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DE102019118581A1 - Measuring device and method for creating a tank table - Google Patents

Measuring device and method for creating a tank table Download PDF

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DE102019118581A1
DE102019118581A1 DE102019118581.5A DE102019118581A DE102019118581A1 DE 102019118581 A1 DE102019118581 A1 DE 102019118581A1 DE 102019118581 A DE102019118581 A DE 102019118581A DE 102019118581 A1 DE102019118581 A1 DE 102019118581A1
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DE
Germany
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measuring device
camera
container
tank table
distance values
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Application number
DE102019118581.5A
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German (de)
Inventor
Eric BIRGEL
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Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messgerät (11) und ein entsprechendes Verfahren zur Erstellung einer Tanktabelle (V(L)) eines Füllgut-Behälters (2). Das Messgerät (11) basiert auf einer 3D-Kamera (12), die ausgelegt ist, um anhand einer oder mehrerer Aufnahmen vom unteren Teilbereich der Innenwand des Behälters (2) eine Matrix an Distanzwerten (dα,γ) aufzunehmen und zusammen mit korrespondierenden Positionsdaten ([α; γ]) in einer Auswerte-Schaltung abzuspeichern. Mittels der Auswerte-Schaltung wird aus den Distanzwerten (dα,γ) sowie den korrespondierenden Positionsdaten ([α; γ]) ein dreidimensionales Modell vom entsprechenden Teilbereich (3) generiert, um auf Basis des Modells die Tanktabelle (V(L)) zu erstellen. Durch die 3D-Kamera (12) wird es erfindungsgemäß ermöglicht, viele Distanzwerten (dα,γ) parallel aufzunehmen, so dass das dreidimensionalen Modell ohne großen Zeitaufwand generiert werden kann. Somit kann innerhalb kurzer Zeit eine hochauflösende Tanktabelle (V(L)) erstellt werden. Gleichzeitig kann das Messgerät (11) durch den Einsatz einer 3D-Kamera (12) kompakt und dadurch beispielsweise als integraler Bestandteil eines Füllstandsmessgerätes (1) ausgelegt werden.The invention relates to a measuring device (11) and a corresponding method for creating a tank table (V (L)) for a product container (2). The measuring device (11) is based on a 3D camera (12) which is designed to record a matrix of distance values (dα, γ) based on one or more recordings of the lower portion of the inner wall of the container (2) and together with corresponding position data ([α; γ]) to be stored in an evaluation circuit. Using the evaluation circuit, a three-dimensional model of the corresponding sub-area (3) is generated from the distance values (dα, γ) and the corresponding position data ([α; γ]) in order to determine the tank table (V (L)) on the basis of the model create. The 3D camera (12) makes it possible according to the invention to record many distance values (dα, γ) in parallel, so that the three-dimensional model can be generated without a great deal of time. This means that a high-resolution tank table (V (L)) can be created within a short period of time. At the same time, by using a 3D camera (12), the measuring device (11) can be designed to be compact and thus, for example, as an integral part of a level measuring device (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät und ein Verfahren zur Erstellung einer Tanktabelle.The invention relates to a measuring device and a method for creating a tank table.

In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte verwendet, die zur Erfassung oder zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen. Zur Erfassung der Prozessvariablen wird in den jeweiligen Feldgeräten entsprechende Sensorik eingesetzt. Hierdurch lassen sich die einzelnen Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit erfassen. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen werden von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.In process automation technology, field devices are often used that are used to record or influence process variables. Appropriate sensors are used in the respective field devices to record the process variables. This enables the individual process variables such as level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity to be recorded. A wide variety of such field device types are manufactured and sold by the Endress + Hauser company.

Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nicht komplett umschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken verstanden. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher überwiegend Radarbasierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung definiert sich „Radar“ als Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz). Die beiden gängigen Messprinzipien bilden hierbei das Puls-Laufzeit-Prinzip (auch unter dem Begriff „Pulsradar“ bekannt) sowie das FMCW-Prinzip („Frequency Modulated Continuous Wafe“).Contactless measuring methods have become established for measuring the level of products in containers, as they are robust and require little maintenance. In the context of the invention, the term “container” also includes containers that are not completely enclosed, such as basins. Another advantage of non-contact measuring methods is the ability to measure the level almost continuously. In the area of continuous level measurement, radar-based measurement methods are therefore predominantly used (in the context of this patent application, “radar” is defined as signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz). The two common measuring principles are the pulse-transit time principle (also known under the term “pulse radar”) and the FMCW principle (“Frequency Modulated Continuous Wafe”).

Ein Füllstandsmessgerät, welches nach dem Puls-Laufzeit-Verfahren arbeitet, ist beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2012 104 858 A1 beschrieben. Bezüglich eines typischen Aufbaus von FMCW-basierten Füllstandsmessgeräten sei exemplarisch auf die Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 490 A1 verwiesen.A fill level measuring device that works according to the pulse transit time method is, for example, in the laid-open specification DE 10 2012 104 858 A1 described. With regard to a typical structure of FMCW-based level measuring devices, reference is made to the laid-open specification as an example DE 10 2013 108 490 A1 referenced.

