Verfahren zur Ermittlung einer Linearisierungskurve zur Ermittlung des Füllstands in einem Behälter aus einer Füllhöhe sowie Verwendung eines mobilen Endgeräts hierfür

German Patent DE102016111570

Verfahren zur Ermittlung einer Linearisierungskurve (L) zur Ermittlung des Füllstandes (F) in einem Behälter (10) aus einer Füllhöhe (h mit den Schritten
– Erfassen dreidimensionaler Daten des Behälters (10) mit einem mobilen Endgerät (12), aufweisend wenigstens eine optische Kamera (14), einen Tiefensensor (16) und einen Bewegungsdetektor (18),
– Ermitteln eines dreidimensionalen Modells (8) des Behälters (10),
– Ermitteln der Linearisierungskurve (L) aus dem dreidimensionalen Modell (8) zur Ermittlung eines Füllstandes (F) aus einer gemessenen Füllhöhe.

Dieterle, Marcel (77709, Oberwolfach, DE)

DE102016111570

12/28/2017

06/23/2016

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VEGA Grieshaber KG, 77709 (DE)

G01F25/00 G01B11/24 G01B11/25 G01C11/00 G01F23/28 G01S17/89

DE102009050460A1	N/A
DE102014017490A1	N/A

WO2015139785A1

Westphal, Mussgnug & Partner Patentanwälte mit beschränkter Berufshaftung, 78048, Villingen-Schwenningen, DE

1. Verfahren zur Ermittlung einer Linearisierungskurve (L) zur Ermittlung des Füllstandes (F) in einem Behälter (10) aus einer Füllhöhe (h),
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
– Erfassen zweidimensionaler Daten sowie einer Referenzgröße eines eine Symmetrie aufweisenden Behälters (10) mit einem mobilen Endgerät, aufweisend wenigstens eine optische Kamera (14)
– Eingeben der Art der Symmetrie
– Ermitteln eines dreidimensionalen Modells (8) des Behälters (10),
– Ermitteln der Linearisierungskurve (L) aus dem dreidimensionalen Modell (8) zur Ermittlung eines Füllstandes (F) aus einer gemessenen Füllhöhe.

2. Verfahren zur Ermittlung einer Linearisierungskurve (L) zur Ermittlung des Füllstandes (F) in einem Behälter (10) aus einer Füllhöhe (h),
gekennzeichnet durch
folgende Schritte:
– Erfassen dreidimensionaler Daten des Behälters (10) mit einem mobilen Endgerät (12), aufweisend wenigstens eine optische Kamera (14), einen Tiefensensor (16) und einen Bewegungsdetektor (18),
– Ermitteln eines dreidimensionalen Modells (8) des Behälters (10),
– Ermitteln der Linearisierungskurve (L) aus dem dreidimensionalen Modell (8) zur Ermittlung eines Füllstandes (F) aus einer gemessenen Füllhöhe.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionalen Daten wenigstens einer Außenhülle (101) des Behälters (10) erfasst werden.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Materialstärke (d) des Behälters eingegeben wird.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionalen Daten einer Innenhülle (102) des Behälters (10) erfasst werden.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der dreidimensionalen Daten des Behälters (10) gemäß einer oder einer Kombination der Methoden Time of Flight, Structured light oder Stereoskopie erfolgt.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Erfassung des Behälters (10) durch eine Datenbank mit dreidimensionalen Daten möglicher Einbauten unterstützt wird.

8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Linearisierungskurve (L) ein geeignetes Füllstandmessverfahren und/oder eine optimierte Position für einen Füllstandsensor ermittelt und ausgegeben wird.

9. Verwendung eines mobilen Endgerätes (12) aufweisend wenigstens eine optische Kamera (14), zur Erfassung vorzugsweise dreidimensionaler Daten eines Behälters (10), zur Ermittlung eines dreidimensionalen Modells (8) des Behälters (10) sowie zur Ermittlung einer Linearisierungskurve (L) zur Ermittlung eines Füllstands (F) aus einer Füllhöhe.

