WO2011054340A1 - Vorrichtung zum erfassen von masseteilchen - Google Patents

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WO2011054340A1
WO2011054340A1 PCT/DE2010/001271 DE2010001271W WO2011054340A1 WO 2011054340 A1 WO2011054340 A1 WO 2011054340A1 DE 2010001271 W DE2010001271 W DE 2010001271W WO 2011054340 A1 WO2011054340 A1 WO 2011054340A1
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WO
WIPO (PCT)
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sensor
unit
mass particles
seed
signal
Prior art date
Application number
PCT/DE2010/001271
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Hilleringmann
Siegbert DRÜE
Sebastian Meyer Zu Hoberge
Matthias Hölscher
Original Assignee
Universität Paderborn
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universität Paderborn filed Critical Universität Paderborn
Publication of WO2011054340A1 publication Critical patent/WO2011054340A1/de

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01C—PLANTING; SOWING; FERTILISING
    • A01C7/00—Sowing
    • A01C7/08—Broadcast seeders; Seeders depositing seeds in rows
    • A01C7/10—Devices for adjusting the seed-box ; Regulation of machines for depositing quantities at intervals
    • A01C7/102—Regulating or controlling the seed rate
    • A01C7/105—Seed sensors

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting mass particles in ducted air streams, in particular preciselylitdem .Saatgut- in seeders, with a sensor unit and a seeder.
  • a device for detecting mass particles in ducted air streams which comprises an optical sensor unit, by means of which mass particles can be counted in a seed stream without contact.
  • the sensor unit comprises a plurality of CCD sensor elements which are arranged on the peripheral edge of a seed line of a seeder.
  • a disadvantage of the known device is its susceptibility to high humidity, which has the consequence that the walls of the seed line, against which the sensor elements are wetted and polluted. The cleaning of the seed line is relatively expensive.
  • the object of the present invention is, therefore, to further develop a device for detecting mass particles in conducted air streams and a seed drill in such a way that an accurate measurement result is ensured with high operational reliability, with particular insensitivity to contamination in the measuring chamber being given.
  • the invention in conjunction with the preamble of claim 1, characterized in that the sensor unit at least one sensor element arranged with a piezoelectric element, with a contact surface for the mass particles and with a side facing away from the incident surface of the piezoelectric element Damping body has, in such a way that in each case generates an evaluable pulse signal upon impact of the mass particles on the landing surface .Wird.
  • a sensor unit is equipped with a touch-sensitive sensor element, which is robust and insensitive to contamination.
  • a piezoelectric element having an incident surface and a. Damping body are integrated, a relatively high grain rate can be detected properly.
  • Previous measurements show that, for example, the counting deviation at a grain frequency (number of pass- 'would reduce the "wheat" to less than 2%. This is caused by the fast response of the piezoelectric crystals in the'-stabilizing body per unit time) of 15 kHz of the seed nanoseconds area and the relatively highly damped Nachschwing s the pulse signals generated by the sensor element.
  • the technical effort for detecting and counting of mass particles in conducted Lucasströmen- can thereby be substantially reduced is it in the mass particles to 'a seed.
  • the integration of the sensor unit in a main distribution of the seed drill for detecting, of the total seed density can be used. If the sensor unit having preferably integrated only a single sensor element in a seed line, also a seed distribution can be determined beyond.
  • the sensor element is formed in layers, wherein on one side of the piezoelectric element as a membrane, formed Auf Economicsflache and on an opposite side of the piezoelectric element, a damping body or an additional rigid base body are arranged.
  • the impact surface or membrane is designed with regard to the material, its thickness and the extent that it generates only very short oscillation pulses in the case of impinging mass particles.
  • the constructed in the manner of a sandwich concept sensor element upon impact of the respective mass particles on the membrane a very steep ' and temporally very short pulse with very little and strongly damped ringing are generated.
  • very quick succession occurring grain pulses can be separated by means of a downstream signal processing device or evaluation device in time and are then converted into digital signals for further evaluation or ⁇ counting the grains in the evaluation device.
  • a plurality of sensor elements are combined to form a sensor field (array), wherein the contact surfaces of adjacent sensor elements. are separated by a gap ' from each other.
  • this sensor field can be placed in a main flow distributor of a seed drill, wherein preferably the entire Körnerström is detected. This results in a segmentation of the necessary for the seed flow detection surface / on reff Chemistry, resulting in a reduction of the to be detected by the respective sensor elements grain frequency.
  • the measurement sensitivity can be significantly increased.
  • the sensor field can be formed for example by identically formed individual sensor elements which are arranged along a predetermined surface.
  • the sensor array can also be formed by sensor elements which are fixedly connected to each other through the damping body and / or the rigid base body.
  • the ⁇ sensor element or the sensor array is arranged in a predetermined In rall Scheme a Schm- to which the Masseteilchenstrom is performed. This ensures that almost all mass particles are detected by the sensor unit. Due to the size of the sensor field, an adaptation to different diameters of mass particles transporting air streams can be generated. Due to this scalability of the sensor field size, the sensor unit can be easily adapted to different types of machines, in particular to different seed drills.
  • a signal processing device by means of which the pulse signals provided by the sensor unit are processed and compared with a threshold value, so that when the threshold value is exceeded, a count signal and, if the threshold value is not exceeded, a zero signal is output to an evaluation device.
  • said signal processing means prepares the pulse signals provided by the Senso 'r- unit so on, they evaluated in a simple manner by a micro-controller formed preferably as evaluation device, that is, can be counted.
  • the signal processing device makes it possible to extract the corresponding pulse signals, so that an unambiguous assignment of pulse signals to impacted mass particles on the sensor element is achieved.
