WO2020169533A1 - Winkelkorrigierte füllstandsermittlung - Google Patents

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WO2020169533A1
WO2020169533A1 PCT/EP2020/054107 EP2020054107W WO2020169533A1 WO 2020169533 A1 WO2020169533 A1 WO 2020169533A1 EP 2020054107 W EP2020054107 W EP 2020054107W WO 2020169533 A1 WO2020169533 A1 WO 2020169533A1
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WO
WIPO (PCT)
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angle
container
inclination
distance
measuring device
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/054107
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Sören EMMERICH
Sönke Kauffmann
Leon Valentin Siebel-Achenbach
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2020169533A1 publication Critical patent/WO2020169533A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G01F23/292—Light, e.g. infrared or ultraviolet
    • G01F23/2921—Light, e.g. infrared or ultraviolet for discrete levels
    • G01F23/2928—Light, e.g. infrared or ultraviolet for discrete levels using light reflected on the material surface
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/80—Arrangements for signal processing
    • G01F23/802—Particular electronic circuits for digital processing equipment
    • G01F23/804—Particular electronic circuits for digital processing equipment containing circuits handling parameters other than liquid level

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the fill level of a container, and in particular an angle-corrected fill level determination of the aforementioned type.
  • the liquid level in a glass or a bottle, the level of bulk material in a container, or the level of a waste container can be of interest.
  • a simple visual inspection can be sufficient for this in many cases.
  • level sensors are known for this purpose, a distinction being made between level sensors and level limit switches.
  • a fill level limit switch can work, for example, with a light barrier aligned perpendicular to the surface of the fill material. When the filling material has reached a certain height, it interrupts the light barrier and the filling level limit switch emits a corresponding signal.
  • Level sensors can continuously determine the current level of the product in the container.
  • Known devices for this purpose are, for example, swimmers, which are used in particular with liquids.
  • electronic level meters are known which use optics, ultrasound, microwaves or RADAR, for example.
  • the electronic level meters in particular achieve good to very good results in automated level monitoring.
  • these level meters must be mounted at predefined mounting positions on the container to be monitored in order to provide correct results.
  • Some of these level meters also need to be calibrated before being used.
  • some high-resolution level meters are required, which are correspondingly expensive.
  • Known level gauges can determine the level very well when the container is upright. However, if the container is tilted, the level on the respective side walls of the container changes. This can lead to the fact that the actual fill level is no longer correctly detected when the container is tilted, particularly with fill level gauges attached to the side.
  • the device according to the invention has a distance measuring device that can be attached to a container.
  • the distance measuring device is designed to measure a distance to a surface defining a filling level in the interior of the container.
  • the container can be any container that is designed to be filled with filling material. All liquid, solid or gaseous components with which the respective container can be at least partially filled can be referred to as filling material.
  • the filling material can, for example, be a bulk material or a liquid.
  • the surface of the filling material within the container determines the filling level of the container, also referred to as the filling level or the filling level. If the container should be empty, the surface of the container bottom determines the level. In this case the level would be zero.
  • the surface in the interior of the container that defines the current fill level can therefore be the surface of the product (when the container is completely or partially filled) or a surface of the container, for example the container bottom (when the container is empty).
  • the device according to the invention also has a position sensor.
  • the position sensor is designed to determine the position of the distance measuring device relative to a reference plane and to determine an angle of inclination with respect to this reference plane.
  • the position sensor can be physically coupled to the distance measuring device so that the position sensor can detect a change in position of the distance measuring device and an associated angular deviation of the distance measuring device relative to the reference plane in real time.
  • the reference plane can be a reference plane that serves as a reference for measuring the distance to the surface defining the fill level.
  • the position sensor can determine this specific angle as a corresponding angle of inclination with respect to the reference plane.
  • the angle of inclination thus indicates the geometric positional deviation of the distance measuring device in relation to the reference plane that can be used as a reference.
  • the device according to the invention also has a control which is designed to carry out the measurement of the distance by means of the distance measurement device, taking into account the inclination angle determined.
  • the measurement taking into account the angle of inclination leads to an angle-corrected measurement result in which the measurement result is corrected by the previously determined angle of inclination.
  • the measurement result is therefore comparable to a reference measurement in the reference plane.
  • the measurement result of the distance measurement can differ by the corresponding angle of inclination compared to a reference distance measurement to the reference plane.
  • the measured level can therefore deviate from the actual level.
  • the measurement result is corrected according to the invention by the previously determined inclination angle and the corresponding angle-corrected measurement result of the distance measurement is then used to determine the actual fill level of the container.
  • the device according to the invention thus has an angle correction in order to correct angular deviations of the distance measuring device relative to the reference plane.
  • a major advantage of the device according to the invention is, among other things, that the position sensor can determine the current position or spatial orientation of the distance measuring device relative to the reference plane at any time. Thus, no complex calibration of the device is necessary after it has been attached to the container.
  • the position sensor can be designed to determine a static angle of inclination of the distance measuring device relative to the reference plane, the static angle of inclination resulting from the mounting position of the distance measuring device on the container.
  • the distance measuring device can for example be mounted on the container at an angle with respect to the reference plane.
  • the position sensor can be designed to determine a dynamic angle of inclination of the distance measuring device relative to the reference plane, the dynamic angle of inclination resulting from a tilting of the container and changing as the tilting of the container varies.
  • a dynamic angle of inclination can also be determined. If, for example, the container is tilted, the alignment of the distance measuring element changes dynamically with respect to the reference plane when it is tilted. This is especially and especially the case when the orientation of the filling material changes within the container when it is tilted. For example, when a glass is tilted, liquid surfaces always remain horizontal, so that the liquid surface rises on one side of the glass and at the same time drops on the opposite side of the glass. One can also say that while the glass is tilted out of the horizontal, the liquid remains in one and the same orientation, namely in the horizontal.
  • a distance measuring device mounted on the container would tilt together with the container and would thus be deflected with respect to the liquid surface remaining in the horizontal by an angle of inclination that changes or dynamic with the tilt. This results in a dynamic or temporally variable measurement error which can be calculated out and corrected by means of the angle correction according to the invention.
  • the controller can be configured to combine the dynamic angle of inclination and the static angle of inclination with one another in order to determine a common angle of inclination, and to carry out the measurement of the distance by means of the distance measuring device taking into account the common angle of inclination in order to obtain the angle-corrected measurement result receive.
  • the distance measuring device can be arranged tilted in a first direction relative to the reference plane on the container and have a corresponding static angular deviation. If the container is now tilted in this same direction, the tilting leads to an increase in the angular deviation of the distance measuring device relative to the reference plane.
  • the controller can add the current (ie considered at a point in time ti) dynamic inclination angle and the static inclination angle to one another in order to obtain a common inclination angle.
  • This common angle of inclination then forms the basis for the angle correction.
  • the control can subtract the current (ie considered at a point in time ti) dynamic inclination angle from the static inclination angle in order to determine a common inclination angle.
  • This common angle of inclination then forms the basis for the angle correction.
  • the angular deviations or the dynamic and static angles of inclination can compensate each other.
  • the reference plane can be a horizontal plane running horizontally.
  • a horizontal plane running horizontally is understood to be a plane which extends essentially horizontally in the earth's gravity field, which is essentially oriented on the horizon and is perpendicular to the perpendicular in the earth's gravity field. This is particularly advantageous for liquids, but also for other filling goods that can behave like bulk goods, for example, since this type of filling material always tries to align itself with the horizontal plane even when the container is tilted.
  • the horizontally running horizontal plane can serve very well as a reference for determining the angle of inclination in order to carry out an angle-corrected fill level measurement according to the invention of filling material which behaves essentially like bulk material.
  • the control can be designed to recognize one or more container areas that lie outside the surface defining the fill level and to leave these one or more container areas unconsidered when measuring the distance.
  • a container area lying outside the surface can be, for example, a container wall. Since the distance to the surface of the product is to be measured when measuring the distance, the container wall is generally of no interest, since it does not contribute to the distance measurement of the product surface. In particular in the case of simply constructed distance measuring devices, the inclusion of the container wall in the distance measurement to the product surface can even lead to incorrect measurement results when determining the fill level. In order to exclude this, the control can recognize these container areas and ignore them in the distance measurement. Thus, only the distance to the actual product surface is measured.
  • the container wall can be identified, for example, by comparing several distance measurement results with one another. If, for example, two or more measuring points have an approximately similar or preferably the same perpendicular distance to the product surface, this indicates that both measuring points are on the same surface, for example on the product surface. If another measuring point deviates from this, this can indicate that this measuring point is not on the surface of interest but on other container areas, such as on a container wall. This is also referred to herein as edge detection.
  • the distance measuring device can have an optical distance measuring device which has at least one emitter device and at least one detector device, the emitter device being designed to emit electromagnetic radiation into the interior of the container and the detector device being designed to be at the level defining the fill level Surface to detect reflected portions of the emitted radiation.
  • the emitter device can, for example, have one or more light sources, such as, for example, light-emitting LEDs (Light Emitting Diode) or surface emitters or VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) diodes.
  • the detector device can, for example, have one or more light detectors, such as photodiodes and, in particular, SPADs (single-photon avalanche diodes) or multipixel image sensors.
  • one advantage of the concept according to the invention is, among other things, that very inexpensive components, such as the aforementioned SPADs, can be used as detectors. There is thus no compelling need to use an expensive camera.
  • the controller can be designed to determine the distance to the surface in the interior of the container that defines the filling level by means of triangulation or by means of a transit time measurement of the electromagnetic radiation.
  • triangulation electromagnetic radiation is emitted at a first point and portions of the electromagnetic radiation reflected on the surface of the product are detected at a second point.
  • the distance between the first and second point and the angle of entry and / or exit of the electromagnetic radiation the distance to the surface of the product and the current level can be determined.
  • the transit time measurement which can also be referred to as time-of-flight (ToF) measurement
  • pulsed light flashes are emitted into the interior of the container and onto the surface of the product. The transit time that a transmitted light pulse needs to arrive at the detector determines the distance to the product surface, from which the current fill level can be determined.
  • ToF time-of-flight
  • the emitter device can be designed to emit the electromagnetic radiation in the form of a directed single beam and the controller can be designed to measure the distance to the Execute fill level defining surface based on a transit time measurement of the directed single jet.
  • These types of emitter devices are also referred to as one-dimensional emitter devices.
  • a point-like light beam, preferably pulsed, is emitted into the interior of the container. The portion of the light beam partially reflected on the product surface is detected by the detector device and the transit time of the light beam is determined. This can be used to determine the distance to the product surface and thus the current level.
  • the emitter device can be designed to emit the electromagnetic radiation in the form of a beam cone and the controller can be designed to measure the distance to the surface defining the fill level based on a transit time measurement based on an exposure of the fill level defining surface by means of the jet cone. It is preferably a pulsed electromagnetic radiation by means of which the interior of the container and thus the surface defining the fill level is flashed.
  • the emitter device can have an opening angle which is dimensioned such that the emitted beam cone completely covers the container bottom.
  • the emitter device has an opening angle which is dimensioned such that the emitted beam cone covers not only the container bottom but also sections of the container walls, whereby a larger area within the container can be measured, even if it is tilted.
  • the greater the tilting of the container the more advantageous a large opening angle.
  • this can be recognized in accordance with the invention using the edge detection described above, so that the recognized container wall sections are not taken into account in the distance measurement.
  • the detector device can have a multiplicity of detector elements arranged in an array. This increases the potential detection area and is particularly advantageous when using an emitter device which emits a beam cone.
  • the array can have an arrangement of 15x15 detector elements (e.g. SPADs).
  • the emitter device e.g. VCSEL
  • the emitter device can for example be arranged centrally in the array.
  • the position sensor can be an acceleration sensor.
  • acceleration sensors are very inexpensive nowadays joinable. It is preferably a three-dimensional acceleration sensor which measures the acceleration in all three spatial directions. If there is no movement of the acceleration sensor, the acceleration sensor only measures the acceleration due to gravity and delivers a signal that represents the orientation in space. If the acceleration sensor is functionally coupled to the distance measuring device, the acceleration sensor can thus also display the position of the distance measuring device in space.
  • the position sensor and the distance measuring device can be arranged on a common substrate.
  • This is preferably a rigid substrate, such as a printed circuit board or PCB.
  • the position sensor can display the spatial orientation of the substrate and thus the spatial orientation of the position sensor and the distance measuring device on the substrate.
  • Another aspect relates to a corresponding method for determining the fill level.
  • the method includes, inter alia, measuring a distance to a surface defining a fill level inside a container by means of a distance measuring device attached to the container.
  • a further step of the method includes determining the position of the distance measuring device relative to a reference plane and determining an angle of inclination of the distance measuring device with respect to this reference plane.
  • the distance is measured taking into account the determined angle of inclination in order to obtain an angle-corrected measurement result.
  • a current fill level of the container is determined based on the angle-corrected measurement result.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device for determining the level according to an example
  • Figs. 2A-2C are schematic views of a device for determining the level according to a further example
  • FIG. 3A, 3B plan views of a distance measuring device and a position sensor functionally coupled therewith
  • Figs. 4A-4D schematic views of a device for determining the fill level according to a further example
  • Figs. 5A, 5B are schematic views of a device for determining the fill level to explain the angle correction according to an example
  • Figs. 6A-6D are schematic views of a device for determining the fill level according to a further example.
  • FIG. 7 shows a schematic block diagram to illustrate a method for determining the fill level according to an example.
  • optical distance measuring devices are mentioned that can measure distances by means of electromagnetic radiation.