10. Verwendung eines mobilen Endgerätes (12) aufweisend wenigstens eine optische Kamera (14), einen Tiefensensor (16) und einen Bewegungsdetektor (18) zur Erfassung dreidimensionaler Daten eines Behälters (10), zur Ermittlung eines dreidimensionalen Modells (8) des Behälters (10) sowie zur Ermittlung einer Linearisierungskurve (L) zur Ermittlung eines Füllstands (F) aus einer Füllhöhe.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Linearisierungskurve zur Ermittlung des Füllstands in einem Behälter aus einer Füllhöhe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie die Verwendung eines mobilen Endgeräts für dieses Verfahren gemäß Patentanspruch 8.

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Prozessmesstechnik und hier insbesondere der Füllstandmesstechnik. In der Füllstandmesstechnik ist es üblich, zur Ermittlung eines Füllstands in einem Behälter ausgehend von einer Füllhöhe eine Berechnung des Füllstands vorzunehmen. Die Füllhöhe kann dabei auf verschiedene Art und Weise ermittelt werden. Bekannte Verfahren zur Ermittlung der Füllhöhe in einem Behälter sind einerseits ausgehend von einem Behälterboden die hydrostatische Ermittlung eines durch das Füllmedium verursachten Drucks, ausgehend von einer Decke des Behälters die Ermittlung eines zwischen einer Sensorposition und einer Oberfläche des Füllgutes befindlichen Abstands mittels Radar, geführtem Radar, Ultraschall, auf kapazitive Weise oder mittels anderer geeigneter Verfahren, oder die Ermittlung von diskreten Grenzständen innerhalb des Behälters ausgehend von beispielsweise einer Seitenwandung des Behälters.

Sämtlichen vorgenannten Verfahren ist es gemein, dass durch die angegebenen Messmethoden kein Füllstand des Behälters sondern lediglich eine Füllhöhe innerhalb des Behälters ermittelbar ist. Der Zusammenhang zwischen einer Füllhöhe und dem Füllstand wird durch eine sogenannte Linearisierungskurve beschrieben, die, abhängig von einer Behältergeometrie sowie eventuell in dem Behälter befindlichen Einbauten eine Funktion für die Umrechnung der Füllhöhe in den Füllstand beschreibt. Entsprechende Linearisierungskurven können in der Zeit nur äußerst ungenau anhand von händischen Messungen und mit Hilfe von Linearisierungstabellen ermittelt werden. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hierzu ist es beispielsweise nicht oder nur sehr bedingt möglich, Unregelmäßigkeiten innerhalb des Behälters und/oder die Auswirkungen von Einbauten in Behältern bei der Ermittlung des Füllstandes zu berücksichtigen.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Linearisierungskurve zur Ermittlung des Füllstandes in einem Behälter aus einer Füllhöhe anzugeben, mittels dessen eine höhere Messgenauigkeit erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch die Verwendung eines mobilen Endgeräts für dieses Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung einer Linearisierungskurve zur Ermittlung des Füllstands in einem Behälter aus einer Füllhöhe zeichnet sich durch folgende Schritte aus:

• – Erfassen zweidimensionaler Daten sowie einer Referenzgröße eines eine Symmetrie aufweisenden Behälters (10) mit einem mobilen Endgerät, aufweisend wenigstens eine optische Kamera (14)
• – Eingeben der Art der Symmetrie
• – Ermitteln eines dreidimensionalen Modells (8) des Behälters (10),
• – Ermitteln der Linearisierungskurve (L) aus dem dreidimensionalen Modell (8) zur Ermittlung eines Füllstandes (F) aus einer gemessenen Füllhöhe.

Gemäß dem vorliegenden Verfahren werden mit Hilfe eines mobilen Endgeräts, beispielsweise eines Tablet-Computers, eines Mobiltelefons oder eines anderen geeigneten mobilen Endgerätes, welche wenigstens eine optische Kamera zur Erfassung und Visualisierung eines Bilds des Behälters aufweist, zweidimensionale Daten des Behälters sowie eine Referenzgröße ermittelt. Aus den zweidimensionalen Daten des Behälters der Referenzgröße sowie Informationen über die Symmetrie des Behälters, kann vorzugsweise mit dem mobilen Endgerät, ein zweidimensionales Modell des Behälters mit großer Genauigkeit erstellt werden. Vorzugsweise ist das dreidimensionale Modell des Behälters vektorbasiert.