Je nach Prozessanlage ist es neben dem Füllstand primär relevant, das Volumen, welches das Füllgut momentan im Behälter einnimmt, zu kennen. Beispielsweise ist bei eichpflichtigen Treibstofftanks an erster Stelle das Volumen V an eingelagertem Treibstoff von Interesse, und nicht der Füllstand des Treibstoffes im Behälter. Um das Volumen V bestimmen zu können, wird daher in der Regel der Füllstand gemessen und mittels einer so genannten Tanktabelle in das eingelagerte Volumen des Füllgutes umgerechnet. Dabei beschreibt die Tanktabelle (V(L) das Behälter-Geometrie abhängige Volumen V des Füllgutes im jeweiligen Behälter in Abhängigkeit des Füllstandes L des Füllgutes in diesem Behälter.Depending on the process plant, in addition to the fill level, it is primarily relevant to know the volume that the product currently occupies in the container. For example, with legal-for-trade fuel tanks, the first priority is the volume V of stored fuel of interest, and not the level of fuel in the container. To the volume V In order to be able to determine the filling level, the filling level is usually measured and converted into the stored volume of the filling material using a so-called tank table. The tank table describes ( V (L) the container geometry-dependent volume V of the filling material in the respective container depending on the filling level L. of the product in this container.

Zur Erstellung der Tanktabelle ist es notwendig, die Geometrie des Behälter-Innenraums in Erfahrung zu bringen. Hierzu gibt es nach dem Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten: Im einfachsten Fall ist die Geometrie des Behälter-Innenraums per se bekannt, so dass sich die Tanktabelle ausschließlich auf Basis der geometrischen Zusammenhänge berechnen lässt. Bei einem zylindrischen Tank mit einer runden Grundfläche A, deren Radius exakt 10 m beträgt, ergibt sich gemäß A = π*r2 und V = A*L entsprechend folgende Tanktabelle V(L): Füllstands-Niveau Li in Meter Volumen V in Litern 0 0 0,01 3.141,8 0,1 31.418 0,5 157.090 1 314.800 2 628.360 5 1,5709*106 ..... ..... In order to create the tank table, it is necessary to find out the geometry of the tank interior. According to the state of the art, there are various possibilities for this: In the simplest case, the geometry of the container interior is known per se, so that the tank table can be calculated exclusively on the basis of the geometric relationships. For a cylindrical tank with a round base area A, the radius of which is exactly 10 m, the following tank table results according to A = π * r 2 and V = A * L V (L) : Fill level L i in meters Volume V in liters 0 0 0.01 3,141.8 0.1 31,418 0.5 157.090 1 314,800 2 628.360 5 1.5709 * 10 6 ..... .....

Wie aus dieser beispielhaften Tanktabelle ersichtlich wird, hängt die Auflösung des messbaren Volumens V vom Abstand der einzelnen Füllstands-Schritte zwischen den jeweiligen Tabellen-Reihen ab. Dementsprechend genau kann das Füllstandsmessgerät oder eine übergeordnete Einheit auf Basis des gemessenen Füllstandes das Volumen V bestimmen, sofern die zugehörige Tanktabelle dort hinterlegt ist.As can be seen from this exemplary tank table, the resolution of the measurable volume depends V on the distance between the individual filling level steps between the respective table rows. The level measuring device or a higher-level unit can determine the volume accordingly on the basis of the level measured V if the associated tank table is stored there.

In der Praxis ist die Grundfläche A bzw. der Innen-Querschnitt des Behälters jedoch nicht genau bekannt, bzw. weicht von den Soll-Werten ab. In diesen Fällen kann die Tanktabelle zum Beispiel approximativ durch Vermessen der Behälter-Außenwand erstellt werden, wobei mithilfe der bekannten Behälter-Dicke der Radius der Behälter-Innenwand ermittelt wird. Auf Basis dessen wird die Tanktabelle erstellt. Hierbei wird der Durchmesser der Behälter-Außenwand manuell mittels eines Maßbandes bei verschiedenen Füllstands-Niveaus vermessen. Diese als „Strapping“ bekannte Methode ist unter anderem in der Normenreihe ISO 7507-4:2010 festgelegt.In practice, however, the base area A or the inner cross section of the container is not exactly known, or it deviates from the target values. In these cases, the tank table can be created approximately, for example, by measuring the outer wall of the container, the radius of the inner wall of the container being determined with the aid of the known container thickness. The tank table is created on the basis of this. Here, the diameter of the outer wall of the container is measured manually using a tape measure at various fill levels. This method, known as "strapping", is specified in the ISO 7507-4: 2010 series of standards.

Berührungslos kann die Tanktabelle mittels eines Lasertrackers erstellt werden: Hierzu wird der Lasertracker im Behälter-Inneren aufgestellt. Im Anschluss ermittelt der Lasertracker in einem vordefinierten Muster zusammen mit korrespondierenden Winkeleinstellungen entsprechende Distanzwerte vom Lasertracker zur Behälter-Innenwand.The tank table can be created without contact using a laser tracker: For this purpose, the laser tracker is set up inside the container. The laser tracker then determines corresponding distance values from the laser tracker to the inner wall of the container in a predefined pattern together with corresponding angle settings.