  • FIG. 1 shows a side view of a part of a seed drill with a seed line system in which a sensor unit is integrated
  • FIG. 2 shows an exploded view of a single sensor element of the sensor unit
  • FIG. 3 shows a plan view of a sensor field consisting of a plurality of sensor elements
  • FIG. 4 shows a circuit, a signal processing device for 10 sensor elements according to a first embodiment
  • FIG. 5a shows a block diagram of an adaptation unit of FIG
  • Figure 5b is a block diagram of an impedance converter of the signal processing device according to figure 4 x,
  • FIG. 5c shows a block diagram of an inverting unit of FIG.
  • Figure 5d is a block diagram 'of a differentiating unit to the signal processing device according to Figure 4,
  • Figure 5e is a block diagram of a comparator unit of the
  • FIG. 6 shows a circuit of a signal processing unit . Cn- tion according to a second embodiment, wherein by way of example only the circuit for a single sensor element is shown,
  • FIG. 7a shows a block diagram of an integrating unit integrated in the signal processing device
  • FIG. 7b shows a block diagram of a comparator unit of FIG.
  • a device for detecting . of mass particles in managerial 'tung guided air streams may preferably be integrated into a drill in a sowing machine or 1.
  • the device according to the invention can also be their machines or devices are integrated, in which mass particles are passed through lines.
  • the seed drill 1 comprises in the usual way a seed storage 2, a discharge device 3 for discharging seed from the seed storage 2 and a seed line system with a main flow distributor 4 'and a plurality of individual seed lines 4.
  • the inventive apparatus for detecting seed drill 1 has a sensor unit 5 which is' all Scheme within a, for example mushroom-shaped main current distributor 4 'positioned in a ⁇ predetermined Aufpr the discharge device 3, which is supplied to the air stream containing seed' via a riser 25 ,
  • the main flow distributor 4 ' may also be formed as a flat plate, wherein the sensor unit 5 is also formed flat.
  • the sensor unit 5 ' may be arranged so that the whole' only in the main current distributor 4 spatially distributed Saatgutdich-- te is detected.
  • the sensor units. 5 also be assigned exclusively or additionally separately to the individual seed lines 4 or seed hoses.
  • the sensor units 5 may each be arranged on an inner side of the seed lines 4 annular or partially annular, wherein preferably upstream guide. are arranged so that the air flow provided with the grains is guided to the sensor unit.
  • the guide means may be formed as a ski-shaped guide means.
  • the sensor units 5 Preferably located the sensor units 5 in an end region of the seed hoses facing the main flow distributor 4 ',. so that the electrical connectivity is simplified.
  • the sensor unit 5 has at least one sensor element 6, which comprises a piezoelectric element 7, at the first flat side 8 is formed as a membrane reffflache 9 and at its .zu the first flat side 8 opposite second flat side 10 is followed by a damping body 11. On a side facing away from the piezoelectric element 7 of the damping body 7, this is connected to a rigid ' base body 12, which includes a relatively large mechanical mass.
  • damping body 11 are connected via the corresponding flat sides 8, 10 or a piezoelectric element 7 facing first flat side 13 and a piezoelectric element facing away from the second flat side 14 of the damping body 11 cohesively, preferably by an adhesive mitein other and with the membrane 9 and the rigid base body
  • the essentially columnar (layered) sensor element 6 is arranged in the predetermined impact region of the main flow distributor 4 'in such a way that the grains (seeds) guided in the air stream make a firm impact on the membrane 9:
  • the membrane 9 is configured in such a way that that it generates only very short vibration impulses when the grains hit.
  • the damping body 11 is provided, which together with the rigid one.
  • Base body 12 preferably has such a low axial elasticity that the vibrations of the membrane 9 and the piezoelectric element 7 are attenuated.
  • the thickness and the material property of the Dämpf ngs stressess 11 is formed such that an axial ringing of the diaphragm 9 and the piezoelectric element 7 is greatly reduced.
  • the envelope of the vibration in the manner 'of a decaying exponential function with a relatively small time constant is preferably reduced.
  • the thickness of the damping body 11 together with the rigid base body 12 are substantially greater than the thickness of the diaphragm 9 and the piezoelectric element 7, respectively.
  • the individual sensor elements 6' are combined to form a sensor field (array 15) so that the entire grain flow can be detected.
  • the individual sensor elements 6 are of identical construction and have, preferably, a hexagonal and / or polygonal and / or surface-dividing contour, so that the plurality of sensor elements 6 'can emulate a circular area with relatively little waste.
  • columns 16 are formed, which may be filled with sound-absorbing material, for example, so ' that the sensor elements 6 'exert no interaction with each other.
  • 'preferably schallwellenabsorb Schlierende material can be arranged elevated with respect to the adjacent diaphragm 9, so that they form a guide for the grains and thus an impact of the same. on one of the membranes 9 make sure.
  • the sensor elements 6 'of the sensor array 15 extend in a common plane, the membranes 9 of which are arranged flush with one another.
  • the sensor field 15 can also be arched, stepped or arcuate, depending on the location of the sensor field 15 or course of the seed line 4.
  • the sensor array 15 ' may comprise, the base body 12 and, where' also several sensor elements 6 appropriate, the damping body 11 are integrally connected to each other in addition.
  • the structure of the sensor unit 5 can be simplified since the damping body 11, the piezoelectric elements 7 and the membranes 9 of the different sensor elements 6 'can be applied to the common base body 12 to form the gap 16.
  • the sensor elements 6, 6 'respectively generate pulse signals I, which are applied to the input of a signal processing device 17, as a result of the impact of the mass particles or of the grains on the membrane 9.
