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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Vermessung von Schüttgütern. Insbesondere betrifft die Erfindung einen freigrabenden Schüttgutsensor, ein Messverfahren zum Bestimmen eines Füllstands oder eines Volumens eines Schüttguts in einem Behälter, ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
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Technischer Hintergrund
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Für die Vermessung von Schüttgütern, und insbesondere für die Bestimmung der Volumina, Oberflächentopologien, Füllstände oder Massen der Schüttgüter werden die hierfür verwendeten Sensoren manuell an der Messstelle befestigt. Zur Verwendung kommen insbesondere freistrahlende Messgeräte, beispielsweise Füllstandradarsensoren, welche die Oberfläche des Schüttguts abscannen können, um aus den gewonnenen Messdaten die Oberflächentopologie der Schüttgutoberfläche und daraus dann den Füllstand oder das Volumen des Schüttguts zu bestimmen. Auch können Messsysteme eingesetzt werden, die ein Lotverfahren mit Seilzug verwenden.
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Zusammenfassung
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen alternativen Schüttgutsensor bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen.
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen freigrabenden Schüttgutsensor, der zur Bestimmung eines Füllstands und/oder eines Volumens eines Schüttguts in einem Behälter eingerichtet ist. Er weist eine erste Sensoreinheit auf, die eingerichtet ist zur Abstrahlung eines ersten Messsignals, beispielsweise von der Oberfläche des Schüttguts nach oben, in vertikale Richtung hin zur Behälterdecke, zur Bestimmung des Abstands der Schüttgutoberfläche zur Behälterdecke. Alternativ kann die erste Sensoreinheit eingerichtet sein, die Oberfläche des Schüttguts durch Triangulation zu erfassen. So kann es sich bei der ersten Sensoreinheit beispielsweise um ein Radarmodul oder ein Trackingmodul zur Positionserkennung handeln.
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Der freigrabende Schüttgutsensor weist darüber hinaus eine Aktuatoreinheit auf, die eingerichtet ist zur Bewegung des freigrabenden Schüttgutsensors entlang der Schüttgutoberfläche, also auf der Schüttgutoberfläche.
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Diese Bewegung kann beispielsweise durch einen raupenartigen oder kettenartigen Antrieb erreicht werden. Alternative Antriebe sind jedoch ebenfalls möglich und vorgesehen. Der Begriff „Aktuatoreinheit“ ist breit auszulegen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der freigrabende Schüttgutsensor darüber hinaus eine zweite Sensoreinheit auf, die eingerichtet ist zur Abstrahlung eines Messsignals von der Oberfläche des Schüttguts seitlich, in horizontale Richtung hin zur Behälterwand, zur Bestimmung des Abstands des freigrabenden Schüttgutsensors von der Behälterwand.
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Insbesondere kann der freigrabende Schüttgutsensor einen Neigungssensor und/oder einen Positionssensor aufweisen, um seine Position im Behälter und seine Neigung zu bestimmen. Dies ermöglicht auch eine möglichst genaue Bestimmung des Abstands des Schüttgutsensors von der Behälterwand sowie zur Behälterdecke, auch wenn der Sensor schräg steht.
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Die Aktuatoreinheit kann insbesondere eingerichtet ist, den freigrabenden Schüttgutsensor über die gesamte Schüttgutoberfläche zu bewegen und somit die Schüttgutoberfläche abzuwandern. Während dieses Scans werden laufend Messdaten erfasst, insbesondere in vertikale Richtung. Gleichzeitig werden die Positionsdaten des Schüttgutsensors erfasst, so dass die Steuereinheit den Füllstand beziehungsweise das Volumen des Schüttguts aus den während dem Abwandern der Schüttgutoberfläche von der ersten Sensoreinheit und, gegebenenfalls, auch von der zweiten Sensoreinheit gewonnenen Messdaten bestimmen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Aktuatoreinheit eingerichtet, den freigrabenden Schüttgutsensor um eine vertikale Achse auf der Schüttgutoberfläche zu drehen.
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Auch kann die Aktuatoreinheit eingerichtet sein, den freigrabenden Schüttgutsensor nach oben zu bewegen, wenn er vom Schüttgut bedeckt ist, und ihn somit freizugraben. Dies ist sehr vorteilhaft, wenn der Behälter neu befüllt wird und der freigrabende Schüttgutsensor vom Füllgut bedeckt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Aktuatoreinheit einen Kettenantrieb, Riemenantrieb, Radantrieb oder Paddelantrieb auf. Es können aber auch andere Antriebe vorgesehen sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, den höchsten Punkt der Schüttgutoberfläche zu bestimmen und den freigrabenden Schüttgutsensor dann dorthin zu bewegen.