Anhand der gemessenen Distanzwerte und der dazugehörigen Winkeleinstellungen des Lasertrackers wird ein kartesisches 3D-Modell von zumindest dem unteren Teilbereich der Behälter-Innenwand erstellt. Auf Basis des 3D-Modells kann wiederum die Tanktabelle berechnet werden. Die maximale Auflösung, mit der die Tanktabelle (V(L)) das Füllgut-Volumen V wiedergeben kann, hängt hierbei von der Anzahl bzw. der Dichte ab, mit der die Messpunkte vom Lasertracker aufgenommen werden. Definiert ist diese Methode der Tanktabellen-Erstellung beispielsweise in der Normenreihe ISO 7507-4:2010 . Da die Distanzwerte vom Lasertracker seriell nacheinander aufgenommen werden, kann die gesamte Aufnahme über den entsprechenden Teilbereich der Behälter-Innenwand je nach gewünschter Auflösung bis zu mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Außerdem muss der Behälter über einen ausreichend großen Zugang zum Aufstellen des Lasertrackers im Behälter-Inneren verfügen.On the basis of the measured distance values and the associated angle settings of the laser tracker, a Cartesian 3D model of at least the lower part of the inner wall of the container is created. The tank table can in turn be calculated on the basis of the 3D model. The maximum resolution with which the tank table ( V (L) ) the product volume V can reproduce depends on the number or density with which the measuring points are recorded by the laser tracker. This method of creating tank tables is defined, for example, in the series of standards ISO 7507-4: 2010 . Since the distance values are recorded serially one after the other by the laser tracker, the entire recording over the corresponding partial area of the inner wall of the container can take up to several hours, depending on the desired resolution. In addition, the container must have sufficiently large access to set up the laser tracker inside the container.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messgerät und ein Verfahren zur einfachen und schnellen Erstellung einer genauen Tanktabelle bereitzustellen.The invention is therefore based on the object of providing a measuring device and a method for the simple and rapid creation of an accurate tank table.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Messgerät zur Erstellung einer Tanktabelle eines Füllgut-Behälters, das folgende Komponenten umfasst:

  • - Eine 3D-Kamera, die ausgelegt ist, um
    • o zumindest von einem Teilbereich der Innenwand des Behälters eine Matrix an Distanzwerten aufzunehmen und zusammen mit korrespondierenden Positionsdaten in
  • - einer Auswerte-Schaltung abzuspeichern, wobei die Auswerte-Schaltung ausgelegt ist, um
    • o aus den Distanzwerten sowie den korrespondierenden Positionsdaten ein dreidimensionales Modell von zumindest dem Teilbereich zu erstellen, und um
    • o auf Basis des dreidimensionalen Modells die Tanktabelle zu erstellen.
The invention solves this problem with a measuring device for creating a tank table for a product container, which comprises the following components:
  • - A 3D camera that is designed to
    • o to record a matrix of distance values from at least a partial area of the inner wall of the container and, together with corresponding position data, in
  • - To store an evaluation circuit, the evaluation circuit being designed to
    • o to create a three-dimensional model of at least the partial area from the distance values and the corresponding position data, and to
    • o create the tank table based on the three-dimensional model.

Im Rahmen dieser Anmeldung fällt unter den Begriff „3D-Kamera“ prinzipiell jedes System, mittels dem in einem ausgewählten Bildbereich eine Matrix an Distanzwerten aufgenommen werden kann, wobei die 3D-Kamera die Distanzwerte zusammen mit Positionsdaten des jeweiligen Distanzwertes abspeichert. Die Position kann dabei beispielsweise als Pixel-Index des Distanzwertes im Bildbereich oder als Winkel-Koordinate in Bezug zum Messgerät definiert sein. Demnach können als 3D-Kamera beispielsweise sogenannte ToF-Kameras {„Time of Flight“) eingesetzt werden, die entsprechende halbleiterbasierte Sensoren (auch bekannt als PMD-Sensoren, „Photonic Mixing Device“) umfassen. Dieselbe Funktionalität kann beispielsweise auch mittels einer LIDAR-Kamera {„Light Detection And Ranging“) erreicht werden. Dementsprechend kann die 3D-Kamera des Messgerätes beispielsweise als Time-of-Flight-Kamera oder als LIDAR-Kamera ausgelegt ist.In the context of this application, the term “3D camera” basically includes any system by means of which a matrix of distance values can be recorded in a selected image area, the 3D camera storing the distance values together with position data of the respective distance value. The position can be defined, for example, as a pixel index of the distance value in the image area or as an angle coordinate in relation to the measuring device. Accordingly, so-called ToF cameras (“Time of Flight”), for example, can be used as 3D cameras, which include corresponding semiconductor-based sensors (also known as PMD sensors, “Photonic Mixing Device”). The same functionality can also be achieved, for example, by means of a LIDAR camera ("Light Detection And Ranging"). Accordingly, the 3D camera of the measuring device can be designed, for example, as a time-of-flight camera or as a LIDAR camera.

Erfindungsgemäß werden mittels der 3D-Kamera im Gegensatz zu laserbasierter Distanzmessung parallel eine Vielzahl an Distanzwerten aufgenommen, so dass die Erstellung des dreidimensionalen Modells keinen großen Zeitaufwand erfordert. Somit kann innerhalb eines kurzen Zeitraums eine hochauflösende Tanktabelle erstellt werden. Gleichzeitig kann das Messgerät durch den Einsatz einer 3D-Kamera insgesamt kompakt und dadurch beispielsweise als integraler Bestandteil eines Füllstandsmessgerätes ausgelegt werden.According to the invention, in contrast to laser-based distance measurement, a large number of distance values are recorded in parallel using the 3D camera, so that the creation of the three-dimensional model does not require a great deal of time. This means that a high-resolution tank table can be created within a short period of time. At the same time, by using a 3D camera, the measuring device can be designed to be overall compact and thus, for example, as an integral part of a level measuring device.