  • the signal processing means 17 has firstly a matching unit 18 by means of which 'characterizing processed pulse signal I of the mass particles or grains' generated from the sequence of pulse signals I a bouncing becomes.
  • the matching unit 18 has a diode network (bridge rectifier circuit) with a downstream RC element.
  • the capacitor Gl of the RG gate is charged by the first half-wave of the pulse signal I r and then blocked by its capacitor voltage, the transmission of the weaker waves of this vibration.
  • the capacitor C 1 is discharged via the parallel-connected resistor R 1 with a specific time function of the RC element.
  • the matching unit 18 is adjoined by an impedance converter 19 for decoupling the adaptation unit 18 from the further downstream unit.
  • the Impedanzw 'andlers 19 On the output side of the Impedanzw 'andlers 19 is adopted- an inverting unit 20, by means of which the pulse signals I' of the impedance converter are inverted 19 to pulse signals I '' in preparation for a subsequent differentiation unit 21, in-which only the first very steep rising edge of the inverted Pulse signal I '' leads to a pulse signal I D '.
  • the decaying edge of the pulse signal I '' whose course is ' determined ' by the time constant of the RC element is not reflected in the output signal of the differentiating unit 21.
  • a comparator unit 22 is provided, at the input of which the pulse signal I D of the differentiating unit 21 and, secondly, a comparison quantity are present.
  • a static threshold S s is fixed.
  • a count signal Z when, the pulse signal I D is greater than the threshold S. If the pulse signal I D is less than or equal to the threshold value S, is a zero signal N before.
  • the count signal z and the zero signal N are binary signals which are applied to the input of a downstream evaluation device 23.
  • the evaluation device ' which preferably contains a microcontroller, the ' count signals Z are counted. The result of the count can be supplied to a control device, not shown, by means of which the dispensing device 3 is controlled or controlled.
  • a second embodiment of a signal processing device 17 ' which in the. Is, differs from the first embodiment 17 in that on the one hand on the diode network input side, a variable reference voltage U Ref is applied and on the other between the preferably present inversion unit 20 and a comparator unit 22 'an integrating unit 26 is arranged, the For example, gets the same input signal as the differentiator 21st
  • U Ref the reference voltage
  • the sensitivity of the circuit can be adapted to local conditions. For example, the detection of counts generated by debris can be suppressed, which would otherwise corrupt the grain count result.
  • the integrating unit (integrator 26) is arranged between the output of the inverting unit 20 and at an input of the comparator unit 22', an output voltage U D of the differentiating unit 21 with a dynamic threshold value S D or with a dynamic voltage Ü SD compared.
  • the temporally variable dynamic threshold value S D can be generated, for example, via the integrating unit 26, which preferably uses the same input signal as the differentiating unit 21.
  • .Dynamic threshold value S D preferably has an approximately pulse-shaped course, which looks like a roughly 29ilffenen pulse signal I 'similar.
  • the first section has a relatively high amplitude depending on the strength of the pulse I '.
  • This briefly high dynamic threshold S D leads in the comparator to the fact that possibly present impulse vibrations of the pulse-shaped sensor signal I are suppressed.
  • the dynamic threshold value S D is reduced to a relatively low value, so that the sensitivity of the system is again given for very small sensor signals.
  • the short-term increase of the dynamic threshold S D does not mean that subsequent sensor signals that follow in short time intervals, can not be counted since In this case, the output signal of the differentiating element 21 is usually still greater than the dynamic threshold S D.
  • presetting a dynamic threshold value S D it is advantageously possible to adapt the sensitivity of the circuit 17 'to different particle velocities and particle masses. After the circuit 17 according to the first embodiment, this is done by establishing a certain size of the threshold value S s .
  • the. Dynamic threshold S D which is generated by the integrating unit 26 of the circuit 17 ', also be generated independently of the processed pulse signal I'.
  • the integrating unit 26 is thus designed as a dynamic setpoint specification unit which preferably generates a dynamic setpoint value S D as a function of the pulse signal I.
  • the dynamic set point S D can also be of a different kind. are generated depending on or independent of the pulse signal I.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Masseteilchen in leitungsgeführten Luftströmen, insbesondere von auszubringendem Saatgut in Sämaschinen, mit einer Sensoreinheit (5), wobei die Sensoreinheit (5) mindestens ein Sensorelement (6, 6') mit einem piezoelektrischen Element (7), mit einer Auftrefffläche (9) für die Masseteilchen und mit einem auf einer der Auftrefffläche (9) abgewandten Seite des piezoelektrischen Elementes (7) angeordneten Dämpfungskörper (11) aufweist, derart, dass beim Auftreffen der Masseteilchen auf die Auftrefffläche (9) jeweils ein auswertbares Impulssignal (I) erzeugt wird.

Description

Vorrichtung zum Erfassen von Masseteilchen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Masseteilchen in leitungsgeführten Luftströmen, insbesondere von auszubringendem .Saatgut- in Sämaschinen, mit einer Sensoreinheit und eine Sämaschine.
