DE2608049A1

DE2608049A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der pflanzenbestandsdichte fuer die steuerung von erntemaschinen

Info

Publication number: DE2608049A1
Application number: DE19762608049
Authority: DE
Inventors: Helmut Homburg
Original assignee: Claas Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Claas Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 1976-02-27
Filing date: 1976-02-27
Publication date: 1977-09-01
Also published as: GB1577525A; US4228636A; FR2361811A1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Pflanzenbystandsdichte für die Steuerung von Erntemaschinen

Die Erfindung bezieht sieht auf ein Verfahren zur Messung der Pflanzenbestandsdichte für die Steuerung des Durchsatzes von Erntemaschinen mittels eines Ultraschallfeldes, das den Pflanzenbestand noch im ungeschnittenen Zustand in unmittelbarer Nähe vor den Erntewerkzeugen durchstrahlt und dessen Inhensitätsverlust zwischen dem Ultraschall-Sender und -Empfänger in ein Steuersignal umgewandelt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung an einer Erntemaschine, wie einem Mähdrescher, zur Steuerung ihres Durchsatzes über Messung der Pflanzenbestandsdichte mittels eines Ultraschallfeldes, bei der in Vorschubrichtung unmittelbar vor den Erntewerkzeugen, wie Schneidmessern, ein Ultraschall-Sender und ein Ultraschall-Empfänger quer zu dieser Richtung einander gegenüberliegend angeordnet sind.

Es ist bekannt, zur Messung von Getreidebestandsdichten geschnittenes Erntegut auf einen Streifen definierter Brc-ite zu

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bri:".-_; ;~ und als Medium, .uit ungl^ichar Masssverteilur.g ir. ho~üger.-^n Medium Luft einem UltraschaLlfeld zu uiiterw--r::-3:\, dessen iüeinflusr.ung als Maß für d:s durchschnittliche Masser.-dichto gilt. Es ist eiuch schon bekannt, die· zu durchschallenden Streifenbreiten auf Maschinenarbeitsbreiten zu vergrößern, damit man bei Erntemaschinen die Möglichkeit hat, die Pflanzenbestandsdichten und -dichteänderungen vor dem Schneidwerk dieser Maschinen automatisch zu erfassen, um damit den Durchsatz der Erntemaschinen in Abhängigkeit von den Messwerten der Pflanzenbestandsdichten zu steuern. Dazu hat man auch schon ein Verfahren entwickelt, um ohne eine Veränderung des Pflanzenbestandes weit genug vor dem Schneidwerk der Erntemaschinen die Bestandsdichte bzv/. die Bestandsdichteänderungen mit einer Ultraschallstrecke meßtechnisch zu erfassen. Dazu ordnet man die notwendigen Ultraschall-Sender und -Empfänger an einem geeigneten Träger unmittelbar an den Schneidwerkzeugen an, um die erfaßten Messdaten sogl.-ich zur Steuerung beispielsweise der Vorschubgeschwindigkeit der Maschine auszuwerten.

Man hat bereits erkannt, daß die Messung der Pflanzenbestandsdichte mittels Ultraschallfeldern an Erntemaschinen nur dann brauchbare Werte liefert, wenn der vor allem durch die Erntemaschine selbst erzeugte Störschall unterdrückt wird. Dazu hat man in die elektroakkustischen Wandler Hoch- oder Bandpässe eingebaut, die die Storfrequenzan zurückhalten sollen.

Die getroffenen Maßnahmen reichen jedoch nicht aus, da das Frequenzspektrum der Störgeräusche der mit vielen Messern besetzten Schneidwerke bis hoch in den Ultraschallbereich hineinreicht, v/eshalb es bei bekannten Ultraschall-Meßvorrichtungen für Erntemaschinen immer wieder zu Fehlmessungen kommt. Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen wird nämlich allein die Intensität des Ultraschalls nach Durchlaufen der Prüfstrecke gemessen, wobei die Amplitude des Schalldrucks zur Bildung des Steuersignals herangezogen wird. Durch Überlagerung von Störfrequenzen im Ultraschallmeßfeld kann es zu erheblichen Ver-

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Zerrungen der Sehalldruckaniplitude ko-nnien, wobei selbst eir.e Vergrößerung dieser Amplitude möglich ist, obwohl durch Absorption und Reflexion normalerweise über eine größere Schecke hinweg ein Abfall der Ultraschallintensität zu erwarten ist.