Damit das dreidimensionale Model in Bezug zum Lot, und dadurch in Bezug zur Füllgut-Oberfläche gesetzt werden kann, kann das Messgerät beispielsweise mit einem entsprechenden Neigungssensor ausgestattet werden. Hierbei wird der Neigungssensor eingesetzt, um in Bezug zum Lot zumindest einen Winkel, unter dem die 3D-Kamera den Teilbereich aufnimmt, zu messen. Dadurch kann die Auswerte-Schaltung das dreidimensionale Model bei entsprechender Auslegung anhand des zumindest einen gemessenen Winkels in Bezug zum Lot setzen.So that the three-dimensional model can be set in relation to the perpendicular and thus in relation to the product surface, the measuring device can be equipped with a corresponding inclination sensor, for example. Here, the inclination sensor is used to measure at least one angle in relation to the perpendicular at which the 3D camera records the partial area. As a result, the evaluation circuit can set the three-dimensional model in relation to the perpendicular with the aid of the at least one measured angle, if designed accordingly.

Wenn das Messgerät so angeordnet ist, dass der Teilbereich einer einzelnen Aufnahme nicht den kompletten Behälterboden abdeckt, muss das Messgerät so ausgelegt sein, dass entsprechend mehrere aneinandergrenzende bzw. überlappende Teilbereichen aufgenommen werden, so dass zumindest der komplette Behälterboden und die Wandung des Behälters bis auf Höhe des maximalen Füllstandesabgebildet sind. Hierzu kann das Messgerät beispielsweise eine Aktor-Einheit umfassen, mittels der die 3D-Kamera um zumindest eine Achse, insbesondere zwei senkrecht zueinander verlaufenden Achsen schwenkbar ist. Dadurch können unter verschiedenen Winkeln entsprechend mehrere Matrizen von verschiedenen Teilbereichen aufgenommen werden. Die Auswertungs-Einheit ist korrespondierend hierzu so auszulegen, dass das dreidimensionale Modell auf Basis der mehreren Matrizen erstellt wird.If the measuring device is arranged in such a way that the partial area of an individual receptacle does not cover the entire container bottom, the measuring device must be designed in such a way that several adjacent or overlapping partial areas are picked up, so that at least the entire container bottom and the container wall except for Height of the maximum filling level are shown. For this purpose, the measuring device can include, for example, an actuator unit, by means of which the 3D camera can be pivoted about at least one axis, in particular two axes running perpendicular to one another. As a result, several matrices from different sub-areas can be recorded at different angles. The evaluation unit is to be designed accordingly so that the three-dimensional model is created on the basis of the multiple matrices.

Sofern das Volumen, welches das Füllgut im Behälter einnimmt, nicht im Messgerät oder Füllstandsmessgerät, sondern in einer übergeordneten Einheit berechnet werden soll, hat das Messgerät eine insbesondere drahtlose Kommunikationsschnittstelle zu umfassen, mittels der das dreidimensionale Modell und/oder die Tanktabelle an eine übergeordnete Einheit übermittelt werden kann.If the volume that the filling material occupies in the container is not to be calculated in the measuring device or level measuring device, but in a higher-level unit, the measuring device has to include a particularly wireless communication interface by means of which the three-dimensional model and / or the tank table can be sent to a higher-level unit can be transmitted.

Korrespondierend zu dem erfindungsgemäßen Messgerät wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, durch ein Verfahren zur Erstellung einer Tanktabelle eines Füllgut-Behälters mittels des Messgerätes nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsvarianten gelöst. Hierzu umfasst das Verfahren zumindest folgende Verfahrensschritte:

  • - Aufnahme einer Matrix an Distanzwerten von zumindest einem Teilbereich der Innenwand des Behälters,
  • - Abspeichern der Distanzwerte zusammen mit korrespondierenden Positionsdaten,
  • - Erstellung eines dreidimensionalen Modells des Teilbereichs aus den Distanzwerten und den korrespondierenden Positionsdaten, und
  • - Erstellung der Tanktabelle auf Basis des dreidimensionalen Modells.
Corresponding to the measuring device according to the invention, the object is that of the invention is based on a method for creating a tank table of a product container by means of the measuring device according to one of the previously described embodiment variants. For this purpose, the method comprises at least the following method steps:
  • - Recording of a matrix of distance values from at least a partial area of the inner wall of the container,
  • - Saving the distance values together with the corresponding position data,
  • - Creation of a three-dimensional model of the sub-area from the distance values and the corresponding position data, and
  • - Creation of the tank table based on the three-dimensional model.