Aus der DE 10 2007 031 576 AI ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Masseteilchen in leitungsgeführten Luftströmen bekannt, die eine optische Sensoreinheit umfasst, mittels derer Masseteilchen in einem Saatgutstrom berührungslos gezählt werden können. Die Sensoreinheit umfasst eine Mehrzahl von CCD-Sensorelementen, die am Umfangsrand einer Saatgutleitung einer Sämaschine angeordnet sind. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist ihre Störanfälligkeit bei erhöhter Luftfeuchte, was zur Folge hat, dass die Wände der Saatgutleitung, an der die Sensorelemente anliegen, benetzt und verschmutzt werden. Die Reinigung der Saatgutleitung ist relativ aufwändig. Zwar ist aus dem Artikel „Präzise Saat durch Körnerzähler Sensor" Johannes Marque- ring und Bernd Schefler der Fachzeitschrift Landtechnik 5/2006 bekannt, die Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung dadurch zu erhöhen, dass in der Sensoreinheit eine Verschmutzungsüberwachung vorgesehen ist, die die Laserleistung in Abhängigkeit von dem Verschmutzungsgrad nach-
BESTÄTIGUNGSKOPIE führt. Einer solchen Laserleistungsnachf hrung sind jedoch Grenzen gesetzt. Darüber hinaus erfordert diese Maßnahme einen zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher-, eine Vorrichtung zum Erfassen von Masseteilchen in leitungsgeführ- ten Luftströmen sowie eine Sämaschine derart weiterzubilden, dass bei hoher Betriebssicherheit ein genaues Messergebnis gewährleistet ist, wobei insbesondere eine Unemp- findlichkeit gegenüber Verschmutzungen im Messraum gegeben ist .
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit mindestens ein Sensorelement mit einem piezoelektrischen Element, mit einer Auf- trefffläche für die Masseteilchen und mit einem auf einer der Auftrefffläche abgewandten Seite des piezoelektrischen Elementes angeordneten Dämpfungskörper aufweist, derart, dass beim Auftreffen der Masseteilchen auf die Auftrefffläche jeweils ein auswertbares Impulssignal erzeugt .wird.
Nach der Erfindung ist eine Sensoreinheit mit einem berührungssensitiven Sensorelement ausgestattet, das robust und unempfindlich gegenüber Verschmutzungen ist. Da in dem Sensorelement ein piezoelektrisches Element mit einer Auftrefffläche sowie einem. Dämpfungskörper integriert sind, kann eine relativ hohe Kornrate einwandfrei detektiert werden. Bisherige Messungen zeigen, dass beispielsweise die Zählabweichung bei einer Kornfrequenz (Anzahl der pas- sierenden Körper pro Zeiteinheit) von 15 kHz des Saatguts' „Weizen" auf unter 2 % reduzieren ließe. Dies wird bewirkt durch das schnelle Ansprechen der Piezokristalle im 'Nano- sekundenbereich und des relativ stark gedämpften Nachschwingverhaltens der von dem Sensorelement erzeugten Impulssignale. Der technische Aufwand zur Erfassung und Zählung von Masseteilchen in leitungsgeführten Luftströmen- kann hierdurch wesentlich reduziert werden. Handelt es sich bei dem Masseteilchen um' ein Saatgut, kann die Integration der Sensoreinheit in einem Hauptstromverteiler der Sämaschine zur Erfassung, der gesamten Saatgutdichte dienen. Wird die Sensoreinheit mit vorzugsweise lediglich einem einzigen Sensorelement in einer Saatgutleitung integriert, kann darüber hinaus auch noch eine Saatgutverteilung bestimmt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Sensorelement schichtweise ausgebildet, wobei auf einer Seite des piezoelektrischen Elementes eine als Membran, ausgebildete Auftreffflache und auf einer gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Elementes ein Dämpfungskörper bzw. ein zusätzlicher starrer Basiskörper angeordnet sind. Die Auftrefffläche bzw. Membran ist hinsichtlich des Materials, ihrer Dicke und der Ausdehnung so ausgebildet, dass sie bei auftreffenden Masseteilchen nur sehr kurze Schwingungsimpulse erzeugt. Zur Reduzierung des Nachschwingens der Membran und des piezoelektrischen Elementes ist der Dämpfungskörper und/oder der starre Basiskörper vorgesehen. Hierdurch kann das nach Art eines Sandwichkonzeptes aufgebaute Sensorelement bei Auftreffen der jeweiligen Masseteilchen auf die Membran ein sehr steiler' und zeitlich sehr kurzer Impuls mit nur sehr geringen und stark gedämpftem Nachschwingen erzeugt werden. Vorzugsweise können mittels einer nachgeordneten Signalverarbeitungseinrichtung bzw. Auswerteeinrichtung zeitlich sehr schnell hintereinander auftretende Kornimpulse getrennt und dann in digitale Signale zur weiteren Auswertung bzw.■ Zählung der Körner in der Auswerteeinrichtung umgeformt werden.
