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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Füllstandsanzeige für einen
Fangkorb eines/r Mähers/Mähmaschine
oder eines/r Mähgutsammlers/Rasenkehrmaschine.
Der Begriff Fangkorb steht stellvertretend für Ablegevorrichtung, Auffangbehälter, Fänger, Fangbehälter, -sack,
-vorrichtung, Grasauffangbox, -aufnahmeeinheit, -behälter, -fänger, --sack,
Grasfangbehälter,
--box, --container, --einrichtung, --korb, --sack --vorrichtung,
Grasladevorrichtung, -sammelbehälter,
--system, Mähgutsammelbehälter, Sammelbehälter, -vorrichtung,
Schnittgutladegerät.
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Auf
großen
Rasenflächen,
wie z.B. Parkanlagen, Golfplätzen,
etc., kommen zur Rasenpflege verschiedene professionelle Mäher, wie
z. B. Frontsichelmäher,
Großflächenmäher, Schlegelmäher, Seitenschlegelmäher, Sichelmäher, etc.,
zum Einsatz. Entsprechend werden auch Einrichtungen benötigt, das
Mähgut,
welches bei einigen Fahrzeugen bereits vorbereitet transportiert
wird, aufzulesen und zu sammeln. Bei diesen Geräten handelt es sich meist um Anbau-/Zusatzgeräte, deren
Hersteller nicht zwingend auch der Träger- oder Zugfahrzeug-Hersteller sein
muß.
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Unterschieden
wird zwischen Mähern
mit Sauggerät
und Fangkorb und Laub- oder Mähgutsammlern,
die über
keine Mäheinrichtung
verfügen.
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Für diesen
Zweck wurden Sauggeräte,
wie Rasen- und Laubsauggeräte,
entwickelt, die als selbständiges
Maschinenteil an das Fahrzeug gekoppelt werden oder auch bereits
an das, mit dem Mäher
verbundene Fahrzeug angeschlossen werden. Diese Geräte sind
als Aufbausauger, Frontabsauger, Gras- und Laubsauger, Laub- und
Rasensauggerät,
etc. bekannt.
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Derartige
Geräte
bestehen, je nach Größe mit oder
ohne Fahrwerk, beispielhaft aus
- – einem
großen
Fangkorb aus Stahlblech mit Rost- und Grassäure-Schutzlackierung oder aus Kunststoff,
angehängt
- – gesteuerter
oder ungesteuerter Entleerungsmechanik/Behälteröffnung
- – unterschiedlichen
Anbauvarianten an das Zugfahrzeug
– 3-Punkt-Anbau
– Zugdeichsel-Anbau
– Anbau über Festplatte
- – Hochleistungs-Absaugturbine/Gebläse mit
– fester
Rohr- oder Schlauchverbindung zum Auffang-Behälter
– bewegliche Schlauchverbindung
zur Saug- oder Mäheinrichtung
– Absaugung
für Front-
oder Zwischenachsmäher
– Verschließblech zum
Schutz vor Fremdkörpern und
sandigem Boden
- – Turbinenantriebssatz über Gelenk-/Zapfwelle oder
Motor, ca. 500 U/min ... 1.000 U/min
- – Kehrsaugdüse für Laubbeseitigung
auf Hartflächen
- – Abstellstützen oder
Abstellräder.
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Verständlich ist
sicher auch, daß das
Saug- und Sammelgut nicht nur aus geschnittenem Gras, Heu oder Laub
besteht, sondern daß auch
diverse Hartgegenstände über die/das
Turbine/Gebläse
angesaugt werden, wie z.B. kleine Steine oder Sand/ Kies.
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Derartige
Fahrzeuge, Mäher – als Front- oder
Zwischenachsmäher – oder Mähgutsammler, sind
so aufgebaut, daß sich
das Mähwerk
vor oder unter der/dem Fahrzeugkabine/Fahrer befindet und der Fangkorb
stets hinter Fahrzeugkabine oder Fahrer angeordnet ist, so daß der Fahrer
keinen direkten Sichtkontakt – außer über den
rückwärtsweisenden Spiegel – zu dem
Fangkorb hat. Das gilt auch für
das Rasensauggerät
mit Fahrwerk als selbständiges
Anhängeteil
für Traktoren.
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Da
die Fangkörbe
meist Ganzstahlkonstruktionen darstellen, bleibt somit dem Fahrer
die Sicht auf Fangkorb – aber
noch viel bedeutsamer – die Sicht
auf den Inhalt bzw. den Füllstand
verwehrt.
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Im
folgenden wird der Stand der Technik von Mähern und Mähgutsammlern oder artverwandten Geräten bezogen
auf Fangkorb-Füllstandsmessungen
und -anzeigen gewürdigt.