  • electromagnetic radiation is mentioned as an example of electromagnetic radiation.
  • This light can have proportions in the visible as well as in the ultraviolet and infrared spectral range.
  • LEDs and laser diodes for emitting light are described herein by way of example.
  • electromagnetic radiation in other wavelength ranges can also be used with the device according to the invention, e.g. High frequency waves such as microwaves.
  • sound waves can also be used. Accordingly, systems with corresponding emitter devices and detector devices would then have to be used, such as radar, sonar or ultrasound systems.
  • FIG. 1 shows a first example of a device 100 for determining fill level.
  • the device 100 has a distance measuring device 10.
  • the distance measuring device 10 can be arranged on a container 11.
  • This container 11 can be any Be a container to hold solid, liquid and / or gaseous substances.
  • the container 11 can be filled with precisely these substances, which is why these substances are also referred to herein as filling material 12.
  • the distance measuring device 10 can, as shown, be arranged on an upper side, such as for example a lid 11 a, of the container 11. Alternatively, the distance measuring device 10 can also be arranged on side walls 11 b, 11 c or on the bottom 11 d of the container 11.
  • the distance measuring device 10 should, however, preferably be arranged on the container 11 such that the distance measuring device 10 can measure distances in the interior 13 of the container 11.
  • the distance measuring device 10 can be arranged on a side of the cover 11a, the container walls 11b, 11c or the container bottom 11d facing the container interior 13.
  • the distance measuring device 10 is arranged on an outside of the container 11, and an opening in the container 11 allows the distance measuring device 10 to access the interior 13 of the container 11.
  • the distance measuring device 10 is designed to measure a distance d to a surface 14 defining a fill level Li in the interior of the container 11.
  • This surface 14 can, for example, as shown, be a surface of filling material 12 located in the container 11 and the filling level Li would correspond to the current filling level of the container 11. Should the container 11 be empty, this surface 14 would correspond to the container bottom 11 d and the fill level Li would be zero.
  • the device 100 also has a position sensor 15.
  • the position sensor 15 is designed to determine an angle of inclination relative to a reference plane 16 that is dependent on the position of the distance measuring device 10.
  • the position sensor 15 can determine the alignment of the distance measuring device 10, for example, parallel to the reference plane 16, which is shown in FIG. 1 with the horizontal dashed line 17 (horizontal plane).
  • the position sensor 15 can determine the alignment of the distance measuring device 10 perpendicular to the reference plane 16, which is indicated in FIG. 1 by the vertical dashed line 18 (perpendicular).
  • the horizontal 17 and / or the perpendicular 18 can thus serve as a reference.
  • the device 100 also has a controller 19.
  • the controller 19 is designed to measure the distance d between the distance measuring device 10 and the surface 14, taking into account a determined angle of inclination a, in order to obtain an angle-corrected measurement result, and to determine a current fill level Li of the container 11 based on the angle-corrected measurement result to investigate. This is also referred to herein as angle correction.
  • the angle-corrected measurement result is the actual distance H between the distance measuring device 10 and the surface 14, measured directly along the perpendicular 18, ie without angular deviations.
  • the distance measuring device 10 is aligned exactly perpendicular to the reference plane 16, i. there is no angular deviation from the perpendicular 18 and the angle of inclination is therefore equal to zero.
  • FIGS. 2A, 2B and 2C show examples of the implementation of angle corrections according to the concept described herein. For the sake of clarity, only the distance measuring device 10 is shown here, in each case without the position sensor 15 and without the controller 19.
  • FIG. 2A shows a container 11 which is essentially upright.
  • the distance measuring device 10 is arranged such that its measuring beam 21 is aligned essentially perpendicular to the reference plane 16.
  • the container 11 is empty.
  • the surface 14 defining the filling level would be the bottom 11 d of the container 11. If there were filling material 12 in the container 11, the surface of the filling material 12 would define the filling level.
  • Surfaces of filling goods that behave like bulk goods as well as surfaces of liquids will be aligned essentially horizontally or parallel to the earth's horizon. It is therefore advantageous if the reference plane 16 is also a horizontally extending horizontal plane which is always aligned horizontally to the earth's horizon.
  • the angular deviations or the angle of inclination are, as mentioned above, preferably perpendicular to the horizontal reference plane 16 determined.
  • the horizontally running reference plane 16 accordingly forms a reference plane with respect to which the angular deviation of the measuring beam of the distance measuring device 10 is determined.
  • the distance measuring device 10 is central (based on the width of the container 11) is arranged on the container 11 and the measuring beam 21 strikes the horizontally aligned reference plane 16 perpendicularly.
  • the distance measuring device 10 is central (based on the width of the container 11) is arranged on the container 11 and the measuring beam 21 strikes the horizontally aligned reference plane 16 perpendicularly.
  • FIG. 2B shows an example of a case in which the distance measuring device 10 is arranged at an angle on the container 11.
  • the measuring device 10, and thus also the measuring beam 21 emitted by it, thus has an angular offset as relative to the reference plane 16.
  • the measuring beam 21 has the same angular offset as and therefore hits obliquely, i.e. at the angle ⁇ on the reference plane 16.
  • This angle a is also referred to as the angle of inclination.
  • the angle of inclination as can be determined by means of the position sensor 15.
  • the angle-corrected measurement result H in turn represents the actual fill level in the container 11
  • the case described in FIG. 2A is also referred to as an angle correction with a static angle of inclination.
  • the static angle of inclination ⁇ s can result, for example, from the mounting position of the difference measuring device 10 on the container 11. If the distance measuring device 10 is mounted obliquely on the container 11, a corresponding angle of inclination as is established, which as a rule remains unchanged for the duration of the installation and is therefore also referred to as the static angle of inclination as.
  • FIG. 2C shows an example of a further conceivable case which describes an angle correction with a dynamic angle of inclination ao.
  • the angle U D when the container 11 is tilted by the angle U D, the angle of incidence of the measuring beam 21 on the product surface 14, which in this example defines the fill level, changes to the same extent. That is, between the distance measuring device 10 and the reference plane 16 an angle of inclination Gfo, which in this case is due to the tilting of the container 11.
  • the angle of inclination (XD can also vary accordingly. Therefore, this angle of inclination caused by the variable tilting of the container 11 is also called the dynamic angle of inclination ctD designated.
  • the dynamic angle of inclination a D can occur as an alternative or in addition to the static angle of inclination as described above.
  • both the dynamic and static angles of inclination an as are shown.
  • the dynamic and the static angle of inclination QD s should be taken into account together in this case. That is, the dynamic and the static inclination angle ao, as can be combined to form a common inclination angle ae in this case.
  • the dynamic and static angles of inclination ao as can be added up or subtracted from one another for this purpose.
  • the dynamic and static angles of inclination ao as are usually added when both angles of inclination ao, as have the same mathematical sign, for example if the tilting of the container 11 compared to the merely static angle of inclination as results in an increase in the angle of incidence of the measuring beam 21 the product surface 14 causes.
  • the product surface 14 always strives for a horizontal alignment parallel to the reference plane 16 and thus the respective angle of inclination ao, as changes accordingly with respect to the product surface 14.
  • the container bottom 11 d naturally also tilts to the same extent .
  • there would of course not be a dynamic angle of inclination ⁇ D since the distance measuring device 10 is always fixed in relation to the container bottom 11d and therefore only the static angle of inclination a is of interest.
  • the detection of an empty container 1 1 thus remains unaffected by a tilting of the container 1 1.
  • the angle of inclination a can thus be composed of a static angle of inclination a and a dynamic angle of inclination »o.
  • the angle of inclination a can represent, for example, an angle between the reference plane 16 and an observed measuring beam 21 of the distance measuring device 10.
  • this can be the case, for example, with the static angle of inclination as, the perpendicular 18 serving as a reference for determining angular deviations from the reference plane 16.
  • angular deviations can be determined parallel to the reference plane 16, which is shown in FIGS. 2A-2C using the example of the dynamic angle of inclination cro.
  • the measuring beam 21 emitted by the distance measuring device 10 can be, for example, an optical beam.
  • the distance measuring device 10 has an optical distance measuring device 30 which has at least one emitter device 31 and at least one detector device 32, the emitter device 31 being designed to detect electromagnetic radiation to emit the interior 13 of the container 11 and wherein the detector device 32 is designed to detect portions of the emitted radiation that are reflected on the surface 14 defining the filling level.
  • the position sensor 15 can be arranged around the distance measuring device 10 along a horizontal plane 35a, 35b. Alternatively, the position sensor 15 can be arranged in a vertical plane on or below the distance measuring device 10.
  • the position sensor 15 and the distance measuring device 10 are advantageously mechanically rigidly connected to one another, so that a change in position of the position sensor 15 is directly accompanied by a change in position of the distance measuring device 10. Some embodiments provide for this that the position sensor 15 and the distance measuring device 10 can be arranged together on one and the same substrate.
  • the emitter device 31 can have one or more emitters, such as an LED or a laser diode, for example a VCSEL diode.
  • the emitter device 31 can be a one-dimensional emitter device which is designed to emit the electromagnetic radiation in the form of a directed single beam 21, such as this is shown by way of example in FIGS. 2A, 2B and 2C.
  • the controller 19 can be configured to measure the distance to the surface 14 defining the fill level based on a running time measurement of the directed individual jet 21. This optical time-of-flight measurement is also known as a time-of-flight (ToF) measurement.
  • ToF time-of-flight
  • FIGS. 4A-4D show, by way of example, a three-dimensional emitter device 31 which is designed to emit electromagnetic radiation in the form of a beam cone 41.
  • a three-dimensional emitter device 31 which is designed to emit electromagnetic radiation in the form of a beam cone 41.
  • the distance measuring device 10 without the position sensor 15 and without the controller 19 is shown.
  • the controller 19 (not explicitly shown here) is designed in this case to measure the distance to the surface 14 defining the fill level based on a transit time measurement based on an exposure of the surface 14 defining the fill level by means of the beam cone 41.
  • the emitter device 31 can advantageously emit the electromagnetic radiation in a time-pulsed form, for example in the form of light flashes.
  • the jet cone 41 is oriented towards the container interior 13.
  • the beam cone 41 can have several sections, for example individual beams A, B, C, D, E.
  • the beam sections A, B, C, D, E shown each correspond to a measuring distance CI A , de, de, da, ds between the distance measuring device 10 and the surface 14.
  • individual beam sections B can be aligned directly perpendicular to the surface 14 and thus do not have a static angle of inclination, and again other beam sections A,
  • C, D, E can have a certain static angle of inclination with respect to the reference plane 16. This is described in more detail below with reference to FIG. 5A.
  • Some of the jet sections A, B, C of the jet cone 41 can impinge on the surface 14 defining the fill level. Since the container 11 is empty in the example shown in FIG. 4A, the container bottom 11d represents the surface 14 defining the filling level.
  • sections D, E of the jet cone 41 can impinge on container sections outside the surface 14 defining the filling level.
  • these other sections D, E of the jet cone 41 can impinge on a container wall 11b, 11c.
  • These sections D, E of the jet cone 41 impinging on the lateral container walls 11b, 11c, for example, are circled and identified with the reference symbol X at a corresponding point.
  • the controller 19 can therefore be designed to recognize one or more container areas 11b, 11c that lie outside the surface 14 defining the fill level and to leave these one or more container areas 11b, 11c disregarded when determining the fill level
  • FIGS. 5A and 5B For a more detailed explanation, reference is temporarily made to FIGS. 5A and 5B.
  • Several beam sections are exemplified here, e.g. several individual beams, A, B, C, D, E of the beam cone 41 are shown.
  • Some jet sections A, B, C impinge on the container bottom 11 d, which in this case represents the surface 14 defining the fill level.
  • the container bottom 11d is parallel to the reference plane 16.
  • Other beam sections D, E impinge on the lateral container walls 11b, 11c.
  • the first beam section A has a static angle of inclination ⁇ with respect to the reference plane 16.
  • the second beam section B has a static angle of inclination ⁇ with respect to the reference plane 16.
  • the third beam section C has a static angle of inclination / with respect to the reference plane 16.
  • the fourth beam section D has a static angle of inclination d with respect to the reference plane 16.
  • the fifth beam section E has a static angle of inclination e with respect to the reference plane 16.
  • the angles of inclination ⁇ , ⁇ , y, d, e can be determined by means of the position sensor 15 and are therefore known.
  • FIG. 5B shows, by way of example, the beam section B isolated with the static angle of inclination ⁇ for determining the actual distance H.
  • the beam sections A, B, C after the angle correction has taken place, all have the same (or at least a very similar) actual distance H perpendicular to the surface 14 running parallel to the reference plane 16, i.e. to the container bottom 11 d. This indicates that these beam sections A, B, C lie on a common plane. This in turn is an indication that these jet sections A, B, C lie on the surface 14 defining the fill level.
  • the beam sections E, D each impinge on a lateral container wall 11b, 11c. After the angle correction has taken place, these two beam sections E, D have a different (usually shorter) actual distance compared to the beam sections A, B, C impinging on the surface 14.
  • the actual distance H is understood to be the angle-corrected distance of the respective beam section A, B, C, D, E perpendicular to the reference plane 16 or perpendicular to the surface 14.
  • the angle-corrected distance / - / is also referred to herein as the angle-corrected measurement result of the distance measurement.
  • the controller 19 can recognize container areas that are not of interest, such as lateral container walls 11b, 11c, in the manner described above, and ignore them when determining the fill level. That is, the controller 19 can be designed to carry out a comparison between several individual angle-corrected measurement results H and, based on the result of the comparison, to discard individual ones of the compared angle-corrected measurement results H or to leave them unconsidered for the purpose of determining the level.