Nach einer Weiterbildung . der Erfindung ist eine Mehrzahl von Sensorelementen zu einem Sensorfeld (Array) zusammen- gefasst, wobei die Auf reffflachen benachbarter Sensorele-. mente durch einen Spalt' voneinander getrennt sind. Vorteilhaft kann dieses Sensorfeld in einem Hauptstromverteiler einer Drillmaschine platziert werden, wobei vorzugsweise der gesamte Körnerström erfasst wird. Hierdurch erfolgt eine Segmentierung der für den Saatgutstrom notwendigen Detektionsfläche/Auf refffläche , was zu einer Verringerung der von den jeweiligen Sensorelementen zu erfassenden Kornfrequenz führt. Vorteilhaft kann die Messempfindlichkeit wesentlich erhöht werden. Das Sensorfeld kann beispielsweise durch gleich ausgebildete einzelne Sensorelemente gebildet sein, die entlang einer vorgegebenen Fläche angeordnet sind.' Alternativ kann das Sensorfeld auch durch Sensorelemente gebildet sein, die über dem Dämpfungskörper und/oder den starren Basiskörper fest miteinander verbunden sind. Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das · Sensorelement bzw. das Sensorfeld in einem vorgegebenen Auf rallbereich einer Leitung- angeordnet, auf den der Masseteilchenstrom geführt wird. Hierdurch ist sichergestellt, dass nahezu alle Masseteilchen von der Sensoreinheit erfasst werden. Durch die Größe des Sensorfeldes kann eine Anpassung an unterschiedliche Durchmesser von Masseteilchen transportierende Luftströmen erzeugt werden. Durch diese Skalierbarkeit der Sensorfeldgröße kann die Sensoreinheit leicht an unterschiedliche Bauformen von Maschinen, insbesondere an unterschiedliche Drillmaschinen angepasst werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen, mittels derer die von der Sensoreinheit bereitgestellten Impulssignale aufbereitet und mit einem Schwellwert verglichen werden, so dass bei Überschreiten des Schwellwertes ein Zählsignal und bei NichtÜberschreiten des Schwellwertes ein Nullsignal an eine Auswerteeinrichtung abgegeben wird. Vorteilhaft bereitet die Signalverarbeitungseinrichtung die von der Senso'r- einheit bereitgestellten Impulssignale derart auf, dass sie auf einfache Weise durch einen vorzugsweise als Mikro- kontroller ausgebildeten Auswerteeinrichtung ausgewertet, das heißt gezählt werden können. Die Signalverarbeitungseinrichtung ermöglicht eine Extrahierung der entsprechenden Impulssignale, so dass eine eindeutige Zuordnung von Impulssignalen zu aufgeprallten Masseteilchen an dem Sensorelement erzielt wird. Zur Lösung der Aufgabe weist eine Sämaschine mit einem. Saatgutspeicher, mit einer ' Ausbringeinrichtung sowie mit einer Saatgutleitung eine erfindungsgemäße Sensoreinheit auf, so dass der Erfassungs- und Zählvorgang von Saatgut genau und langzeitstabil gewährleistet ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der. Erfindung wird nachfolgen anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht eines Teils einer Sämaschine mit einem Saatgutleitungssystem, in dem eine Sensoreinheit integriert ist,
Figur 2 eine Explosionsdarstellung eines einzelnen Sensorelementes der Sensoreinheit,
Figur 3 eine Draufsicht auf ein aus mehreren Sensorelementen bestehendes Sensorfeld,
Figur 4 eine Schaltung, einer Signalverarbeitungseinrichtung für 10 Sensorelemente nach einer ersten Ausf hrungsform,
Figur 5a ein Blockschaltbild einer Anpassungseinheit der
Signalverarbeitüngseinrichtung nach Figur 4, Figur 5b ein Blockschaltbild eines Impedanzwandlers der Signalverarbeitungseinrichtung nach Figur 4·,
Figur 5c ein Blockschaltbild einer Invertiereinheit der
Signalverarbeitungseinrichtung nach Figur 4,
Figur 5d ein Blockschaltbild 'einer Differenziereinheit der Signalverarbeitungseinrichtung nach Figur 4 ,
Figur 5e ein Blockschaltbild einer Kompar toreinheit der
Signalverarbeitungseinrichtung nach Figur 4,
Figur 6 eine Schaltung .einer Signalverarbeitungseinri.cn- tung nach einer zweiten Ausführungsform, wobei exemplarisch lediglich die Schaltung für ein einziges Sensorelement dargestellt ist,
Figur 7a ein Blockschaltbild einer in der Signalverarbeitungseinrichtung integrierten Integriereinheit und
Figur 7b ein Blockschaltbild einer Komparatoreinheit der
Signalverarbeitungseinrichtung gemäß Figur 6.
Eine Vorrichtung zum Erfassen .von Masseteilchen in lei-' tungsgeführten Luftströmen kann vorzugsweise in einer Sämaschine 1 bzw. einer Drillmaschine integriert sein. Alternativ kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in an- deren Maschinen oder Einrichtungen integriert sein, in denen Masseteilchen durch Leitungen geführt werden.
Die Sämaschine 1 weist in üblicher Weise einen Saatgutspeicher 2, eine Ausbringeinrichtung 3 zum Ausbringen von Saatgut aus dem Saatgutspeicher 2 sowie ein Saatgutleitungssystem mit einem Hauptstromverteiler 4' und mehreren einzelnen Saatgutleitungen 4.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erfassen von Saatgut in Sämaschinen 1 weist eine Sensoreinheit 5 auf, die in einem · vorgegebenen Aufpr'allbereich innerhalb eines beispielsweise pilzförmigen Hauptstromverteilers 4' der Ausbringeinrichtung 3 positioniert ist, wobei der das Saatgut' enthaltende Luftstrom über ein Steigrohr 25 zugeführt wird. Alternativ kann der Hauptstromverteiler 4' auch als eine ebene Platte ausgebildet sein, wobei die Sensoreinheit 5 ebenfalls eben ausgebildet ist. Die Sensoreinheit 5 kann lediglich in dem Hauptstromverteiler 4' angeordnet sein, so dass die gesamte,' räumlich verteilte Saatgutdich-- te erfasst wird. Alternativ können die Sensoreinheiten. 5 auch ausschließlich oder zusätzlich gesondert den einzelnen Saatgutleitungen 4 bzw. Saatgutschläuchen zugeordnet sein. Die Sensoreinheiten 5 können jeweils an einer Innenseite der Saatgutleitungen 4 ring- oder teilringförmig angeordnet sein, wobei vorzugsweise stromaufwärts Führungs-. mittel angeordnet sind, damit der mit den Körnern versehene Luftstrom auf die Sensoreinheit geführt wird.- Beispielsweise können die Führungsmittel als schanzenförmige Führungsmittel ausgebildet sein. Vorzugsweise befinden sich die Sensoreinheiten 5 in einem zum Hauptstromverteiler 4' zugewandten Endbereich der Saatgutschläuche , . so dass die elektrische Anschlussfähigkeit vereinfacht ist.