Aus dem dreidimensionalen Modell des Behälters kann, sobald dieses vollständig für die relevanten Teile des Behälters vorliegt, vorzugsweise mit dem mobilen Endgerät die Linearisierungskurve zur Ermittlung des Füllstands in dem Behälter ausgehend einer gemessenen Füllhöhe bestimmt werden. Da das auf diese Weise ermittelte dreidimensionale Modell des Behälters sowie die daraus ermittelte Linearisierungskurve die tatsächlichen Verhältnisse vor Ort berücksichtigen, können insbesondere Unregelmäßigkeiten des Behälters, Einbauten und/oder andere Besonderheiten bei der Ermittlung des Füllstandes berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verbesserte Messgenauigkeit erreicht werden.

Eine Weiterbildung des Verfahrens umfasst folgende Schritte:

• – Erfassen dreidimensionaler Daten des Behälters mit einem mobilen Endgerät, aufweisend wenigstens eine optische Kamera, einen Tiefensensor und einen Bewegungsdetektor,
• – Ermitteln eines dreidimensionalen Modells des Behälters,
• – Ermitteln der Linearisierungskurve aus dem dreidimensionalen Modell zur Ermittlung eines Füllstands aus einer gemessenen Füllhöhe.

Gemäß dem weitergebildeten Verfahren werden mit Hilfe des mobilen Endgeräts, welches wenigstens eine optische Kamera zur Erfassung und Visualisierung eines Bilds des Behälters, einen Tiefensensor zur Erfassung eines Abstands einzelner Punkte der Behälteroberfläche von dem mobilen Endgerät sowie einen Bewegungsdetektor zur Erfassung wenigstens einer Relativbewegung des mobilen Endgeräts aufweist, dreidimensionale Daten des Behälters ermittelt. Durch die Verwendung eines Tiefensensors und eines Bewegungsdetektors kann die Ermittlung der Referenzgröße sowie der Symmetrie des Behälters automatisiert werden und es können insbesondere komplexe Symmetrien einfachberücksichtigt werden. Es ist sogar möglich, Behälter ohne einfache Symmetrie zu erfassen. Aus den dreidimensionalen Daten des Behälters, die insbesondere aus den mit Hilfe des Tiefensensors und des Bewegungsdetektors ermittelten Daten ermittelt werden, kann vorzugsweise mit dem mobilen Endgerät, ein dreidimensionales Modell des Behälters mit großer Genauigkeit erstellt werden. Vorzugsweise ist das dreidimensionale Modell des Behälters vektorbasiert.

Aus dem dreidimensionalen Modell des Behälters kann, sobald dieses vollständig für die relevanten Teile des Behälters vorliegt, vorzugsweise mit dem mobilen Endgerät die Linearisierungskurve zur Ermittlung des Füllstands in dem Behälter ausgehend einer gemessenen Füllhöhe bestimmt werden. Da das auf diese Weise ermittelte dreidimensionale Modell des Behälters sowie die daraus ermittelte Linearisierungskurve die tatsächlichen Verhältnisse vor Ort berücksichtigen, können insbesondere Unregelmäßigkeiten des Behälters, Einbauten und/oder andere Besonderheiten bei der Ermittlung des Füllstandes berücksichtigt werden. Auf diese Weise kann eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verbesserte Messgenauigkeit erreicht werden.

In einer einfachen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die dreidimensionalen Daten wenigstens einer Außenhülle des Behälters erfasst. Durch eine Erfassung der dreidimensionalen Daten der Außenhülle des Behälters können vorzugsweise mit Wissen über beispielsweise eine Wandstärke des Behälters bereits sehr gute Linearisierungskurven zur Ermittlung des Füllstands innerhalb des Behälters aus der Füllhöhe erreicht werden.