Das Verfahren kann dahingehend erweitert werden, dass ein oder mehrere Teilbereiche aus verschiedenen Positionen des Messgerätes aufgenommen werden. Dies macht beispielsweise Sinn, wenn in einer spezifischen Kamera-Position Hindernisse, wie Rührwerke oder Einlässe den optischen Pfad zwischen der 3D-Kamera und dem aufzunehmenden Teilbereich verdecken. Hierzu kann das Messgerät beispielsweise so ausgelegt werden, dass zumindest die 3D-Kamera innerhalb des Behälters entsprechend umpositioniert werden kann.The method can be expanded to include one or more partial areas from different positions of the measuring device. This makes sense, for example, if obstacles such as agitators or inlets in a specific camera position obscure the optical path between the 3D camera and the partial area to be recorded. For this purpose, the measuring device can be designed, for example, in such a way that at least the 3D camera can be repositioned accordingly within the container.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messgerätes an einem Behälter,
  • 2: eine Draufsicht in das Behälter-Innere aus der Perspektive des erfindungsgemäßen Messgerätes, und
  • 3: eine Detailansicht zu einer möglichen Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerätes.
The invention is explained in more detail using the following figures. It shows:
  • 1 : a schematic representation of a measuring device according to the invention on a container,
  • 2 : a plan view into the container interior from the perspective of the measuring device according to the invention, and
  • 3 : a detailed view of a possible embodiment of the measuring device according to the invention.

Zum allgemeinen Verständnis des erfindungsgemäßen Messgerätes 11 ist in 1 ein Behälter 2 mit einem Füllgut 3 gezeigt. Bei dem Füllgut kann es sich beispielsweise um Treibstoff, Flüssiggas oder Wasser handeln. Dabei ist das Volumen V, welches das Füllgut 3 momentan im Behälter 2 einnimmt, zu bestimmen. Hierzu ist ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät 1 in einer bekannten Einbauhöhe h oberhalb des Füllgutes 3 an einem Flanschanschluss 13 des Behälters 2 angebracht. Je nach Einsatz-Zweck kann der Behälter 2 mehr als 100 m hoch sein.For a general understanding of the measuring device according to the invention 11 is in 1 a container 2 with a filling good 3 shown. The filling material can be, for example, fuel, liquid gas or water. Where is the volume V , which the product 3 currently in the container 2 occupies to determine. A radar-based level measuring device is required for this 1 at a known installation height H above the product 3 on a flange connection 13 of the container 2 appropriate. Depending on the intended use, the container 2 be more than 100 m high.

Das Füllstandsmessgerät 1 ist so am Behälter 2 ausgerichtet und befestigt, dass es gemäß dem Puls-Laufzeit-Verfahren oder gemäß dem FMCW-Verfahren ein Radarsignal SR orthogonal in Richtung der Füllgut-Oberfläche 3 aussendet. Infolge der Reflektion des Radarsignals SR an der Füllgut-Oberfläche empfängt das das Füllstandsmessgerät 1 das reflektierte Radarsignal SR in Abhängigkeit des Abstandes d = h - L zur Füllgut-Oberfläche nach einer entsprechenden Laufzeit.The level measuring device 1 is like that on the container 2 aligned and attached that there is a radar signal according to the pulse time of flight method or according to the FMCW method S R orthogonally in the direction of the product surface 3 sends out. As a result of the reflection of the radar signal S R The level measuring device receives this at the product surface 1 the reflected radar signal S R depending on the distance d = h - L to the product surface after a corresponding running time.

Sofern das Füllstandsmessgerät 1 nach dem Pulsradar-Verfahren arbeitet, handelt es sich bei dem Radarsignal SR um periodisch ausgesendete Radar-Pulse, so dass anhand der Pulslaufzeit zwischen Aussenden des Pulses und des reflektierten, pulsförmigen Radarsignals SR unmittelbar der Abstand d und somit der Füllstand L bestimmt werden kann.If the level meter 1 works according to the pulse radar method, it is the radar signal S R periodically emitted radar pulses, so that based on the pulse transit time between emission of the pulse and the reflected, pulse-shaped radar signal S R immediately the distance d and thus the level L. can be determined.

Im Fall von FMCW-Radar sendet das Füllstandsmessgerät 1 das Radarsignal SR als kontinuierliches Signal aus, allerdings mit zeitlich definierter Frequenzmodulation. Dementsprechend wird die Laufzeit und somit der Abstand bzw. der Füllstand L bei Implementierung des FMCW-Verfahrens auf Basis der momentanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen Radarsignal und dem zeitgleich ausgesendeten Radarsignal SR bestimmt. Mit beiden Radar-Verfahren ist es nach dem Stand der Technik möglich, den Füllstand L unter Idealbedingungen (gut reflektierendem Füllgut 3, planarer Füllgut-Oberfläche, keine Hindernisse wie Rührwerke oder sonstige Einbauten im Signalpfad des Radarsignals SR ) bereits mit einer Genauigkeit im Sub-Mikrometer-Bereich aufzulösen.In the case of FMCW radar, the level measuring device sends 1 the radar signal S R as a continuous signal, but with a time-defined frequency modulation. The running time and thus the distance or the filling level are accordingly L. when implementing the FMCW method on the basis of the current frequency difference between the currently received radar signal and the radar signal transmitted at the same time S R certainly. With both radar methods it is possible according to the state of the art to determine the level L. under ideal conditions (well reflective filling material 3 , planar product surface, no obstacles such as agitators or other fixtures in the signal path of the radar signal S R ) to be resolved with an accuracy in the sub-micrometer range.

