Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der ortsaufgelösten

Füllstandshöhe in einem oben offenen Schüttgutbehälter, wobei die

Füllstandshöhe des im Schüttgutbehälter befindlichen Schüttguts von oben mittels Ultraschall ortsaufgelöst über der Behälteröffnung gemessen wird, sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung der ortsaufgelösten Füllstandshöhe in einem oben offenen Schüttgutbehälter mit mindestens einem Ultraschall-Distanzsensor zum Überfahren der Behälteröffnung des Schüttgutbehälters. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise durch die WO 99/32859 A1 bekannt geworden. Die aus der WO 99/32859 A1 bekannte Verladeanlage dient zum Beladen von Waggons eines Zuges, genauer gesagt von Transportbehältern der Waggons, mit Schüttgut. Die Verladeanlage weist einen Vorfüllsensor auf, um die Schüttgutmenge zu ermitteln, die sich vor dem Beladen im Transportbehälter befindet. Der Vorfüllsensor ist als Ultraschallscanner ausgebildet, dessen Scanstrahl quer zur Fahrtrichtung des Zuges läuft. Aus dem eindimensionalen Entfernungssignal des Ultraschallscanners kann durch die Scanbewegung einerseits und die Fahrbewegung des Zuges andererseits die Füllstandshöhe des Transportbehälters ortsaufgelöst gemessen werden. Bei dem in Zügen transportierten Schüttgut handelt es sich in der Regel um rieselfähiges Schüttgut mit einheitlichen Abmessungen, wie Kohle oder Sand, das in einem Transportbehälter stets zu einer dreidimensionalen Schüttgutoberfläche ohne Ecken und Kanten führt.

Für nicht einheitliches Schüttgut mit unterschiedlicher Ausprägung in Größe und Form ist die aus WO 99/32859 A1 bekannte Messung der Füllstandshöhe jedoch nicht geeignet, um bei der ortsaufgelösten Messung der Füllstandshöhe Schüttgutteile, die aufgrund von Reflexen zu Fehlinformationen führen, oder weit hochstehende Schüttgutkanten stets zuverlässig zu erfassen. So werden beim Laserschneiden geschnittene Blechteile aus einer Laserschneidanlage ausgeschleust und fallen dann als Schüttgut chaotisch in einen ortsfesten Behälter, in dem die Blechteile beliebig orientiert hochstehen können. Für einen rechtzeitigen Behälterwechsel muss der Füllgrad des Schüttgutbehälters aber trotz Fehlreflexen und hochstehender Blechteilkanten möglichst genau bestimmt werden können. Das aus WO 99/32859 A1 bekannte Messverfahren ist zudem bei ortsfesten Behältern nicht anwendbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Vorrichtung der jeweils eingangs genannten Art die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der ortsaufgelösten Messung der Füllstandshöhe weiter zu erhöhen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Füllstandshöhe des Schüttguts

i) von oben aus mehreren unterschiedlichen Ultraschall-Messrichtungen jeweils über der Behälteröffnung ortsaufgelöst gemessen wird, oder

ii) von oben aus mehreren parallelen oder nahezu parallelen Ultraschall- Messrichtungen jeweils über der Behälteröffnung ortsaufgelöst gemessen wird,

und dass aus den mehreren ortsaufgelösten Füllstandshöhenmessungen mindes- tens eine der folgenden Größen ermittelt wird:

- eine ortsaufgelöste effektive Füllstandshöhe,

- eine (dreidimensionale) Hüllfläche des Schüttguts,

- ein globales Maximum des Schüttguts, und

- einen Füllgrad des Schüttgutbehälters.

Erfindungsgemäß wird das im Schüttgutbehälter befindliche Schüttgut aus mindestens zwei unterschiedlichen oder parallelen bzw. nahezu parallelen Ultraschall-Messrichtungen vermessen, wodurch Schüttgutteile, die in der einen Messrichtung nicht korrekt erfasst werden, dann in der anderen Messrichtung korrekt erfasst werden. Aus den mehreren ortsaufgelösten Füllstandshöhenmessungen kann dann z.B. durch Addieren oder Mitteln eine ortsaufgelöste effektive

Füllstandshöhe, durch Interpolieren und Überlagern eine dreidimensionale Hüllfläche des Schüttguts und hieraus wiederum ein globales Maximum des Schüttguts sowie das aktuelle Schüttgutvolumen und der aktuelle Füllgrad des Schüttgutbe- hälters ermittelt werden. Im Fall von unterschiedlichen Ultraschall-Messrichtungen kann aus den mehreren ortsaufgelösten Füllstandshöhenmessungen eine mess- richtungsunabhängigere, ortsaufgelöste effektive Füllstandshöhe ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine zuverlässige

Füllstandsbestimmung eines Schüttgutbehälters mit Blechteilen unterschiedlicher Ausprägung in Größe und Form bzw. eine zuverlässige Abschätzung der Obergrenze der aktuellen Füllstandshöhe.

