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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines
Korn-Massenstroms,
der von einem Förderer
in eine Erntemaschine mit einer im wesentlichen konstanten Zyklusdauer
abgegeben wird.
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Vorrichtungen
zum Messen des Ernteertrages während
der Ernte waren bereits Gegenstand früherer Erfindungen. Vorrichtungen
zum Messen des Kornmassenstroms (Masse des Korns pro Zeit) in einer
Erntemaschine wurden dazu benutzt, ein Kornmassen-Stromsignal zu
erzeugen, welches dazu benutzt werden kann, entweder das Gesamtgewicht
des innerhalb eines vorgegebenen Feldes geernteten Korns oder den
laufenden Ertrag an der jeweiligen Stelle der Erntemaschine im Feld
zu berechnen. Diese Daten ermöglichen
dem landwirtschaftlichen Erzeuger, die Auswirkungen unterschiedlicher Bodenbedingungen
bzw. Kornwachsmethoden auf den Ernteertrag zu messen. Das Gesamtgewicht
des Korns wird dadurch berechnet, dass der Kornmassenstrom über der
Zeit integriert wird. Der laufende Kornertrag wird in der Weise
berechnet, dass der Istmassenstrom durch die Istgeschwindigkeit
geteilt wird, mit der die Erntemaschine das Feld aberntet.
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Zahlreiche
Verfahren wurden bereits dazu eingesetzt, den Kornmassenstrom in
Erntemaschinen zu messen.
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Das
US-Patent 5,343,761 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Messen des Kornmassenstroms am Ausgang eines Kettenförderers durch
Messen der Kraft, die das den Förderer
verlassende Korn auf eine Aufprallplatte ausübt. Andere Verfahren wie z.B.
das Messen elektrischer Eigenschaften des Korns, das an einem Sensor
zum Erfassen dieser Eigenschaften vorbeiläuft bzw. ihn berührt, sind
ebenfalls bereits bekannt geworden.
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Alle
die bekannten Verfahren zum Messen des Massenstroms verwenden einen
Sensor, der ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das sich linear oder
nicht linear in Abhängigkeit
von dem Massenstrom ändert.
Eine präzise
Berechnung des Massenstroms aus diesem Signal erfordert, dass der
Wert dieses Signals sowohl bei dem zu messenden Massenstrom wie
auch bei dem Basiszustand eines Nullmassenstroms genau bekannt ist.
Der Unterschied im Ausgangssignal des Sensors zwischen diesen zwei
Zuständen
kann in Verbindung mit einer Eichkurve dazu benutzt werden, den
Istmassenstrom zu schätzen.
Bei vielen der bekannten Sensoren und ihrer zugehörigen elektronischen
Signalaufbereitung treten Änderungen
im Basisausgangssignal auf, was viele Ursachen hat, wie z.B. Drift
in der elektronischen Signalaufbereitung, thermisch oder mechanisch
induzierte Spannungen in den Sensormitteln sowie eine Änderung
des Basisausgangssignals des Sensors beim Nullmassenstrom aufgrund
unerwünschter,
jedoch unvermeidbarer Änderungen
in den Betriebsbedingungen. Ein Beispiel für das letztgenannte tatsächliche,
jedoch unerwünschte
Sensorsignal ist eine Änderung
im Basisausgangssignal eines Sensors zum Messen der Aufprallkraft,
wie in der erwähnten
anhängigen
US-Anmeldung gezeigt, aufgrund der unterschiedlichen Neigung einer
Erntemaschine, die in einem Feld mit unterschiedlich geneigtem Boden
arbeitet.
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Langsame Änderungen
im Basisausgangssignal eines Sensors beim Nullwert der gemessenen Größe wird
häufig
als Null- bzw. Basisdrift (base line drift) bezeichnet, und ist
ein wohlbekanntes Problem bei vielen Sensortypen. Die übliche Methode
zum Minimieren von Fehlern, die durch Basisdrift verursacht werden,
besteht darin, den Sensor und die zugehörige Signalaufbereitung mit
sehr hoher Genauigkeit herzustellen, so dass die meisten Driftursachen
hinsichtlich ihrer Größe minimal
gehalten werden. Dies ist üblicherweise
kostspielig und in einigen Fällen
völlig
unmöglich.
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Ein
weiterer Versuch, durch Basisdrift verursachte Fehler zu minimieren,
besteht in einem Verfahren zum Ausschalten bzw. Korrigieren der
Drift durch periodisches Messen des Ausgangssignals des Sensors,
wenn die gemessene Größe bekanntermaßen gleich
Null ist. Die US-Patente 3,714,806 und 3,791,204 zeigen Verfahren
zum "Nullen" des Ausgangssignals
einer Kraftanzeigeeinrichtung an Stahlwalzmaschinen, wenn kein Stahl
zwischen den Walzen der Maschinen durchläuft, was ein bekannter Zustand
einer Nullwalzkraft ist. Dieses Verfahren arbeitet gut bei Stahlwalzmaschinen,
da die Walzkraft die einzige nennenswerte Kraft ist, die auf den
Kraftsensor ausgeübt
werden kann und im wesentlichen alle anderen Änderungen der angezeigten Kraft
von der Basisdrift herrühren.
Dieses Verfahren arbeitet jedoch nicht zufriedenstellend bei einem
Aufprall-Kornmassenstrom-Sensor
in einer Erntemaschine, da eine Änderung
der Neigung der Erntemaschine eine kontinuierliche Änderung
des Basisausgangssignals des Sensors aufgrund des Gewichts des Fühlmechanismus
hervorrufen kann, während der
Sensor kontinuierlich in einem Zustand eines Nullmassenstroms arbeitet.