Um anhand des gemessenen Füllstandes L das Volumen V des Füllgutes im Behälter 1 bestimmen zu können, ist im Füllstandsmessgerät 1 eine Tanktabelle V(L) des Behälters 2 hinterlegt. Dabei umfasst das Füllstandsmessgerät 1 zur Erstellung der Tanktabelle V(L), wie in 2 dargestellt, ein erfindungsgemäßes Messgerät 11. Von dem Messgerät 11 wird die Tanktabelle V(L) aufgenommen, indem eine 3D-Kamera 12 des Messgerätes 11 bei leerem Behälter 2 in mindestens einem Teilbereich 4 der Innenwand des Behälters 2 eine Matrix an Distanzwerten dα,γ aufnimmt. Bei der Ausführungsvariante in 1 ist das Messgerät 11 ist so am Füllstandsmessgerät 1 angebracht, dass der Teilbereich 4 analog zum ausgesendeten Radar-Signal SR aus der Position des Flansches aufgenommen wird.To based on the measured level L. the volume V of the product in the container 1 can be determined in the level measuring device 1 a tank table V (L) of the container 2 deposited. The level measuring device includes 1 to create the tank table V (L) , as in 2 shown, a measuring device according to the invention 11 . From the meter 11 becomes the tank table V (L) recorded by a 3D camera 12 of the measuring device 11 when the container is empty 2 in at least one sub-area 4th the inner wall of the container 2 a matrix of distance values d α, γ records. With the variant in 1 is the measuring device 11 is like this on the level measuring device 1 attached that the sub-area 4th analogous to the transmitted radar signal S R taken from the position of the flange.

Zusammen mit den zugehörigen Positionsdaten [α, γ] werden die entsprechenden Distanzwerte dα,γ in einer Auswerte-Schaltung des Messgerätes 11 hinterlegt. Die Positionsdaten [α, γ] werden ebenfalls von der 3D-Kamera 12 erstellt, daher sind diese in Bezug zum Messgerät 11 definiert. Dementsprechend werden die Positionsdaten je nach verwendeter 3D-Kamera 12 beispielsweise als Pixel-Indizes des Distanzwertes dα,γ im Bildbereich oder als Winkel-Koordinaten [α, γ] abgespeichert. Auf Basis der Positionsdaten [α, γ] und der Distanzwerte dα,γ erstellt die Auswerte-Schaltung des Messgerätes 11 ein dreidimensionales Modell der Behälter-Innenwand im zumindest einen Teilbereich 4. Dabei kann das dreidimensionale Modell auf einem kartesischen oder einem polaren Koordinatensystem basieren.Together with the associated Position data [ α , γ ] are the corresponding distance values d α, γ in an evaluation circuit of the measuring device 11 deposited. The position data [ α , γ ] are also used by the 3D camera 12 created, therefore these are in relation to the measuring device 11 Are defined. The position data will be correspondingly depending on the 3D camera used 12 for example as pixel indices of the distance value d α, γ in the image area or as angle coordinates [ α , γ ] saved. Based on the position data [ α , γ ] and the distance values d α, γ creates the evaluation circuit of the measuring device 11 a three-dimensional model of the inner wall of the container in at least a partial area 4th . The three-dimensional model can be based on a Cartesian or a polar coordinate system.

Da das dreidimensionale Modell die Innenwand des Behälters 2 im zumindest einen Teilbereich 4 abbildet, kann auf Basis des dreidimensionalen Modells wiederum die Tanktabelle V(L) erstellt werden. Die Auswerte-Schaltung des Messgerätes 11 kann dies umsetzten, indem aus denjenigen Punkten des 3D-Modells, die jeweils auf dem gleichen Füllstands-Niveau Li liegen, pro diskretem Füllstands-Niveau Li eine zugehörige Fläche A(Li) berechnet wird. Because the three-dimensional model is the inner wall of the container 2 in at least one sub-area 4th the tank table can in turn based on the three-dimensional model V (L) to be created. The evaluation circuit of the measuring device 11 can implement this by calculating an associated area A (L i ) for each discrete fill level L i from those points of the 3D model that are each at the same fill level L i .

Welche der Punkte des 3D-Modells auf jeweils einem Füllstands-Niveau Li liegen, kann beispielsweise durch in Bezug setzen der Punkte zum Lot ermittelt werden. Möglich ist dies beispielsweise, sofern das Messgerät 11 hierzu mit einem entsprechenden Neigungssensor ausgestattet ist.Which of the points of the 3D model are located at a fill level L i can be determined, for example, by relating the points to the perpendicular. This is possible, for example, if the measuring device 11 this is equipped with a corresponding inclination sensor.

Durch Summation der Flächen A(Li), multipliziert mit den korrespondierenden Differenzen zwischen den Füllstands-Niveaus Li, kann durch die Auswerte-Schaltung des Messgerätes 11 das Volumen V beispielsweise berechnet werden, bzw. die Tanktabelle V(Li) erstellt werden, gemäß: V ( L i ) = i = 0 A ( L i ) * ( L i + 1 L i )

Figure DE102019118581A1_0001
By summing the areas A (L i ), multiplied by the corresponding differences between the fill level levels L i , the evaluation circuit of the measuring device 11 the volume V can be calculated, for example, or the tank table V (L i ) can be created according to: V ( L. i ) = i = 0 A. ( L. i ) * ( L. i + 1 - L. i )
Figure DE102019118581A1_0001