Beim Ultraschallscannen hat, im Gegensatz zu optischen Messverfahren, die Oberflächenbeschaffenheit des Schüttguts, wie z.B. Bleche, keinen Einfluss auf die Distanzmessung. Durch die Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen gibt es für die Einsatzbereiche des Ultraschallscannens kaum Einschränkungen.

In einer Ausführung der Verfahrensvariante i) wird die Behälteröffnung bevorzugt von mindestens einem Ultraschall-Distanzsensor mehrmals, aber mit jeweils unterschiedlich ausgerichteter Messrichtung - möglichst flächendeckend - überfahren. Der mindestens eine Ultraschall-Distanzsensor kann in seinen unterschiedlichen Messrichtungen in der gleichen Bahnkurve oder, was bevorzugt ist, in jeweils unterschiedlichen Bahnkurven über der Behälteröffnung verfahren wird. Mit dem mindestens einen Ultraschall-Distanzsensor ist eine Berechnung der Hüllfläche in Echtzeit allerdings nicht möglich.

In einer anderen Ausführung der Verfahrensvariante i) wird die Behälteröffnung von mehreren, jeweils in unterschiedlichen Messrichtungen ausgerichteten Ultra- schall-Distanzsensoren mindestens einmal - möglichst flächendeckend - überfahren. Vorzugsweise werden die mehreren Ultraschall-Distanzsensoren gemeinsam als Sensoreinheit (Sensor-Array) über der Behälteröffnung verfahren, wobei bei mehreren quer zur Verfahrrichtung nebeneinander angeordneten Ultraschall- Distanzsensoren die Sensoreinheit nur in einer Verfahrrichtung über der Behälter- Öffnung verfahren zu werden braucht.

Aufgrund der mehreren Messrichtungen können in diesen beiden Ausführungen der Verfahrensvariante i) hochstehende Bauteilkanten auch bei schneller

Verfahrgeschwindigkeit des bzw. der Ultraschall-Distanzsensoren - trotz der ge- ringen Flächenauflösung von Ultraschall-Distanzsensoren - zuverlässig identifiziert werden. Bei den eingesetzten Ultraschall-Distanzsensoren handelt es sich um Standardkomponenten, die sich durch eine hohe Lebensdauer auszeichnen und in einem breiten Spektrum verfügbar sind. In einer Ausführung der Verfahrensvariante ii) werden die mehreren Ultraschall- Messungen mit Ultraschall-Messkegeln, welche von den mehreren Ultraschall- Distanzsensoren ausgesandt werden und innerhalb des Behälters einander nicht oder zumindest nicht wesentlich überlappen, gleichzeitig durchgeführt. In einer anderen Ausführung der Verfahrensvariante ii) werden die mehreren Ultraschall- Messungen mit Ultraschall-Messkegeln, welche von den mehreren Ultraschall- Distanzsensoren ausgesandt werden und innerhalb des Behälters einander überlappen, entweder nicht gleichzeitig oder mit jeweils unterschiedlicher Codierung gleichzeitig durchgeführt. Im letzteren Fall werden die Ultraschallsignale jeder Ult- raschall-Messung derart kodiert, so dass sie von anderen Ultraschallsignalen der Ultraschallmessung unterscheidbar sind.

In diesen beiden Ausführungen der Verfahrensvariante ii) kann die Behälteröffnung von den mehreren, in parallelen oder nahezu parallelen Messrichtungen ausgerichteten Ultraschall-Distanzsensoren, insbesondere gemeinsam als Sensoreinheit, mindestens einmal überfahren werden.

Vorzugsweise misst zumindest einer der Ultraschall-Distanzsensoren in mindestens einer, insbesondere in beiden Verfahrrichtungen jeweils gegenüber den an- deren Ultraschall-Distanzsensoren vor- oder nacheilend.