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Die
deutsche Patentschrift
DE 69 03
10 offenbart eine Mähmaschine
mit einem Mähgutsammler,
der am Fahrgestell des Antriebsfahrzeugs angehängt ist und über ein
Rad gegen den Boden abgestützt
ist. Mähgutsammler
werden als vierrädrige Kästen ausgebildet,
die in der Längsrichtung schwenkbar
mit dem Fahrgestell der Mähmaschine verbunden
sind. Bekannt sind auch an Grasmähmaschinen
angeordnete Ablegevorrichtungen, die im wesentlichen aus zwei im
rechten Winkel zueinander verlaufenden Fördertüchern bestehen, die von einem Rahmen
getragen werden, dessen Teile lose ineinandergepaßt sind.
Beim Mähen
wird das Mähgut
von dem Schneidwerk durch den Aufwärtsförderer in den Mähgutsammelkasten
gefördert
und bleibt hier zunächst
auf dem im allgemeinen in Ruhelage befindlichen Querfördertuch
liegen.
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Über den
Füllstand
des Mähgutsammelkastens
bzw. über
die Messung und Anzeige desselben wird in der Schrift keine Aussage
gemacht.
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Die
deutsche Offenlegung
DE 24 58
571 Behälter-Füllstandsanzeige
für landwirtschaftliche Schüttgüter" ordnet im Schüttgutbehälter einen
sich über
die maximale Füllhöhe erstreckenden,
druckempfindlichen Fühlstab – vorzugsweise
einen unter geeignetem leichten Vordruck stehenden Meßschlauch – an, der
mit einem Anzeigeteil in Verbindung steht.
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Anwendungsbezug
ist ein mit Getreide gefüllter
Korntank bei Mähdreschern;
wegen des geringen spezifischen Gewichts entfällt die Anwendung für Mäh- oder
Lesegut, wie Grünschnitt
oder Laub.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE
30 39 569 beschreibt eine Warnanlage für die Überwachung des Korntankfüllzustands
an Mähdreschern, die
aus einem nicht näher
definierten Soll-Zustandsfühler
besteht, der einen Warnschalter schließt, der mit einem Warnlöschschalter
in Reihe geschaltet ist, in dessen Steuerkreis ein Warnquittierschalter
angeordnet ist.
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Eine
derartige Sicherheitsmaßnahme
ist für den
Betrieb eines Mähers
oder Mähgutsammlers nicht
erforderlich.
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Die
deutsche Offenlegungschrift
DE
27 26 467 schlägt
in einer artverwandten Einrichtung vor, in den Strömungsweg
der Saugluft zwischen Staubfilter und Gebläse einen temperaturabhängigen Widerstand – Heiß- oder
Kaltleiter, mit negativem oder positivem Temperaturkoeffizienten – einzubringen,
dessen verstärktes
Ausgangssignal je nach Füllzustand optisch
oder akustisch zur Anzeige gebracht wird.
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Die
Anmeldung scheint in der dargestellten Form insofern problematisch,
als eine Temperaturkompensation zwischen Maschinenerwärmung, Innen-
und Außen-Raumlufttemperatur
nicht erkennbar ist.
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Die
deutsche Patentschrift
DE 29
00 433 offenbart die Realisierung einer optischen Füllstandsanzeige
einer artverwandten Einrichtung. Mithilfe einer Lichtquelle und
eines Lichtleiters wird der Ansaugstutzen auf Durchlaß gemessen.
Die volumetrische Füllung,
die keinen Unterdruck/Druckdifferenz bewirkt, wird über einen
unterbrochenen Strahlengang Lichtquelle – Sichtscheibe – Ansaugstutzen – Sichtscheibe – Lichtleiter
angezeigt, während
die Porenverstopfung des Staubbeutels/'Fangkorb' eine Druckdifferenz zwischen Innen-
und Außendruck
ergibt, die eine Membran und einen Hebel mit aufgesetztem Farbfilter
in den obigen Strahlengang schiebt.
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Die
Funktionsweise der Einrichtung ist auch hier vom Verschmutzungsgrad
der Sichtscheiben und der Materialermüdung Membran/Farbfilter-Hebel abhängig.