Die Sensoreinheit 5 weist mindestens ein Sensorelement 6 auf, das ein piezoelektrisches Element 7 umfasst, an dessen erster Flachseite 8 sich eine als Membran ausgebildete Auf reffflache 9 und an dessen .zu der ersten Flachseite 8 gegenüberliegenden zweiter Flachseite 10 sich ein Dämpfungskörper 11 anschließt. Auf einer dem piezoelektrischen Element 7 abgewandten Seite des Dämpfungskörpers 7 ist dieser mit einem starren 'Basiskörper 12 verbunden, der eine relativ große mechanische Masse beinhaltet.
Das piezoelektrische Element 7 sowie der Dämpfungskörper
11 sind über die entsprechenden Flachseiten 8, 10 bzw. einer dem piezoelektrischen Element 7 zugewandten ersten Flachseite 13 sowie einer dem piezoelektrischen Element abgewandten zweiten Flachseite 14 des Dämpfungskörpers 11 Stoffschlüssig, vorzugsweise durch einen Klebstoff mitein-- ander sowie mit der Membran 9 und dem starren Basiskörper
12 verbunden. Das im Wesentlichen säulenförmige (schicht- förmige) Sensorelement 6 ist in dem vorgegebenen Aufprall- bereich des Hauptstromverteilers 4' derart angeordnet, dass die im Luftstrom geführten Körner (Saatgut) zwingend auf die Membran 9 treffen: Vorzugsweise ist die Membran 9· derart ausgebildet, dass sie bei Auftreffen der Körner nur sehr kurze Schwingungsimpulse erzeugt. Zur Reduzierung des Nachschwingens der Membran' 9 sowie des piezoelektrischen Elementes 7 ist der Dämpfungskörper 11 vorgesehen, der zu- sammen mit dem starren . Basiskörper 12 vorzugsweise eine derart geringer axiale Elastizität aufweist, dass die Schwingungen der Membran 9 bzw. das piezoelektrische Element 7 gedämpft werden. Die Dicke und die Materialeigenschaft des Dämpf ngskörpers 11 ist derart ausgebildet, dass ein axiales Nachschwingen der Membran 9 und des piezoelektrischen Elementes 7 stark reduziert wird. Hierbei wird vorzugsweise die Einhüllende der Schwingung nach Art' einer abklingenden e-Funktion mit einer relativ kleinen Zeitkonstante reduziert. Die Dicke des Dämpfungskörpers 11 zusammen mit dem starren Basiskörpers 12 sind wesentlich größer als die Dicke der Membran 9 bzw. des piezoelektrischen Elementes 7.
Soll sich die Sensoreinheit 5 in dem Hauptstromverteiler 4' der Drillmaschine befinden - wie im vorliegenden Ausf hrungsbeispiel -, werden die einzelnen Sensorelemente 6' zu einem Sensorfeld (Array 15) zusammengef sst , damit der gesamte Körnerstrom erfasst werden kann. Die einzelnen Sensorelemente 6 sind gleich ausgebildet und weisen vor-, zugsweise eine sechseckförmige und/oder vieleckige und/oder flächenteilende Kontur auf, so dass die Mehrzahl von Sensorelementen 6' eine Kreisfläche mit relativ wenig Verschnitt nachbilden kann. Zwischen den einzelnen Sensorelementen 6' des Sensorfeldes 15 sind Spalten 16 gebildet, wobei diese z.B. mit schallwellenabsorbierendem Material, gefüllt sein können, so ' dass die Sensorelemente 6' keine Wechselwirkung aufeinander ausüben. Beispielsweise' kann das vorzugsweise schallwellenabsorbierende Material erhaben bezüglich der benachbarten Membrane 9 angeordnet sein, so dass sie eine Führung für die Körner bilden und somit ein Auftreffen derselben. auf eine der Membranen 9 sicherstellen.
Vorzugsweise erstrecken sich die Sensorelemente 6' des Sensorfeldes 15 in einer gemeinsamen Ebene, wobei die Membranen 9 derselben bündig zueinander angeordnet sind. Alternativ kann das Sensorfeld 15 auch gewölbt, stufig oder bogenförmig verlaufen, in Abhängigkeit von dem Einsatzort des Sensorfeldes 15 bzw. Verlauf der Saatgutleitung 4.
Alternativ kann das Sensorfeld 15 auch mehrere Sensorelemente 6' aufweisen, deren Basiskörper 12 und gegebenen-' falls zusätzlich auch deren Dämpfungskörper 11 einstückig miteinander verbunden sind. Hierdurch lässt sich der Aufbau der Sensoreinheit 5 vereinfachen, da auf dem gemeinsamen Basiskörper 12 die Dämpfungskörper 11, die piezoelektrischen Elemente 7 und die Membranen 9 der unterschiedlichen Sensorelemente 6' unter Bildung des Spalts 16 aufgebracht werden können.