Ein Nullmassenstromzustand existiert nicht mit ausreichender Häufigkeit,
um dieses Verfahren in einer Erntemaschine erfolgreich einsetzen
zu können.
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Die
US-Patente 3,434,062 und 3,359,410 zeigen Verfahren zur Korrektur
der Basisdrift des Ausgangssignals eines Chromatographen. Diese Verfahren
machen sich die Tatsache zunutze, dass die Ausgangssignalbeziehung
eines Chromatographen aus einem langsam driftenden Basiswert besteht,
welcher periodisch von die zu messenden Mengen darstellenden scharfen
Spitzen unterbrochen wird. Eine Basisdriftkorrektur wird angewandt, wenn
sich das Ausgangssignal langsam ändert,
sie wird jedoch angehalten, wenn sich das Signal rasch ändert. Dieses
Verfahren der Driftkorrektur arbeitet nicht zufriedenstellend bei
einem Aufprall-Kornmassenstrom-Sensor in einer Erntemaschine, da
die Steigungen der Basislinie und die nutzbaren Ausgangssignale
eines Aufprallsensors nicht so deutlich unterschiedlich sind wie
bei einem Chromatographen. Beispielsweise können beträchtliche Berge und Täler in dem
Basissignal aufgrund mechanischer Schwingungen des Aufprallsensors
im Betrieb der Erntemaschine auftreten.
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Aus
der
DE 39 05 735 A1 ist
eine Vorrichtung zum Auswerten eines zeitlich veränderlichen
und periodisch pulsierenden Eingangssignals bekannt, welche ein
pulsationsfreies Ersatzsignal erzeugt und das letztere im Normalfall
aus dem zeitlichen Mittelwert des Eingangssignals bildet. Die Mittelwertbildung
erfolgt durch Abtasten sowie Speichern und Verarbeiten einer Mindestanzahl
aller Signalproben des Eingangssignals, die zu einem bestimmten
Zeitpunkt während
einer oder mehrerer jüngst
verstrichener Pulsationsperioden angefallen sind.
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Aus
der
DE 37 41 050 A1 ist
eine Schaltungsanordnung zur Mittelwertbildung von periodisch auftretenden
Messsignalen bekannt. Ein Analog-Digital-Umsetzer setzt von jedem Messsignal
mehrere zu vorgegebenen Zeitstützstellen
ermittelte Messwerte in digitale Messwerte um. Ein Addierer addiert die
von dem Umsetzer bei einer Zeitstützstelle ermittelten digitalen
Messwerte. Der Summenwert wird nach jeder Addition in einem Hauptspeicher
abgelegt, der verschiedene jeweils einer Zeitstützstelle zugeordnete Speicherbereiche
enthält.
Nach der Addition eines bei einer Zeitstützstelle ermittelten Messwertes
mit dem dieser Zeitstützstelle
zugeordneten Summenwert in dem Addierer wird der neue Summenwert
in dem dieser Zeitstützstelle
zugeordneten Speicherbereich des Hauptspeichers abgelegt. Eine Rechenschaltung
berechnet nach Auftreten einer bestimmten Anzahl von Messsignalen
den Mittelwert bei einer Zeitstützstelle.
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Die
DE 40 35 520 A1 offenbart
ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges, bei
dem durch Inkrementierung eines Zählers Zählwerte gebildet werden, die
Intervallen zwischen Signalimpulsen entsprechen. Aus mehreren zu
verschiedenen Zeitpunkten gewonnenen Zählwerten wird ein Mittelwert
gebildet, wobei die zeitlichen Abstände der Zeitpunkte variiert
werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zum Messen eines Korn-Massenstroms in einer Erntemaschine anzugeben,
bei dem eine Basisdrift des Messsignals auf möglichst einfache Weise kontinuierlich
korrigiert wird.
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Eine
Vorrichtung zum Lösen
dieser Aufgabe gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in Patentanspruch 1 definiert. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung ist in Patentanspruch 2 definiert.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein Kornmassenstrom-Sensor eingesetzt, der den
linearen Impuls benutzt, der von einem Kornelevator der Erntemaschine
auf das Korn ausgeübt
wird, wenn das Korn den Elevator verläßt. Eine vertikale Aufprallplatte
ist in der Bahn des den Elevator verlassenden Korns angeordnet.
Die Aufprallplatte hält
die horizontale Bewegung des auf ihr auftretenden Korns an, wodurch
der lineare Impuls des Korns geändert
und eine auf die Aufprallplatte auszuübende Reaktionskraft hervorgerufen
wird, die dem Kornmassenstrom (Masse pro Zeit) proportional ist. Die
Aufprallkraft wird gemessen und in Verbindung mit einer Stromeichkurve,
die den Kornmassenstrom zu der durchschnittlichen Aufprallkraft
in Beziehung setzt, dazu benutzt, den Kornmassenstrom zu berechnen.
Die Aufprallplatte ist an einem Kraftbalken angebracht, an dem Dehnungsmeßstreifen
angebracht sind, um die vom Korn auf die Aufprallplatte ausgeübte Kraft
elektrisch zu messen.