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Dieser höchste Ort kann dann dazu verwendet werden, Behälterabmessungen durch horizontale und/oder vertikale Messungen zu bestimmen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung eingerichtet, den Durchmesser, die Grundfläche und/oder die Höhe des Behälters aus den während dem Abwandern der Schüttgutoberfläche von der ersten Sensoreinheit und/oder der zweiten Sensoreinheit gewonnenen Messdaten zu bestimmen.
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Der freigrabende Schüttgutsensor kann insbesondere ein geschlossenes Gehäuse aufweisen, beispielsweise aus Kunststoff, in dem sich die erste Sensoreinheit und/oder die zweite Sensoreinheit befindet. Das Gehäuse kann so ausgebildet bzw. konstruiert sein, dass möglichst keine Füllgutrückstände im Bereich der Antennen anhaften bleiben (z.B. kegelförmig). Die Aktuatoreinheit kann außerhalb am Gehäuse befestigt sein und gegebenenfalls über einen eigenen Energiespeicher verfügen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Messverfahren zum Bestimmen eines Füllstands oder eines Volumens eines Schüttguts in einem Behälter, bei dem ein erstes Messsignal von der Oberfläche des Schüttguts nach oben, vertikal in Richtung der Behälterdecke abgestrahlt wird, um den Abstand der Schüttgutoberfläche zur Behälterdecke zu bestimmen.
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Dies erfolgt durch einen freigrabenden Schüttgutsensor, der sich entlang der Oberfläche des Schüttguts bewegen kann. Daraufhin bewegt sich der freigrabende Schüttgutsensor entlang der Schüttgutoberfläche mithilfe einer Aktuatoreinheit, um somit die Schüttgutoberfläche abzuwandern. Während dieser Wanderungen finden immer wieder weitere Messungen statt, insbesondere in vertikale Richtung, um den Abstand zur Behälterdecke zu bestimmen. Auch können horizontale Messungen erfolgen, um den Abstand zur Behälterwand zu bestimmen. Aus diesen Messungen bestimmt dann eine Steuereinheit den Füllstand oder das Volumen des Schüttguts.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einer Steuereinheit eines freigrabenden Schüttgutsensors ausgeführt wird, den freigrabenden Schüttgutsensor anleitet, die oben und im Folgenden beschriebene Schritte durchzuführen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein oben beschriebenes Programmelement gespeichert ist.
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Im Folgenden werden mit Verweis auf die Figuren Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Behälter mit einem Schüttgut und einem darin angeordneten freigrabenden Schüttgutsensor gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt den Behälter der 1 mit freigegrabenem Schüttgutsensor.
- 3 zeigt eine Detailansicht eines freigrabenden Schüttgutsensors gemäß einer Ausführungsform.
- 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt einen Behälter 110 mit einem darin gespeicherten Schüttgut 111. Da das Schüttgut durch den Behälterstutzen 114 nachgefüllt wurde, ist der freigrabende Schüttgutsensor 100 verschüttet. Es hat sich auf der Schüttgutoberfläche 112 ein Schüttkegel gebildet und der freigrabende Schüttgutsensor 100 wird nun seine Aktuatoreinheit 103 (vgl. 3) aktivieren, um sich zur Sollposition zu bewegen, also zur Spitze des Schüttkegels.
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2 zeigt das Ergebnis dieses Freigrabe- und Wanderprozesses. Der freigrabende Schüttgutsensor 100 befindet sich nun auf dem obersten Punkt des Schüttkegels und beginnt nun mit seiner Sensoreinheit, ein erstes Messsignal von der Oberfläche des Schüttguts nach oben, vertikal in Richtung der Behälterwandung 113 zur Bestimmung des Abstands der Schüttgutoberfläche zur Behälterdecke abzustrahlen. Gleichzeitig oder zeitlich versetzt wird durch die zweite Sensoreinheit ein zweites Messsignal horizontal in Richtung der Behälterwand zur Bestimmung des Abstands des freigrabenden Schüttgutsensors von der Behälterwand abgestrahlt. Das erste Messsignal ist mit Bezugszeichen 120 bezeichnet und das zweite Messsignal mit Bezugszeichen 121.