Die Sensorelemente 6, 6' erzeugen jeweils infolge des Auftreffens der Masseteilchen bzw. der Körner auf die Membran 9 Impulssignale I, die an den Eingang einer Signalverarbeitungseinrichtung 17 angelegt werden. Die Signalverarbeitungseinrichtung 17 weist zum einen eine Anpassungseinheit 18 auf, mittels derer aus der Folge von Impulssignalen I ein das Aufprallen 'der Masseteilchen bzw. Körner kennzeichnendes aufbereitetes Impulssignal I' erzeugt wird. Zu diesem Zweck weist die Anpassungseinheit 18 ein Diodennetzwerk (Brückengleichrichterschaltung ) mit einem nachgeordneten RC-Glied auf. Der Kondensator Gl des RG- Gliedes wird durch die erste Halbwelle des Impulssignals I r aufgeladen und blockiert danach durch seine Kondensatorspannung die Weiterleitung der schwächeren Wellen dieser Schwingung. Damit nachfolgend auf dem Sensorelement 6, 6' auftreffende Körner detektiert werden können, wird der · Kondensator Cl über den parallel geschalteten Widerstand Rl mit einer bestimmten Zeitfunktion des RC-Gliedes entladen. Das Impulssignal I' klingt so schnell wieder ab, dass bei Auftreffen eines weiteren Korns auf dieselbe Membran 9 ein weiteres Impulssignal I' detektiert werden kann.
An die Anpassungseinheit 18 schließt sich ein Impedanz- wandler 19 zur Entkopplung der Anpassungseinheit 18 zur weiteren nachgeschalteten Einheit an.
Ausgangsseitig des Impedanzw'andlers 19 ist eine Invertierungseinheit 20 vorgesehen-, mittels derer die Impulssignale I' des Impedanzwandlers 19 zu Impulssignalen I' ' invertiert werden zur Vorbereitung auf eine sich anschließende Differenziereinheit 21, in- der lediglich die erste sehr steil ansteigende Flanke des invertierten Impulssignals I ' ' zu einem Impulssignal ID' führt. Die abklingende Flanke des Impulssignals I' ' , deren Verlauf durch die Zeitkonstante des RC-Gliedes - bestimmt ' wird, findet sich im Ausgangssignal der Differenziereinheit 21 nicht wieder. · Als letzte Stufe der Signalverarbeitungseinrichtung 17 ist eine Komparatoreinheit 22 vorgesehen, an deren Eingang zumeinen das Impulssignal ID der Differenziereinheit 21 und zum anderen eine Vergleichggröße anliegt. Diese ist nach der Signalverarbeitungseinr'ichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach den Figuren 4 bis 5e ein statischer Schwellwert Ss der fest vorgegeben ist. Am Ausgang der Komparatoreinheit 22 liegt dann ein Zählsignal Z an, wenn, das Impulssignal ID größer ist als der Schwellwert S. Ist das Impulssignal ID kleiner oder gleich des Schwellwertes S, liegt ein Nullsignal N -vor. Das Zählsignal z und das Nullsignal N sind binäre Signale, die an den Eingang einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung 23 angelegt werden. In der Auswerteeinrichtung '23, die vorzugsweise einen Mikro- kontroller enthält, werden die 'Zählsignale Z gezählt. Das Ergebnis der Zählung kann einer nicht dargestellten Regeleinrichtung zugeführt werden, mittels derer die Ausbringeinrichtung 3 geregelt bzw. gesteuert wird.
Eine zweite Ausführungsfofm einer Signalverarbeitungseinrichtung 17', die in den. Figuren 6 bis 7b dargestellt Ist, unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform 17 dadurch, dass zum einen an dem Diodennetzwerk eingangsseitig eine variable Referenzspannung URef anliegt und zum anderen zwischen der vorzugsweise vorhandenen Invertierungseinheit 20 und einer Komparatoreinheit 22' eine Integriereinheit 26 angeordnet ist, die beispielsweise dasselbe Eingangssignal bekommt wie die Differenziereinheit 21. Durch Einstellung der Referenzspannung URef kann die Empfindlichkeit der Schaltung an örtliche Gegebenheiten ange- passt werden. Beispielsweise kann das Erfassen von durch Schmutzpartikel erzeugten Zählimpulsen unterdrückt werden, die das Kornzählergebnis ansonsten verfälschen würden.
Beispielsweise dadurch, dass 'die Integriereinheit (Integrierglied 26) zwischen dem Ausgang der Invertierungseinheit 20 und an einem Eingang der Komparatoreinheit 22' angeordnet ist, wird eine Ausgangsspannung UD der Differenziereinheit 21 mit einem dynamischen Schwellwert SD bzw. mit einer dynamischen Spannung ÜSD verglichen. Der zeitlich variable dynamische Schwellwert SD kann beispielsweise über die Integriereinheit 26 erzeugt werden, welches vorzugsweise das gleiche Eingangssignal wie die Differenziereinheit 21 nutzt. .Der dynamische Schwellwert SD hat vorzugsweise einen näherungsweise impulsförmigen Verlauf, der einem grob verschilffenen Impulssignal I' ähnlich sieht. Der erste Abschnitt besitzt abhängig von der Stärke des Impulses I' eine relativ hohe Amplitude. Diese kurzzeitig hohe dynamische Schwelle SD führt im Komparator dazu, dass eventuell, vorhandene Impulsnachschwingungen des impulsförmigen Sensorsignals I unterdrückt werden. In einem nachfolgenden zweiten Abschnitt verringert sich der dynamische Schwellwert SD auf einen relativ niedrigen Wert, so dass dadurch die Empfindlichkeit des Systems auch wieder für sehr kleine Sensor.signale gegeben ist. Die kurzzeitige Erhöhung der dynamischen Schwelle SD führt nicht dazu, dass nachfolgende Sensorsignale, die in kurzen Zeitabständen folgen, nicht gezählt werden können, da in diesem Fall das Ausgangssignal des Differenzierglieds 21 üblicherweise immer noch größer ist als die dynamische- Schwelle SD- Durch Vorgabe eines dynamischen Schwellwertes SD kann vorteilhaft eine Anpassung der Empfindlichkeit der Schaltung 17' an verschiedene Teilchengeschwindigkeiten und Teilchenmassen erfolgen. Nach der Schaltung 17 gemäß der ersten Ausführungsform rriuss dies durch Festlegung einer bestimmten Größe des Schwellwertes Ss erfolgen.
Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann an dem Diodennetzwerk 18' der Schaltung 17 über einen zusätzlichen Widerstand auch eine variable Referenzspannung URef anliegen, wie es bei der Schaltung 17' der Fall ist.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung kann der. dynamische Schwellwert SD, der durch die Integriereinheit 26 der Schaltung 17' erzeugt wird, auch unabhängig von dem aufbereiteten Impulssignal I' erzeugt werden. Die Integriereinheit 26 ist somit als eine dynamische Sollwertvorgabeeinheit ausgebildet, die vorzugsweise einen dynamischen Sollwertes SD abhängig von dem Impulssignal I erzeugt. Der dynamische Sollwert SD kann auch auf andere Art . abhängig oder unabhängig vom Impulssignal I erzeugt werden..

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung zum Erfassen von Masseteilchen in le-i- tungsgeführten Luftströmen, insbesondere* von auszubringendem Saatgut in Sämaschinen, mit einer Sensoreinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (5) mindestens ein Sensorelement (6, 6') mit einem piezoelektrischen Element (7), mit einer Auftreff- flache (9) für die Masseteilchen und mit einem auf einer der Auftreffflache (9) abgewandten Seite des' piezoelektrischen Elementes (7) angeordneten Dämpfungskörper (11) aufweist, . derart , dass beim Auftreffen der Masseteilchen auf die Auftreffflache (9) jeweils ein auswertbares Impulssignal (I) erzeugt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (6, 6') schichtweise ausgebildet ist, wobei die als Membran ausgebildete Auftreff- fläche (9) mit einer ersten Flachseite (8) des piezoelektrischen Elementes. (7), wobei eine zweite Flachseite (10) des piezoelektrischen Elementes (7) mit einer ersten Flachseite (13) des Dämpfungskörpers. (11) und wobei eine zweite Flachseite (14) des Dämpfungskörpers (11) mit einem ' starren Basiskörper (12) verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekenn^ zeichnet, dass die Auftreffflache (9), das piezoelekt rische Element (7), der Dämpfungskörper (11) und de starre Basiskörper (12) Stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensorelementen (β') in einem Sensorfeld (15) zusammengefasst angeordnet sind, wobei die Auftreffflache (9) benachbarter Sensorelemente (6') durch einen Spalt (16) voneinander getrennt sind, wobei, der Spalt (16) vorzugsweise mit einem schallwellenabsorbierenden Material gefüllt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffflache (9) des Sensorelementes (6, 6V) · und/oder des Sensorfeldes (15) einen vorgegebenen Aufprallbereich für die Masseteilchen in einer Leitung bilden, an dem ein Teil der in der Leitung geführten Masseteilchen oder alle Masseteilchen aufprallen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Basiskörper (12) und/oder die' Dämpfungskörper (11) der in dem Sensorfeld (15) zusammengefassten Sensorelemente (6') einstückig miteinander verbunden sind und/oder dass die Auftreffflache (9) der Sensorelemente (6') jeweils flächenteilend oder vieleckig, insbesondere sechseckförmig ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalverarbeitungseinrich- tung (17) vorgesehen ist, mittels derer die von der Sensoreinheit (5) bereitgestellten Impulssignale (I) aufbereitet und mit einem statischen Schwellwert (Ss) oder mit einem vorzugsweise aus dem Impulssignal (I) der Sensoreinheit (5) abgeleiteten dynamischen Schwellwert (SD) verglichen werden, so dass bei Überschreiten des Schwellwertes (S) ein Zählsignal (Z) und bei NichtÜberschreiten, des Schwellwertes (S) durch das Impulssignal (I) ein Nullsignal (N) an eine Auswert-' einrichtung (23) übergeben wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (17) eine aus- gangsseitig der Sensoreinheit (5) angeordnete Anpassungseinheit (18) aufweist, mittels derer aus der Folge von Impulssignalen (I). ein das Aufprallen der Masseteilchen kennzeichnendes Impulssignal (Ι') gefiltert wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (17). eine Komparatoreinheit (22), eine der Komparatore'in- eit (22) vorgelagerte Differenziereinheit (21) und eine der Differenziereinheit (21) vorgelagerte Impedanzwandlereinheit (19) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Invertierungseinheit ('20) der Impedanzwandlereinheit (19) in Signalflussrichtung nachgelagert ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung der Sensorempfindlichkeit eine an einem Diodennetzwerk der Anpassungseinheit (18') über einen Widerstand angeschlossene einstellbare Referenzspannung (URef) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des dynamischen Schwellwertes (SD) eine Integriereinheit (26) vorgesehen ist, die vorzugsweise das gleiche Eingangssignal erhält wie die Differenziereinheit (21) .
13. Sämaschine mit einem Saatgutspeicher, mit einer Ausbringeinrichtung zum Ausbringen von Saatgut aus dem Saatgutspeicher und mit einem Saatgutleitungssystem enthaltend einen Hauptstromverteiler (4' ) und/oder mindestens eine Saatgutleitung (4) , die mit einer Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgestattet ist.
14. Sämaschine nach Anspruch 13', dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptstromverteiler (4' ) und/oder die Sensoreinheit (6, 6') eben oder gewölbt und/oder stufig ausgebildet ist.
15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Erfassung von bewegten Masseteilchen.
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