Der Füllgrad des Schüttgutbehälters lässt sich besonderes einfach aus den mehreren ortsaufgelösten Füllstandshöhenmessungen und einer ortsaufgelösten Füllstandshöhen-Referenzmessung an einem leeren Schüttgutbehälter, insbeson- dere aus der ermittelten Hüllfläche des Schüttguts und einer Referenz-Hüllfläche des leeren Schüttgutbehälters, ermitteln.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der ortsaufgelösten Füllstandshöhe in einem oben offenen Schüttgutbehälter mit mindestens einem Ultraschall-Distanzsensor zum Überfahren der Behälteröffnung des Schüttgutbehälters, wobei die Vorrichtung erfindungsgemäß mindestens einen Ultraschall- Distanzsensor mit verstellbarer Messrichtung oder mehrere Ultraschall- Distanzsensoren, welche in unterschiedlichen Messrichtungen oder in parallelen oder nahezu parallelen Messrichtungen ausgerichtet sind, eine Verfahreinrichtung zum ein- oder zweidimensionalen Verfahren des mindestens einen Ultraschall- Distanzsensors über der Behälteröffnung, und eine Auswerteeinheit aufweist, die aus mehreren, ortsaufgelösten Füllstandshöhenmessungen mindestens eine der folgenden Größen ermittelt:

- eine ortsaufgelöste effektive Füllstandshöhe, - eine (dreidimensionale) Hüllfläche des Schüttguts,

- ein globales Maximum des Schüttguts, und

- einen Füllgrad des Schüttgutbehälters. Vorzugsweise ist der mindestens eine Ultraschall-Distanzsensor mit verstellbarer Messrichtung beweglich an der Verfahreinrichtung gelagert und mittels einer elektrisch angesteuerten Versteileinrichtung zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Messrichtungen bewegbar. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform überlappen die von den mehreren Ultraschall-Distanzsensoren ausgesandten Ultraschall-Messkegel innerhalb des Behälters einander nicht oder zumindest nicht wesentlich, so dass sich die einzelnen Ultraschall-Messungen gegenseitig nicht oder nur noch vernachlässigbar beeinflussen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform überlappen die Ultra- schall-Messkegel der mehreren Ultraschall-Distanzsensoren einander und sind unterschiedlich codiert, so dass sie von den Ultraschallsignalen der anderen Ultraschallmessungen unterscheidbar sind.

Vorzugsweise bilden die mehreren Ultraschall-Distanzsensoren eine gemeinsam verfahrbare Sensoreinheit (Sensor-Array) aus, wobei zumindest einer der Ultraschall-Distanzsensoren in mindestens einer, insbesondere in beiden

Verfahrrichtungen der Sensoreinheit jeweils gegenüber den anderen Ultraschall- Distanzsensoren versetzt angeordnet sein kann. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen: Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem einzigen

Ultraschall-Distanzsensor zur Bestimmung der ortsaufgelösten Füllstandshöhe in einem Schüttgutbehälter;

Fig. 2 einen zwischen zwei Endstellungen verschwenkbaren Ultraschall- Distanzsensor;

Fign. 3a, 3b verschiedene Bahnkurven zum flächendeckenden Verfahren des

Ultraschall-Distanzsensors über der Behälteröffnung des Schüttgutbehälters;

Fig. 4 eine aus zwei messrichtungsabhängigen ortsaufgelösten

Füllstandshöhenmessungen ermittelte Hüllkurve des Schüttguts;

Fig. 5 eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Sensoreinheit aus mehreren Ultraschall-Distanzsensoren zur Bestimmung der ortsaufgelösten Füllstandshöhe in einem Schüttgutbehälter;

Fig. 6 eine Bahnkurve zum flächendeckenden Verfahren der Sensoreinheit über der Behälteröffnung des Schüttgutbehälters;

Fig. 7 eine aus drei messrichtungsabhängigen ortsaufgelösten

Füllstandshöhenmessungen ermittelte Hüllkurve des Schüttguts; Fign. 8a, 8b eine dritte und vierte erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Sensoreinheit aus mehreren Ultraschall-Distanzsensoren zur Bestim- mung der ortsaufgelösten Füllstandshöhe in einem Schüttgutbehälter; und

Fig. 9 die Unteransicht einer in Fign. 8a, 8b gezeigten Sensoreinheit.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnung werden für gleiche bzw. funktions- gleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Bestimmung der ortsaufgelösten Füllstandshöhe H von Schüttgut 2 in einem oben offenen Schüttgutbehälter 3. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Schüttgut 2 um geschnit- tene Blechteile 4, die chaotisch in den ortsfesten Schüttgutbehälter 3 fallen und daher beliebig orientiert hochstehen können.

