DE4339441A1 - Verfahren zur Messung des Füllgrads von mit Füllgut gefüllten Behältern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Füllgrads von mit Füllgut gefüllten Behältern der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Unter Behältern werden hier alle Arten von Speicherräumen zur ständigen oder vorrübergehenden Aufnahme von fluiden oder stückigen und schüttfähigen festen Materialen verstanden, wie Vorratsspeicher, Silos, Tanks, Kessel oder sonstige Gefäße und Umhüllungen.

Bei einem bekannten Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes von Behältern, insbesondere von Hochöfen (DE 19 49 868 A1), wird der gebündelte Laser-Meßstrahl eines nach dem Triangulationsprinzip berührungslos messenden Abstands- oder Entfernungsmessers auf einen Oberflächenpunkt der Füllung gerichtet und aus der Reflexion des Laserbündels der Abstand zum Oberflächenpunkt ermittelt. Hierzu ist ein Lasersender und ein Lichtempfänger in Abstand voneinander auf einer gemeinsamen Basisachse angeordnet, wobei die optische Achse des Lasersenders und damit der ausgesandte Laserstrahl senkrecht zur Basisachse ausgerichtet sind. Der Lichtempfänger ist um eine Schwenkachse schwenkbar, die senkrecht auf der von Basisachse und optischer Achse des Lasersenders aufgespannten Ebene steht. Das am Oberflächenpunkt der Füllung auftreffende Laserbündel wird diffus reflektiert, wobei auch eine Reflexion in Richtung des Lichtempfängers erfolgt. Der Empfänger wird, ausgehend von einer Ausrichtung seiner optischen Achse parallel zur optischen Achse des Lasersenders, um seine Schwenkachse soweit geschwenkt, bis die optische Achse des Empfängers mit dem vom Lasersender beleuchteten Oberflächenpunkt der Füllung zusammenfällt, was durch Lichtempfang im Empfänger detektiert wird. Aus dem gemessenen Schwenkwinkel des Empfängers und dem Abstand von Lasersender und Lichtempfänger wird der Abstand des Lasersenders vom Oberflächenpunkt der Füllung berechnet und daraus eine Angabe über den Füllstand oder Füllgrad des Behälters abgeleitet. Der aus Lasersender und Lichtempfänger bestehende Laserentfernungsmesser ist um die Basisachse drehbar, so daß der vom Lasersender beleuchtete Oberflächenpunkt auf der Füllung längs einer Linie verschoben werden kann.

Mit diesem bekannten Verfahren wird nur das Füllgut bezüglich eines Punktes bzw. bezüglich einer Linie im Behälter exakt vermessen und daraus auf den Füllstand geschlossen, wobei man davon ausgeht, daß das Füllgut ein über den Behälterquerschnitt gleiches Füllniveau einnimmt und der Behälter einen konstanten Füllquerschnitt aufweist. Diese Annahme trifft im wesentlichen nur bei flüssigen Füllmaterialen in Behältern mit entsprechend einfacher Geometrie zu, nicht jedoch bei festen Schüttgütern, z. B. körnigem oder stückigem Füllmaterial, und auch nicht bei Behältern, die einbaubedingt eine von den einfachen geometrischen Körpern extrem abweichende Form aufweisen oder einem ständigen Wechsel ihrer Lage unterworfen sind. In diesen Fällen führt das bekannte Meßverfahren zu erheblichen Meßfehlern, die aufgrund ihrer Größe nicht akzeptiert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß der Behälterfüllgrad, unabhängig von der Behälterform oder Behälterlage oder der Art des Füllgutes hochgenau angegeben wird.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß durch die dreidimensionale Vermessung der Phasengrenze zwischen Füllgut und Leerraum im Behälter zu jedem Zeitpunkt ein exaktes Bild der Verhältnisse im Behälter erhalten wird und damit hochgenau das Füllvolumen oder das noch zur Verfügung stehende Freivolumen im Behälter als Maß für dessen Füllgrad bestimmt werden kann. Das Verfahren liefert auch dann exakte Werte des Füllgrads, wenn der Behälter ständigen Lageänderungen unterworfen ist, wie dies bei Fahr- oder Flugzeugen oder Schiffen der Fall ist. Das Verfahren arbeitet gleich gut bei Füllungen mit fluiden oder festen Füllmaterialien, unabhängig von der geometrischen Anordnung der Einfüllöffnung. Die Form des Behälters ist ohne Einfluß auf die Meßgenauigkeit des Verfahrens. Sie muß nur einmal vermessen und räumlich in Bezug zu dem Referenzpunkt gesetzt werden, so daß das dreidimensional vermessene Oberflächenprofil des Füllgutes mit der Behältergeometrie zur Deckung gebracht werden kann.