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Die
deutsche Offenlegung
DE 30 41
005 beschreibt eine mechanisch gesteuerte Füllstandsanzeige
bei einer artverwandten Applikation. Ein Saugmotor erzeugt im eingeschalteten
Zustand einen füllstandsabhängigen Luftdruck,
der – einer/m
Membran/Antrieb zugeführt – diese über ein
Getriebe auf einen drehbaren Anzeigeteller wirken läßt. Ein
weiterer Klinkenmechanismus verhindert bei abgeschaltetem Saugmotor
einerseits, daß der
Anzeigeteller in seine Nullstellung zurückspringt, und sorgt andererseits
dafür,
daß – bei Füllstand 'Voll" und nach Deckelöffnung – die mechanische
Füllstandsanzeige wieder
zurückgesetzt
wird.
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Die
Füllstandsanzeige
ist mit einem mechanischen Antrieb sehr aufwendig gestaltet – ca. 20
Teile herzustellen und zu montieren – und – da der Einbauort nicht erkennbar
ist – ggfs.
empfindlich gegen Verschmutzung. Wird zwischen Deckelöffnung und –schließung kein
leerer Füllstand
hergestellt, zeigt der Anzeigeteller 'Leer',
der Füllstand
ist aber 'Voll'.
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Die
Funktion einer Füllstandsanzeige
eines Naß-Saugreinigungsgeräts wird
in der deutschen Offenlegung
DE
31 30 456 vorgestellt. Ein Sauggebläse saugt verschmutzte, nasse
Außenluft über ein
Saugrohr in einen Schmutzwasser-Sammelbehälter, dessen Füllhöhe ein Schwimmer
mit Ventil markiert, welches auf einen Absaugkanal mit dem Gebläse wirkt, der
mit einer Druckmeßeinrichtung
ausgestattet ist. Bei maximalem Füllstand schließt das Schwimmerventil
den Absaugkanal, der Unterdruck im Absaugkanal steigt, die Druckmeßeinrichtung
schaltet das Gebläse
aus und gibt ein optisches und/oder akustisches Signal.
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Nachteilig
gestalten sich die beiden zwei Messungen: Füllstand wirkt auf Schwimmer/Flüssigkeit
und Schwimmerventil wirkt auf Abluftkanal/Luftdruck; bei Schwimmer-Defekt
läuft Sauggebläse dennoch
voll Schmutzwasser.
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In
der deutschen Patentschrift
DE
38 14 119 /der europäischen
Anmeldung
EP 339226 /der österreichischen
Anmeldung AT 61 199 wird vorgeschlagen, für den Bediener sichtbare Oberflächenteile
des transparenten Fangkorbs als Oberflächenteile höheren Luftdurchlaßwiderstands
verschiedener Formgebung auszuführen,
mit dem Ziel, daß bei niedrigem
Füllstand
des Fangkorbs bzw. hoher Luftdurchsatz sich diese Teile in der ihnen
eigenen Formgebung aufrichten bzw. -blähen.
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Bei
Anordnungen dieser Art ist die Funktionsweise stark vom Verschmutzungsgrad
abhängig; auf
Dauer verdichten feuchte, klebrige und durch den Luftstrom beförderte Mähreste die
Luftaustrittslöcher.
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Das
deutsche Gebrauchsmuster
DE 91
11 827 schlägt
am Beispiel eines Aufsitz-Front-
oder eines -Zwischenachsmähers – je mit
einer Sammelgutleitung ausgestattet – vor, den Füllzustand
des Fangkorbs/Sammelbehälters
anhand einer in Fahrerhöhe als
Sehöffnung
zum Leitungsinneren angebrachten Aussparung oder eines Durchbruchs
derart zu überwachen,
daß die
Bedienperson beobachtetes, bewegtes Mäh- oder Sammelgut als nicht gefüllten Fangkorb/Sammelbehälter oder
nicht verstopfte Sammelgutleitung interpretiert.
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Die
eine vorgeschlagene Aussparung/Durchbruch reichen für die Sichtbarmachung bewegten
Mähguts
kaum aus, zumal der Betrachter vom Hellen ins Dunkel schaut; vielleicht
hilft eine zusätzliche,
zweite Aussparung/Durchbruch. Da auch kleine Schmutzpartikel/Sand
mit angesaugt und befördert
werden, dürfte
die Innenseite der transparenten Aussparungsabdeckung binnen kurzem 'gesandstrahlt' und damit sichtbar
taub sein, auch wenn sie innenseitig durch ein Ablenkblech (Verwirbelung)
geschützt
ist.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE 42
32 198 sieht oberhalb des Fangkorbs eines Aufsitzrasenmähers am
Ende des Auslaßrohrs
eine Lichtschranke sichtbaren Lichts sowie die entsprechende Beschattung
vor, unabhängig
von der Beschaffenheit des Mähguts.