Die Vorrichtung 1 weist oberhalb der Behälteröffnung 5 des Schüttgutbehälters 3 einen in X- und Y-Richtung verfahrbaren Ultraschall-Distanzsensor 6 mit mehre- ren, hier lediglich beispielhaft zwei unterschiedlichen Messrichtungen A, B auf, mit dem die Behälteröffnung 5 flächendeckend überfahren werden kann.

Wie in Fig. 2 gezeigt, kann der Distanzsensor 6 an einer XY-Verfahreinheit 7 schwenkbar (Doppelpfeil 8) gelagert sein und mittels einer elektrisch angesteuerten Versteileinrichtung (z.B. Schrittmotor oder Drehmagnet) 9 zwischen zwei Endstellungen verschwenkt werden, in denen der Distanzsensor 6 in den beiden unterschiedlichen Messrichtungen A, B ausgerichtet ist. Der Distanzsensor 6 misst - innerhalb eines räumlich ausgeprägten Erfassungsbereichs - die Distanz zum Schüttgut 2, also zu den Blechteilen 4. Die Ultraschall- Abstandsmessung ist ein Laufzeitverfahren, bei dem ein Ultraschall-Burst vom Distanzsensor 6 ausgesendet und das an einer Objektoberfläche reflektierte Echo vom Distanzsensor 6 empfangen wird. Aus der zeitlichen Differenz zwischen Sen- den und Empfangen und der Schallgeschwindigkeit wird der zurückgelegte Weg berechnet und so die kürzeste Distanz zwischen Distanzsensor 6 und Objektoberfläche gemessen.

Die Behälteröffnung 5 wird vom Distanzsensor 6 zuerst mit der einen Messrich- tung A und anschließend mit der anderen Messrichtung B jeweils möglichst flächendeckend überfahren, um die Füllstandshöhe H des Schüttguts 2 ortsaufgelöst für jede der beiden Messrichtungen A, B flächendeckend über der Behälteröffnung 5 zu messen. Für eine flächendeckende Erfassung muss die Behälteröffnung 5 so gescannt werden, dass jeder Punkt der Behälteröffnung 5 während des Scanvor- gangs wenigstens einmal innerhalb des Erfassungsbereichs des Distanzsensors 6 liegt.

Wie in Fign. 3a, 3b gezeigt, kann der Distanzsensor 6 mit seinen unterschiedlichen Messrichtungen A, B in jeweils unterschiedlichen Bahnkurven 10a, 10b über der Behälteröffnung 5 verfahren werden.

In Fig. 4 sind die mit der einen Messrichtung A ortsaufgelöst gemessene Füllstandshöhe H _A und die mit der anderen Messrichtung B ortsaufgelöst gemessene Füllstandshöhe H _B gezeigt. Der Distanzsensor 6 ist mit einer Auswerteeinheit 12 verbunden, die aus den mehreren messrichtungsabhängigen, ortsaufgelösten Füllstandshöhenmessungen H _A , H _B nachträglich mindestens eine der folgenden Größen ermittelt:

- ortsaufgelöste effektive Füllstandshöhe und/oder Hüllfläche des Schüttguts:

Durch Überlagerung der beiden messrichtungsabhängigen Füllstandshöhenmessungen H _A , H _b kann für jeden Messpunkt die ortsaufgelöste effektive Füllstandshöhe H _eff bzw. ggf. durch zusätzliche Inter- oder Extrapolation die ortsaufgelöste dreidimensionale Hüllfläche 13 des Schüttguts 2 bestimmt werden, indem an jedem Messpunkt nur der jeweils größere Messwert der beiden mess- richtungsabhängigen Füllstandshöhenmessungen H _A , H _B berücksichtigt wird.

- globales Maximum des Schüttguts:

Das globale Maximum des differenzierten Schüttgutsignals entspricht dem höchsten Punkt des Schüttguts und kann genutzt werden, um eine Überfüllung des Behälters zu detektieren.

- Schüttgutvolumen:

Für die Volumenberechnung wird neben der Hüllfläche 13 die räumliche Ausprägung (Länge und Breite) des Schüttgutbehälters 3 benötigt. Diese kann entweder vorbekannt sein oder durch eine Referenzmessung des Ultraschall- Distanzsensors 6 an einem leeren Schüttgutbehälter ermittelt werden. Aus der Differenz zwischen der Hüllfläche 13 und der räumlichen Ausprägung des Schüttgutbehälters 3 lässt sich dann das Schüttgutvolumen berechnen.