  • FIG. 4B shows a further example, the filling material 12 being present in the container 11 here.
  • the surface of the filling material 12 represents the surface 14 defining the filling level.
  • the filling level in the container 11 has not yet risen to such an extent that the jet sections E, D would strike the surface 14. That is, the beam sections E, D still hit the side walls of the container 11b, 11c and can, as described above, remain unconsidered when determining the fill level.
  • FIG. 4C shows a further example, the filling level in the container 11 having risen to such an extent that the jet sections E, D also impinge on the surface 14 of the filling material.
  • These beam sections E, D can now also contribute to determining the fill level.
  • all jet sections A, B, C, D, E of the jet cone 41 impinge on the surface 14 defining the fill level, so that all jet sections A, B, C, D, E can also contribute to determining the fill level.
  • the more beam sections of the beam cone 41 are taken into account in determining the fill level, the more precise the result will be.
  • FIG. 4D shows a further example in which, in addition to the aforementioned static angles of inclination a, ⁇ , y, d, e, a dynamic angle of inclination OT D caused by tilting the container 11 is added.
  • the dynamic angle of inclination cro can be combined (for example added) for the purpose of angle correction for each individual distance measurement with the respective beam section-individual static angle of inclination a, ⁇ , g, d, e of the respective beam section A, B, C, D, E get a common angle of inclination eie ZU.
  • the angle correction is then carried out taking into account the common angle of inclination ae, as has already been explained above.
  • individual beam sections A, B, C, D, E can each have their own static angle of inclination ⁇ , ⁇ , y, ⁇ 5, e with respect to the reference plane 16 . This depends, among other things, on the design of the emitter device 31 and on the mounting position of the distance measuring device 10 on the container 11.
  • the distance measuring device 10 can alternatively or additionally be mounted skewed relative to the reference plane 16.
  • a further static angle of inclination a.sub.s can be set here, which results from the tilting of the distance measuring device 10 relative to the reference plane 16 and thus also depends on the mounting position of the distance measuring device 10 on the container 11.
  • the individual beam section-individual static angles of inclination a, ⁇ , y, d, e of the individual beam sections A, B, C, D, E have to be considered individually for each beam section during the angle correction
  • the static angle caused by the tilting of the distance measuring device 10 is static Inclination angle as general for the whole Jet cone 41 valid.
  • the angle correction can therefore be carried out taking into account a common angle of inclination OG, which is made up of a combination of one of the existing beam section-individual static angles of inclination a, ß, y, d, e, the generally applicable static angle of inclination as and, if available, the dynamic one Angle of inclination ao can be composed.
  • a common angle of inclination OG which is made up of a combination of one of the existing beam section-individual static angles of inclination a, ß, y, d, e, the generally applicable static angle of inclination as and, if available, the dynamic one Angle of inclination ao can be composed.
  • FIGS. 6A-6D differs from the example previously discussed with reference to FIGS. 4A-4D in that the distance measuring device 10 is tilted relative to the reference plane 16.
  • a generally applicable static angle of inclination as must also be taken into account here for the angle correction.
  • the container 11 is partially filled with filling material 12.
  • the surface of the filling material 12 represents the surface 14 defining the filling level level.
  • the filling level in the container 11 has not yet risen to such an extent that the jet section D would strike the surface 14. That is to say, the jet section D continues to impinge on the lateral container wall 11c and, as described above, can be disregarded in the determination of the fill level.
  • FIG. 6C shows a further example, the filling level in the container 11 having risen to such an extent that the jet section D now also strikes the filling material surface 14.
  • This beam section D can now also contribute to determining the fill level.
  • all jet sections A, B, C, D, E of the jet cone 41 impinge on the surface 14 defining the fill level, so that all jet sections A, B, C, D, E can contribute to determining the fill level.
  • the more beam sections of the beam cone 41 are taken into account in determining the fill level, the more precise the result will be.
  • FIG. 6D shows another example in which, in addition to the above-mentioned static angles of inclination a, ⁇ , y, d, e and the generally applicable static angle of inclination Os, a dynamic angle of inclination ao relative to the reference plane 16 caused by tilting the container 11 is also present is.
  • the dynamic angle of inclination ao can be combined (e.g. added) with the respective static angle of inclination a, ß, g, d, e of the respective beam section A, B, C, D, E and the generally valid static angle of inclination as for each individual distance measurement to get a common angle of inclination OG ZU.
  • the angle correction is then carried out taking into account the common angle of inclination OTG, as has already been explained above.
  • the emitter device 31 can be designed in such a way that, for example, the emission or opening angle of the beam cone 41 to be emitted is fixed, the individual static angles of inclination ⁇ , ⁇ , y, d, e of the controller 19 can be permanently known.
  • the individual static angles of inclination ⁇ , ⁇ , y, d, e, which are individual to the beam section, do not have to be considered and taken into account separately for the angle correction.
  • FIG. 7 shows a block diagram for the schematic representation of a method for determining the fill level according to the concept described herein.
  • a distance to a surface 14 defining a filling level in the interior 13 of a container 11 is measured by means of a distance measuring device 10 attached to the container 11.
  • the position of the distance measuring device 10 relative to a reference plane 16 is determined and an angle of inclination ⁇ of the distance measuring device 10 with respect to this reference plane 16 is determined.
  • the above-mentioned measurement of the distance takes place taking into account the determined angle of inclination a in order to obtain an angle-corrected measurement result.
  • a current fill level of the container 11 is determined based on the angle-corrected measurement result.
  • the inventive concept describes a self-leveling multi-zone-based level determination.
  • a calibration of a simple one- or three-dimensional distance sensor 10 can be carried out with the aid of a position determination in space by combining several sensors, i.a. here in particular by a multi-dimensional acceleration sensor 15. In this way, a reliable level determination of liquids and bulk goods, or goods that behave like bulk goods, is to be guaranteed even in the case of measurement setups with measuring element 10 attached at any angle.
  • FIGS. 2A-2C initially show this application using a one-dimensional sensor 10.
  • the absolute measured distance d in FIG. 2A and FIG. 2B differs from one another due to the positioning of the sensor 10.
  • the angle to the zero plane 16 is calculated from the position of the acceleration sensor 15. Every point in the measuring container 11 can be recorded and a real image of the surface structure can be determined.
  • FIG. 2C not only can the sensor 10 be displaced and tilted from the zero position, but also the container 11 itself, in which the measurement is made.
  • the position is arbitrary in all three dimensions.
  • FIG. 2C also shows the error that is generated by the absolute measured value when the container 11 is tilted. This error is corrected using the angle correction described here.
  • FIGS. 4A-4D show, by way of example, a measurement setup with a centered measurement element 10.
  • the edge regions X of the reflection field of the sensor 10 can initially be determined and identified as irrelevant measurement values. This is independent of the degree of filling of the container 11 (FIGS. 4A, 4B).
  • the issue here is that the determination can be carried out with coarse-resolution sensors 10. An image recording does not have to be generated, as is the case e.g. a camera would deliver. If a threshold value is exceeded by the degree of filling, the correction of the edge areas can be omitted (FIG. 4C).
  • the correction of the edge areas requires a prior recognition of the edge areas.
  • a level can be assumed that corresponds to the actual level.
  • the edge areas can thus be determined as such and excluded from the distance calculation.
  • the inclined position shown in FIG. 4D can be corrected in accordance with the concept for angle correction described herein. Both the position of the sensor 10 and the position of the container 11 in all degrees of freedom is arbitrary here. The correction of the edge areas X of the container 11 is not affected by this.
  • FIGS. 6A-6D show this behavior by means of an optimized lateral attachment of the measurement structure to the container 11, which is necessary due to the local conditions.
  • FIGS. 3A and 3B show two useful arrangements by way of example.
  • FIG. 3A shows a vertical alignment of the measuring element 10 in relation to the acceleration sensor 15.
  • FIG. 3B shows a horizontal alignment of the measuring element 10 in relation to the acceleration sensor 15.
  • aspects have been described in connection with a device, it goes without saying that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or details or features of a corresponding device.
  • Some or all of the method steps can be performed by hardware apparatus (or using hardware apparatus) such as a microprocessor, programmable computer, or electronic circuit. In some embodiments, some or more of the most important process steps can be performed by such apparatus.
  • embodiments of the invention can be implemented in hardware or in software or at least partially in hardware or at least partially in software.
  • the implementation can be carried out using a digital storage medium such as a floppy disk, a DVD, a BluRay disk, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or a FLASH memory, a hard disk or any other magnetic or optical memory Memory are carried out on the electronically readable control signals are stored, which can interact with a programmable computer system or cooperate in such a way that the respective method is carried out. Therefore, the digital storage medium can be computer readable.
  • Some exemplary embodiments according to the invention thus include a data carrier which has electronically readable control signals which are able to interact with a programmable computer system in such a way that one of the methods described herein is carried out.
  • embodiments of the present invention can be implemented as a computer program product with a program code, the program code being effective to carry out one of the methods when the computer program product runs on a computer.
  • the program code can for example also be stored on a machine-readable carrier.
  • exemplary embodiments include the computer program for performing one of the methods described herein, the computer program being stored on a machine-readable carrier.
  • an exemplary embodiment of the method according to the invention is thus a computer program which has a program code for carrying out one of the methods described here when the computer program runs on a computer.
  • a further exemplary embodiment of the method according to the invention is thus a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for performing one of the methods described herein is recorded.
  • the data carrier or the digital storage medium or the computer-readable medium are typically tangible and / or non-transitory.
  • a further exemplary embodiment of the method according to the invention is thus a data stream or a sequence of signals which represents or represents the computer program for performing one of the methods described herein.
  • the data stream or the sequence of signals can, for example, be configured to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
  • Another exemplary embodiment comprises a processing device, for example a computer or a programmable logic component, which is configured or adapted to carry out one of the methods described herein.
  • a processing device for example a computer or a programmable logic component, which is configured or adapted to carry out one of the methods described herein.
  • Another exemplary embodiment comprises a computer on which the computer program for performing one of the methods described herein is installed.
  • a further exemplary embodiment according to the invention comprises a device or a system which is designed to transmit a computer program for performing at least one of the methods described herein to a receiver.
  • the transmission can take place electronically or optically, for example.
  • the receiver can be, for example, a computer, a mobile device, a storage device or a similar device.
  • the device or the system can for example comprise a file server for transmitting the computer program to the recipient.
  • a programmable logic component for example a field-programmable gate array, an FPGA
  • a field-programmable gate array can interact with a microprocessor in order to carry out one of the methods described herein.
  • the methods are performed by any hardware device. This can be universally replaceable hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the method, such as an ASIC.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung (100) zur Füllstandsermittlung. Die Vorrichtung (100) weist unter anderem eine an einem Behälter (11) anbringbare Distanzmessvorrichtung (10) auf, die ausgestaltet ist, um eine Distanz (d) zu einer ein Füllstandsniveau (L 1 ) definierenden Oberfläche (14) im Inneren (13) des Behälters (11) zu messen. Die Vorrichtung (100) west ferner einen Lagesensor (15) auf, der ausgestaltet ist, um einen von der Lage der Distanzmessvorrichtung (14) abhängigen Neigungswinkel (er) gegenüber einer Bezugsebene (16) zu ermitteln, sowie eine Steuerung (19), die ausgestaltet ist, um das Messen der Distanz mittels der Distanzmessvorrichtung (10) unter Berücksichtigung des ermittelten Neigungswinkels (α) auszuführen, um ein winkelkorrigiertes Messergebnis (H) zu erhalten, und um einen aktuellen Füllstand des Behälters (11) basierend auf dem winkelkorrigierten Messergebnis (H) zu ermitteln.

Description

WINKELKORRIGIERTE FÜLLSTANDSERMITTLUNG
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Füllstandsermittlung eines Behältnisses, und insbesondere eine winkelkorrigierte Füllstandsermittlung der vorgenannten Art.
In verschiedenen Bereichen des Alltags kann es wünschenswert sein, den aktuellen Füllstand von bestimmten Behältnissen zu ermitteln. Beispielsweise kann der Flüssigkeitsfüllstand in einem Glas oder einer Flasche, die Füllstandshöhe von Schüttgut in einem Container, oder der Füllstand eines Abfallbehälters von Interesse sein. Hierfür kann in vielen Fällen eine einfache Sichtprüfung ausreichend sein.
Falls aber eine Sichtprüfung nicht möglich sein sollte, zum Beispiel wenn das Behältnis nicht transparent oder schwer zugänglich ist, müssen andere Lösungen zur Füllstandsermittlung gefunden werden. Hierfür sind automatisierte Füllstandsmesser bekannt, wobei man zwischen Füllstandsensoren und Füllstandgrenzschaltern unterscheidet.
Ein Füllstandgrenzschalter kann beispielsweise mit einer senkrecht zur Oberfläche des Füllgutes ausgerichteten Lichtschranke arbeiten. Wenn das Füllgut eine bestimmte Höhe erreicht hat, unterbricht es die Lichtschranke und der Füllstandgrenzschalter gibt ein entsprechendes Signal aus.
Füllstandsensoren hingegen können den jeweils aktuellen Füllstand des Füllgutes im Behälter kontinuierlich ermitteln. Bekannte Vorrichtungen hierfür sind zum Beispiel Schwimmer, die insbesondere bei Flüssigkeiten zum Einsatz kommen. Des weiteren sind elektronische Füllstandsmesser bekannt, die beispielsweise Optik, Ultraschall, Mikrowellen oder RADAR nutzen.