Es kommt noch hinzu, daß man die Ultraschallmeßstrecke nur mit geringem Abstand vor der Schneideinrichtung und damLt in einem Bereich anordnen kann, in dem der Störpegel unvermeidbar hoch ist. Außerdem ist die Ultraschall-Absorption nicht allein der Bestandsdichte proportional, denn es treten Störungen des Pflanzenbestandes durch Unkräuter, Grün-Unterwuchs, Fehl- und Lagerstellen auf. Insgesamt wird vor allem bei großen Erntemaschinen das am Empfänger ankommende Signal so verzerrt und geschwächt, daß es einerseits von den Zufälligkeiten in der Nähe des Empfängers stark abhängig ist und andererseits schon bei üblichen Bestandsunterschieden im Bereich der Schnittbreite nur noch wenig mit dem wirklichen Mittelwert übereinstimmt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der aufgezeigten Nachteile ein über die gesamte Schnittbreite einer großen Erntemaschine hinweg der jeweiligen Bestandsdichte ausreichend proportionales Steuersignal zu erhalten, das vor allem von den Störfrequenzen der Schneidvorrichtungen im Ultraschallbereich unabhängig ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Ultraschallfeld durch zumindest eine diskontinuierliche Ultraschallschranke gebildet wird, die sich aus frequenzmoduliertenUltraschallimpulsen zusammensetzt, deren Laufzeit und/oder Phasenverschiebung zwischen dem Sender und dem Empfänger für die Bildung des Steuersignals mit ausgewertet wird.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß neben der Intensität auch die Laufzeit der Ultraschallimpulse gemessen wird, was natürlich eine Impulserregung

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α-.-_;; ο;:.-.'· :-ri; vrirau^etzt, hierbei ,--. ~r.r. ::ian jedoch auf .rrurv:! ijr Inpv'-■■·" rcab« dio dagegen am Knpf ^Ln rrer unregelmäßig anker:.-.-enden S tor i. v/. .1 ye ausschalten. Dio periodische oder unper L■.:dL:3c:v":■ Frequt.·■.^:-;r.lo<lul·at ion der Ultraschallimpulse trägt zur Var~-ei.l-ng vo;i KachteUen durch Interferenzerscheinungen bei. Dies isü für die Sankrech t-Durchschallung auf dem kürzesten Vieye zv? is eh=η Sender und Empfänger von Bedeutung, um Interfcronzmaxina und -minima zu kompensieren. Hierdurch erreicht man, daß die Ausgangssignale noch mit maximaler Intensität am Empfänger ankommen. Schließlich hat die. Messung der Phasendrehung innerhalb der einzelnen Impulsdauern den Vorteil, daß die Ablenkung der einzelnen Impulse vom direkten Weg zwischen Sender und Empfänger miterfaßt werden kann, um das Vorfeld der Ultraschallmessung noch zu vergrößern. Man kann somit nicht nur die Bestandsdichte erfassein, die unmittelbar zwischen Sender und Empfänger auftritt sondern vor allem auch die in Vorschubrichtung davor liegende Bestandsdichte, die durch die aufgrund von Reflexionen verzögerten Impulse messbar gemacht wird.

In weiterer vorteilhafter Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können den Ultraschallimpulsen aus dem Meßfeld aufgenommene Störgeräusche überlagert werden, die dann wieder durch Differenzbildung der ausgesendeten und empfangenen Ultraschallimpulse eliminiert werden. Man nimmt also die Störgeräusche mit einem zusätzlichen Mikrophon auf und erhält nach elektroakkustischer Umwandlung ein Störsignal, das empfängerseitig von den aus den ankommenden Ultraschallimpulsen gebildeten Signalen abgezogen werden kann um die Störanteile weitestgehend zu entfernen.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, durch Verwendung von selektiven, eloktroakkustischen Schwingern sowohl als Sender als auch eils Empfänger die Richtungen der Ultraschallimpulse ständig umzukehren. Es werden also die Funktionen von Sender und Empfänger entweder periodisch oder aperiodisch vertauscht, wodurch der Mittelungseffekt über die Gesamtbreite des ausζumessenden Pflanzenbestandes noch weiter verbessert wird. -5-