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Elektronische
Mittel verstärken
und filtern das Ausgangssignal der Dehnungsmeßstreifen kontinuierlich. Das
verstärkte
Signal, das sich unmittelbar mit der auf die Aufprallplatte ausgeübten Kraft ändert, wird
in kleinen Zeitintervallen von z.B. 0,0016 sec kontinuierlich gesampelt,
und die gesampelten Werte werden in ihrer ursprünglichen Zeitabfolge in einer
Speichereinrichtung gespeichert. Eine Rechnereinrichtung mittelt
die gesampelten Werte über
einer endlichen Zeitspanne, der sogenannten Aufnahme- bzw. Aufzeichnungsperiode,
die typischerweise in der Größenordnung
von 1 bis 2 sec liegt. Der Basiswert des verstärkten Signals wird von dem
Durchschnittswerts des Signals abgezogen, um einen Nettowert zu
erzeugen, der der Aufprallkraft direkt proportional ist. Dieser
Nettowert wird mit einem Krafteichfaktor multipliziert, der für den speziellen
Kraftbalken und Signalverarbeitungskreis vorherbestimmt wurde, um
den Istwert der durchschnittlichen Aufprallkraft zu erzeugen. Eine
elektronische Rechnereinrichtung wandelt die von dem Kraftbalken
gemessene durchschnittliche Aufprallkraft in den Kornmassenstrom
um, und zwar auf der Basis einer Korneichkurve für die spezielle Konfiguration
des Kornelevators und der Aufprallplatte.
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Da
die vom Korn auf die Aufprallplatte ausgeübte Kraft ständig ansteigt
und abfällt,
während
die Mitnehmer des Kornelevators ihre einzelnen Kornmengen gegen
die Aufprallplatte abgeben, wird das Kraftsignal über einer
Zeitspanne gemittelt, die einer ganzzahligen Anzahl der Zeitspannen
zwischen dem Durchlauf der Mitnehmer des Kornelevators entspricht,
um sicherzustellen, daß der
resultierende Durchschnittswert präzise die durchschnittliche
Aufprallkraft wiedergibt. Die Zeitspanne zwischen dem Durchlauf
aufeinanderfolgender Mitnehmer der Kornelevatorkette wird aus der
gemessenen Istbetriebsgeschwindigkeit des Kornelevators berechnet.
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Für jede Aufnahmeperiode, über der
das verstärkte
Kraftsignal gemittelt wird, wird ein den Basiswert darstellender
Wert durch Mitteln von Abschnitten des verstärkten Signals bestimmt, die
für seinen Wert
bei einer Nullaufprallkraft repräsentativ
sind. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung eines neuen Basiswertes
für jede
Aufnahmeperiode.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigen die Abschnitte des verstärkten Signals, die als repräsentativ
für den
Basiswert verwendet werden, einfach einen feststehender Prozentsatz
der Gesamtzahl an während
der Aufnahmeperiode aufgenommenen Punkte, die die über dieser
Periode aufgenommenen niedrigsten Werte haben.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die Abschnitte des verstärkten Signals, die als repräsentativ
für den
Basiswert verwendet werden, ebenfalls ein feststehender Prozentsatz der
Gesamtzahl der während
der Aufnahmeperiode aufgenommenen Punkte; die zum Bestimmen des Basiswertes
verwendeten Punkte werden jedoch in der Weise be stimmt, daß sie aus
einer Gruppe von Punkten bestehen, die in Zeitintervallen beabstandet sind,
welche der Mitnehmerfrequenz des Kornelevators entsprechen.
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Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
vertikalen Querschnitt durch das obere bzw. das Auslaßende eines
Kornelevators einer typischen Erntemaschine mit einem Kornmassenstrom-Sensor,
der in einem Kornsammelbereich in der Nähe des Auslasses des Elevators
angeordnet ist;
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2 ein
schematisches Diagramm eines kompletten Systems zum Messen des Kornmassenstroms,
der Fahrgeschwindigkeit der Erntemaschine und der Geschwindigkeit
des Kornelevators, sowie zum Berechnen, Speichern und Anzeigen der
gemessenen Werte bzw. anderer Daten, die aus den Werten berechnet
wurden;
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3A und 3B graphische
Darstellungen typischer verstärkter
elektrischer Signale, die die Aufprallkraft wiedergeben, welche
auf den Kraftbalken des Kornmassenstrom-Sensors der 1 ausgeübt wird;
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4 eine
graphische Darstellung einer typischen Massenstrom-Eichkurve, die
den Kornmassenstrom zu der durchschnittlichen Aufprallkraft in Beziehung
setzt, die vom Korn auf die Aufprallplatte des Sensors der 1 ausgeübt wird;
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5 eine
graphische Darstellung des verstärkten
elektrischen Signals, das die auf den Sensor der 1 ausgeübte Aufprallkraft
darstellt, zum Veranschaulichen eines ersten Verfahrens zum Schätzen des
Basiswertes dieses Signals;
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6A bis 6C graphische
Darstellungen des verstärkten
elektrischen Signals, das die auf den Sensor der 1 ausgeübte Aufprallkraft
darstellt, zum Veranschau lichen eines zweiten Verfahrens zum Schätzen des
Basiswertes des Signals.