Insbesondere die elektronischen Füllstandsmesser erzielen gute bis sehr gute Ergebnisse bei der automatisierten Füllstandsüberwachung. Allerdings müssen diese Füllstandsmesser an vordefinierten Montagepositionen an dem zu überwachenden Behälter montiert werden, um korrekte Ergebnisse zu liefern. Einige dieser Füllstandsmesser müssen zudem vor Inbetriebnahme kalibriert werden. Darüber hinaus sind, je nach Anforderung, teils hochauflösende Füllstandsmesser nötig, die entsprechend teuer sind. Bekannte Füllstandsmesser können den Füllstand bei geradestehendem Behälter sehr gut ermitteln. Wird der Behälter jedoch gekippt, so ändert sich das Füllstandsniveau an den jeweiligen Seitenwänden des Behälters. Insbesondere bei seitlich angebrachten Füllstandsmessern kann dies dazu führen, dass der tatsächliche Füllstand bei verkipptem Behälter nicht mehr korrekt detektiert wird.
Es wäre demnach wünschenswert, bekannte Füllstandsmesser dahingehend zu verbessern, dass diese unabhängig von deren jeweiliger Montageposition und/oder unabhängig von eventuellen Verkippungen des Behälters genaue Ergebnisse liefern und gleichzeitig einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen.
Daher werden eine Vorrichtung zur Füllstandsermittlung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Füllstandsermittlung mit den Merkmalen von Anspruch 14 vorgeschlagen. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine an einem Behälter anbringbare Distanz messvorrichtung auf. Die Distanzmessvorrichtung ist ausgestaltet, um eine Distanz zu einer ein Füllstandsniveau definierenden Oberfläche im Inneren des Behälters zu messen. Der Behälter kann dabei ein beliebiges Behältnis sein, das ausgestaltet ist, um mit Füllgut befüllt zu werden. Als Füllgut können sämtliche flüssigen, festen oder gasförmigen Komponenten bezeichnet werden, mit denen das jeweilige Behältnis zumindest teilweise befüllt werden kann. Das Füllgut kann beispielsweise ein Schüttgut oder eine Flüssigkeit sein. Die Oberfläche des Füllgutes innerhalb des Behälters bestimmt dabei den auch als Füllstandshöhe oder als Füllstandsniveau bezeichneten Füllstand des Behälters. Falls der Behälter leer sein sollte, so bestimmt die Oberfläche des Behälterbodens das Füllstandsniveau. In diesem Falle wäre das Füllstandsniveau gleich Null. Die das aktuelle Füllstandsniveau definierende Oberfläche im Inneren des Behälters kann also die Oberfläche des Füllgutes (bei ganz oder teilweise gefülltem Behälter) oder eine Oberfläche des Behältnisses, zum Beispiel der Behälterboden, (bei leerem Behälter) sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner einen Lagesensor auf. Der Lagesensor ist ausgestaltet, um die Lage der Distanzmessvorrichtung relativ zu einer Bezugsebene zu bestimmen und einen Neigungswinkel gegenüber dieser Bezugsebene zu ermitteln. Hierfür kann der Lagesensor mit der Distanzmessvorrichtung physisch gekoppelt sein, sodass der Lagesensor eine Lageänderung der Distanzmessvorrichtung und eine damit verbundene Winkelabweichung der Distanzmessvorrichtung relativ zu der Bezugsebene vorzeitweise in Echtzeit detektieren kann. Die Bezugsebene kann eine Referenzebene sein, die als Referenz zur Distanzmessung zu der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche dient. Sofern die Distanzmessvorrichtung in einem bestimmten Winkel zu der Bezugsebene verkippt sein sollte, kann der Lagesensor diesen bestimmten Winkel als einen entsprechenden Neigungswinkel gegenüber der Bezugsebene ermitteln. Der Neigungswinkel gibt also die geometrische Lageabweichung der Distanzmessvorrichtung gegenüber der als Referenz verwendbaren Bezugsebene an. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner eine Steuerung auf, die ausgestaltet ist, um das Messen der Distanz mittels der Distanzmessvorrichtung unter Berücksichtigung des ermittelten Neigungswinkels auszuführen. Die Messung unter Berücksichtigung des Neigungswinkels führt zu einem winkelkorrigierten Messergebnis, in welchem das Messergebnis um den zuvor ermittelten Neigungswinkel korrigiert ist. Somit verhält sich das Messergebnis vergleichbar zu einer Referenzmessung in der Bezugsebene. Das heißt, wenn die Distanzmessvorrichtung schräg zu der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche ausgerichtet ist, kann das Messergebnis der Distanzmessung im Vergleich zu einer Referenz-Distanzmessung zur Bezugsebene um den entsprechenden Neigungswinkel abweichen. Der gemessene Füllstand kann demnach vom tatsächlichen Füllstand abweichen. Um dies zu kompensieren wird erfindungsgemäß das Messergebnis um den zuvor ermittelten Neigungswinkel korrigiert und das entsprechend winkelkorrigierte Messergebnis der Distanzmessung wird anschließend verwendet, um hierüber den tatsächlichen Füllstand des Behälters zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist also eine Winkelkorrektur auf, um Winkelabweichungen der Distanzmessvorrichtung relativ zu der Bezugsebene zu korrigieren. Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt unter anderem darin, dass der Lagesensor die momentane Lage bzw. räumliche Orientierung der Distanzmessvorrichtung relativ zu der Bezugsebene zu jeder Zeit bestimmen kann. Somit ist keine aufwändige Kalibrierung der Vorrichtung nötig, nachdem diese an dem Behälter angebracht wurde.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Lagesensor ausgestaltet sein, um einen statischen Neigungswinkel der Distanzmessvorrichtung relativ zu der Bezugsebene zu bestimmen, wobei der statische Neigungswinkel aus der Montagelage der Distanzmessvor richtung an dem Behälter resultiert. Die Distanzmessvorrichtung kann also beispielsweise schräg in Bezug auf die Referenz- bzw. Bezugsebene an dem Behälter montiert sein.
Dies führt zu einer dauerhaften Winkelabweichung der Distanzmessvorrichtung relativ zur Bezugsebene, d.h. die Distanzmessvorrichtung ist dauerhaft um einen bestimmten Neigungswinkel relativ zur Bezugsebene verkippt. Dieser Neigungswinkel ist dauerhaft (zumindest für den Zeitraum der Montage der Distanzmessvorrichtung an dem Behälter) vorhanden und somit statisch, sodass sich ein statischer Messfehler ergibt, der mittels der erfindungsgemäßen Winkelkorrektur herausgerechnet und korrigiert werden kann. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Lagesensor ausgestaltet sein, um einen dynamischen Neigungswinkel der Distanzmessvorrichtung relativ zu der Bezugsebene zu bestimmen, wobei der dynamische Neigungswinkel aus einer Verkippung des Behälters resultiert und sich mit variierender Verkippung des Behälters ändert. Alternativ oder zusätzlich zu dem vorgenannten statischen Neigungswinkel kann also auch ein dynamischer Neigungswinkel bestimmt werden. Wenn also beispielsweise der Behälter gekippt wird, dann ändert sich beim Kippen die Ausrichtung des Distanzmesselements dynamisch zu der Bezugsebene. Dies ist insbesondere und vor allem dann der Fall, wenn sich beim Kippen die Ausrichtung des Füllguts innerhalb des Behälters ändert. Beispielsweise bleiben Flüssigkeitsoberflächen beim Kippen eines Glases immer in der Horizontalen, sodass die Flüssigkeitsoberfläche auf der einen Seite des Glases ansteigt und gleichzeitig auf der gegenüberliegenden Seite des Glases absinkt. Man kann auch sagen, während das Glas aus der Horizontalen herausgekippt wird, bleibt die Flüssigkeit in ein und derselben Orientierung, nämlich in der Horizontalen. Eine an dem Behälter montierte Distanzmessvorrichtung würde zusammen mit dem Behälter kippen und somit gegenüber der in der Horizontalen verbleibenden Flüssigkeitsoberfläche um einen mit der Kippung veränderlichen bzw. dynamischen Neigungswinkel ausgelenkt werden. Somit ergibt sich ein dynamischer bzw. zeitlich variabler Messfehler, der mittels der erfindungsgemäßen Winkelkorrektur herausgerechnet und korrigiert werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Steuerung ausgestaltet sein, um den dynamischen Neigungswinkel und den statischen Neigungswinkel miteinander zu kombinieren, um einen gemeinsamen Neigungswinkel zu bestimmen, und um das Messen der Distanz mittels der Distanzmessvorrichtung unter Berücksichtigung des gemeinsamen Neigungswinkels auszuführen, um das winkelkorrigierte Messergebnis zu erhalten. Beispielsweise kann die Distanzmessvorrichtung in eine erste Richtung relativ zur Bezugsebene verkippt am Behälter angeordnet sein und eine entsprechende statische Winkelabweichung aufweisen. Wenn der Behälter nun in ebendiese Richtung gekippt wird, so führt die Verkippung zu einer Zunahme der Winkelabweichung der Distanzmessvorrichtung relativ zu der Bezugsebene. Die Steuerung kann in diesem Fall den aktuellen (d.h. zu einem Zeitpunkt ti betrachteten) dynamischen Neigungswinkel und den statischen Neigungswinkel miteinander addieren, um einen gemeinsamen Neigungswinkel zu erhalten. Dieser gemeinsame Neigungswinkel bildet dann die Grundlage für die Winkelkorrektur. Wenn der Behälter hingegen in die entgegengesetzte Richtung gekippt wird, dann führt diese Verkippung zu einer Abnahme der Winkelabweichung der Distanzmessvorrichtung relativ zu der Bezugsebene. Die Steuerung kann in diesem Fall den aktuellen (d.h. zu einem Zeitpunkt ti betrachteten) dynamischen Neigungswinkel von dem statischen Neigungswinkel subtrahieren, um einen gemeinsamen Neigungswinkel zu bestimmen. Dieser gemeinsame Neigungswinkel bildet dann die Grundlage für die Winkelkorrektur. Im besten Fall können sich die Winkelabweichungen bzw. der dynamische und der statische Neigungswinkel gegenseitig kompensieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Bezugsebene eine waagrecht verlaufende Horizontalebene sein. Als waagrecht verlaufende Horizontalebene wird eine sich im Erdschwerefeld im Wesentlichen waagrecht erstreckende Ebene verstanden, die sich im Wesentlichen am Horizont orientiert sowie senkrecht zum Lot im Erdschwerefeld steht. Dies ist insbesondere bei Flüssigkeiten, aber auch bei anderem Füllgut, dass sich beispielsweise wie Schüttgut verhalten kann, von Vorteil, da sich diese Art von Füllgut auch beim Kippen des Behälters immer versucht an der waagrecht verlaufenden Horizontalebene auszurichten. Somit kann die waagrecht verlaufende Horizontalebene sehr gut als Referenz zur Bestimmung des Neigungswinkels dienen, um eine erfindungsgemäße winkelkorrigierte Füllstandsmessung von Füllgut, das sich im Wesentlichen wie Schüttgut verhält, durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Steuerung ausgestaltet sein, um einen oder mehrere Behälterbereiche, die außerhalb der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche liegen, zu erkennen und diese ein oder mehreren Behälterbereiche beim Messen der Distanz unberücksichtigt zu lassen. Ein solcher außerhalb der Oberfläche liegender Behälterbereich kann beispielsweise eine Behälterwand sein. Da bei der Distanzmessung der Abstand zur Oberfläche des Füllgutes gemessen werden soll, interessiert die Behälterwand in der Regel nicht, da sie nicht zur Distanzmessung der Füllgutoberfläche beiträgt. Insbesondere bei einfach aufgebauten Distanzmessvorrichtungen kann das Einbeziehen der Behälterwand bei der Distanzmessung zur Füllgutoberfläche sogar zu falschen Messergebnissen bei der Füllstandsermittlung führen. Um dies auszuschließen kann die Steuerung diese Behälterbereiche erkennen und diese bei der Distanzmessung unberücksichtigt lassen. Somit wird also nur die Distanz zur tatsächlichen Füllgutoberfläche gemessen. Das Erkennen der Behälterwand kann beispielsweise durch Vergleich mehrerer Distanzmessergebnisse untereinander durchgeführt werden. Wenn beispielsweise zwei oder mehr Messpunkte eine annähernd ähnliche, oder vorzugsweise gleiche lotrechte Distanz zur Füllgutoberfläche aufweisen, deutet dies darauf hin, dass beide Messpunkte auf derselben Oberfläche, z.B. auf der Füllgutoberfläche, liegen. Weicht ein anderer Messpunkt hiervon ab, so kann dies darauf hindeuten, dass dieser Messpunkt nicht auf der interessierenden Oberfläche sondern auf anderen Behälterbereichen, wie zum Beispiel auf einer Behälterwand, liegt. Dies wird hierin auch als Randerkennung bezeichnet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Distanzmessvorrichtung eine optische Distanzmesseinrichtung aufweisen, die mindestens eine Emittervorrichtung und mindestens eine Detektorvorrichtung aufweist, wobei die Emittervorrichtung ausgestaltet ist, um elektromagnetische Strahlung in das Innere des Behälters auszusenden und wobei die Detektorvorrichtung ausgestaltet ist, um an der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche reflektierte Anteile der ausgesendeten Strahlung zu detektieren. Die Emittervorrichtung kann beispielsweise eine oder mehrere Lichtquellen, wie zum Beispiel lichtemittierende LEDs (engl.: Light Emitting Diode) oder Oberflächenemitter bzw. VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) Dioden aufweisen. Die Detektorvorrichtung kann beispielweise eine oder mehrere Lichtdetektoren, wie zum Beispiel Fotodioden und insbesondere SPADs (single-photon avalanche diode) oder Multipixel-Bildsensoren aufweisen. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts liegt unter anderem darin, dass sehr günstige Bauteile, wie die vorgenannten SPADs, als Detektoren genutzt werden können. Somit besteht kein zwingender Bedarf am Einsatz einer teuren Kamera.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Steuerung ausgestaltet sein, um die Distanz zu der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche im Inneren des Behälters mittels Triangulation oder mittels einer Laufzeitmessung der elektromagnetischen Strahlung zu bestimmen. Bei der Triangulation wird elektromagnetische Strahlung an einer ersten Stelle ausgesendet und an der Füllgutoberfläche reflektierte Anteile der elektromagnetischen Strahlung werden an einer zweiten Stelle detektiert. Mittels der Distanz zwischen der ersten und zweiten Stelle und dem Eintritts- und/oder Austrittswinkel der elektromagnetischen Strahlung kann die Distanz zur Füllgutoberfläche und hierüber der aktuelle Füllstand bestimmt werden. Bei der Laufzeitmessung, die auch als Time-of-Flight (ToF) Messung bezeichnet werden kann, werden gepulste Lichtblitze in das Innere des Behälters und auf die Füllgutoberfläche ausgesendet. Die Laufzeit, die ein ausgesendeter Lichtpuls benötigt, um beim Detektor anzukommen bestimmt die Distanz zur Füllgutoberfläche, worüber der aktuelle Füllstand ermittelt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Emittervorrichtung ausgestaltet sein, um die elektromagnetische Strahlung in Form eines gerichteten Einzelstrahls auszusenden und die Steuerung kann ausgestaltet sein, um das Messen der Distanz zu der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche basierend auf einer Laufzeitmessung des gerichteten Einzelstrahls auszuführen. Diese Art von Emittervorrichtungen werden auch als eindimensionale Emittervorrichtungen bezeichnet. Ein punktförmiger Lichtstrahl wird, vorzugsweise gepulst, in das Innere des Behälters emittiert. Der an der Füllgutoberfläche teilreflektierte Anteil des Lichtstrahls wird von der Detektorvorrichtung detektiert und die Laufzeit des Lichtstrahls wird ermittelt. Hierüber kann die Distanz zur Füllgutoberfläche und somit der aktuelle Füllstand ermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Emittervorrichtung ausgestaltet sein, um die elektromagnetische Strahlung in Form eines Strahlkegels auszusenden und die Steuerung kann ausgestaltet sein, um das Messen der Distanz zu der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche basierend auf einer Laufzeitmessung auszuführen, die auf einer Belichtung der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche mittels des Strahlkegels basiert. Vorzugsweise handelt es sich um eine gepulste elektromagnetische Strahlung mittels derer das Innere des Behälters und somit die das Füllstandsniveau definierende Oberfläche angeblitzt wird. Die Emittervorrichtung kann einen Öffnungswinkel aufweisen, der so dimensioniert ist, dass der emittierte Strahlkegel den Behälterboden vollständig bedeckt. Es ist auch denkbar, dass die Emittervorrichtung einen Öffnungswinkel aufweist, der so dimensioniert ist, dass der emittierte Strahlkegel nicht nur den Behälterboden sondern auch Abschnitte der Behälterwände bedeckt, wodurch eine größere Fläche innerhalb des Behälters, auch bei Schrägstellung desselbigen, vermessen werden kann. Je größer beispielsweise die Verkippung des Behälters ist, umso vorteilhafter ist ein großer Öffnungswinkel. Da jedoch die Behälterwände nicht zur Vermessung der Füllgutoberfläche beitragen, und die Distanzmessung sogar verfälschen können, kann dies erfin dungsgemäß mittels der zuvor beschriebenen Randerkennung erkannt werden, sodass die erkannten Behälterwandabschnitte bei der Distanzmessung unberücksichtigt bleiben.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Detektorvorrichtung eine Vielzahl von in einem Array angeordneten Detektorelementen aufweisen. Dies vergrößert die potentielle Detektionsfläche und ist insbesondere bei Verwendung einer Strahlkegel-aussen- denden Emittervorrichtung vorteilhaft. Beispielsweise kann das Array eine Anordnung von 15x15 Detektorelementen (z.B. SPADs) aufweisen. Die Emittervorrichtung (z.B. VCSEL) kann beispielsweise mittig in dem Array angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Lagesensor ein Beschleunigungssensor sein. Derartige Beschleunigungssensoren sind heutzutage sehr kostengünstig ver- fügbar. Vorzugsweise handelt es sich um einen dreidimensionalen Beschleunigungssensoren, der die Beschleunigung in allen drei Raumrichtungen misst. Sofern keine Bewegung des Beschleunigungssensors stattfindet, misst der Beschleunigungssensor lediglich die Erdbeschleunigung und liefert ein Signal, das die Orientierung im Raum repräsentiert. Sofern der Beschleunigungssensor mit der Distanzmessvorrichtung funktional gekoppelt ist, kann der Beschleunigungssensor somit auch die Lage der Distanzmessvorrichtung im Raum anzeigen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können der Lagesensor und die Distanzmessvorrichtung auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein starres Substrat, wie zum Beispiel eine Leiterplatte bzw. PCB (engl.: Printed Circuit Board). Nach Durchführung einer Kalibrierung des Lagesensors relativ zur Distanzmessvorrichtung auf dem gemeinsamen Substrat kann der Lagesensor die räumliche Orientierung des Substrats und somit die räumliche Orientierung des Lagesensors und der Distanzmessvorrichtung auf dem Substrat anzeigen.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein entsprechendes Verfahren zur Füllstandsermittlung. Das Verfahren beinhaltet unter anderem das Messen einer Distanz zu einer ein Füllstandsniveau definierenden Oberfläche im Inneren eines Behälters mittels einer an dem Behälter angebrachten Distanzmessvorrichtung. Ein weiterer Schritt des Verfahrens beinhaltet das Bestimmen der Lage der Distanzmessvorrichtung relativ zu einer Bezugsebene und Ermitteln eines Neigungswinkels der Distanzmessvorrichtung gegenüber dieser Bezugsebene. Erfindungsgemäß erfolgt das Messen der Distanz unter Berücksichtigung des ermittelten Neigungswinkels, um ein winkelkorrigiertes Messergebnis zu erhalten. Erfindungsgemäß wird ein aktueller Füllstand des Behälters basierend auf dem winkelkorrigierten Messergebnis ermittelt.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Füllstandsermittlung gemäß einem Beispiel,
Figs. 2A-2C schematische Ansichten einer Vorrichtung zur Füllstandsermittlung gemäß einem weiteren Beispiel,
Figs. 3A, 3B Draufsichten auf eine Distanzmessvorrichtung und einen damit funktional gekoppelten Lagesensor, Figs. 4A-4D schematische Ansichten einer Vorrichtung zur Füllstandsermittlung gemäß einem weiteren Beispiel,
Figs. 5A, 5B schematische Ansichten einer Vorrichtung zur Füllstandsermittlung zur Er läuterung der Winkelkorrektur gemäß einem Beispiel,
Figs. 6A-6D schematische Ansichten einer Vorrichtung zur Füllstandsermittlung gemäß einem weiteren Beispiel, und
Fig. 7 ein schematisches Blockdiagramm zur Verdeutlichung eines Verfahrens zur Füllstandsermittlung gemäß einem Beispiel.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Verfahrensschritte, die in einem Blockdiagramm dargestellt und mit Bezugnahme auf das selbige erläutert werden, können auch in einer anderen als der abgebildeten beziehungsweise beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Außerdem sind Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen mit ebendiesem Merkmal der Vorrichtung austauschbar, was ebenso anders herum gilt.
In einigen Ausführungsbeispielen werden optische Distanzmessvorrichtungen genannt, die Distanzen mittels elektromagnetischer Strahlung messen können. Hierbei wird Licht als Beispiel einer elektromagnetischen Strahlung genannt. Dieses Licht kann sowohl Anteile im sichtbaren, als auch im ultravioletten und infraroten Spektralbereich aufweisen. Dementsprechend werden hierin beispielhaft LEDs und Laserdioden zum Aussenden von Licht beschrieben. Es kann aber auch elektromagnetische Strahlung in anderen Wellenlängenbereichen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt werden, z.B. Hochfrequenzwellen wie Mikrowellen. Anstelle von elektromagnetischer Strahlung können auch Schallwellen genutzt werden. Dementsprechend wären dann Systeme mit entsprechenden Emittervorrichtungen und Detektorvorrichtungen einzusetzen, wie zum Beispiel Radar-, Sonar- oder Ultraschallsysteme.
Figur 1 zeigt ein erstes Beispiel einer Vorrichtung 100 zur Füllstandsermittlung. Die Vorrichtung 100 weist eine Distanzmessvorrichtung 10 auf. Die Distanzmessvorrichtung 10 kann an einem Behälter 11 angeordnet werden. Dieser Behälter 11 kann ein beliebiges Behältnis zum Aufnehmen von festen, flüssigen und/oder gasförmigen Stoffen sein. Der Behälter 11 kann mit ebendiesen Stoffen gefüllt sein, weshalb diese Stoffe hierin auch als Füllgut 12 bezeichnet werden. Die Distanzmessvorrichtung 10 kann, wie abgebildet, auf einer Oberseite, wie zum Beispiel einem Deckel 11a, des Behälters 11 angeordnet sein. Alternativ kann die Distanzmessvorrichtung 10 aber auch an Seitenwänden 11 b, 11c oder am Boden 11 d des Behälters 1 1 angeordnet sein.
Die Distanzmessvorrichtung 10 sollte jedoch vorzugsweise derart an dem Behälter 1 1 angeordnet werden, dass die Distanzmessvorrichtung 10 Distanzen im Inneren 13 des Behälters 1 1 messen kann. So kann die Distanzmessvorrichtung 10 beispielsweise auf einer dem Behälterinnenraum 13 zugewandten Seite des Deckels 11a, der Behälterwände 11 b, 1 1 c oder des Behälterbodens 11 d angeordnet sein. Alternativ wäre es denkbar, dass die Distanzmessvorrichtung 10 auf einer Außenseite des Behälters 11 angeordnet ist, und eine Öffnung im Behälter 11 den Zugang der Distanzmessvorrichtung 10 zum Innenraum 13 des Behälters 11 gestattet.
Die Distanzmessvorrichtung 10 ist ausgestaltet, um eine Distanz d zu einer ein Füllstandsniveau Li definierenden Oberfläche 14 im Inneren des Behälters 1 1 zu messen. Diese Oberfläche 14 kann beispielsweise, wie abgebildet, eine Oberfläche von in dem Behälter 11 befindlichem Füllgut 12 sein und das Füllstandsniveau Li würde dem aktuellen Füllstand des Behälters 11 entsprechen. Sollte der Behälter 11 leer sein, so entspräche diese Oberfläche 14 dem Behälterboden 11 d und das Füllstandsniveau Li wäre Null.
Die Vorrichtung 100 weist ferner einen Lagesensor 15 auf. Der Lagesensor 15 ist ausgestaltet, um einen von der Lage der Distanzmessvorrichtung 10 abhängigen Neigungswinkel gegenüber einer Bezugsebene 16 zu ermitteln. Der Lagesensor 15 kann die Ausrichtung der Distanzmessvorrichtung 10 beispielsweise parallel zur Bezugsebene 16 ermitteln, was in Figur 1 mit der horizontalen strichlinierten Linie 17 (Horizontalebene) dargestellt ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Lagesensor 15 die Ausrichtung der Distanzmessvorrichtung 10 senkrecht zur Bezugsebene 16 ermitteln, was in Figur 1 mit der vertikalen strichlinierten Linie 18 (Lotrechte) angedeutet ist. Zur Bestimmung von Winkelabweichungen der Distanzmessvorrichtung 10 gegenüber der Bezugsebene 16 können somit also die Horizontale 17 und/oder das Lot 18 als Referenz dienen. Diese Winkelabweichungen werden hierin auch als Neigungswinkel a gegenüber der Bezugsebene 16 bezeichnet und nachfolgend noch näher erläutert. Die Vorrichtung 100 weist ferner eine Steuerung 19 auf. Die Steuerung 19 ist ausgestaltet, um das Messen der Distanz d zwischen der Distanzmessvorrichtung 10 und der Oberfläche 14 unter Berücksichtigung eines ermittelten Neigungswinkels a auszuführen, um ein winkelkorrigiertes Messergebnis zu erhalten, und um einen aktuellen Füllstand Li des Behälters 1 1 basierend auf dem winkelkorrigierten Messergebnis zu ermitteln. Dies wird hierin auch als Winkelkorrektur bezeichnet. Das winkelkorrigierte Messergebnis ist die tatsächliche Distanz H zwischen der Distanzmessvorrichtung 10 und der Oberfläche 14, gemessen auf direktem Wege entlang der Lotrechten 18, d.h. ohne Winkelabweichungen.
In dem in Figur 1 abgebildeten Beispiel ist die Distanzmessvorrichtung 10 genau senkrecht zur Bezugsebene 16 ausgerichtet, d.h. es besteht keine Winkelabweichung zur Lotrechten 18 und der Neigungswinkel er ist somit gleich Null. Die gemessene Distanz d entspricht demnach der tatsächlichen Distanz H zwischen der Distanzmessvorrichtung 10 und der Oberfläche 14, d.h. d = H, und die Vorrichtung 100 kann dementsprechend von einer Winkelkorrektur absehen.