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Ferner ist es vorteilhaft, wenn man senderseitig das Echo der Ultraschallimpulse aufnimmt und danach die Bewertung des
Empfängersignals anpasst. Durch die zum Sender hin reflektierten Ultraschallstrahlan erhält man auch ein Maß für die
Pflanzenbestandsdichte, wobei es in Extremfällen sogar so
sein kann, daß bei sehr hoher Pflanzenbestandsdichte die noch am Empfänger ankommenden Impulse zur Auswartung zu schwach sind und dagegen die Echoimpulse ein weit weniger störanfälliges
Meßergebnis bieten.

Mittels weiterer zusätzlicher Empfänger, wie Mikrophone, kann ferner vorteilhaft die Reflexion sozusagen aus der Tiefe des
Pflanzenbestandes ermittelt werden. Zweckmäßig verwendet man
hierfür Mikrophone mit entsprechender Richtwirkung, die an
einer vom Ort des Ultraschallimpuls-Empfängers oder -Senders
verschiedenen Stelle angeordnet werden. Man erfaßt damit die
abgelenkten Ultraschallimpulse, die durch den Pflanzenbestand zur Senderseite oder zur Empfängerseite oder zu einer geneigt dazu angeordneten Ebene reflektiert werden. Je nach dem,ob die reflektierten Impulse empfänger- oder senderseitig aufgenommen werden,kann durch Subtraktion oder Addition mit den übrigen vom Empfänger aufgenommenen Impulsen ein dem Mittelwert der Bestandsdichte weitgehend äquivalentes Signal erzeugt v/erden.
Schließlich kann es für die Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft sein, zur Überbrückung großer Reichweiten mit der Ultraschallmeßstrecke Ultraschall-Sender und -Empfänger mit zwei verschiedenen Frequenzen nebeneinander zu betreiben. Es werden dabei also senderseitig gleichzeitig zumindest zwei Ultraschallimpulse mit augenblicklich unterschiedlichen Frequenzen ausgestrahlt, die entsprechend unterschiedlich am Empfänger ankommen, wobei jeweils aus einem dieser Impulse oder aus einer Kombination beider Impulse das Steuersignal gebildet werden kann.

Zur Ausübung des vorbeschriebenen Verfahrens wird vorzugsweise eine Vorrichtung verwendet, die vor allem für Mähdrescher ge-

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υ ig η c? ν. iüt, be L dar in Vorschubrichtung unmittelbar vor d^n Erntev/ürlcseugen, wie den Schrieidr.-.essern, ein Ultraschall-Sender und ein Ultraschall-Empfänger quer zu dieser Richtung einander gegenüberliegend angeordnet sind, und die Besonderheit haT., daß neben dem Ultraschall-Sender und/oder neben dem Ultraschall-Empfänger zumindest ein weiterer Sender bzw. Empfänger angeordnet ist, dessen Abstandslinie zum gegenüberliegenden Sender gegenüber der Vorschubrichtung geneigt ist.

Mit dieser Vorrichtung lassen sich vorteilhaft entweder die Ultrasehallimpulse von verschiedenen Stellen zu einem Empfänger hin oder umgekehrt abstrahlen, es ist auch möglich, damit mehrere nebeneinander angeordnete Ultraschallschranken zu erzeugen.

Die weiteren Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachstehenden Beschreibung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel· noch näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1: die Draufsicht auf die Schneidvorrichtung eines Mähdreschers mit daran angeordneter Ultraschallmessstrecke und

Fig. 2: eine geschnittene Seitansicht der Vorrichtung nach Fig. 1.