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Es
wird zunächst
auf 1 Bezug genommen. Ein Kornmassenstrom-Sensor 10 ist
am Ausgang eines Elevators bzw. Hebewerkes 30 für gereinigtes
Korn einer Erntemaschine angeordnet. Der Elevator 30 umfaßt ein Elevatorgehäuse 31 und
ein Kettenrad 32, das gemeinsam mit einer Welle 33 umläuft, um
eine Förderkette 34 anzutreiben,
die um das Kettenrad 32 gewickelt ist und an der als Platten
ausgebildete Mitnehmer 35A bis 35E zum Aufwärtsfördern des
Korns vom Einlaß bzw.
unteren Ende des Elevators 30 zum Auslaß bzw. oberen Ende des Elevators 30 befestigt
sind. Das Kettenrad 32 läuft im Uhrzeigersinn um, so
daß die
Mitnehmer 35A bis 35E Kornmengen, wie z.B. 39A und 39B innerhalb
eines Abteils 37 nach oben mitnehmen. Wenn ein Glied der Kette 34,
an dem ein Mitnehmer wie z.B. 35C befestigt ist, mit dem
Kettenrad 32 in Berührung
gelangt, laufen das Kettenglied und der daran befestigte Mitnehmer
in einem Kreisbogen um die Welle 33, wodurch sie der Kornmenge,
z.B. 39C, eine horizontale Bewegung aufprägen, was
bewirkt, daß das
Korn den Elevator 30 verläßt und in einen Sammelbereich 44 gelangt.
Der Sammelbereich 44 enthält geneigte untere Flächen 43A und 43B,
die bewirken, daß das Korn
sich um einen Zuführförderer 45 sammelt,
der als Schneckenförderer
ausgebildet ist, um Korn von dem Sammelbereich 44 in einen
Kornspeicherbehälter
(nicht gezeigt) der Erntemaschine zu fördern.
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Der
Sensor 10 umfaßt
eine Aufprallplatte 11, die an einem Kraftbalken 12 befestigt
ist, mit dem vier Dehnungsmeßstreifen 18A bis 18D haftend
verbunden sind. Ein Kabel 20 enthält acht elektrische Leiter, die
die Dehnungsmeßstreifen
mit einer entfernten Signalverarbeitungsschaltung (2)
verbinden.
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Eine
Kornmenge, wie z.B. 39C, wandert anfangs mit im wesentlichen
horizontaler Geschwindigkeit V1 in Richtung auf die Aufprallplatte 11.
Beim Aufprall auf die Aufprallplatte 11 wird die Horizontalbewegung
der Kornmenge 39C beendet, und das Korn fällt anschließend in
den Sammelbereich 44 mit einer im wesentlichen vertikalen
Endgeschwindigkeit V2. Die Änderung
in der horizontalen Geschwindigkeitskomponente der Kornmenge 39C von
V1 zu im wesentlichen Null, entspricht einer Änderung des horizontalen Impulses
dieser Kornmenge, die sowohl der Masse der Kornmenge 39C und
der Anfangsgeschwindigkeit V1 proportional ist. Eine Kraft F1, die der Änderung
des Impulses der Kornmenge 39C proportional ist, wird an
der Aufprallplatte 11 erzeugt und durch den Kraftbalken 12 gemessen.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen. Ein Diagramm
eines kompletten Kornmassenstrom-Meßsystems gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 2 dargestellt. Ein elektronischer
Monitor 70 umfaßt
eine Leistungsschaltung 71, eine Signalverarbeitungsschaltung 72,
eine Rechnerschaltung 73, eine Speicherschaltung 74,
eine Datenanzeigevorrichtung 75 und eine Operationsschnittstelle 76.
Die Signalverarbeitungsschaltung 72 umfaßt Erreger-
und Fühlmittel
für eine
Dehnungsmeßstreifenbrücke 78 und
zwei Wellendrehzahlfühler 81 und 83. Die
Dehnungsmeßstreifen 18A, 18D der 1 sind in 2 schematisch
gezeigt. Das System der 2 umfaßt ferner zwei gezahnte Räder 82 und 84,
die in Verbindung mit den entsprechenden Drehzahlfühlern 81 und 83 dazu
verwendet werden, die Istdrehzahlen der Elevatorwelle 33 und
der Welle 85 zu messen, welche sich mit einer Drehzahl
dreht, die der Fahrgeschwindigkeit der Erntemaschine proportional
ist.
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Der
Leistungskreis 71 wird von der elektrischen Batterie 77 der
Erntemaschine mit elektrischer Leistung versorgt. Diese Leistungsschaltung
schützt die übrige Schaltung
des elektronischen Monitors 70 gegen schädliche Störeinflüsse und liefert
eine oder mehrere geregelte Konstantspannungen, die von den anderen
Schaltungen benötigt
werden.
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Die
Dehnungsmeßstreifenbrücke 78 wird durch
eine konstante Spannungsdifferenz E+ minus E– erregt, die von der Signalverarbeitungsschaltung 72 geliefert
wird. Die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen in der Brücke 78 ist
derart, daß die
Ausgangsdifferenzspannung 0+ minus 0– ausschließlich zu zu dem Kraftbalken
senkrechten Kräften
proportional ist. Die Signalverarbeitungsschaltung 72 verstärkt und
filtert die Ausgangsdifferenzspannung der Brücke 78 und gibt ein
aufbereitetes Signal an die Rechnerschaltung 73 ab.
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Die
Signalverarbeitungsschaltung 72 verstärkt die Brückenausgangsspannung 0+ minus
0–, welche
sehr klein ist, maximal im Bereich von 5 Millivolt, auf einen Wert,
der durch die Rechnerschaltung 73 präzise meßbar ist. Die Schaltung 72 filtert
außerdem
unerwünschte
hochfrequente Geräusche
aus dem verstärkten
Signal aus.