Zur Erstellung der Tanktabelle V(L) genügt es, lediglich eine einzige Matrix an Distanzwerten dα,γ aufzunehmen, wenn der Teilbereich 4, in dem die Distanzwerte dα,γ aufgenommen werden, den kompletten Boden des Behälters 2 und die Behälterwand vollumfänglich bis auf Höhe des maximalen Füllstandes L abdeckt. Sofern dies nicht der Fall ist, sind entsprechend mehrere aneinandergrenzende oder überlappende Teilbereiche 4a-p aufzunehmen, die insgesamt den kompletten Boden des Behälters 2 und die Behälterwand vollumfänglich bis auf Höhe des maximalen Füllstandes L abdecken. Dargestellt ist dies in 2 aus der Perspektive der 3D-Kamera 12 auf den Boden des Behälters 2. Die 3D-Kamera 12 des Messgerätes 11 ist in diesem Fall um zwei senkrecht zueinander verlaufenden Achsen α, γ schwenkbar ausgelegt, so dass die 3D-Kamera 12 seriell in den einzelnen Teilbereichen die Matrizen an Distanzwerten dα,γ aufnehmen kann, wie es in 4 illustriert ist. Vorteilhaft an einer schwenkbaren Auslegung der 3D-Kamera 12 bzw. der Aufnahme mehrerer angrenzender Teilbereiche 4a-p ist, dass das dreidimensionale Modell der Behälter-Innenwand und somit die Tanktabelle V(L) potentiell mit einer höheren Auflösung erstellbar sind.To create the tank table V (L) it is sufficient to only have a single matrix of distance values d α, γ include when the sub-area 4th in which the distance values d α, γ the entire bottom of the container 2 and the container wall fully up to the level of the maximum fill level L. covers. If this is not the case, several adjoining or overlapping partial areas 4 ap are to be included, which as a whole cover the entire bottom of the container 2 and the container wall fully up to the level of the maximum fill level L. cover. This is shown in 2 from the perspective of the 3D camera 12 on the bottom of the container 2 . The 3D camera 12 of the measuring device 11 is in this case about two mutually perpendicular axes α , γ designed to pivot so that the 3D camera 12 the matrices of distance values in series in the individual sub-areas d α, γ as it can in 4th is illustrated. The advantage of a swiveling design of the 3D camera 12 or the recording of several adjoining partial areas 4 ap is that the three-dimensional model of the container inner wall and thus the tank table V (L) can potentially be created with a higher resolution.

In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine Schnittstelle, etwa „PROFIBUS“, „HART“ oder „Wireless HART“ mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem Prozessleitsystem, verbunden. Hierüber kann das Volumen V des Mediums im Behälter 2 oder der Füllstandswert L übermittelt werden, beispielsweise um gegebenenfalls Zu- oder Abflüsse des Behälters 2 zu steuern. Es können aber auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.Usually the level gauge is 1 via an interface such as "PROFIBUS", "HART" or "Wireless HART" with a higher-level unit 4th such as B. a process control system connected. The volume V of the medium in the container 2 or the level value L. be transmitted, for example, to any inflows or outflows of the container 2 to control. However, other information about the general operating state of the level measuring device can also be provided 1 be communicated.

Das in 1 dargestellte Messgerät 11 zur Bestimmung der Tanktabelle V(L) ist als Bestandteil des Füllstandsmessgerätes 1 ausgelegt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass das Messgerät 11 im Sinne der Erfindung alternativ hierzu nicht als integraler Teil des Füllstandsmessgerätes 1, sondern als eigenständiges Gerät ausgelegt werden kann. Bei dieser Auslegung sind das Messgerät 11 und das Füllstandsmessgerät 1 bzw. die übergeordnete Einheit 4 mit einer geeigneten Schnittstelle auszurüsten, um die Tanktabelle V(L) vom Messgerät 11 aus zu übertragen.This in 1 shown measuring device 11 to determine the tank table V (L) is part of the level measuring device 1 designed. It goes without saying, however, that the measuring device 11 in the context of the invention, as an alternative to this, not as an integral part of the level measuring device 1 , but can be designed as a stand-alone device. In this design, the measuring device 11 and the level gauge 1 or the higher-level unit 4th Equip with a suitable interface to the tank table V (L) from the measuring device 11 from transferring.

Darüber hinaus kann das Messgerät 11 bei eigenständiger Auslegung so konzipiert werden, dass es an den Flanschanschluss 13 des Behälters 2, an den im späteren Messbetrieb das Füllstandsmessgerät 1 angebracht ist, montierbar ist. Somit wird die Tanktabelle V(L) aus derselben Position aufgenommen, aus der das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L bestimmt.In addition, the measuring device 11 in the case of independent design, be designed in such a way that it fits to the flange connection 13 of the container 2 to which the level measuring device will later be used 1 is attached, is mountable. Thus the tank table V (L) taken from the same position from which the level meter 1 the level L. certainly.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
FüllstandsmessgerätLevel measuring device
22
Behältercontainer
33
FüllgutFilling material
44th
Teilbereich der Behälter-InnenwandPart of the inner wall of the container
55
Übergeordnete EinheitParent unit
1111
Messgerät zur Erstellung der TanktabelleMeasuring device for creating the tank table
1212
3D-Kamera3D camera
1313
FlanschanschlussFlange connection
dd
Abstand zur Füllgut-OberflächeDistance to the product surface
dα,γ d α, γ
Distanzwerte, von der 3D-Kamera ermitteltDistance values, determined by the 3D camera
hH
EinbauhöheInstallation height
LL.
FüllstandLevel
SR S R
RadarsignalRadar signal
VV
Volumen des FüllgutesVolume of the product
V(L)V (L)
TanktabelleTank table
α, γα, γ
Positionsdaten in Bezug zur 3D-KameraPosition data in relation to the 3D camera