Neben der Angabe des Füllgrads können problemlos und ohne Mehraufwand weitere Kenngrößen, wie maximaler und minimaler Füllstand, räumliche Verteilung des Füllgutes und Füllgeschwindigkeit, ermittelt und angezeigt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Läßt sich die erforderliche Behältergeometrie nicht einfach berechnen, so wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Innenkontur des Behälters bei leerem Behälter in der gleichen Weise vermessen wie das Oberflächenprofil des Füllgutes, nämlich durch Messung einer Vielzahl von Punkten auf den Behälterwänden vom Referenzpunkt aus. Dieser Meßvorgang muß für jeden Behälter nur einmal durchgeführt werden. Die auf den Referenzpunkt bezogenen Entfernungsmeßwerte, zu den Behälterwänden werden abgespeichert, und die gemessenen Entfernungsmeßwerte des Oberflächenprofils werden bei jedem Meßvorgang für den Füllgrad mit den Entfernungsmeßwerten der Behälterwände lagerichtig in Bezug gesetzt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden an sich bekannte Abstands- oder Entfernungsmesser verwendet, die berührungslos arbeiten und zur Abtastung der Phasengrenze zum Füllgut einen elektromagnetischen (Radar), elektroakustischen (Ultraschall) oder elektrooptischen (Infrarot-Laser) Meßstrahl aussenden. Der Entfernungsmesser kann nach dem Triangulationsprinzip oder aufgrund von Laufzeitmessung von Impulsen die Entfernung bestimmen. Beispiele solcher Entfernungsmesser sind in der EP 0 277 542 B1 und US-PS 3 781 111 beschrieben. Die dreidimensionale Abtastung des Oberflächenprofils erfolgt durch zweidimensionales Schwenken oder Ablenken des Meßstrahls.

Wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens ein Laserentfernungsmesser verwendet, so kann die Abtastung des Oberflächenprofils des Füllguts durch Schwenken des Meßstrahls mittels eines zweidimensional, schwenkbar gelagerten Spiegels erfolgen. Bevorzugt wird als optischer Empfänger des Laserentfernungsmessers eine CCD- Kamera mit flächig ausgebildeter lichtempfindlicher Matrix verwendet, deren Auffaßbereich den gesamten Querschnitt des Behälters überdeckt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Messung des Füllgrads eines Behälters näher beschrieben. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines mit Füllgut teilgefüllten Behälters mit einer Meßvorrichtung zur Messung des Behälterfüllgrads (Füllgradmesser),

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Füllgradmessers in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt eines ständigem Lagewechsel unterliegenden Behälters.

In Fig. 1 ist ein schematisch skizzierter Behälter 10 mit körnigem oder stückigem Schüttmaterial, dem sog. Füllgut 11, teilweise gefüllt. Wegen der hier nicht dargestellten mittig oder seitlich versetzt angeordneten Einfüllöffnung im Behälter 10 verteilt sich das Füllgut 11 nicht gleichmäßig im Behälter 10, sondern hat über den Behälterquerschnitt eine unterschiedliche Füllhöhe, die meist unmittelbar unterhalb der Einfüllöffnung maximal ist. Die Oberfläche des Füllguts 11, welche die Phasengrenze des Füllguts 11 zu dem verbleibenden Luftraum in dem Behälter 10 darstellt, ist mit 111 bezeichnet.