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Nachteilig
könnte
sich der Verschmutzungsgrad hier in den vertieften Einlässen der
Lichtsensorik bemerkbar machen. Auch das vorgeschaltete transparente
Fenster wird nicht verhindern können, daß die Amplitude
der Lichtquelle (Lampendefekt wegen Überspannung) oder die Sensivität des Empfängers (Übersteuerung)
nachgeführt
werden müssen.
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Die
deutsche Anmeldung
DE 37 18 096 /die europäische Patentanmeldung
EP 292 969 offenbart einen
Hand-Rasenmäher
mit einhängbarem
Fangkorb, in dessen Mundstück/Boden
eine elektrischer Füllstandssensor – als Widerstands-,
kapazitiver, induktiver oder Druck-Sensor ausgebildet – angeordnet
ist. Kontaktiert wird der Sensor über selbstreinigende Kontakte
zwischen Mäher-Chassis
und -Fangkorb. Der Sensor kann auch andernorts positioniert werden,
wie – unter
Verzicht auf die Kontaktierung – auf
Maschinenseite; bei Mähern
mit Verbrennungsmotor ist eine Batteriespeisung für den Sensor
vorgesehen. Die elektrische Leitfähigkeit von Gras ist händisch abgleichbar.
Auch ist statt der elektronischen Füllstandsanzeige eine mechanische
vorgesehen durch schnittgutbeförderte,
außen
sichtbare Fühler.
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Die
Sensorfunktion je Sensortyp ist aus der Anmeldung nicht ersichtlich.
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Die
deutschen Gebrauchsmuster
DE
93 10 940 und
DE 93
12 463 /die europäische
Patentanmeldung
EP 639 321 /die österreichische
Patentschrift AT 166 203 offenbaren eine Vorrichtung zur optischen Anzeige
des Füllstands
im Fangkorb von Rasenmähern
derart, daß eine
an einer, dem Gerätebediener zugewandten
Stelle der Fangkorb-Oberfläche
um eine Luftaustrittsöffnung
herum, in einem rastbaren Rahmen gelagerte Klappe, die im Ruhezustand
des Geräts
nach den Gesetzen der Schwerkraft auf der Oberfläche aufliegt, im Betriebszustand
des Geräts – je nach
Füllstand
des Fangkorbs – proportional
dem austretenden Luftdruck eine, den Füllstand optisch anzeigende
Schwenkstellung einnimmt.
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Der
Anordnung gelangt zum Nachteil, daß sowohl an der Luftaustrittsöffnung als
auch im Lagerspiel – kleine
Kunststoffplatte durch Schwerkraft gehalten – Verschmutzungen die optische
Anzeige verfälschen.
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Ebenfalls
in diese Gattung fallen die beiden älteren englischen Patentschriften
GB 2 101 864 und GB 1 242 515.
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Bei
der zuletzt Genannten befindet sich ebenfalls eine bewegliche Klappe über der
Luftaustrittsöffnung
eines Fangkorbs, wobei eine Siebplatte den oberen Fangkorbraum – und damit
die Meß-
und Anzeigeklappe – von
Verschmutzung freihalten soll. Die erste Veröffentlichung schlägt einen
Schwimmkörper
in einer Luftaustrittsöffnung
vor, der sich nach der Druckdifferenz aus innerem und äußerem Luftdruck
in der Höhe
einstellt. Außerdem
wird in einer zweiten Offenbarung eine vorgespannte, beschriftete Siebmembran
vorgeschlagen, die sich bei Betrieb des Geräts – mit leerem Fangkorb – nach außen, zum
Bediener wölbt.
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In
der deutschen Patentschrift
DE
195 28 580 besteht die Füllstandsanzeigevorrichtung
ebenfalls aus einer luftdruckgesteuerten Klappe, die außerdem als
Schalter ausgebildet ist, der geöffnet
einen elektrischen Kontakt betätigt,
der eine Abschaltung des elektrischen Antriebsaggregat bewirkt.
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In
der internationalen Anmeldung WO 97/5765 wird der Anspruch der obigen
Anmeldung um eine akustische und/oder optische Anzeigevorrichtung
erweitert, um den Grund der Abschaltung erkennbar zu gestalten.
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Für alle Klappenlösungen,
deren Wirkungsweise auf kleinsten mechanischen Kräften beruhen, gilt
das oben Gesagte bezüglich
der Folgen von Verschmutzung.
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Die
Patentschrift
US 3 971 198 stellt
einen Hand-Rasenmäher
vor, in dessen Fangkorbdeckel innen ein durch das/den Mähgut/Luftstrom
angetriebenes Schaufelrad angebracht ist, welches ein außen sichtbares
Anzeigerad treibt. Der Fangkorb-Füllstand 'Voll' wird durch Stillstand
des Anzeigesrads signalisiert.