Die Figuren 2A, 2B und 2C zeigen Beispiele für die Durchführung von Winkelkorrekturen gemäß dem hierin beschriebenen Konzept. Der Übersichtlichkeit wegen ist hier lediglich die Distanzmessvorrichtung 10, jeweils ohne den Lagesensor 15 und ohne die Steuerung 19, eingezeichnet.
Figur 2A zeigt einen Behälter 11 , der im Wesentlichen gerade steht. Die Distanzmessvorrichtung 10 ist derart angeordnet, dass deren Messstrahl 21 im Wesentlichen lotrecht auf die Bezugsebene 16 ausgerichtet ist. In dem hier gezeigten Beispiel ist der Behälter 11 leer. Die das Füllstandsniveau definierende Oberfläche 14 wäre in diesem Fall der Boden 1 1 d des Behälters 11. Falls sich Füllgut 12 in dem Behälter 11 befände, würde die Oberfläche des Füllguts 12 das Füllstandsniveau definieren. Oberflächen von Füllgut, das sich wie Schüttgut verhält, sowie Oberflächen von Flüssigkeiten werden sich im Wesentlichen waagrecht bzw. parallel zum Erdhorizont ausrichten. Von daher ist es vorteilhaft, wenn die Bezugsebene 16 ebenfalls eine waagrecht verlaufende Horizontalebene ist, die stets waagrecht zum Erdhorizont ausgerichtet ist. Die Winkelabweichungen bzw. die Neigungswinkel er werden, wie zuvor erwähnt, vorzugsweise senkrecht zur waagrechten Bezugs ebene 16 bestimmt.
Die waagrecht verlaufende Bezugsebene 16 bildet demnach also eine Referenzebene gegenüber der die Winkelabweichung des Messstrahls der Distanzmessvorrichtung 10 bestimmt wird. In Figur 2A ist die Distanzmessvorrichtung 10 zentral (bezogen auf die Breite des Behälters 11) an dem Behälter 11 angeordnet und der Messstrahl 21 trifft lotrecht auf die horizontal ausgerichtete Bezugsebene 16 auf. Somit ist definitionsgemäß keine Winkelabweichung zwischen der Distanzmessvorrichtung 10 und der Bezugsebene 16 vorhanden.
In Figur 2B ist beispielhaft ein Fall dargestellt, in dem die Distanzmessvorrichtung 10 schräg an dem Behälter 11 angeordnet ist. Die Messvorrichtung 10, und somit auch der von ihr ausgesendete Messstrahl 21 , weist also einen Winkelversatz as gegenüber der Bezugsebene 16 auf. Der Messstrahl 21 weist denselben Winkelversatz as auf und trifft daher schräg, d.h. im Winkel as, auf die Bezugsebene 16 auf. Dieser Winkel as wird auch als Neigungswinkel bezeichnet. Der Neigungswinkel as kann mittels des Lagesensors 15 bestimmt werden.
Aufgrund des z.B. montagebedingt vorhandenen Neigungswinkels as weicht die mittels der Distanzmessvorrichtung 10 gemessene Distanz d zwischen der Distanzmessvorrichtung 10 und der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 von der tatsächlichen Distanz H entlang der Lotrechten 18 ab. Diese Abweichung kann mittels trigonometrischer Beziehungen bestimmt werden. Da der Neigungswinkel as mittels des Lagesensors 15 bestimmbar und somit bekannt ist, kann über den Cosinus-Satz die tatsächliche Distanz H zu der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 berechnet werden, wobei H = cos(a) * d gilt. Dies wird auch als Winkelkorrektur bezeichnet, und die berechnete Distanz H entspricht einem winkelkorrigierten Messergebnis. Das winkelkorrigierte Messergebnis H wiederum repräsentiert die tatsächliche Füllstandshöhe im Behälter 11
Der in Figur 2A beschriebene Fall wird auch als Winkelkorrektur mit statischem Neigungswinkel bezeichnet. Der statische Neigungswinkel as kann sich beispielsweise aus der Montagelage der Differenzmessvorrichtung 10 an dem Behälter 11 ergeben. Sofern die Distanzmessvorrichtung 10 schräg an dem Behälter 11 montiert ist, stellt sich ein entsprechender Neigungswinkel as ein, der für die Dauer der Montage in der Regel unveränderlich bestehen bleibt und daher auch als statischer Neigungswinkel as bezeichnet wird.
Figur 2C zeigt beispielhaft einen weiteren denkbaren Fall, der eine Winkelkorrektur mit dynamischem Neigungswinkel ao beschreibt. Wie zu erkennen ist, ändert sich bei einem Verkippen des Behälters 1 1 um den Winkel ÜD der Auftreffwinkel des Messtrahls 21 auf der Füllgutoberfläche 14, die in diesem Beispiel die Füllstandshöhe definiert, in gleichem Maße. Das heißt, zwischen der Distanzmessvorrichtung 10 und der Bezugsebene 16 stellt sich ein Neigungswinkel Gfo ein, der in diesem Falle auf das Verkippen des Behälters 1 1 zurückzuführen ist.
Da die Verkippung des Behälters 11 im Vergleich zur fixen Montageposition der Distanzmessvorrichtung 10 am Behälter 1 1 variabel sein kann, kann sich auch der Neigungswinkel (XD dementsprechend variabel ändern. Daher wird dieser durch die veränderliche Verkippung des Behälters 11 hervorgerufene Neigungswinkel auch als dynamischer Neigungswinkel ctD bezeichnet.
Der dynamische Neigungswinkel aD kann alternativ oder zusätzlich zu dem eingangs beschriebenen statischen Neigungswinkel as auftreten. In dem in Figur 2C gezeigten Beispiel sind sowohl der dynamische als auch der statische Neigungswinkel an, as gezeigt.
Um eine Winkelkorrektur durchzuführen, sollten der dynamische und der statische Neigungswinkel QD, s in diesem Fall gemeinsam berücksichtigt werden. Das heißt, der dynamische und der statische Neigungswinkel ao, as können in diesem Fall zu einem gemeinsamen Neigungswinkel ae kombiniert werden. Beispielsweise können der dynamische und der statische Neigungswinkel ao, as hierfür aufaddiert oder voneinander subtrahiert werden. Aufaddiert werden der dynamische und der statische Neigungswinkel ao, as in der Regel dann, wenn beide Neigungswinkel ao, as dasselbe mathematische Vorzeichen aufweisen, zum Beispiel wenn die Verkippung des Behälters 11 im Vergleich zum lediglich statischen Neigungswinkel as eine Erhöhung des Auftreffwinkels des Messstrahls 21 auf der Füllgutoberfläche 14 bewirkt. Voneinander subtrahiert werden der dynamische und der statische Neigungswinkel ao, as in der Regel dann, wenn beide Neigungswinkel ao, as unterschiedliche mathematische Vorzeichen aufweisen, zum Beispiel wenn die Verkippung des Behälters 11 im Vergleich zum lediglich statischen Neigungswinkel as eine Verkleinerung des Auftreffwinkels des Messstrahls 21 auf der Füllgutoberfläche 14 bewirkt.
Wie eingangs erwähnt, strebt die Füllgutoberfläche 14 stets nach einer waagrechten Ausrichtung parallel zur Bezugsebene 16 und somit ändert sich dementsprechend auch der jeweilige Neigungswinkel ao, as gegenüber der Füllgutoberfläche 14. Beim Verkippen eines leeren Behälters 11 kippt natürlich der Behälterboden 11 d in gleichem Maße mit. In diesem Fall würde sich trotz Verkippen des Behälters 11 natürlich kein dynamischer Neigungswinkel ÖD ergeben, da die Distanzmessvorrichtung 10 immer fix zum Behälterboden 11 d ausgerichtet ist und somit lediglich der statische Neigungswinkel as von Interesse ist. Die Erkennung eines leeren Behälters 1 1 bleibt somit von einem Verkippen des Behälters 1 1 unbeeinflusst.
Prinzipiell kann sich also der Neigungswinkel a aus einem statischen Neigungswinkel as und einem dynamischen Neigungswinkel »o zusammensetzen. Der Neigungswinkel a kann beispielsweise einen Winkel zwischen der Bezugsebene 16 und einem betrachteten Messstrahl 21 der Distanzmessvorrichtung 10 repräsentieren. Wie eingangs erwähnt, kann der Neigungswinkel a beispielsweise so definiert sein, dass beim lotrechten Auftreffen des betrachteten Messstrahls 21 auf der Bezugsebene 16 der Neigungswinkel zu Null angenommen wird, d.h. a = 0°. Dies kann, wie in den Figuren 2A-2C abgebildet, beispielsweise beim statischen Neigungswinkel as der Fall sein, wobei das Lot 18 als Referenz zur Bestimmung von Winkelabweichungen gegenüber der Bezugsebene 16 dient. Alternativ können Winkelabweichungen parallel zur Bezugsebene 16 bestimmt werden, was in den Figuren 2A-2C am Beispiel des dynamischen Neigungswinkels cro gezeigt ist.
Der von der Distanzmessvorrichtung 10 ausgesendete Messstrahl 21 kann beispielsweise ein optischer Strahl sein. Wie unter anderem in den Figuren 3A und 3B gezeigt ist, sehen einige Ausführungsbeispiele vor, dass die Distanzmessvorrichtung 10 eine optische Distanzmesseinrichtung 30 aufweist, die mindestens eine Emittervorrichtung 31 und mindestens eine Detektorvorrichtung 32 aufweist, wobei die Emittervorrichtung 31 ausgestaltet ist, um elektromagnetische Strahlung in das Innere 13 des Behälters 11 auszusenden und wobei die Detektorvorrichtung 32 ausgestaltet ist, um an der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 reflektierte Anteile der ausgesendeten Strahlung zu detektieren.
Der Lagesensor 15 kann entlang einer horizontalen Ebene 35a, 35b um die Distanzmessvorrichtung 10 herum angeordnet werden. Alternativ kann der Lagesensor 15 in einer vertikalen Ebene auf oder unter der Distanzmessvorrichtung 10 angeordnet werden. Vorteilhafter Weise sind der Lagesensor 15 und die Distanzmessvorrichtung 10 mechanisch starr miteinander verbunden, sodass eine Lageänderung des Lagesensors 15 direkt mit einer Lageänderung der Distanzmessvorrichtung 10 einhergeht. Einige Ausführungsbeispiele sehen hierfür vor, dass der Lagesensor 15 und die Distanzmessvorrichtung 10 gemeinsam auf ein und demselben Substrat angeordnet sein können.
Die Emittervorrichtung 31 kann ein oder mehrere Emitter, wie beispielsweise eine LED o- der eine Laserdiode, zum Beispiel eine VCSEL Diode aufweisen. Die Emittervorrichtung 31 kann eine eindimensionale Emittervorrichtung sein, die ausgestaltet ist, um die elektro magnetische Strahlung in Form eines gerichteten Einzelstrahls 21 auszusenden, so wie dies beispielhaft in den Figuren 2A, 2B und 2C gezeigt ist. In diesem Fall kann die Steuerung 19 ausgestaltet sein, um das Messen der Distanz zu der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 basierend auf einer Laufeeitmessung des gerichteten Einzelstrahls 21 auszuführen. Diese optische Laufzeitmessung wird auch als Time-of-Flight (ToF) Messung bezeichnet.
Alternativ oder zusätzlich zu der in den Figuren 2A-2C diskutierten eindimensionalen Emittervorrichtung 31 kann eine dreidimensionale Emittervorrichtung 31 vorgesehen sein. Die Figuren 4A-4D zeigen beispielhaft eine dreidimensionale Emittervorrichtung 31 , die ausgestaltet ist, um elektromagnetische Strahlung in Form eines Strahlkegels 41 auszusenden. Auch hier ist der Übersichtlichkeit wegen nur die Distanzmessvorrichtung 10 ohne den Lagesensor 15 und ohne die Steuerung 19 eingezeichnet.
Die (hier nicht explizit abgebildete) Steuerung 19 ist in diesem Falle ausgestaltet, um das Messen der Distanz zu der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 basierend auf einer Laufzeitmessung auszuführen, die auf einer Belichtung der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 mittels des Strahlkegels 41 basiert. Hierfür kann die Emitter vorrichtung 31 die elektromagnetische Strahlung vorteilhafter Weise in zeitlich gepulster Form abgeben, zum Beispiel in Form von Lichtblitzen.
Wie in Figur 4A beispielhaft abgebildet ist, ist der Strahlkegel 41 dem Behälterinnenraum 13 zugewandt ausgerichtet. Der Strahlkegel 41 kann mehrere Abschnitte, z.B. einzelne Strahlen A, B, C, D, E, aufweisen. Die eingezeichneten Strahlabschnitte A, B, C, D, E entsprechen dabei jeweils einer Messdistanz CIA, de, de, da, ds zwischen der Distanzmessvorrichtung 10 und der Oberfläche 14.
Je nach Montagelage der Distanzmessvorrichtung 10 an dem Behälter 11 können einzelne Strahlabschnitte B direkt lotrecht auf die Oberfläche 14 ausgerichtet sein und somit keinen statischen Neigungswinkel aufweisen, und wiederum andere Strahlabschnitte A,
C, D, E können einen bestimmten statischen Neigungswinkel gegenüber der Bezugsebene 16 aufweisen. Dies wird nachfolgend noch näher unter Bezugnahme auf Figur 5A beschrieben.