Zur fortlaufenden hochgenauen Messung des Füllgrads des Behälters 10 ist ein Füllgradmesser 12 oberhalb des Füllguts 11 angeordnet, mit dem nach folgendem Meßverfahren gemessen wird: Von einem durch den Einbauort des Füllgradmessers 12 festgelegten Referenzpunkt aus wird die Entfernung zu einer Vielzahl von Punkten 13 auf der Oberfläche 111 des Füllguts 11 berührungslos gemessen und aus den Meßwerten ein dreidimensionales Oberflächenprofil des Füllguts 11 bestimmt. Die hierzu jedem Entfernungswert zuzuordnende Raumkoordinate im Behälter 10 wird aus der Meßrichtung abgeleitet. Zum punktweisen Abtasten der Füllgutoberfläche 111 ist der Füllgradmesser 12 um zwei rechtwinklig aufeinander stehende Schwenkachsen 14, 15 schwenkbar, so daß ein von ihm ausgesandter Meßstrahl 16 zur berührungslosen Entfernungsmessung auf jeden beliebigen Punkt 13 der Füllgutoberfläche 111 gerichtet werden kann. Die Richtung des Meßstrahls 16 bestimmt die jeweilige Meßrichtung. Aus dem Oberflächenprofil und der bekannten Geometrie des Behälters 10 wird dann das exakte Füllvolumen des Füllguts 11 oder das Volumen des noch zur Füllung freien Behälterrestes berechnet. Beide sind ein Maß für den exakten Füllgrad des Behälters 10, der entsprechend angezeigt wird. Zusätzlich können noch weitere den Füllgrad spezifizierende Größen angegeben und angezeigt werden, so der Höchstfüllstand, der Niedrigstfüllstand, die Füllgutverteilung über den Behälterquerschnitt und die Füllgeschwindigkeit.

Bei geometrisch einfachen Bauformen des Behälters 10 kann die Behältergeometrie einfach berechnet werden. Bei einem quaderförmigen Behälter 10, wie er beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, reichen die Angaben über Behälterquerschnitt und Abstand des Referenzpunkts vom Behälterboden schon aus, um aus dem gemessenen Oberflächenprofil den Füllgrad zu berechnen. Bei komplizierten Behälterbauformen, wie eine solche beispielsweise in Fig. 3 skizziert ist, wird die Behältergeometrie dadurch gewonnen, daß in gleicher Weise wie bei der Vermessung des Oberflächenprofils des Füllguts 11 mittels des Füllgradmessers 12 die Entfernung zu einer Vielzahl von Punkten auf der Innenfläche der Behälterwände des leeren, also füllgutfreien, Behälters 10 gemessen wird, und die gemessenen Entfernungswerte mit den zugeordneten Meßrichtungen zur Geometrie des Behälters 10 zusammengesetzt werden. Dieser Meßvorgang wird für jeden Behälter nur einmal durchgeführt. Die gemessene Behältergeometrie wird abgespeichert und bei der Füllgradmessung jeweils in Bezug zu dem Oberflächenprofil gesetzt.

Der verwendete Füllgradmesser 12 ist ein sog. Abstands- oder Entfernungsmesser, wie er in vielfältiger Ausführungsform bekannt ist. Bei allen diesen Abstandsmesser wird die Reflexion des Meßstrahls 16 an einem Gegenstand, hier an der Füllgutoberfläche 111, ausgenutzt, um die Entfernung zu berechnen. Der Abstandsmesser kann dabei einen elektromagnetischen Meßstrahl (Radar) oder einen akustischen Meßstrahl (Ultraschall) oder einen optischen Meßstrahl (Laser im sichtbaren oder Infrarotbereich) erzeugen. Die Entfernungs- bzw. Abstandsmessung kann dabei in an sich bekannter Weise nach dem Triangulationsprinzip erfolgen, wie dieses in der DE-OS 19 49 868 oder in der EP 0 277 542 B1 beschrieben ist, oder mittels sog. Laufzeitmessung durchgeführt werden, wie diese in der US-PS 3 781 111 beschrieben ist. Im letzten Fall setzt sich der Meßstrahl aus mehreren Impulsen zusammen, deren Laufzeit vom Aussenden bis zum Empfang nach Reflexion an der Oberfläche 111 des Füllguts 11 gemessen wird.