Man erkennt in der Zeichnung eine Schneidwerkmulde 1 eines Mähdreschers, an die sich nach vorn hin ein Mähbalken 2 anschließt. Über den Mähbalken 2 ragen nach vorn Ährenheber 3 hinaus, die von vorn unten nach hinten oben schräggestellt sind. Parallel zu den Ährenhebern 3 sind seitlich an der Schneidwerkmulde 1 Schneidwerkswangen 11 angeordnet, die die gesamte Schneid- und Einholvorrichtung des Mähdreschers seitlich einfassen. An der einen Schneidwerkswange 11 ist ein Ultraschall·- Sender 4 angeordnet, dem in Querrichtung ein Ultraschall-Empfänger 5 gegenüberliegt. Die Zuordnung Sender oder Empfänger ist rein willkürlich gewählt, es können die Sender stets auch igleich Empfänger sein bzw. umgekehrt. -7-

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Zwischen dem Ultraschall-Sender 4 und dem UltraschaI. !.-Επιρί ä.riger 5 existiert ein Ultrascliallfold, dao durch Ultrasch -.Liir pulse gebildet ist:. Dieses UIt ras cha LIf e Id erstreckt sich in Vorsdiubr richtung noch vor dem MähbaLken 2, damit während des Schr.eidvorganges das noch nicht geschnittene Erntegut von dem Ultraschallfeld erfaßt wird. Abhängig von der Bestandsdichte des zu schneidenden Erntegutes suchen sich die Ultraschallimpulse einen Weg vom Sender 4 zum Empfänger 5, der keineswegs der kürzesten Entfernung entsprechen muß. Durch Reflexion legt ein Teil der Ultraschallirapulse diesen Weg auf einer längeren Strecke zurück, ein Teil der Impulse wird auf dieser Strecke absorbiert oder reflektiert.

Beim Ausführungsbeispiel wird vom Sender 4 der sich aus Ultraschallimpulsen zusammensetzende Strahl 24 ausgesendet. Er kommt als Strahl. 25 am Empfänger 5 an. Zugleich sendet der Empfänger den ebenfalls aus Ultraschal·Limpulsen bestehenden Strahl 15 aus, der beim Sender 4 als Strahl 14 wieder empfangen wird.

Ein erheblicher Teil der beiden Strahlen 24 und 25 wird durch Reflexion oder Absorption abgeschwächt, weswegen zur vollständigeren Erfassung auf der Empfängerseite noch ein Reflexionsempfänger 6 und ein Richtmikrophon 7 angeordnet ist. Beide zusätzlichen Empfänger sitzen mit an der Schneidwerksseitenwange 11. Die Abstandslinie sowohl des Reflexionsempfängers 6 wie auch des Richtmikrophons 7 zum Sender 4 hin ist gegenüber der Vorschubrichtung und damit auch zur Querrichtung des Schneidwerkzeugs geneigt, weswegen die Pflanzenbestandsdichte nicht nur längs einer Linie sondern über einen fächerartigen Bereich erfaßt v/erden kann. Das Richtmikrophon 7 holt sich sozusagen seine Impulse aus der Tiefe des Bestandes, indem es den abgelenkten Teil der Ultraschallimpulse empfängt, die vom Sender ausgestrahlt werden. Der Reflexionsempfänger 6 hingegen nimmt die zurückgeworfenen Ultraschallimpulse auf, die vom Empfänger ausgesendet werden.

Wie sich aus Fig. 2 ergibt kann der Reflexionsempfänger 6 auf -8-

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gleichcr Γ.οίθ s.?.hr nah b^im Ulrripfänger-Ssr.der 5 angeordnet sein. HiercL.::e'.-. v;ird der bereits durch die Ährenheber 3 geordnete Bestand erfaßt, denn sowohl der Empfänger 5 wie auch der Rr;-flexions .impf anger 6 liegen unterhalb der von sämtlichen .-Ih renhebern J aufgespannten Ebene.

Das Richtmihrophon 7 hirrgegen liegt oberhalb der von den Ährenhebern 3 aufgespannten Ebene. Durch den zusätzlichen Reflexionsempfänger 6 und das ebenfalls zusätzliche Richtmikrophon 7 ist es möcylLch, auch bei stark hängenden und liegenden Getreidebeständen noch eine ausreichend genaue Bestands-Dichtemessung vornehmen zu können. Zweckmäßig v/erden hierfür Ährenheber verwendet, die im Vergleich zu den üblichen Ährenhebern vergrößert sind und sich in relativ dichter Aufreihung am Messerbalken befinden. Sie solion nämlich den erfaßten Bestand nicht nur in an sich bekannter Weise aufrichten und den Schneidmessern zuführen, sondern ihn auch ausreichend hoch halten, um dem Ultraschallfeld ein noch ausreichend störungsfreies Durchdringen durch den Bestand zu ermöglichen.