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Die
Signalverarbeitungsschaltung 72 filtert und verstärkt Signale
von den impulsbetriebenen Drehzahlfühlern 81 und 83,
die dazu benutzt werden, Wechselspannungssignale mit Frequenzen
zu erzeugen, die den Drehzahlen der entsprechenden Wellen 33 und 85 proportional
sind. Die gezahnten Räder 82 und 84 haben
eine Vielzahl von vorstehenden Zähnen,
die Wechselspannungen in dem entsprechenden Drehzahlfühler 81 bzw. 83 erzeugen, wenn
diese Zähne
an den Drehzahlfühlern
vorbeilaufen. Das gezahnte Rad 84 kann unmittelbar an einem Rad
der Erntemaschine oder an eine Welle im Antrieb der Antriebsräder der
Erntemaschine angebracht sein. Es ist ferner möglich, das gezahnte Rad 84 und
den Drehzahlfühler 83 wegzulassen,
indem andere Mittel zum Messen der Fahrgeschwindigkeit der Erntemaschine,
wie z.B. ein Radargeschwindigkeitssensor, verwendet werden, der
die Geschwindigkeit der Erntemaschine relativ zum Boden des Feldes
di rekt mißt.
Es ist ferner möglich,
auf das gezahnte Rad 82 und den Drehzahlfühler 81 zu
verzichten, indem die Geschwindigkeit des Kornelevators aus dem
von dem Kraftbalken gemessenen Aufprallkraftsignal berechnet wird,
wie dies in der oben erwähnten
US-Anmeldung 07/716,293 beschrieben ist.
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Die
Rechnerschaltung 73 ist mit digitaler Elektronik aufgrund
der überlegenen
Rechnereigenschaften digitaler Rechnereinrichtungen, wie z.B. Mikroprozessoren,
ausgerüstet.
Die Rechnerschaltung 73 berechnet verwertbare Daten auf
der Basis der Signale, die von der Signalverarbeitungsschaltung 72 empfangen
werden. Diese Daten können
in einer Speicherschaltung 74 für den späteren Gebrauch gespeichert
und unmittelbar auf der Datenanzeigevorrichtung 75 für die Bedienungsperson
der Erntemaschine wiedergegeben werden.
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Die
Operationsschnittstelle 76 umfaßt manuell bedienbare Vorrichtungen
wie z.B. Schalter, die es der Bedienungsperson ermöglichen,
Funktionen wie z.B. die Wahl der von der Datenanzeigevorrichtung 75 wiederzugebenden
Art von Daten, die Eingabe von Eichgrößen und die Handhabung der
in der Speicherschaltung 74 gespeicherten Daten durchzuführen.
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Eine
auswechselbare Speichervorrichtung 79 kann von dem an der
Erntemaschine angebrachten Monitor 70 entfernt und zu einer
entfernten Stelle transportiert werden, um Ertrags- und Bereichsdaten auszulesen,
die in der Speichervorrichtung gespeichert sind.
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Es
wird auf die 3A und 3B Bezug genommen.
Anhand dieser Figuren wird die im Stand der Technik eingesetzte
Methode zum Messen der auf die Aufprallplatte 11 ausgeübten Kraft
F1 beschrieben, bei dem das Signal aus der vierarmigen Brücke verwendet
wird. 3A veranschaulicht die von der
Signalverarbeitungsschaltung der 2 erhaltene
Ausgangsspannung 50 der Dehnungsmeßstreifenbrücke über der Zeit, wenn der Elevator
ohne Kornmassenstrom arbeitet. Die Ausgangsspannung 50 ist
nicht konstant, sondern oszilliert aufgrund der Schwingung, die
durch den Betrieb der Erntemaschine induziert wird. Da es jedoch
keinen Kornstrom gibt, weiß man,
daß der
Durchschnittswert der Kraft F1 aufgrund des Aufpralls von Korn auf
der Aufprallplatte 11 gleich Null ist. Die durchschnittliche
Basisspannung (base line voltage) Vb, die der Durchschnittswert
der Ausgangsspannung 50 ist, entspricht daher dem Nullpegel
der Kraft F1. Die Rechnerschaltung der 2 mittelt
die Ausgangsspannung 50 über einer Zeitspanne von mindestens
einer Sekunde, während
der Elevator kein Korn abgibt, um eine Bestimmung der Basisspannung
Vb zu ermöglichen,
deren Wert in der zugehörigen
Speicherschaltung gespeichert wird, um bei der Berechnung des Durchschnittswertes
der Kraft F1 verwendet zu werden, wenn der Elevator Korn fördert.
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3B zeigt
die Ausgangsspannung 52, die man erhält, wenn der Elevator Korn
fördert.
Impulse wie z.B. 54A und 54B treten periodisch
in der Ausgangsspannung 52 auf, wenn einzelne Kornmengen auf
die Aufprallplatte auftreffen. Die Zeitspanne P der Impulse in der
Brückenausgangsspannung 52 wird bestimmt
durch die Drehzahl und den Abstand der Mitnehmer der Elevatorkette
der speziellen Erntemaschine und liegt typischerweise im Bereich
von 0,06 bis 0,10 sec. Die Rechnerschaltung der 2 mittelt die
Ausgangsspannung 52 über
einer endlichen Zeitspanne, wie z.B. einer Sekunde, um eine durchschnittliche
Ausgangsspannung Vh zu erhalten. Da die durchschnittliche Basisspannung
Vb einer Nullkraft F1 an der Aufprallplatte entspricht, ist der
durchschnittliche Wert der Kraft F1 proportional zur Differenz zwischen
der durchschnittlichen Ausgangsspannung Va und der Basisspannung
Vb. Die Proportionalität
zwischen Änderungen
der Kraft F1 und Änderungen
der Ausgangsspannung 52 ist ein konstanter Skalenfaktor
für den
speziellen Kraftbalken und die spezielle elektronische Schaltung,
welcher vor Einbau des Massen strom-Sensors in die Erntemaschine
durch Eichen des Kraftbalkens mit einer bekannten Kraft bestimmt
wird. Die Rechnerschaltung der 2 multipliziert
die Differenz zwischen der durchschnittlichen Ausgangsspannung Va
und der Basisspannung Vb mit dem Skalenfaktor, um den Durchschnittswert
der Kraft F1 zu erhalten.