Der in Fig. 2 im Blockschaltbild skizzierte Füllstandsmesser 12 weist als berührungslos messenden Abstandsmesser einen an sich bekannten Infrarot-Laserentfernungsmesser auf. Dieser umfaßt einen Lasersender 21, einen optischen Empfänger 22 und einen Entfernungsrechner 23. Der Lasersender 21 sendet einen sich aus einzelnen Lichtimpulsen im Infrarotbereich zusammensetzenden, stark gebündelten Meßstrahl 16 aus, der von einer Laserdiode 24 erzeugt und über einen Schwenkspiegel 25 durch ein Sendeobjektiv 26 hindurch auf die Oberfläche 111 des Füllgutes 11 gerichtet wird. Der Schwenkspiegel 26 ist um zwei Schwenkachsen 27, 28 schwenkbar, die rechtwinklig aufeinanderstehen. Zur Spiegelschwenkung werden z. B. Schrittmotoren verwendet, die hier nicht weiter dargestellt sind. Die Schrittmotoren werden von einer hier ebenfalls nicht dargestellten Steuereinrichtung angesteuert und schwenken den Spiegel um einen vorgegebenen Schwenkwinkel, wodurch der Meßstrahl 16 aufeinanderfolgend um kleine Längenintervalle versetzt wird, bis der vom Meßstrahl 16 auf der Füllgutoberfläche 111 erzeugte Lichtpunkt 13 über die gesamte Oberfläche 111 hinweggewandert ist. Die Impulserzeugung durch die Laserdiode 24 und die Verschwenkung des Schwenkspiegels 25 sind durch die Steuereinrichtung so miteinander synchronisiert, daß mit Erreichen jeder neuen Schwenkstellung des Schwenkspiegels mindestens ein Laserimpuls ausgelöst wird. Gleichzeitig mit dem Aussenden des Laserimpulses wird von der Steuereinrichtung ein Zeitmesser im Entfernungsrechner 23 gestartet.

Das im Punkt 13 auf der Füllgutoberfläche 111 reflektierte Laserlicht wird von dem Empfänger 22 detektiert. Im Zeitpunkt der Lichtdetektion wird der Zeitmesser im Entfernungsrechner 23 gestoppt. Der Zeitmesser gibt damit die Laufzeit des Laserimpulses vom Aussenden durch den Lasersender 21 bis zum Empfang des reflektierten Laserimpulses im Empfänger 22 an. Aus dieser Laufzeit und der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in Luft errechnet der Entfernungsrechner 23 die Entfernung zum Punkt 13 auf der Oberfläche 111 des Füllguts 11. Dieser Vorgang wird Punkt für Punkt wiederholt, wobei der Laserstrahl ständig um einen bestimmten Betrag versetzt wird, bis die komplette Oberfläche 111 des Füllguts 11 abgetastet worden ist und für jeden Abtastpunkt ein Entfernungswert vorliegt.

Der optische Empfänger 22 ist in an sich bekannter Weise als CCD-Kamera 29 ausgebildet, deren Auffaßbereich den gesamten Querschnitt des Behälters 10 überdeckt. Das durch das Empfängerobjektiv 30 der CCD-Kamera 29 hindurchfallende Licht wird in der Bildebene der CCD-Kamera 29 auf einer in lichtempfindliche Zellen matrixartig unterteilten flächenhaften Platte, der sog. CCD-Matrix 31 oder dem CCD- Array abgebildet. Je nach Richtung des einfallenden Lichtes wird dabei der Punkt 13 auf der Füllgutoberfläche 111 auf einer der Zelle abgebildet und von dieser Zelle detektiert. Der Lichtempfang durch die Zelle löst, wie vorstehend beschrieben, den Stoppimpuls für den Zeitmesser im Entfernungsrechner 23 aus. Zusätzlich werden die Matrixkoordinaten der Zelle, in dem der Punkt 13 abgebildet wird, ausgegeben, so daß jedem vom Entfernungsrechner 23 ermittelten Entfernungswert ein Koordinatenpaar zugeordnet ist, das die Lage des Entfernungswerts innerhalb des Behälterquerschnitts, und damit auch die Meßrichtung des Meßstrahls 16, charakterisiert. Jedes Koordinatenpaar wird zusammen mit dem Entfernungswert einem Profilrechner 32 zugeführt, der aus der Vielzahl der Entfernungswerte mit zugeordneten Koordinatenpaaren ein dreidimensionales Oberflächenprofil des Füllguts 11 berechnet. Ein dem Profilrechner 32 nachgeschalteter Füllgradrechner 33 berechnet nunmehr aus der bekannten Behältergeometrie, die er aus einem Speicher 34 abruft, das Füllgutvolumen oder aber das füllgutfreie Restvolumen des Behälters 10. Dieses wird ins Verhältnis zu dem Behältervolumen gesetzt und als Füllgrad in einer Anzeigevorrichtung 35 ausgegeben.