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Der freigrabende Schüttgutsensor 100 kann einfach und schnell in verschiedene Behälter eingebracht werden. Der Sensor weist seitliche Sensoren (zweite Sensoreinheit 102) auf, die horizontal die seitlichen Abstände zwischen ihm und der Behälterwand erfassen, so dass sich das Volumen des Schüttguts im Behälter bestimmen lässt. 3 zeigt eine Detailansicht des freigrabenden Schüttgutsensors 100, in dessen Inneren sich Sensoreinheit 101 und die zweite Sensoreinheit 102 befinden. Beide Sensoreinheiten sind an die Steuereinheit 104 angeschlossen. Die Aktuatoreinheit 103 weist eine Mehrzahl an Kettenantrieben auf, die sich einzeln bewegen lassen, um Bewegungen in alle Richtungen sowie Drehungen des freigrabenden Schüttgutsensors zu ermöglichen.
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Über eine automatisch berechnete Linearisierung kann der korrespondierende Füllstand angezeigt und per Funk an eine externe Steuerstelle übermittelt werden. Der Begriff „Linearisierung“ bezeichnet hierbei eine Art Eichung, also eine Korrelation des Füllstands/des Volumens mit den Messwerten und den Behälterabmessungen.
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Bei den Sensoreinheiten 101, 102 handelt es sich beispielsweise um Radarsensoreinheiten. Allgemein handelt es sich um kontaktlose, freistrahlende Abstandsmessungen, beispielsweise mittels Radar, Ultraschall oder Licht, in vertikale und/oder horizontale Richtung.
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Wird der Sensor zum Beispiel beim Befüllen mit Schüttgut bedeckt, gräbt er sich selbstständig wieder an die Oberfläche frei. Der Sensor kann die Oberfläche (Schüttkegel) des Füllguts abwandern und somit ein entsprechendes 3D-Abbild der Schüttgutoberfläche erfassen. Der Sensor misst durch einen oder mehrere seitliche Sensoreinheiten 102 die horizontalen Abstände zur Behälterwand. Hierbei sucht er sich den höchsten Punkt des Schüttkegels. Da sich der Sensor um die eigene Achse drehen kann, können mit der horizontalen Sensoreinheit die Abstände zur Behälterwand in jede Richtung gemessen werden.
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Mittels der Bestimmung der seitlichen Abstände kann das Volumen des Schüttguts automatisch berechnet werden. Die Behälterhöhe kann beispielsweise vom Benutzer eingegeben werden oder wird mittels eines Leerabgleichs vom freigrabenden Schüttgutsensor selbst erfasst. Die Behälterdimensionen (Höhe, Durchmesser, Grundfläche) können im Vorfeld eingegeben und/oder komplett selbstständig vom Schüttgutsensor erfasst werden.
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In einem einfachen Fall ist nur ein Parameter notwendig, der vom Benutzer eingegeben werden muss, um eine grundlegende Füllstandberechnung/Linearisierung durchzuführen, nämlich die Höhe des Behälters oder die Kennnummer eines genormten bekannten Behälters.
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Die Radar-Sensoreinheit 101, 102 innerhalb des freigrabenden Schüttgutsensors 100 ist so ausgestaltet, dass die vertikale Messung immer automatisch lotrecht erfolgt und die Sensoreinheit zur horizontalen, waagerechten Abstandsmessung einfach gedreht werden kann. In diesem Fall sind keine zwei getrennten Sensoreinheiten 101, 102 notwendig. Vielmehr reicht eine Sensoreinheit, deren Messrichtung geändert werden kann.
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Der freigrabende Schüttgutsensor 100 hat ein entsprechend stabiles Gehäuse, um sich vor mechanischen Beschädigungen und Belastungen zu schützen. Die Gehäusegeometrie kann so gewählt werden, dass sie ein möglichst einfaches, reibungsarmes Ausgraben begünstigt. Beispielsweise kann das Gehäuse oval oder kugelförmig sein, oder zumindest gebogene, gewölbte oder spitz zulaufende Abschnitte aufweisen, insbesondere im Deckenbereich des Gehäuses.