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Der
für die
durchschnittliche Ausgangsspannung Va erhaltene Wert hängt von
der Dauer der Zeitspanne ab, über
der die Ausgangsspannung 52 gemittelt wird. Die Zeitspanne
T1–T4
ist gleich zweimal der Zeitspanne P zwischen dem Durchgang aufeinanderfolgender
Mitnehmer der Elevatorkette. Durch Mitteln der Ausgangsspannung 52 über dem
Zeitintervall T1–T4
erhält
man den korrekten Wert für
die durchschnittliche Ausgangsspannung Va. Es läßt sich jedoch ohne weiteres
einsehen, daß durch
Mitteln der Ausgangsspannung 52 über einer Zeitspanne T1–T3, die
kein ganzzahliges Vielfaches der Zeitspanne P ist, ein höherer Wert
für die
durchschnittliche Ausgangsspannung Va erzeugt wird, da der während der
Zeitspanne T3–T4
weggelassene Abschnitt der Ausgangsspannung 52 kleiner
ist als die durchschnittliche Ausgangsspannung Va. Umgekehrt wird durch
Mitteln der Ausgangsspannung 52 über der Zeitspanne T2–T4 ein
kleinerer Wert für
die durchschnittliche Ausgangsspannung Va erzeugt. Um eine maximale
Genauigkeit beim Messen des Durchschnittswertes der Kraft F1 zu
erzielen, bei Begrenzung der Zeitspanne, über der die Ausgangsspannung
52 zum Erzeugen der durchschnittlichen Ausgangsspannung Va gemittelt
wird, wird die Ausgangsspannung 52 über einer Zeitspanne gemittelt, die
gleich ist einer ganzen Zahl, multipliziert mit der Zeitspanne P.
Der Istwert der Zeitspanne P wird aus der gemessenen Istgeschwindigkeit
der Elevatorkette berechnet. Natürlich
kann die Zahl der Zeitspannen P, die zum Mitteln der Brückenausgangsschaltung 52 benutzt
werden, irgendeine ganze Zahl sein und ist nicht auf den Wert 2
begrenzt, wie er in der Darstellung der 3B verwendet
wird.
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4 zeigt
eine typische Massenstromeichkurve für den Kornmassenstrom-Sensor 10 der 1.
Die Kurve 60 stellt die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen
Kornmassenstrom und der durchschnittlichen Aufprallkraft dar, die
von dem Korn auf die Aufprallplatte ausgeübt wird. Die Rechnerschaltung
der 2 verwendet die Kurve 60 in Verbindung
mit der berechneten durchschnittlichen Aufprallkraft, um einen geschätzten Wert
für den
Istmassenstrom zu berechnen. Beispielsweise wird für eine berechnete
Aufprallkraft Fn der Kornmassenstrom auf Qn geschätzt.
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Die
Eichkurve 60 wird experimentell bestimmt durch Messen der
durchschnittlichen Aufprallkraft F über dem Massenstrom Q für eine spezielle Konfiguration
eines Elevators und einer Aufprallplatte. Für eine maximale Genauigkeit
der Massenstrommessung werden unterschiedliche Massenstromeichkurven
für unterschiedliche
Kornarten und unterschiedliche Kornfeuchtigkeitsgehalte erhalten. Diese
Eichkurven werden jeweils in der Speicherschaltung gespeichert,
und die entsprechende Eichkurve wird auf der Basis des Korntyps
und des Feuchtigkeitsgehalts ausgewählt.
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Ein
verbessertes Verfahren zum Bestimmen des Basisausgangs eines Sensors,
der eine zyklische Größe mißt, wird
unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben. Vier Kornaufprallimpulse 56A–56D sind
in einer graphischen Darstellung der Ausgangsspannung 52 gezeigt,
die in einer Reihe von Punkten dargestellt ist, um die kleinen Zeitspannen
anzuzeigen, in denen die Spannung gesampelt und durch die Rechner-
und Speicherschaltungen der 2 gespeichert
wird. Die Zeitspanne P stellt die Periode der Kornaufprallimpulse
dar, die durch die Geschwindigkeit und den Abstand der Mitnehmer der
Elevatorkette bestimmt werden, während
die Zeitspanne R eine Aufnahmedauer darstellt, über der die Ausgangsspannung 52 für die anschließende Analyse
aufgenommen wird. Die Zeitspanne R ist eine ganzzahlige Anzahl von
Zeitspannen P, wobei P auf der Basis der Istbetriebsgeschwindigkeit
des Elevators bestimmt wird. Die Aufnahmedauer R ist lediglich zu
Veranschaulichungszwecken als das Vierfache der Zeitspanne P in 5 dargestellt;
irgendein ganzzahliges Vielfaches kann jedoch verwendet werden.