- Füllgrad des Schüttgutbehälters 3:

Aus dem Verhältnis zwischen Schüttgutvolumen und Behältervolumen kann der Füllgrad des Schüttgutbehälters 3 bestimmt werden.

Von der Vorrichtung 1 der Fig. 1 unterscheidet sich die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung V lediglich dadurch, dass hier oberhalb der Behälteröffnung 5 eine in X- und/oder Y-Richtung verfahrbare Sensoreinheit 14 mit mehreren, hier lediglich beispielhaft drei Ultraschall-Distanzsensoren 6, welche in unterschiedlichen Mess- richtungen A, B, C ausgerichtet sind, angeordnet ist.

Die Behälteröffnung 5 wird von der Sensoreinheit 14 überfahren, um die Füllstandshöhe H des Schüttguts 2 ortsaufgelöst für jede der Messrichtungen A-C flächendeckend über der Behälteröffnung 5 zu messen. In Fig. 6 ist eine mögliche Bahnkurve der Sensoreinheit 14 zum flächendeckenden Überfahren der Behälteröffnung 5 gezeigt. Die drei Distanzsensoren 6 sind quer zu ihrer

Hauptverfahrrichtung X gegeneinander versetzt angeordnet, wobei, gesehen in X- Richtung, die Messrichtung B entgegengesetzt zu den Messrichtungen A, C ge- richtet ist und, gesehen in Y-Richtung, die Messrichtungen A, C einander entgegengesetzt gerichtet sind.

Aus den drei messrichtungsabhängigen, ortsaufgelösten

Füllstandshöhenmessungen H _A , H _B , H _c ermittelt die mit den Distanzsensoren 6 verbundene Auswerteeinheit 12 entweder in Echtzeit oder auch nachträglich mindestens eine der oben genannten Größen.

Von der Vorrichtung 1 der Fig. 1 unterscheiden sich die in Fign. 8a und 8b gezeigten Vorrichtungen 1 ", 1 "' lediglich dadurch, dass hier oberhalb der Behälter- Öffnung 5 eine in X- und/oder Y-Richtung verfahrbare Sensoreinheit 14 mit mehreren, hier lediglich beispielhaft drei Ultraschall-Distanzsensoren 6 angeordnet ist, deren Ultraschall-Messrichtungen D1 , D2, D3 parallel oder zumindest nahezu parallelen verlaufen. Aus den mehreren ortsaufgelösten Füllstandshöhenmessungen H _D i , H _D 2, H _D 3 kann dann nachträglich mindestens eine der oben genannten Grö- ßen ermittelt werden.

In Fig. 8a überlappen die von den Ultraschall-Distanzsensoren 6 ausgesandten Ultraschall-Messkegel 15 innerhalb des Behälters 2 einander nicht oder zumindest nicht wesentlich, so dass sich die einzelnen Ultraschall-Messsignale der Ultra- schall-Distanzsensoren 6 gegenseitig nicht bzw. nur vernachlässigbar beeinflussen und somit mit den Ultraschall-Distanzsensoren 6 gleichzeitig Ultraschall- Messungen durchgeführt werden können.

In Fig. 8b überlappen die von den Ultraschall-Distanzsensoren 6 ausgesandten Ultraschall-Messkegel 15 innerhalb des Behälters 2 einander, so dass entweder mit den Ultraschall-Distanzsensoren 6 nicht gleichzeitig Ultraschall-Messungen durchgeführt werden können oder die Ultraschallsignale jeder Ultraschall-Messung derart kodiert werden müssen, dass sie von den Ultraschallsignalen anderer Ultraschallmessungen unterscheidbar sind. Wie in Fig. 9 gezeigt, kann in den Fign. 8a, 8b einer der drei Ultraschall- Distanzsensoren 6 - z.B. wie im gezeigten Ausführungsbeispiel der mittlere Ultraschall-Distanzsensor - in beiden Verfahrrichtungen X, Y der Sensoreinheit 14 je- weils gegenüber den beiden anderen Ultraschall-Distanzsensoren 6 versetzt angeordnet sein, um beim Verfahren der Sensoreinheit 14 in X-Richtung gegenüber den anderen beiden Ultraschall-Distanzsensoren 6 vor- oder nacheilend zu messen. Damit kann insbesondere vermieden werden, dass die Ultraschall-Messkegel 15 innerhalb des Behälters 2 einander überlappen.