist das Muster farblich unterschiedlich zu einem das Mittel umgebenden Bereich der Oberfläche ausgebildet. Hierdurch wird die Erkennung des Musters bzw. der Ablage vereinfacht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Mittel zumindest teilweise in eine Antenne oder in das Gehäuse integriert
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Gemäß einer Ausführungsform ist optische Mittel aufgedruckt, aufgeklebt und/oder eingeprägt. Alle drei genannten Arten der Anbringung des optischen Mittels können bei der Herstellung des Sensors erfolgen oder aber auch nachträglich. Zum Einprägen, kann das Muster z.B. in das Material des Sensorgehäuses, wie beispielsweise Kunststoff, eingestanzt werden oder es ist bereits in der Gussform bei einer Herstellung des Gehäuses im Spritzgussverfahren enthalten. Im Falle eines Moire-Musters könnte beispielsweise die untere Lage in den Kunststoff eingeprägt werden oder in eine Vertiefung der Antenne, und die obere Lage aufgeklebt werden. Alternativ könnte beispielsweise ein beidseitig bedrucktes Kunststoffplättchen oder einer Folie aufgeklebt werden, das bis auf den Druck durchsichtig ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Mittel an einer oder mehreren Seiten des Sensors angebracht.
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Eventuell ist eine Drehung in der Oberflächenebene nicht erkennbar, da sich die Sicht auf die beiden Lagen bei senkrechter Draufsicht nicht ändert. In diesem Fall kann ein oder mehrere zweite optische Muster mit einer anderen Ausrichtung angebracht werden. Beispielsweise können zwei Muster seitlich schräg so angebracht werden, dass bei richtiger Lage der ersten Oberfläche ein symmetrisches Muster erscheint.
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Weiterhin kann das optische Mittel an einem Deckel, einem Anschluss, einer Schraube oder einer Schraubvorrichtung des Sensors angebracht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der industrielle Sensor ein Füllstandsensor, ein Grenzstandsensor, Abstandsensor, ein Durchflusssensor, ein Drucksensor, oder ein sonstiger Sensor, der in Industrieanlagen oder in der Prozesstechnologie, Prozessautomatisierung oder Anlagenautomatisierung verwendet werden kann.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Montagehilfsmittel für einen industriellen Sensor bereitgestellt, das ein optisches Mittel aufweist, wobei das optische Mittel auf einer Oberfläche des Sensors angeordnet ist, das optische Mittel eine Struktur aufweist, und die Struktur derart beschaffen ist, dass sie eine Richtungsinformation der Oberfläche in Bezug auf einen Betrachtungspunkt im Raum liefert. Ein Montagehilfsmittel ist beispielsweise ein Werkzeug zum Verschrauben des Sensors, das in einen Sechskant- oder Vierkantschraubenkopf oder in eine Mutter eingreift. Mit dem Montagewerkzeug könnte somit der Sensor gedreht werden und das Montagewerkzeug könnte gleichzeitig die Drehrichtung zur Erlangung der Soll-Lage anzeigen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Montageanordnung für einen industriellen Sensor, aufweisend den hierin beschriebenen industriellen Sensor und das hierin beschriebene Montagehilfsmittel bereitgestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Montageanordnung weist das Montagehilfsmittel ein Gewinde auf, und der industrielle Sensor ein entsprechendes Gegengewinde. Das Montagehilfsmittel ist in den industriellen Sensor eingeschraubt und ist eingerichtet, wenn es im eingeschraubten Zustand gedreht wird, den Sensor mitzudrehen, um so durch das auf dem Montagehilfsmittel angebrachte und mitgedrehte optische Mittel eine Richtungsinformation der Oberfläche in Bezug auf einen Betrachtungspunkt im Raum zu liefern. Somit kann die Montageanordnung eine visuelle Lageerkennung bereitstellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung eines optischen Mittels zur Ausrichtung eines hierin beschriebenen Sensors oder eines hierin beschriebenen Montagehilfsmittels bereitgestellt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Ausrichten eines hierin beschriebenen industriellen Sensors bereitgestellt, aufweisend die Schritte: Anbringen eines optischen Mittels auf dem Sensor, Erhalten einer Richtungsinformation bezüglich der Ausrichtung des Sensors; und Ausrichten des Sensors visuell mittels des optischen Mittels gemäß der erhaltenen Richtungsinformation.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Ausrichten eines hierin beschriebenen industriellen Sensors bereitgestellt, aufweisend die Schritte: Anbringen eines optischen Mittels auf einem an dem industriellen Sensor angebrachten Montagehilfsmittel; und Ausrichten des Sensors visuell mittels des optischen Mittels.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorgenannten Verfahren weist das optische Mittel ein Moire-Muster, ein Hologramm oder eine Farbe mit strukturierten Farbelementen auf, und das Ausrichten des Sensors erfolgt unter Ausnutzung der optischen Eigenschaften des Moire-Musters.