Zur Erfassung der Behältergeometrie bei komplizierten Bauformen des Behälters 10 werden bei leerem Behälter 10 dessen Innenwände in gleicher Weise, wie vorstehend für das Füllgut 11 beschrieben, abgetastet und die gemessenen Paarungen von Entfernungswerte und Meßrichtungskoordinaten, die die Lage der Meßpunkte innerhalb des Behälters 10 charakterisieren, im Speicher 34 abgespeichert. Dieser Meßvorgang zur Behältergeometrie wird nur ein einziges Mal durchgeführt. Zur Bestimmung des Füllgrads im Füllgradrechner 33 werden dann die Entfernungswerte der Füllgutoberfläche 111 und die aus dem Speicher 34 abgerufenen Entfernungswerte der Behältergeometrie, die die gleiche Paarung von Meßrichtungs- oder Raumkoordianten aufweisen, zueinander in Bezug gesetzt.

Mit dem erfindungsgemäßen Füllstandsmesser 12 kann nicht nur der Füllgrad von mit körnigem oder stückigem Schüttgut gefüllten Behältern, sondern auch der Füllgrad von flüssigkeitsgefüllten Behältern hochgenau bestimmt werden, auch dann, wenn diese Behälter einem ständigen Wechsel ihrer Einbaulage unterworfen sind, wie dies bei Tanks von Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen der Fall ist. Ein solcher als Flugzeugtank konzipierter Behälter 10 ist in Fig. 3 skizziert, wobei unterschiedliche Lagen des Tanks strichliniert angedeutet sind. Zusätzlich weisen häufig solche Tanks infolge der vorgegebenen Einbauverhältnisse eine relativ komplizierte geometrische Form auf, so daß sich beim Verschwenken des Tanks auch durchaus das Flüssigkeitsniveau anhebt bzw. absenkt. Mit dem beschriebenen Füllgradmesser, der in Fig. 3 wiederum mit 12 bezeichnet ist, kann zu jedem Zeitpunkt und bei jeder Lage des Tanks der momentane Füllgrad hochgenau gemessen werden.

Das beschriebene Verfahren kann auch zur Messung an einem offenen Gerinne verwendet und somit das momentane Durchflußprofil des flüssigen Mediums im Gerinne zuverlässig und genau bestimmt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Messung des Füllgrads von mit Füllgut gefüllten Behältern, bei welchem von einem Referenzpunkt aus die Entfernung zum Füllgut berührungslos gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung zu einer Vielzahl von Punkten (13) auf der Oberfläche (111) des Füllguts (11) gemessen und aus den Entfernungsmeßwerten und den jeweiligen Meßrichtungen ein dreidimensionales Oberflächenprofil des Füllguts (11) bestimmt wird und daß aus dem Oberflächenprofil und der Behältergeometrie den Füllgrad charakterisierende Größen, wie Füllgutvolumen und/oder füllgutfreies Behälterrestvolumen, berechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Größen Höchstfüllstand, Niedrigstfüllstand, Füllverteilung und/oder Füllgeschwindigkeit berechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behältergeometrie bei füllgutfreiem Behälter (10) in gleicher Weise wie das Oberflächenprofil des Füllguts (11) bestimmt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen am Referenzpunkt angeordneten Abstands- oder Entfernungsmesser, der einen Meßstrahl aussendet und die Reflexion des Meßstrahls an der Oberfläche (111) des Füllguts (11) zur Abstands- oder Entfernungsmessung ausnutzt, und dadurch, daß der Meßstrahl (16) die Füllgutoberfläche (111) zweidimensional abtastet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstands- oder Entfernungsmesser ein an sich bekannter Laser-Entfernungsmesser (20) ist, der als Meßstrahl (16) einen kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahl aussendet, und daß zur zweidimensionalen Abtastung der Füllgutoberfläche (111) zumindest der Laserstrahl (16) über einen zweidimensional schwenkbaren Ablenkspiegel (25) geführt ist.