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Die
Funktionsweise des Schaufelrads wird durch die Verschmutzung im
Innern des Fangkorbs beeinträchtigt,
zumal neben Mähgut
auch Feststoffe in den Fangkorb gelangen.
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In
der Patentschrift
US 5 388 394 wird
ebenfalls eine luftdruckgesteuerte Klappenlösung vorgestellt, angebracht
hinter einer strömungsgeschwindigkeits-
und druckerhöhenden
Verdickung am Auslaßkanal,
Blende, Düse,
Venturidüse,
wobei bei Blende und Düse
Verwirbelungen stattfinden. Bei sich füllendem Fangkorb steigt der
Luftdruck an und öffnet die
mit 'Voll' beschriftete, die
dann sichtbar werdende Ventilklappe, ähnlich einem ausblasenden Sicherheitsventil
arbeitend.
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In
der Patentschrift
US 5 775 077 ist
die Klappe durch eine luftdruckabhängige Membrane ersetzt; bei
steigendem Druck wirkt die Membranausdehnung auf einen Mikroschalter,
der einer akustischen oder optischen Anzeige dient oder auch das Gebläse stillsetzen
kann.
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Ein
Schalter – es
sei denn, er hat mehrere Schaltstellungen – kann stets nur einen Zustand
anzeigen, 'Leer' oder 'Voll', Anzeigen von Zwischenzuständen ist
nicht möglich.
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Die
europäische
Anmeldung
EP 754 402 beschreibt
eine Aufsitz-Mähmaschine,
wobei das Mähwerk über einen
Auslaßkanal
mit einem händisch
zu öffnenden
Fangkorb verbunden ist; der Auslaßkanal endet an der oberen
Innenseite des Fangkorbs. Unterhalb des Fangkorb-Einlasses ist ein
nicht näher definierter,
höhenverstellbarer
Sensor angebracht, der durch Abschaltung des Mähers bzw. des Zusatzgebläses oder
mittels einer akustischen oder optischen Anzeige verhindert, daß weiteres
Mähgut oberhalb
des Sensors in den Fangkorb gelangt bzw. das Mähgut einen Rückstau im
Auslaßkanal
verursacht.
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Eine
erfindungsgemäße Beschreibung
der Arbeitsweise des Sensors wird nicht gegeben.
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Die
europäische
Anmeldung
EP 1 275 289 offenbart
eine Vorrichtung zur Anzeige des Füllstands im Fangkorb eines
Rasentraktors mit Mähwerk.
Als Vorteil dieser Einrichtung wird angegeben, daß nicht
nur die beiden extremen Füllstände angezeigt
werden, sondern über
eine druckführende
Leitung aus dem Auslaßkanal,
die in den ersten Hohlraum zweier durch eine Membrane geteilte,
durch ineinander gesteckte, federnd gelagerte Zylinder gebildete
Räume führt, wobei
die Membrane einen Anzeigering trägt, der auf die Skala des äußeren, transparenten
Zylinders weist und den Füllstand
des Fangkorbs anzeigt. Bei sich füllendem bis vollen Fangkorb steigt
der Luftdruck des ersten, zylinderförmigen Hohlraums an und drückt die
Membrane bis Anschlag 'Voll' zusammen.
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Nachteilig
wirkt sich bei dieser pneumatischen Füllstandsanzeige aus, daß die druckführende Luftleitung
und damit der erste Hohlraum sich mit aufgesaugten Schmutzpartikeln
füllt und
das Volumen desselben verkleinert, was zwangsläufig zu Fehlanzeigen führen muß.
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Alle
vorgestellten Veröffentlichungen
eignen sich – wie
oben angegeben – nur
bedingt oder unter ganz bestimmten Voraussetzungen als Füllstandsanzeige
für Fangkörbe von
Mähern
oder Mähgutsammlern.
Allen auf Druckdifferenz basierenden Klappenlösungen und 'nur' anzeigenden
Lösungen
gereicht zum Nachteil, daß sie
keine weitergehende Wirkung auf das Antriebsaggregat haben; in einer
Veröffentlichung
muß das
optische/akustische Signal vom Bediener quittiert werden. Allen
mit mechanischen Anteilen verbundenen Lösungen haftet das Problem der die
Wirkung beeinträchtigenden
Verschmutzung bis zur Blockade des Antriebsaggregats und damit der Instandhaltung/Wartung
an.
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Die
vorgetragenen Sensorlösungen
bedürfen
der detaillierten Erläuterung.
Ausgehend von den elektrischen Materialkonstanten κ, ε, μ – bezogen
auf das Mähgut – scheiden
angenommene Meßeinrichtungen
aus.