Die Erfindung ermöglicht es, mit gegenüber bekannten Ultraschallmeßvorrichtungen lediglich geringem Mehraufwand die Zuverlässigkeit der Meßergebnisse der Bestandsdichtemassung entweder um mehrere Größenordnungen zu st> igern oder die Anwendung dieser Meßtechnik bei größeren Schnittbreiten überhaupt erst zu ermöglichen.

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eerseite

Claims

Patentansprüche

\il) Verfahren zur Messung der Pf lanzeribes tandsdichte für die Steuerung des Durchsatzes von Erntemaschinen mittels eines Ultraschallfeldes, das den Pflanzenbestand noch im ungeschnittenen Zustand in \inmittelbarer Nähe vor den Erntewerkzeugen durchstrahlt, und dessen Intensitätsverlust zwischen dem Ultraschallsender und -empfänger in ein Steuersignal umgewandelt wird, dadurch gekennzeich net, daß das Ultraachallfeld durch zumindest eine diskontinuierliche Ultraschallschranke gebildet wird, die sich aus frequenzmodulierten Ultraschallimpulsen zusaiMruiftsefczt, derein Laufzeit und/oder Phasenverschiebung zwischen <?eni Sender und dem Empfänger für die Bildung des Steuersignals mit ausgewertet werden.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den UltraschallimpuLsen aus dem Meßfeld aufgenommene Störgeräusche überlagert werden, die durch Differenzbildung der ausgesendeten und empfangenen Ultraschalliinpulse wieder eliminiert werden.
3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen der Ultraschallimpulse durch periodisches oder aperiodisches Vertauschen der Funktionen von Sender und Empfänger ständig geändert werden.
4.) VerfcLhren nach ein-^m der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sendersei tig das Echo der Ultraschallimpulse atifgenommen und danach die Bewertung des Empfänger-

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signals angepaßt wird.
5.) /erfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Reflexionen der Ultraschalliinpulse enpfängerseitig an zumindest einer vom Ort des Empfängers verschiedenen Stelle aufgenommen und danach die Bewertung des Empfängersignals angepaßt wird.
6.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß senderseitig gleichzeitig zumindest zwei Ultraschallimpulse mit augenblicklich unterschiedlichen Frequenzen ausgestrahlt v/erden und empfängerseitig nach jeweils einem oder aus einer Kombination der Parallelsignale das Steuersignal gebildet wird.
7.) Vorrichtung an einer Erntemaschine, wie Mähdrescher, zur Steuerung ihres Durchsatzes über Messung der Pflanzenbestandsdichte mittels eines Ultraschallfeldes, bei der in Vorschubrichtung unmittelbar vor den Erntewerkzeugen, v/ie Schneidmessern, ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger quer zu dieser Richtung einander gegenüberliegend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Ultraschallsender (4) und/oder neben dem Ultraschallempfänger (5) zumindest ein weiterer Ultraschall-Sender bzw. -empfänger (6,7) angeordnet ist, dessen Abstandslinie zum gegenüberliegenden Sender (4) gegenüber der Vorschubrichtung geneigt ist.
8.) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Ultraschall-Sender bzw. -empfänger (6,7) in Vorschubrichtung vor dem benachbarten Empfänger (5) liegt.
9.) Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 für einen Mähdrescher mit zwischen seitlichen Schneidwerkswangen angeordnetera Mähbalken und Ährenhebern, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Sender (4) , der Ultraschall-Empfänger f"5) und der dazu benachbarte, zusätzliche Sender bzw. Empfänger (6,7)

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an den seitlichen Schneidwerksv/angen (11) in Querrichtung vor dem Mähbalken (2) angeordnet sind.
10.) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Sender (4) und der Ultraschall-Empfänger (5) in Querrichtung hinter den Vorderenden der Ährenheber (3) liegen.
11.) Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Sender bzw. Empfänger (6,7) in Querrichtung ebenfalls hinter den Vorderenden der Ährenheber (3) liegt.
12.) Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der eine zusätzliche Sender bzw. Empfänger (6) un-terhalb' und der andere zusätzliche Sender bzw. Empfänger (7) oberhalb der durch die Ährenheber (3) gebildeten Ebene liegen.

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