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • ISO 7507-4:2010 [0010]ISO 7507-4: 2010 [0010]

Claims (9)

Messgerät zur Erstellung einer Tanktabelle (V(L)) eines Füllgut-Behälters (2), umfassend: - Eine 3D-Kamera (12), die ausgelegt ist, um o zumindest von einem Teilbereich (3) der Innenwand des Behälters (2) eine Matrix an Distanzwerten (dα,γ) aufzunehmen und zusammen mit korrespondierenden Positionsdaten ([α; γ]) in - einer Auswerte-Schaltung abzuspeichern, wobei die Auswerte-Schaltung ausgelegt ist, um o aus den Distanzwerten (dα,γ) sowie den korrespondierenden Positionsdaten ([α; γ]) ein dreidimensionales Modell von zumindest dem Teilbereich (3) zu erstellen, und um o auf Basis des dreidimensionalen Modells die Tanktabelle (V(L)) zu erstellen.Measuring device for creating a tank table (V (L)) of a product container (2), comprising: - A 3D camera (12) which is designed to o at least a partial area (3) of the inner wall of the container (2) to record a matrix of distance values (d α, γ ) and to store it together with corresponding position data ([α; γ]) in an evaluation circuit, the evaluation circuit being designed to generate o from the distance values (d α, γ ) as well as the corresponding position data ([α; γ]) to create a three-dimensional model of at least the sub-area (3), and to create the tank table (V (L)) based on the three-dimensional model. Messgerät nach Anspruch 1, wobei die 3D-Kamera (12) als Time-of-Flight-Kamera oder als LIDAR-Kamera ausgelegt ist.Measuring device after Claim 1 , wherein the 3D camera (12) is designed as a time-of-flight camera or as a LIDAR camera. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, umfassend: - Eine Aktor-Einheit, mittels der die 3D-Kamera (12) um zumindest eine Achse (a), insbesondere zwei Achsen (α, γ) schwenkbar ist.Measuring device after Claim 1 or 2 , comprising: - An actuator unit by means of which the 3D camera (12) can be pivoted about at least one axis (a), in particular two axes (α, γ). Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: - Einen Neigungssensor, der ausgelegt ist, in Bezug zum Lot zumindest einen Winkel (α, γ), unter dem die 3D-Kamera (12) den Teilbereich (3) aufnimmt, zu bestimmen, wobei die Auswerte-Schaltung ausgelegt ist, das dreidimensionale Model anhand des zumindest einen Winkels (α, γ) in Bezug zum Lot zu setzen.Measuring device according to one of the preceding claims, comprising: - An inclination sensor which is designed to determine at least one angle (α, γ) at which the 3D camera (12) records the sub-area (3) in relation to the perpendicular, the evaluation circuit being designed to be three-dimensional To set the model based on the at least one angle (α, γ) in relation to the perpendicular. Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: - Eine insbesondere drahtlose Kommunikationsschnittstelle, mittels der das dreidimensionale Modell und/oder die Tanktabelle (V(L)) an eine übergeordnete Einheit (4) übermittelbar ist.Measuring device according to one of the preceding claims, comprising: - A particularly wireless communication interface, by means of which the three-dimensional model and / or the tank table (V (L)) can be transmitted to a higher-level unit (4). Füllstandsmessgerät, umfassend ein Messgerät (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Filling level measuring device, comprising a measuring device (11) according to one of the preceding claims. Verfahren zur Erstellung einer Tanktabelle (V(L)) eines Füllgut-Behälters (2) mittels eines Messgerätes (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Aufnahme einer Matrix an Distanzwerten (dα,γ) von zumindest einem Teilbereich (3) der Innenwand des Behälters (2), - Abspeichern der Distanzwerte (dα,γ) zusammen mit korrespondierenden Positionsdaten ([α, γ]), - Erstellung eines dreidimensionalen Modells des Teilbereichs (3) aus den Distanzwerten (dα,γ) und den korrespondierenden Positionsdaten ([α, γ]), und - Erstellung der Tanktabelle (V(L)) auf Basis des dreidimensionalen Modells.Method for creating a tank table (V (L)) of a product container (2) by means of a measuring device (11) according to one of the Claims 1 to 5 , comprising the following method steps: - recording a matrix of distance values (d α, γ ) from at least a partial area (3) of the inner wall of the container (2), - storing the distance values (d α, γ ) together with corresponding position data ([α, γ]), - Creation of a three-dimensional model of the sub-area (3) from the distance values (d α, γ ) and the corresponding position data ([α, γ]), and - Creation of the tank table (V (L)) on the basis of the three-dimensional Model. Verfahren nach Anspruch 3 und 7, wobei unter verschiedenen Winkeln (α, γ) mehrere Matrizen von verschiedenen Teilbereichen (3) aufgenommen werden, und wobei das dreidimensionale Modell auf Basis der mehreren Matrizen erstellt wird.Procedure according to Claim 3 and 7th , whereby a plurality of matrices from different partial areas (3) are recorded at different angles (α, γ), and the three-dimensional model is created on the basis of the plurality of matrices. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der zumindest eine Teilbereich (3) aus verschiedenen Positionen des Messgerätes (11) aufgenommen wird.Procedure according to Claim 7 or 8th , wherein the at least one sub-area (3) is recorded from different positions of the measuring device (11).
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