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Das
elektrische Strömungsfeld
rechnet sich zu G = κ × Ε, d.h. der
spezifische Leitwert des Mähguts
ist zu berücksichtigen,
um eine elektrisches Widerstandsnetzwerk aufzubauen, oder der elektrische Leitwert
ist zu bestimmen G = κ × A / I.
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Die
Dielektrizitätskonstante ε des Mähguts ist
zu untersuchen; D = ε × Ε, eine elektrisches
Feld in Form eines Kondensators muß aufgebaut werden, d.h. in
den elektrisch isolierten Fangkorb sind Platten hoher Spannung einzubringen,
oder die Kapazität
ist zu bestimmen C = ε × A / d.
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Ist
die Permeabilität μ des Mähguts bekannt, rechnet
sich die magnetische Feldstärke
zu H = μ × Β, die Induktion
B ist stromabhängig,
d.h. im Fangkorb sind stromdurchflossene Spulen anzuordnen, oder
der magnetische Leitwert ist meßtechnisch
zu bestimmen A = μ × A / I.
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Direkte
Füllstandsmessungen
auf Technologien wie Infrarot (IR), Ultraschall (US) oder Hochfrequenz
(RF) sind für
diesen Prozeß zu
aufwendig; dasselbe gilt für
die Optosensorik und die Bildverarbeitung/Objekterkennung mit sicht-
oder nichtsichtbarem Licht. Messungen auf Basis der Masse/Gewicht
entfallen wegen des stark differierenden Mäh-, Saug- oder Sammelguts und
des damit verbundenen Aufwands.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für eine Fangkorb-Füllstandsanzeige von
Mähern
oder Mähgutsammlern
unter Vermeidung obiger Nachteile zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Fangkorb-Füllstandsmessung indirekt
und mit Sensoren aus nicht beweglichen Teilen erfolgt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Sensorsignale einem
elektronischen Abgleich und/oder einer Auswerteelektronik und/oder
einer Anzeige zugeführt.
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Eine
weitere Ausprägung
der erfinderischen Neuheit sieht vor, daß als Meßparameter der atmosphärische/Luft-Druck
bzw. die Druckdifferenz und/oder der elektrische Strom vorgeschlagen
werden.
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Beispielhaft
sei der Einsatz folgender Drucksensoren genannt (s.a. Ahlers, H.,
Waldmann, J.: Mikroelektronische Sensoren, VEB Verlag Technik, Berlin;
Kronmüller,
H.: Methoden der Meßtechnik, Schnäcker-Verlag,
Karlsruhe; Rohrbach, C.: Handbuch für elektrisches Messen nichtelektrischer
Größen, VDI-Verlag,
Düsseldorf)
- – Van-der-Pauw-Komplexsensor
- – Halbleiterdrucksensor
- – Halbleiterdehnungsmeßstreifen
- – Druckmeßkondensator
- – Kapazitive
Silizium-Drucksensor
- – Hallelement-Membransensor
- – AOW
(Akustischer Oberwellen)-Drucksensor
- – Piezoelektrischer
Drucksensor
- – LWL
(Lichtwellenleiter)-Drucksensor.
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Komplexsensoren
können
mehrere Meßgrößen messen,
die auch untereinander verkoppelt sein können. Ein Sensor aus polykristallinem
Silizium, der als Van-der-Pauw-Struktur
mit vier Anschlüssen
aufgebaut ist, kann u.a. zur Druckmessung eingesetzt werden.
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In
selektiv mechanisch abgeschwächtes
Silizium wird ein p- oder n-leitendes Gebiet durch Diffusion oder
Implantation eingebracht. Das dünne
Silizium stellt eine Druckmembrane dar, über die sich der elektrische
Widerstandswert ändert.
Aufbau als Halbleiterdrucksensor möglich, in dem die Druckdifferenz auf
den druckabhängigen
Widerstand in der Silizium-Membrane wirkt oder als Relativdrucksensor durch
Vergleich mit dem Atmosphärendruck.
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Die
Widerstandsänderung
ist abhängig
vom Leitungstyp, von der Kristallorientierung und der Lage des Widerstands
zum gerichteten Druck; außerdem
geht die Höhe
der Dotierung in das Meßergebnis
ein. Beim Halbleiterdehnungsmeßstreifen werden
Kraft und Druck in eine Dehnung des Halbleiters ε umgesetzt, ε = ΔI / I.
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Beispielhaft
wird ein Druckmeßkondensator vorgestellt,
der eine feste Ladung Q hat und dessen eine Platte, etwa als Membrane
ausgebildet, sich federnd vor der zwei ten Platte bewegt. Unter dem
Einfluß eines
Drucks wird sich die federnd aufgehängte Platte bewegen und im
Kondensatorstromkreis eine elektrisches Signal erzeugen.