In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zusätzlich oder alternativ zu dreidimensionalen Daten der Außenhülle des Behälters die dreidimensionalen Daten einer Innenhülle des Behälters erfasst. Mit Hilfe der dreidimensionalen Daten der Innenhülle des Behälters, d. h. insbesondere innerer Abmessungen und Einbauten, kann eine exakte Linearisierungskurve zur Ermittlung des Füllstandes innerhalb des Behälters aus der Füllhöhe bestimmt werden. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, Einflüsse von Einbauten auf den Füllstand zu berücksichtigen, sodass besonders exakte Messwerte ermittelbar sind.

Die Erfassung der dreidimensionalen Daten des Behälters kann insbesondere gemäß einer oder einer Kombination der Methoden Time of Flight, Structured light oder Stereoskopie erfolgen. Bei den vorgenannten Methoden handelt es sich um verschiedene Verfahren zur Ermittlung von Tiefeinformationen mit Hilfe der Messung der Zeit vom Aussenden eines Lichtimpulses bis zum Empfangen des von dem zu vermessenden Objekt reflektierten Lichtimpulses (Time of Flight), der Projektion eines strukturierten Lichtteppichs, beispielsweise eines Gitters oder von Punkten auf das zu vermessende Objekt und die Erfassung der Projektion (Structured light) oder die Ausnutzung von Stereoskopie Effekten zur Ermittlung von Tiefen- und Größeninformationen des zu vermessenden Objekts, hier des Behälters.

Die dreidimensionale Erfassung des Behälters kann beispielsweise durch eine Datenbank mit dreidimensionalen Daten möglicher Einbauten unterstützt werden. In einer solchen Datenbank können beispielsweise dreidimensionale Daten in einer Vielzahl von üblicherweise in beispielsweise Tanks oder Silos verwendeten Einbauten hinterlegt sein und zur Ermittlung des dreidimensionalen Modells unterstützend herangezogen werden. Auf diese Weise können insbesondere Einbauten mit komplexen Geometrien sehr gut erfasst und berücksichtigt werden.

Zusätzlich zu der Linearisierungskurve kann ferner ein geeignetes Füllstandmessverfahren und/oder eine optimierte Position für einen Füllstandsensor ermittelt und ausgegeben werden. Durch Kenntnis der konkreten Geometrie eines Behälters sowie der vor Ort vorhandenen Einbauten kann hier eine optimierte Auswahl eines Füllstandmessverfahrens, beispielsweise durch eine Analyse der von bestimmten Messverfahren benötigten Abstrahlkegel im Hinblick auf einen einen freien Raum, in dem diese Messung erfolgen kann, erfolgen.

Erfindungsgemäß ist außerdem die Verwendung eines mobilen Endgeräts aufweisend wenigstens eine optische Kamera, einen Tiefensensor und einen Bewegungsdetektor zur Erfassung dreidimensionaler Daten eines Behälters, zur Ermittlung eines dreidimensionalen Modells des Behälters sowie zur Ermittlung einer Linearisierungskurve zur Ermittlung eines Füllstands aus einer Füllhöhe.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels eingehend erläutert. Es zeigen:

1 einen beispielhaften Behälter sowie ein mobiles Endgerät,

2 das mobile Endgerät aus 1 und

3a) ein dreidimensionales Modell des Behälters aus 1 sowie

3b) eine aus diesem dreidimensionalen Modell ermittelte Linearisierungskurve.

In 1 ist beispielhaft ein Behälter 10 gezeigt, für den eine Linearisierungskurve L zur Ermittlung eines Füllstands F aus einer Füllhöhe h ermittelt werden soll. Der Behälter 10 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Silo mit einem kreiszylindrischen Hauptkörper sowie einem unterseitig an diesem Hauptkörper angeordneten und zur Anbringung eines Auslasses ausgebildeten kegelstumpfförmigen Unterteil ausgebildet. Das Silo 10 weist ferner vier Standfüße sowie einen entsprechenden Deckel auf.