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Der freigrabende Schüttgutsensor 100 kann mittels der Aktuatoreinheit 103, die beispielsweise in Form eines Paddels oder eines Kettenantriebs ausgeführt ist, bewegt, gedreht und/oder positioniert werden. Dieser Antriebe können auch so ausgeführt sein, dass der Schüttgutsensor zum Beispiel über ein mobiles Endgerät (Smartphone, Tablett, Laptop) ferngesteuert bewegt werden kann, um die Wiederentnahme aus dem Behälter zu vereinfachen. Der freigrabende Schüttgutsensor 100 kann über eine weitere Sensorik (z.B. kapazitiv oder akustisch) erkennen verfügen, um zu erkennen, ob gerade befüllt wird, so dass er sich dann selbstständig an eine sicherere Stelle bewegen kann, um das Risiko einer kompletten Verschüttung zu reduzieren.
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Über diese Bewegung kann auch das Profil der Behälterdecke und/oder andere Einbauten erfasst und berücksichtigt werden. Insbesondere ist eine Lagekorrektur möglich, zum Beispiel bei Erkennung von störenden Einbauten, wie zum Beispiel Einfüllstützen.
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Der freigrabende Schüttgutsensor 100 kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn ein Sensor ansonsten an einer schwer zugänglichen Stelle montiert werden müsste. Dies bietet sich insbesondere bei hohen Behältern oder engen Schächten an.
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Der freigrabende Schüttgutsensor kann insbesondere bei wechselnden Behältern mit unterschiedlichen Höhen und Abmessungen eingesetzt werden. Es kann vorgesehen sein, dass der Schüttgutsensor 100 autark ist und über einen integrierten Energiespeicher versorgt wird.
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Der Schüttgutsensor kann für ganz verschiedene Behälter eingesetzt werden und ist nicht abhängig von Montageöffnungen oder die Beschaffenheit der Behälteroberfläche, an der unter Umständen kein Sensor angeklebt werden kann. Er ist montagefrei, werkzeuglos und schnell wechselbar einsetzbar.
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Er kann über ein Drahtlosmodul verfügen, über das er Daten über Funk (NB-IOT, LoRa-WAN, BT usw.) versenden kann.
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Nach einer vollständigen Füllung oder Leerung des Behälters hat der Schüttgutsensor 100 ein vollständiges Abbild der Messstelle erfolgt. Mithilfe maschinellen Lernens oder künstlicher Intelligenz kann der Sensor ein Abbild des Behälters erzeugen.
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Die vertikal messende erste Sensoreinheit 101 kann direkt auf der Antriebsvorrichtung oder darüber frei ausrichtend, zum Beispiel lotrecht, montiert sein. Auch eine Erfassung zusätzlicher Parameter, wie Temperatur, Feuchte etc., kann mittels geeigneter Sensoren vorgesehen sein.
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4 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen eines Füllstands und/oder eines Volumens eines Schüttguts in einem Behälter. In Schritt 401 erfolgt ein sogenannter Autoabgleich. In Schritt 402 überprüft der Schüttgutsensor, ob die Daten über die Behälterhöhe vorhanden sind. Ist dies der Fall, springt das Verfahren zu Schritt 405. Ist die Behälterhöhe unbekannt, erfolgt in Schritt 403 ein Leerabgleich (bei leerem Behälter), um die maximale vertikale Distanz im Behälter (also die Höhe) zu messen. In Schritt 404 wird nun festgestellt, ob der Leerabgleich auch durchgeführt wurde. Ist dies nicht der Fall, springt das Verfahren zurück zu Schritt 403. Ist dies der Fall, erfolgt Schritt 405, nämlich der Start einer horizontalen Abstandmessung. In Schritt 406 werden mehrere horizontale Abstände gemessen und gespeichert und in Schritt 407 erfolgt die Berechnung der Grundfläche des Behälters. In Schritt 408 wird das Behältervolumen berechnet und in Schritt 409 wird eine erste „Linearisierung“ erstellt. In Schritt 410 geht dann der freigrabende Schüttgutsensor in seinen Normalbetrieb über, indem er insbesondere vertikale Messsignale an verschiedenen Punkten der Schüttgutoberfläche abstrahlt, um so die Schüttgutoberfläche abzuwandern und abzuscannen, um den Füllstand beziehungsweise das Volumen des Schüttguts zu berechnen.
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Das in 4 dargestellte Verfahren eignet sich zur automatischen Vermessung des Behälters und zur Erstellung eines passenden Abgleichs/einer passenden Linearisierung.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