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Beim
kapazitiven Silizium-Drucksensor wird eine Membrane als Elektrode
eines Kondensators genutzt, so daß bei ihrer Auslenkung durch
die Druckdifferenz die Kapazität
zwischen den beiden Kapazitätselektroden
verändert
wird; Prinzip kapazitiver Dehnungsmeßstreifen.
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Beim
Hallelement-Membransensor ist die Hallspannung UH proportional
dem Strom I und dem Magnetfeld B. Durch ein Magnetfeld B wird eine
Kraft auf Ladungsträger
des Hallelements ausgeübt.,
was zu einer Verzerrung eines vorher homogenen Stromlinienverlaufs,
B = 0, führt.
Für die
Druckmessung wird eine Membran mit einem Dauermagneten versehen;
bei Auslenkung der Membran durch Druckeinwirkung wird der Magnet
an dem Hallelement vorbeigeführt
und die proportionale Wegänderung
gemessen.
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Das
AOW (Akustisches Oberwellen)-Bauelement wird als Verzögerungsleitung
oder Resonator ausgebildet; ist es als frequenzbestimmendes Teil
eines Oszillators geschaltet, erfolgt die Abbildung in ein frequenzanaloges
Signal. Wirkt Druck auf Verzögerungsleitung
oder Resonator, wird die Oszillatorfrequenz moduliert und die physikalische
Größe Druck in
Form einer Frequenz abgebildet. Der Resonator oder die Verzögerungsleitung
sind bei der Druckmessung auf eine bewegliche Membrane appliziert;
ein Druck auf die Membranfläche ändert die
Resonatorstruktur und damit die Frequenz. Zum Zwecke der Temperaturkompensation
ist der Aufbau doppelt auszuführen.
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Werden
bestimmte Arten von Einkristallen elastisch verformt, z.B. durch
Aufbringen eines Drucks, treten an bestimmten Flächen der Kristalle elektrische
Ladungen Q auf. Die auftretenden Ladungen Q hängen ausschließlich von
der Deformation des Kristalls ab bzw. von den diese verursachenden Spannungen
ab und nicht von der Geschwindigkeit, mit der diese Deformationen
bzw. Spannungen auftreten. Der piezoelektrische Effekt ist umkehrbar. Hautsächlich wird
der piezoelektrische Effekt zur Druckmessung angewendet – piezoelektrischer Drucksensor;
der Druck wird über
eine Membrane auf die Kristalle übertragen.
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Beim
LWL (Lichtwellenleiter)-Drucksensor wirken ein oder zwei senkrecht
auf einer Membrane montierte Strichgitter zwischen zwei fest eingespannten
Lichtwellenleitern. Wird Druck auf die Membrane ausgeübt, bewegen
sich die Strichgitter zwischen den Lichtwellenleitern; die Strichzählung ist
proportional der Durchbiegung der Membrane bzw. des Drucks.
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Beispielhaft
sei der Einsatz folgender Stromsensoren genannt
- – Hallelement-Stromsensor
- – Stromsensor
auf der Feldplatte basierend
- – Stromsensor
auf Basis Magnetfeldmessung
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Durchfließt ein elektrischer
Strom in Längsrichtung
einen flachen Leiter, Hallelement-Sensor, auf dem senkrecht ein Magnetfeld
wirkt, entsteht senkrecht zur Leiterachse und zum Magnetfeld ein Potentialgefälle, das
proportional ist dem äußeren Vektorprodukt
aus dem Strom, der den Leiter durchfließt, und der Stärke des
Magnetfelds, μ =
i × B. Wenn
der Steuerstrom des Hallelements konstant gehalten wird, ist die
Hallspannung ein direktes Maß für die Stärke des
Magnetfelds und damit für
den Strom durch den Leiter.
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Als
Feldplatten werden magnetisch steuerbare Widerstände bezeichnet, deren Beeinflußbarkeit
auf dem Halleffekt beruhen; die den Halbleiter durchlaufenden Ladungsträger werden
durch die Einwirkung des transversalen Magnetfelds seitlich abgelenkt.
Feldplatten lassen sich als kontakt- und stufenlos steuerbare Widerstände einsetzen;
die Strommessung erfolgt durch Messung des durch den Strom I hervorgerufenen
Magnetfelds H.
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Die
Messung größer Ströme wird über den Faraday-Effekt
der Drehung der Polarisationsebene vorgenommen, Stromsensor auf
Basis Magnetfeldmessung. Dazu wird der Lichtwellenleiter um einen stromführenden
Leiter gelegt und die Drehung der Polarisationsebene gemessen.
