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 Ü _D 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 a _D 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 CI _A , 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 OT _D 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 O _G 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.