Einige der Strahlabschnitte A, B, C des Strahlkegels 41 können auf der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 auftreffen. Da der Behälter 11 in dem in Figur 4A gezeigten Beispiel leer ist, repräsentiert der Behälterboden 11 d die das Füllstandsniveau definierende Oberfläche 14. Die auf dem Behälterboden 11 d auftreffenden Abschnitte A, B,
C des Strahlkegels 41 sind eingekreist und an entsprechender Stelle mit Bezugszeichen Y gekennzeichnet. Entlang dieser Strahlabschnitte A, B, C des Strahlkegels 41 können Distanzmessungen mittels der Distanzmessvorrichtung 10 in der zuvor beschriebenen Art durchgeführt werden.
Andere Abschnitte D, E des Strahlkegels 41 können an Behälterabschnitten außerhalb der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 auftreffen. Beispielsweise können diese anderen Abschnitte D, E des Strahlkegels 41 auf eine Behälterwand 11b, 11 c auftreffen. Diese beispielsweise auf den seitlichen Behälterwänden 11 b, 1 1c auftreffenden Abschnitte D, E des Strahlkegels 41 sind eingekreist und an entsprechender Stelle mit Bezugszeichen X gekennzeichnet.
Diese Abschnitte D, E des Strahlkegels 41 tragen nicht zur Distanzmessung zur Oberfläche 14 und somit zur Füllstandsermittlung bei und können die Füllstandsermittlung negativ beeinflussen oder sogar komplett verfälschen und somit ungültig werden lassen.
Gemäß denkbaren Ausführungsbeispielen kann die Steuerung 19 daher ausgestaltet sein, um einen oder mehrere Behälterbereiche 11 b, 11c, die außerhalb der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 liegen, zu erkennen und diese ein oder mehreren Behälterbereiche 11b, 11c bei der Füllstandsermittlung unberücksichtigt zu lassen
Zur näheren Erläuterung sei hierfür vorübergehend auf die Figuren 5A und 5B verwiesen. Hier sind beispielhaft mehrere Strahlabschnitte, z.B. mehrere Einzelstrahlen, A, B, C, D, E des Strahlkegels 41 eingezeichnet. Einige Strahlabschnitte A, B, C treffen auf dem Behälterboden 11 d auf, der in diesem Fall die das Füllstandsniveau definierende Oberfläche 14 darstellt. Der Behälterboden 11 d ist in diesem Fall parallel zur Bezugsebene 16. Andere Strahlabschnitte D, E treffen an seitlichen Behälterwänden 11 b, 11c auf.
Der erste Strahlabschnitt A weist einen statischen Neigungswinkel a gegenüber der Bezugsebene 16 auf. Der zweite Strahlabschnitt B weist einen statischen Neigungswinkel ß gegenüber der Bezugsebene 16 auf. Der dritte Strahlabschnitt C weist einen statischen Neigungswinkel / gegenüber der Bezugsebene 16 auf. Der vierte Strahlabschnitt D weist einen statischen Neigungswinkel d gegenüber der Bezugsebene 16 auf. Der fünfte Strahlabschnitt E weist einen statischen Neigungswinkel e gegenüber der Bezugsebene 16 auf. Die Neigungswinkel a, ß, y, d, e sind mittels des Lagesensors 15 bestimmbar und somit bekannt.
In Kenntnis der jeweiligen Neigungswinkel a, ß, y, <5, e kann die tatsächliche Distanz H zur Oberfläche 14 (in diesem Fall zum Behälterboden 11d) in der eingangs beschriebenen Art, d.h. unter Verwendung der Winkelkorrektur, bestimmt werden. Figur 5B zeigt beispielhaft isoliert den Strahlabschnitt B mit dem statischen Neigungswinkel ß zur Bestimmung der tatsächlichen Distanz H. Gemäß der oben beschrieben Cosinus-Gleichung
H = cos(ß) * B kann die Winkelkorrektur vorgenommen werden und die tatsächliche Distanz H der Distanzmessvorrichtung 10 senkrecht zur Oberfläche 14 bestimmt werden.
Zurückkommend auf Figur 5A kann somit festgestellt werden, dass die Strahlabschnitte A, B, C nach erfolgter Winkelkorrektur alle dieselbe (oder zumindest eine sehr ähnliche) tatsächliche Distanz H senkrecht zu der parallel zur Bezugsebene 16 verlaufenden Oberfläche 14, d.h. zum Behälterboden 11 d, aufweisen. Dies deutet darauf hin, dass diese Strahlabschnitte A, B, C auf einer gemeinsamen Ebene liegen. Dies wiederum ist ein Indiz dafür, dass diese Strahlabschnitte A, B, C auf der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 liegen.
Die Strahlabschnitte E, D hingegen treffen jeweils auf einer seitlichen Behälterwand 11 b, 11c auf. Nach erfolgter Winkelkorrektur weisen diese beiden Strahlabschnitte E, D eine unterschiedliche (in der Regel kürzere) tatsächliche Distanz im Vergleich zu den auf der Oberfläche 14 auftreffenden Strahlabschnitten A, B, C auf. Als die tatsächliche Distanz H wird die winkelkorrigierte Distanz des jeweiligen Strahlabschnitts A, B, C, D, E senkrecht zur Bezugsebene 16 bzw. senkrecht zur Oberfläche 14 verstanden. Die winkelkorrigierte Distanz /-/ wird hierin auch als winkelkorrigiertes Messergebnis der Distanzmessung bezeichnet.
Zurückkommend auf Figur 4A kann also die Steuerung 19 in der oben beschriebenen Art und Weise nicht interessierende Behälterbereiche, wie zum Beispiel seitliche Behälterwände 11 b, 11c, erkennen und bei der Füllstandsermittlung unberücksichtigt lassen. Das heißt, die Steuerung 19 kann ausgestaltet sein, um einen Vergleich zwischen mehreren einzelnen winkelkorrigierten Messergebnissen H durchzuführen und, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs, einzelne der verglichenen winkelkorrigierten Messergebnisse H zu verwerfen bzw. zum Zwecke der Füllstandsermittlung unberücksichtigt zu lassen.
Figur 4B zeigt ein weiteres Beispiel, wobei hier Füllgut 12 in dem Behälter 11 vorhanden ist. Die Oberfläche des Füllguts 12 repräsentiert in diesem Beispiel die das Füllstandsniveau definierende Oberfläche 14. Der Füllstand im Behälter 11 ist noch nicht soweit angestiegen als dass die Strahlabschnitte E, D auf der Oberfläche 14 auftreffen würden. Das heißt, die Strahlabschnitte E, D treffen immer noch auf den seitlichen Behälterwänden 11 b, 11c auf und können, gemäß obiger Beschreibung, bei der Füllstandsermittlung unberücksichtigt bleiben.
Figur 4C zeigt ein weiteres Beispiel, wobei der Füllstand im Behälter 1 1 soweit angestiegen ist, dass auch die Strahlabschnitte E, D auf der Füllgutoberfläche 14 auftreffen. Diese Strahlabschnitte E, D können nun ebenfalls zur Füllstandsermittlung beitragen. In dem hier abgebildeten Beispiel treffen also alle Strahlabschnitte A, B, C, D, E des Strahlkegels 41 auf der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 auf, sodass alle Strahlabschnitte A, B, C, D, E auch zur Füllstandsermittlung beitragen können. Je mehr Strahlabschnitte des Strahlkegels 41 bei der Füllstandsermittlung berücksichtigt werden, desto genauer wird das Ergebnis.
Figur 4D zeigt ein weiteres Beispiel, bei welchem zusätzlich zu den vorgenannten statischen Neigungswinkeln a, ß, y, d, e nun auch ein durch Verkippen des Behälters 11 bedingter dynamischer Neigungswinkel OTD hinzukommt. Der dynamische Neigungswinkel cro kann zum Zwecke der Winkelkorrektur bei jeder einzelnen Distanzmessung mit dem jeweiligen Strahlenabschnitt-individuellen statischen Neigungswinkel a, ß, g, d, e des jeweiligen Strahlabschnitts A, B, C, D, E kombiniert (z.B. hinzuaddiert) werden, um einen gemeinsamen Neigungswinkel eie ZU erhalten. Die Winkelkorrektur erfolgt dann unter Berücksichtigung des gemeinsamen Neigungswinkels ae, wie zuvor bereits erläutert wurde.
Bei einer mehrdimensionalen Emittervorrichtung 31 , die elektromagnetische Strahlung in Form eines Strahlkegels 41 aussenden kann, können also einzelne Strahlabschnitte A, B, C, D, E jeweils einen eigenen statischen Neigungswinkel a, ß, y, <5, e gegenüber der Bezugsebene 16 aufweisen. Dies hängt unter anderem von der Bauform der Emittervorrichtung 31 sowie von der Montagelage der Distanzmessvorrichtung 10 an dem Behälter 11 ab.
Wie in den Figuren 6A-6D gezeigt ist, kann alternativ oder zusätzlich die Distanzmessvorrichtung 10 insgesamt windschief gegenüber der Bezugsebene 16 montiert sein. Hierbei kann sich ein weiterer statischer Neigungswinkel as einstellen, der durch Verkippung der Distanzmessvorrichtung 10 relativ zur Bezugsebene 16 resultiert und somit ebenfalls von der Montageposition der Distanzmessvorrichtung 10 an dem Behälter 11 abhängt. Während jedoch bei der Winkelkorrektur die einzelnen Strahlenabschnitt-individuellen statischen Neigungswinkel a, ß, y, d, e der einzelnen Strahlabschnitte A, B, C, D, E für jeden Strahlabschnitt individuell zu berücksichtigen sind, ist der durch Verkippung der Distanzmessvorrichtung 10 bedingte statische Neigungswinkel as allgemein für den gesamten Strahlkegel 41 gültig. Die Winkelkorrektur kann also unter Einbeziehung eines gemeinsamen Neigungswinkels OG durchgeführt werden, der sich aus einer Kombination von jeweils einem der vorhandenen Strahlabschnitt-individuellen statischen Neigungswinkeln a, ß, y, d, e, dem allgemeingültigen statischen Neigungswinkel as und, sofern vorhanden, dem dynamischen Neigungswinkel ao zusammensetzen kann.
Das in den Figuren 6A-6D abgebildete Beispiel unterscheidet sich zu dem zuvor unter Bezugnahme auf die Figuren 4A-4D diskutierte Beispiel also insofern, dass die Distanzmessvorrichtung 10 gegenüber der Bezugsebene 16 verkippt angeordnet ist. Dementsprechend ist hier bei der Winkelkorrektur zusätzlich ein allgemeingültiger statischer Neigungswinkel as zu berücksichtigen.
In Figur 6A treffen einzelne Strahlabschnitte A, B, C, E auf der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14, in diesem Fall auf dem Behälterboden 11 d, auf. Ein Strahlabschnitt D trifft auf der seitlichen Behälterwand 11c auf. Dieser Strahlabschnitt D kann gemäß den obigen Ausführungen bei der Füllstandsermittlung unberücksichtigt bleiben.
Zur Winkelkorrektur bei den mit den einzelnen Strahlabschnitten A, B, C, E durchgeführten Distanzmessungen werden deren jeweiliger statischer Neigungswinkel a, ß, g, e (Figur 5A) und der allgemeingültige statische Neigungswinkel as zu einem gemeinsamen statischen Neigungswinkel OG kombiniert, z.B. aufaddiert, sodass beispielsweise für den Strahlabschnitt B gilt: OG = ß + as.
In Figur 6B ist der Behälter 1 1 teilweise mit Füllgut 12 gefüllt. Die Oberfläche des Füllguts 12 repräsentiert in diesem Beispiel die das Füllstandsniveau definierende Oberfläche 14. Der Füllstand im Behälter 11 ist noch nicht soweit angestiegen als dass der Strahlabschnitt D auf der Oberfläche 14 auftreffen würde. Das heißt, der Strahlabschnitt D trifft nach wie vor auf der seitlichen Behälterwand 1 1c auf und kann, gemäß obiger Beschreibung, bei der Füllstandsermittlung unberücksichtigt bleiben.
Figur 6C zeigt ein weiteres Beispiel, wobei der Füllstand im Behälter 11 soweit angestiegen ist, dass nun auch der Strahlabschnitt D auf der Füllgutoberfläche 14 auftrifft. Dieser Strahlabschnitt D kann nun ebenfalls zur Füllstandsermittlung beitragen. In dem in Figur 60 abgebildeten Beispiel treffen also alle Strahlabschnitte A, B, C, D, E des Strahlkegels 41 auf der das Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 auf, sodass alle Strahlabschnitte A, B, C, D, E zur Füllstandsermittlung beitragen können. Je mehr Strahlabschnitte des Strahlkegels 41 bei der Füllstandsermittlung berücksichtigt werden, desto genauer wird das Ergebnis. Figur 6D zeigt ein weiteres Beispiel, bei welehem zusätzlich zu den vorgenannten Strahlenabschnitt-individuellen statischen Neigungswinkeln a, ß, y, d, e und dem allgemeingültigen statischen Neigungswinkel Os nun auch ein durch Verkippen des Behälters 11 bedingter dynamischer Neigungswinkel ao gegenüber der Bezugsebene 16 vorhanden ist. Der dynamische Neigungswinkel ao kann zum Zwecke der Winkelkorrektur bei jeder einzelnen Distanzmessung mit dem jeweiligen statischen Neigungswinkel a, ß, g, d, e des jeweiligen Strahlabschnitts A, B, C, D, E und dem allgemeingültigen statischen Neigungswinkel as kombiniert (z.B. hinzuaddiert) werden, um einen gemeinsamen Neigungswinkel OG ZU erhalten. Die Winkelkorrektur erfolgt dann unter Berücksichtigung des gemeinsamen Neigungswinkels OTG, wie zuvor bereits erläutert wurde.