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Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann bei der Durchführung der beanspruchten Erfindung durch das Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer Gegenstände oder Schritte erfüllen, die in den Ansprüchen aufgeführt sind. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Figuren sollen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden. Hierbei zeigt
- 1 eine Skizze mit an einem Silo angebrachten Sensoren,
- 2 eine Grafik zur Erläuterung des Moire-Effekts,
- 3a eine Skizze mit einer ersten Anordnung eines optischen Mittels,
- 3b eine Skizze mit einer zweiten Anordnung eines optischen Mittels,
- 3c eine Skizze mit einer dritten Anordnung eines optischen Mittels,
- 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Montage eines Sensors oder eines Hilfsmittels zur Ausrichtung des Sensors.
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Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Skizze mit einem Ausführungsbeispiel, bei dem an einem Silo 102 Sensoren 100, 101, z.B. für eine Mikrowellenschranke zur Füllstandmessung oder Grenzwertmessung, angebracht werden. Bei der Montage sollen die Sensoren 100, 101 genau gegenüberliegend, d.h. auf gleicher Höhe, an der äußeren Silowand angebracht werden. Zur Montage weist die Silowand mehrere Montageöffnungen auf. Die Montageöffnung ist zum Beispiel länglich als Spalt ausgebildet, oder es sind mehrere Montageöffnungen vorhanden. Wird ein erster Sensor 100 auf einer Seite angebracht, kann dieser von einer Montageöffnung auf der gegenüberliegenden Seite aus anvisiert werden. Die Montagehöhe des zweiten Sensors 101 kann nun durch einen Blick durch die Montageöffnung auf das optische Mittel, beispielsweise ein Moire-Muster, ermittelt werden. Ist die anfängliche Betrachterposition, bzw. in diesem Beispiel die Höhe, nicht korrekt, wird als beobachtetes Moire-Muster beispielsweise ein Pfeil nach oben oder unten wahrgenommen werden. Wird die Betrachterposition nun entsprechend der Anzeige so lange nach oben oder unten geändert, bis kein Pfeil mehr zu sehen ist, ist die richtige Höhe bestimmt, an der der zweite Sensor 101 montiert wird. Dies ist beispielsweise erfüllt, wenn der Höhenunterschied kleiner als 1/20 des Durchmessers d des Silos 102 ist, entsprechend einem Winkel von +/- 5°.
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2 zeigt eine Grafik zur Erläuterung des Moire-Effekts. In dem Beispiel sind zwei Lagen 202, 204 mit jeweils senkrecht aufeinander stehenden Linien als Muster skizziert, die für ein optisches Mittel verwendet werden könnten. Werden diese Muster übereinandergelegt, entsteht das Muster 206. Das heißt, beim verdrehten Übereinanderlegen erhält man ein Muster, das sich von den einzelnen Mustern deutlich unterscheidet. Der gleiche Effekt entsteht, wenn ein Abstand zwischen den Lagen vorhanden ist und die Muster entweder unterschiedlich sind und/oder bei unterschiedlichen Betrachterpositionen. Bei geschickter Wahl der einzelnen Muster kann von einer Fehlposition aus eine Pfeilform dargestellt werden, die die Richtung anzeigt, in die sich ein Betrachter bewegen muss, um zur gewünschten Sollposition zu gelangen. Analog kann auch das Muster z.B. aus der Ebene der Lagen herausgedreht werden, so dass das beobachtete Moire-Muster eine Verdrehung anzeigt.
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In den 3a bis 3c werden beispielhaft Skizzen mit einem Sensor 100 und optischen Mitteln 304 gezeigt. Die Augen 302 stellen Betrachterpositionen dar.
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3a zeigt eine Skizze mit einer ersten Anordnung, bei der das optische Mittel an einer seitlichen Oberfläche des Sensors 100 angebracht ist.
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3b zeigt eine Skizze mit einer Montageanordnung 350 bei der ein optisches Mittel auf einem Montagehilfsmittel 300 und ein weiteres auf der Sensoroberseite angebracht ist.
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3c zeigt eine Skizze mit einer dritten Anordnung eines optischen Mittels 304, bei der das optische Mittel auf der Unterseite eines Gewindestabs des Sensors 100 angebracht ist.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zur Montage eines Sensors 100 oder eines Hilfsmittels zur Ausrichtung des Sensors mit den Schritten: Anbringen 402 eines optischen Mittels 304 auf dem Sensor, Erhalten 404 einer Richtungsinformation bezüglich der Ausrichtung des Sensors 100, und Ausrichten 406 des Sensors 100 visuell mittels des optischen Mittels 304 gemäß der erhaltenen Richtungsinformation.
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Die Erfindung ermöglicht ein Ausrichten des Sensors 100 ohne Spannungsversorgung und ohne zusätzliche Sensoren oder spezielle Hilfsmittel. Die optischen Mittel 304 können in die Antenne integriert werden, und/oder im oder am Gehäuse angebracht werden. Weiterhin erlaubt die Erfindung eine einfache Ausrichtung durch sichtbare Hinweise ob und Ausführungsformen in welche Richtung der Sensor 100 bewegt werden muss um ideal ausgerichtet zu sein. Hierdurch ist auch zu jeder Zeit eine Qualitätssicherung möglich, bei der quasi im Vorbeigehen durch Betrachtung des Sensors 100 aus einer speziellen Position festgestellt werden kann, ob sich der Sensor 100 in der geforderten Lage und/oder Position befindet.