Durch Verwendung von größeren Vielfachen wird
die Anzahl der Datenpunkte erhöht,
die zur Verfügung
stehen, um durchschnittliche Ausgangs- und Basiswerte zu bestimmen,
und hierdurch wird die Genauigkeit erhöht, wobei sich jedoch auch
die Rechnerzeit und das Zeitintervall zwischen der Verfügbarkeit
der geschätzten
Massenstromwerte erhöht
werden.
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Die
Zeitspannen B1–B4
stellen diejenigen Zeitabschnitte dar, bei denen die Ausgangsspannung 52 gleich
der Basisspannung ist, die bei einem Nullmassenstrom auftritt. Die
innerhalb dieser Zeitspannen auftretende Ausgangsspannung oszilliert
um die Istbasisspannung aufgrund von Schwingungen der Erntemaschine,
die durch den Kraftbalken auf die Aufprallplatte übertragen
werden, was eine oszillierende Beaufschlagung des Kraftbalkens bewirkt.
Die aufgrund der Erntemaschinenschwingungen erzeugten Spannungsschwingungen
können
durch eine stärkere
Filterung der Ausgangsspannungen 52 reduziert werden. Diese
Filterung mindert jedoch die Möglichkeit
der Ausgangsspannung, auf den Basiswert abzufallen, ehe der nächste Kornaufprallimpuls eintrifft.
Durch Mitteln der Werte der Ausgangsspannung 52, die innerhalb
der Zeitspannen B1–B4
aufgezeichnet werden, wird ein Durchschnittswert für die Basisspannung
erzeugt, der mit hoher Annäherung die
Istbasisspannung darstellt, die zu der Zeit auftritt, zu der die
Datenpunkte in 5 aufgenommen werden.
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Ein
Verfahren zum Auswählen
der Punkte, die in die Zeitspannen B1, B4 fallen, wird benötigt, um
diese Punkte aus der Gesamtfolge der innerhalb der Aufnahmedauer
R aufgenommenen Punkte auszuwählen.
Ein einfaches Wählverfahren
besteht da rin, einen festliegenden Prozentsatz zu wählen, der typischerweise
im Bereich von 20% bis 40% der gesamten Anzahl von während der
Aufnahmedauer R aufgenommenen Punkte liegt, bei denen die niedrigsten
Werte während
dieser Aufnahmedauer aufgenommen wurden. Das Mitteln der Werte der
durch dieses Verfahren ausgewählten
Punkte liefert einen geschätzten
Wert für
die Basisspannung. Durch Anwenden dieses Verfahrens auf die Punkte
in 5 unter Verwendung von 30% der Punkte mit den
niedrigsten Werten erhält
man eine Auswahl sämtlicher Punkte
unterhalb eines Wertes V1, und durch Mitteln dieser Punkte erhält man einen
geschätzten
Basiswert von Vb. Der nach diesem Verfahren bestimmte Wert von Vb
ist jedoch nicht so genau, wie er sein könnte, da einige Punkte innerhalb
der Basiszeitspannen B1–B4 über einem
Wert von V1 liegen, wie z.B. bei 57 und somit nicht zum
Bestimmen von Vb verwendet werden, während andere Punkte außerhalb
der Basiszeitspannen B1–B4
unterhalb eines Wertes von V1 liegen, wie z.B. bei 58,
und zum Bestimmen von Vb benutzt werden. Dies resultiert in einem
Wert von Vb, der geringfügig
kleiner als der wahre Basiswert ist, da zuviele Punkte in der Nähe der Unterseite
der Schwingungen, wie z.B. bei 58, erfaßt werden, während andere
Punkte in der Nähe
der Oberseite der Schwingungen, wie z.B. 57, nicht erfaßt werden.
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Der
oben beschriebene Fehler beim Bestimmen der Basisspannung wird größer, wenn
der Massenstrom kleiner wird, da die Breite und Höhe der Kornaufprallimpulse,
wie z.B. 56A–56D,
mit kleiner werdendem Kornmassenstrom kleiner werden, was eine längere Dauer
der Basis-Zeitintervalle B1–B4 zur
Folge hat. Wenn die Zeitspannen B1–B4 einen größeren Prozentsatz
der Aufnahmedauer R einnehmen, wählt
das Verfahren zum Auswählen
eines feststehenden Prozentsatzes der Punkte innerhalb der Aufnahmedauer
R, die die niedrigsten Werte haben, noch mehr Punkte in der Nähe der Unterseite
der Schwingungen und noch weniger Punkte in der Nähe der Oberseite
der Schwingungen aus, wodurch der Fehler beim Schätzen der Basisspannung
noch größer wird.
Dies ist der Fall, da ein kleinerer Teil der Punkte innerhalb der
Basis-Zeitspannen ausgewählt werden,
so daß ein
größerer Teil
der ausgewählten Punkte
in der Nähe
der Unterseite der Schwingungen liegen können.
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Ein
verbessertes Verfahren zum Auswählen der
Ausgangsspannungspunkte, die zum Bestimmen der Basisspannung Vb
verwendet werden, wird nun anhand der 6A–6C beschrieben,
die dieselbe gesampelte Ausgangsspannungskurve 52 wie in 5 zeigen.
Eine Datenmaske 59 besteht aus vier Basiszeitspannen B,
die durch die Zeitspannen P-B getrennt sind, so daß die Zeitspannen
B in Zeitintervallen gleich der Mitnehmer-Zeitspanne P beabstandet
sind. Die Dauer der Zeitspannen B wird als fester Prozentsatz der
Mitnehmer-Zeitspanne P bestimmt, die näherungsweise die minimale Dauer
der Zeitspannen B darstellt, wenn der Kornelevator den maximal erwarteten
Kornmassenstrom trägt.