Da die Emittervorrichtung 31 bauartbedingt so ausgestaltet sein kann, dass beispielsweise der Abstrahl- bzw. Öffnungswinkel des auszusendenden Strahlkegels 41 fest vorgegeben ist, können die einzelnen Strahlenabschnitt-individuellen statischen Neigungswinkel a, ß, y, d, e der Steuerung 19 dauerhaft bekannt sein. In diesem Falle müssten die einzelnen Strahlenabschnitt-individuellen statischen Neigungswinkel a, ß, y, d, e bei der Winkelkorrektur nicht separat betrachtet und berücksichtigt werden. In diesem Fall wäre es ausreichend, nur den allgemeingültigen statischen Neigungswinkel as, der aus einer statischen Verkippung der Distanzmessvorrichtung 10 gegenüber der Bezugsebene 16 resultiert, sowie den bei einer Verkippung des Behälters 11 auftretenden dynamischen Neigungswinkel CTD ZU berücksichtigen.
Figur 7 zeigt ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung eines Verfahrens zur Füllstandsermittlung gemäß dem hierin beschriebenen Konzept.
In Block 701 wird eine Distanz zu einer ein Füllstandsniveau definierenden Oberfläche 14 im Inneren 13 eines Behälters 11 mittels einer an dem Behälter 11 angebrachten Distanzmessvorrichtung 10 gemessen.
In Block 702 wird die Lage der Distanzmessvorrichtung 10 relativ zu einer Bezugsebene 16 bestimmt und ein Neigungswinkel a der Distanzmessvorrichtung 10 gegenüber dieser Bezugsebene 16 wird ermittelt. Dabei erfolgt das zuvor genannte Messen der Distanz unter Berücksichtigung des ermittelten Neigungswinkels a, um ein winkelkorrigiertes Messergebnis zu erhalten.
In Block 703 wird ein aktueller Füllstand des Behälters 11 basierend auf dem winkelkorrigierten Messergebnis ermittelt. Nachfolgend soll die Erfindung nochmals in anderen Worten zusammenfassend erläutert werden:
Das erfinderische Konzept beschreibt eine selbstnivellierende Multizonen-basierte Füllstandsermittlung.
Eine Kalibrierung eines einfachen ein- oder dreidimensionalen Distanzsensors 10 kann mit Hilfe einer Lagebestimmung im Raum durch die Kombination mehrerer Sensoren, u.a. hier im besonderen durch einen mehrdimensionalen Beschleunigungssensor 15, gewährleistet werden. So soll eine zuverlässige Füllstandsermittlung von Flüssigkeiten und Schüttgütern, bzw. Gütern, die sich wie Schüttgüter verhalten auch bei Messaufbauten mit in einem beliebigen Winkel angebrachtem Messelement 10 gewährleistet werden.
So zeigen beispielsweise die Figuren 2A-2C diese Anwendung zunächst anhand eines eindimensionalen Sensors 10. Die absolute gemessene Distanz d in Figur 2A und Figur 2B weicht durch die Positionierung des Sensors 10 voneinander ab. Um verlässliche Messergebnisse zu erzielen, wird durch die Lage des Beschleunigungssensors 15 der Winkel zur Nullebene 16 berechnet. Es kann jeder Punkt im Messbehälter 11 erfasst werden und ein reelles Abbild der Oberflächenstruktur ermittelt werden. Nach Figur 2C kann nicht nur der Sensor 10 aus der Nullposition verschoben und gekippt werden, sondern auch das Behältnis 11 , in dem gemessen wird, selbst. Die Lage ist hierbei in allen drei Dimensionen beliebig. Figur 2C zeigt darüber hinaus den Fehler der durch den absoluten Messwert bei Schräglage des Behältnisses 11 erzeugt wird. Über die hierin beschriebene Winkelkorrek- tur wird dieser Fehler korrigiert.
Die Figuren 4A-4D zeigen in diesem Zusammenhang beispielhaft einen Messaufbau mit einem zentriert ausgerichteten Messelement 10. Zunächst können erfindungsgemäß die Randbereiche X des Reflexionsfeldes des Sensors 10 ermittelt und als nicht relevante Messwerte identifiziert werden. Dies ist unabhängig vom Füllgrad des Behältnisses 11 (Figuren 4A, 4B). Insbesondere geht es hier darum, dass die Ermittlung mit grob auflösenden Sensoren 10 durchgeführt werden kann. Es muss keine Bildaufnahme erzeugt werden, wie sie z.B. eine Kamera liefern würde. Wird ein Schwellwert durch den Füllgrad überschritten, kann die Korrektur der Randbereiche entfallen (Figur 4C).
Die Korrektur der Randbereiche erfordert eine vorherige Erkennung der Randbereiche.
Die Figuren 5A und 5B zeigen eine beispielhafte Ausgestaltung einer Randbereichserken- nung. Da der Winkel der emittierten Strahlen A, B, C, D, E zur Lotrechten 18 des dreidimensionalen Distanzsensors 10 bekannt ist (ermittelt durch Beschleunigungssensor 15), kann mit der Winkelgleichung: h = cos (er) * B zunächst die Höhe ,,/T aufgrund der gemessenen Distanz„B“ im Feld bestimmt werden. (Figur 5B)„h" entspricht hierbei der Ankathete des aufgespannten Dreiecks des Winkels zur Lotrechten„a“ und der Hypotenuse„B“.
Die Rechnung ist mit den Winkeln b,g, d, e und den entsprechenden Distanzwerten ,A C, D“ und„E“ des Sensors 10 und den daraus folgenden Höhen„h“ entsprechend übertragbar. (Figur 5A)
Legt man zugrunde, dass mindestens zwei nebeneinanderliegende Messwerte im Messfeld die gleiche Distanz haben, kann eine Ebene angenommen werden, die dem tatsächlichen Füllstand entspricht. Somit können die Randbereiche als solche ermittelt und in der Abstandsberechnung ausgeschlossen werden.
Die in Figur 4D abgebildete Schräglage kann entsprechend des hierin beschriebenen Konzepts zur Winkelkorrektur korrigiert werden. Sowohl die Position des Sensors 10 als auch die Position des Behälters 1 1 in allen Freiheitsgraden ist hierbei beliebig. Die Korrektur der Randbereiche X des Behälters 11 ist hiervon nicht betroffen.
Die Figuren 6A-6D zeigen dieses Verhalten durch eine optimierte und, aufgrund der örtlichen Gegebenheiten, nötige seitliche Anbringung des Messaufbaus am Behältnis 11.
Damit die Lage des Distanzmesselements 10 korrekt ermittelt werden kann, ist die Position des Beschleunigungssensors 15 in Relation zum Messelement 10 entscheidend. Die Figuren 3A und 3B zeigen beispielhaft zwei sinnvolle Anordnungen. Figur 3A zeigt eine vertikale Ausrichtung des Messelements 10 zum Beschleunigungssensor 15. Figur 3B zeigt eine horizontale Ausrichtung des Messelements 10 zum Beschleunigungssensor 15.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart Zusammenwirken können oder Zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem program mierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschi- nen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor Zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell ersetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) zur Füllstandsermittlung, aufweisend: eine an einem Behälter (11) anbringbare Distanzmessvorrichtung (10), die ausgestaltet ist, um eine Distanz (d) zu einer ein Füllstandsniveau (Li) definierenden Oberfläche (14) im Inneren (13) des Behälters (11) zu messen, einen Lagesensor (15), der ausgestaltet ist, um einen von der Lage der Distanzmessvorrichtung (14) abhängigen Neigungswinkel (er) gegenüber einer Bezugsebene (16) zu ermitteln, und eine Steuerung (19), die ausgestaltet ist, um das Messen der Distanz ( d ) mittels der Distanzmessvorrichtung (10) unter Berücksichtigung des ermittelten Neigungswinkels (er) auszuführen, um ein winkelkorrigiertes Messergebnis ( H) zu erhalten, und um einen aktuellen Füllstand des Behälters (11 ) basierend auf dem winkelkorrigierten Messergebnis ( H) zu ermitteln.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei die Distanzmessvorrichtung (10) eine optische Distanzmesseinrichtung (30) aufweist, die mindestens eine Emittervorrichtung (31) und mindestens eine Detektorvorrichtung (32) aufweist, wobei die Emittervorrichtung (31) ausgestaltet ist, um elektromagnetische Strahlung in Form eines Strahlkegels (41) in das Innere (13) des Behälters (1 1 ) auszusenden und wobei die Detektorvorrichtung (32) ausgestaltet ist, um an der das Füllstandsniveau ( Li ) definierenden Oberfläche (14) reflektierte Anteile der ausgesendeten Strahlung zu de- tektieren.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei die Emittervorrichtung (31) einen Öffnungswinkel aufweist, der so dimensioniert ist, dass Abschnitte (D, E) des emittierten Strahlkegels (41) an Behälterbereichen (11 b, 1 1 c) außerhalb der das Füllstandsniveau (Li) definierenden Oberfläche (14) auftreffen, und wobei die Steuerung (19) ausgestaltet ist, um einen oder mehrere dieser Behälterbereiche (11 b, 11c), die außerhalb der das Füllstandsniveau ( Li ) definierenden Oberfläche (14) liegen, zu erkennen und diese ein oder mehreren Behälterbereiche (11 b, 11c) bei der Füllstandsermittlung unberücksichtigt zu lassen.
4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (19) ausgestaltet ist, um einen Vergleich zwischen mehreren einzelnen winkelkorrigierten Messergebnissen (H) durchzuführen und, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs, einzelne der verglichenen winkelkorrigierten Messergebnisse (H), die mit den Behälterbereichen (11b, 11c) außerhalb der das Füllstandsniveau ( U ) definierenden Oberfläche (14) verknüpft sind, zu verwerfen und zum Zwecke der Füllstandsermittlung unberücksichtigt zu lassen.
5. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Steuerung (19) ausgestaltet ist, um das Messen der Distanz (d) zu der das Füllstandsniveau ( Li ) definierenden Oberfläche (14) basierend auf einer Laufzeitmessung auszuführen, die auf einer Belichtung der das Füllstandsniveau (U) definierenden Oberfläche (14) mittels des Strahlkegels (41) basiert.
6. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei die Emittervorrichtung (31) ausgestaltet ist, um elektromagnetische Strahlung in Form eines gerichteten Einzelstrahls (21 ) auszusenden und wobei die Steuerung (19) ausgestaltet ist, um das Messen der Distanz (d) zu der das Füllstandsniveau (Li) definierenden Oberfläche (14) basierend auf einer Laufzeitmessung des gerichteten Einzelstrahls (21) auszuführen.
7. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Lagesensor (15) ausgestaltet ist, um einen statischen Neigungswinkel (as) der Distanzmessvorrichtung (10) relativ zu der Bezugsebene (16) zu bestimmen, wobei der statische Neigungswinkel (as) von einer statischen Montagelage der Distanzmessvorrichtung (10) an dem Behälter (11) abhängt.
8. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Lagesensor (15) ausgestaltet ist, um einen dynamischen Neigungswinkel (CTD) der Distanzmessvorrichtung (10) relativ zu der Bezugsebene (16) zu bestimmen, wobei der dynamische Neigungswinkel (aD) aus einer Verkippung des Behälters (11) resultiert und mit variierender Verkippung des Behälters (1 1) veränderlich ist.
9. Vorrichtung (100) nach den Ansprüchen 7 in Verbindung mit 8, wobei die Steuerung (19) ausgestaltet ist, um den dynamischen Neigungswinkel (ÜD) und den statischen Neigungswinkel (as) miteinander zu kombinieren, um einen gemeinsamen Neigungswinkel (CTG) ZU bestimmen, und um das Messen der Distanz (d) mittels der Distanzmessvorrichtung (10) unter Berücksichtigung des gemeinsamen Neigungswinkels (ÜG) auszuführen, um das winkelkorrigierte Messergebnis (H) zu erhalten.
10. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Bezugsebene (16) eine waagrecht verlaufende Horizontalebene ist.
1 1. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Steuerung (19) ausgestaltet ist, um die Distanz ( d) zu der das Füllstandsniveau (Lf) definierenden Oberfläche (14) im Inneren (13) des Behälters (11) mittels Triangulation oder mittels einer Laufzeitmessung von elektromagnetischer Strahlung zu bestimmen.
12. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei die Detektorvorrichtung (32) eine Vielzahl von in einem Array angeordneten Detektorelementen aufweist.
13. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Lagesensor (15) ein Beschleunigungssensor ist.
14. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Lagesensor (15) und die Distanzmessvorrichtung (10) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
15. Verfahren zur Füllstandsermittlung mit den folgenden Schritten:
Messen einer Distanz (d) zu einer ein Füllstandsniveau (Li) definierenden Oberfläche (14) im Inneren (13) eines Behälters (11) mittels einer an dem Behälter (1 1) anbringbaren Distanzmessvorrichtung (10),
Bestimmen der Lage der Distanzmessvorrichtung (10) relativ zu einer Be- zugsebene (16) und Ermitteln eines Neigungswinkels (er) der Distanzmessvorrichtung (10) gegenüber dieser Bezugsebene (16), wobei das Messen der Distanz (cf) unter Berücksichtigung des ermittelten Neigungswinkels (a) erfolgt, um ein winkelkorrigiertes Messergebnis (H) zu erhalten, und Ermitteln eines aktuellen Füllstands des Behälters (11) basierend auf dem winkelkorrigierten Messergebnis ( H ).
16. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.
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