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In
der Hochstromtechnik und der Leistungselektronik, wie z.B. regelbare
Stromversorgungen, elektronisch kommutierte Gleichstrom (DC)-Motoren, Batterie-
und Solar-Ladetechnik,
wird die Strommessung mittels Shunt durchgeführt. Die niederohmigen Präzisionswiderstände stehen
in vielen Leistungsklassen und Bauformen zur Verfügung, auch
in 4-Leiter-Anschlußtechnik.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß keine
mechanisch bewegten Teile sich in dem Mähgut-Saug-, -Transport- und
-Fangkorb-Bereich
befinden, so daß keine Verschmutzung
zum Ausfall der Füllstandsanzeige-Einrichtung führen kann.
Ein weiterer Vorteil stellt sich – wegen der Verschleißfreiheit
der eingesetzten Sensorik – durch
den wartungsfreien Betrieb der Einrichtung ein.
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Die
Wahl der Meßgröße Druck/Strom
und der Sensortechnik bzw. des -elements richtet sich u.a. nach
dem konstruktiven Aufbau des Mähers
bzw. Mähgutsammlers.
Grundsätzlich
kann die Sensorik für
die Füllstandsmessung
im Fangkorb, im festen Transportkanal, in Verbindung mit dem Gebläse/Turbine
oder im beweglichen Teil des Transportkanals erhaben/vertieft, durch
eine Abdeckung vor Schmutz geschützt,
montiert werden. Der Sensor zur Motorstrommessung wird üblicherweise
im Antriebsbereich in Verbindung mit der Motorzuleitung ggfs. auch zusammen
mit der Auswerteschaltung installiert.
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Grundsätzlich ist
die Anbringung der Füllstandssensorik
soweit wie möglich
am Entstehungsort des Mäh-
oder Sammelguts sinnvoll, da somit eine Fehlerfrüherkennung gegeben ist.
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Während der
Fangkorb und die Transportkanäle
mit einer Drucksensorik ausgestattet werden , wird das/die elektrische
Antriebsaggregat/Gebläse/Turbine
mit einer Strommessung ausgerüstet. Wird
aus Kostengründen
nur eine Meßtechnik/Sensorart
gewählt,
wird die Strommessung bevorzugt. Ein verstopfter Ansaugkanal oder
ein blockiertes Messer lassen den Ansaugdruck und damit den Motorstrom
steigen; dasselbe gilt für
Druck eines zugesetzten Transportkanals und/oder eines vollen Fangkorbs.
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Auch
die Vervielfachung und die Kombination von Druckmessung und Stromerfassung
ist möglich,
auch in Verbindung mit entsprechender Auswertelogik und Bedienanzeige,
die dann über
eine 'nur' Füllstandsverfolgung
und -anzeige hinausgeht.
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Ein
weiterer Vorteil der erfinderischen Neuheit ist dadurch gegeben,
daß die
Ausprägung
der Füllzustandsanzeige 'Voll'/'Leer' oder
kontinuierlich nicht von der Sensorik, sondern nur von der Auswerteschaltung
und der Darstellung der Anzeige für das Bedienpersonal abhängt.
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Auf
Grund des Einsatzes des Mikrokontrollers in der Auswerteschaltung
werden auch Historienverfolgung und dynamische Voraussagen, wie über Lebensdauer,
Maschinenwartungsintervalle, Werkzeugabnutzung, etc., möglich.
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Bei
Mähern
oder Mähgutsammlern
mit Verbrennungsmotor mit/ohne Gelenk-/Zapfwelle kann über einen
mitlaufenden Tachometergenerator ersatzweise die Tachometerspannung
an die Stelle der Strommessung bei entsprechender Weiterverarbeitung
treten. Bei batteriegespeisten Mähern
ist die Strommessung und die Auswerteelektronik der Bordspannung
anzupassen.
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Durch
das Mitführen
des Arbeitspunkts von Druck/Strom bzw. Spannung und einer Vorgabe
von Schranken für
diese Werte in der Auswerteelektronik ist eine drehzahlunabhängige Differenzdruck-,
Motorstrom- bzw. Tachometerspannung-Messung gegeben. Die drehzahlunabhängige Differenzdruck-,
Motorstrom- bzw. Tachometerspannung-Messung kann takt- oder amplitudenwertgesteuert
werden.
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Die
zahlreichen Möglichkeiten
und Vorteile der Ausgestaltung der Erfindung spiegeln sich in der Anzahl
der Schutzrechtsansprüche
wider.