In 1 ist ferner ein mobiles Endgerät 12 gezeigt, welches zur Erfassung dreidimensionaler Daten von Objekten ausgebildet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das mobile Endgerät 12 als Tablet-Computer ausgebildet, könnte aber genauso die Form eines Mobiltelefons, einer Video- oder Fotokamera oder dergleichen aufweisen.

Das mobile Endgerät 12 aus 1 ist in 2 vergrößert dargestellt. In 2 ist ersichtlich, dass das mobile Endgerät 12 eine optische Kamera 14, einen Tiefensensor 16 sowie einen Bewegungsdetektor 18 aufweist. Die optische Kamera 14 dient im Wesentlichen zur Erfassung eines Bildes eines zu vermessenden Objekts und zur Ausgabe dieses Bildes auf einem Bildschirm des mobilen Endgeräts, sodass ein Benutzer auf diese Weise einen erfassten Bildbereich unmittelbar am mobilen Endgerät ersehen kann.

Der Tiefensensor 16 kann Tiefen- und Größeninformationen des zu erfassenden Objekts unter Anwendung verschiedener Verfahren ermitteln. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Tiefensensor 16 mit einem Infrarotprojektor zur Projektion eines strukturierten Infrarot-Lichtteppichs auf das zu erfassende Objekt sowie einem dazu korrespondierenden Infrarotsensor zur Erfassung des Lichtteppichs auf dem Objekt ausgebildet. Durch Analyse des reflektierten Lichtteppichs und der sich auf dem zu vermessenden Objekt ergebenen Verzerrungen desselben können Rückschlüsse auf die Geometrie des zu vermessenden Objekts sowie auf dessen Größe gemacht werden.

Mit Hilfe des Bewegungsdetektors 18, der Relativbewegungen des mobilen Endgeräts 12 erfasst, können die aus verschiedenen Positionen ermittelten Tiefen- und Größendaten des zu vermessenden Objekts miteinander in Verbindung gebracht und damit ein vollständiges dreidimensionales Modell des zu vermessenden Objekts errechnet werden.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Tiefensensor 16 auch mittels anderer geeigneter Verfahren, beispielsweise unter Verwendung stereoskopischer Effekte und/oder durch eine Vielzahl von Abstandsmessungen durch Ermittlung der Zeit zwischen dem Aussenden eines Lichtimpuls und dem Eintreffen von dessen Reflexion oder einer Kombination aus diesen Verfahren auch mit dem oben beschriebenen Structured light Verfahren arbeiten kann.

In 3a) ist beispielhaft das dreidimensionale Modell 8 des Behälters 10 aus 1 dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurden sowohl die Außenhülle 101 als auch die Innenhülle 102 des Behälters 10 erfasst. Bei der Erfassung der Innenhülle 102 wurden ferner die in dem Behälter 10 befindlichen Einbauten 103 erfasst, sodass hier ein besonders detailliertes dreidimensionales Modell 8 ermittelt wurde.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass je nach Anforderungen des Einzelfalls auch nur die dreidimensionalen Daten der Außenhülle 101 oder der Innenhülle 102 und/oder der Einbauten 103 ermittelt werden können.

Aus dem in 3a) dargestellten dreidimensionalen Modell 8 des Behälters 10 wurde unter Berücksichtigung der ermittelten dreidimensionalen Daten die in 3b) dargestellte Linearisierungskurve L zur Ermittlung eines Füllstands F aus der Füllhöhe h ermittelt. Wie aus 3b) ersichtlich sind, ist in dieser Linearisierungskurve L insbesondere die aus 3a) ersichtliche Einbau 103 berücksichtigt.

Bezugszeichenliste

8

Dreidimensionales Modell

10

Behälter

12

mobiles Endgerät

14

Kamera

16

Tiefensensor

18

Bewegungsdetektor

L

Linearisierungskurve

h

Füllhöhe

F

Füllstand

d

Materialstärke

101

Außenhülle

102

Innenhülle

103

Einbauten