Dieser Wert liegt typischerweise im Bereich von 20% bis 40% der
Mitnehmer-Zeitspanne P. Wenn die Zeitspannen B innerhalb der Aufnahmedauer
R zutreffend positionert sind, entsprechen sie den Zeitspannen B1–B4 in 5,
wie dies in 6A gezeigt ist, was die Wahl
von in die Zeitspannen B fallenden Datenpunkten erlaubt, um durch
Mitteln einen präzisen Wert
für die
Basisspannung Vb zu erhalten.
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Ein
Verfahren zum Positionieren der Datenmaske 59 innerhalb
der Aufnahmedauer R besteht darin, den Start der Aufnahmedauer R
so zu legen, daß er
entweder mit dem Start einer Kornaufprallimpuls-Zeitspanne P minus
B oder mit dem Start einer Basiszeitspanne B zusammenfällt. Umgekehrt
kann die Aufnahmedauer R zeitlich willkürlich gelegt werden, und eine
Logikschaltung, wie sie bei den sich auf Chromatographen beziehenden
erwähnten
Patenten verwendet wird, kann dazu benutzt werden, den Start oder
das Ende entweder der Kornaufprall-Zeitspanne oder der Basis-Zeitspanne
zu bestimmen.
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Diese
Verfahren besitzen jedoch nur eine beschränkte Genauigkeit aufgrund des
Rauschverhaltens des Massenstrom-Sensorsignals, das die Bestimmung
der Start- und Endpunkte dieser Zeitspannen ungenau macht.
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Ein
weiteres verbessertes Verfahren zum Positionieren der Datenmaske 59 besteht
darin, sie an mehreren Stellen innerhalb der Aufnahmedauer R zu
positionieren, einen Versuchswert der durchschnittlichen Basisspannung
für jede
Stelle der Datenmaske zu berechnen und die beste Stelle auf der Basis
einer Größe auszuwählen, die
die beste Positionierung der Datenmaske anzeigt. 6B zeigt
eine mögliche
erste Position der Datenmaske, bei der der Start der Datenmaske
mit dem Start der Aufnahmedauer R zusammenfällt. Die Berechnung der durchschnittlichen
Basisspannung Vb bei dieser Maskenposition resultiert in dem dargestellten
hohen Wert Vb, welcher nicht die wahre Basisspannung wiedergibt.
Nach dem Berechnen von Vb mit der Datenmaske in dieser Position
und dem Aufnehmen dieses Wertes von Vb in die Speicherschaltung
der 2 wird die Datenmaske anschließend um einen oder mehrere
Datenpunkte nach rechts bewegt, und ein neuer Wert für Vb wird
berechnet. Wenn – und
nur wenn – der
neue Wert von Vb kleiner als der ursprünglich gespeicherte Wert ist,
wird der neue Wert dazu benutzt, den ursprünglichen Wert zu ersetzen. Dieser
Vorgang, die Datenmaske nach rechts zu bewegen und einen neuen Berechnungsvorgang
durchzuführen,
wird wiederholt, bis die Datenmaske, wie in 6C gezeigt,
positioniert ist, wo das Ende der Datenmaske mit dem Ende der Aufnahmedauer
R zusammenfällt.
In dieser Maskenposition ist der berechnete Wert von Vb geringfügig größer als
der in 6A bestimmte, da die Basis-Zeitspannen
B einige der ansteigenden Ränder
der Kornaufprallimpulse 56A–56D umfassen. Das
Verfahren, die Maske wiederholt zu verschieben, und den Berechnungsvorgang
erneut durchzuführen,
resultiert in dem Endwert von Vb, der im Speicher als der niedrigste
Wert gespeichert ist, der für
Vb berechnet wurde. Dieser Wert ist gleich oder sehr dicht an dem
Wert, der berechnet wird, wenn die Maske die in 6A gezeigte Stellung
einnimmt. Maskenpositionen relativ weit links oder rechts von der
in 6A gezeigten Position resultieren in Werten von
Vb, die größer sind
als derjenige, der für
die Maskenposition der 6A bestimmt wurde, und erzeugt
somit nicht den niedrigsten Wert von Vb. Die Wahl des niedrigsten
Wertes von Vb, der mit diesem Verfahren bestimmt wurde, liefert
eine präzise
Bestimmung der Basisspannung, da er sicherstellt, daß ein Vb-Wert
entsprechend einer Maskenposition gewählt wird, bei der die Zeitspannen
B zwischen den Kornaufprallimpulsen angeordnet sind.
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Um
eine genaue Bestimmung der Basisspannung Vb sicherzustellen, muß die Dauer
der Zeitspannen B so gewählt
werden, daß sie
weder zu klein noch zu groß ist.
Wenn die Dauer der Zeitspannen B zu klein ist, beispielsweise 5%
der Zeitspanne P, stellt der niedrigste Wert für Vb gewöhnlich eine Maskenposition
dar, bei der die Zeitspannen B mit der Unterseite der Schwingungen
in der Ausgangsspannung 52 zusammenfallen, was einen fehlerhaft niedrigen
Wert von Vb erzeugt. Wenn die Dauer der Zeitspannen B zu groß ist, beispielsweise
60% der Zeitspanne P, werden Abschnitte der Kornaufprallimpulse
in den Zeitspannen P erfaßt,
was einen fehlerhaft hohen Wert von Vb erzeugt. Die Erfahrung zeigt, daß eine Dauer
der Zeitspannen B gleich 20% bis 40% der Zeitspanne P eine genaue
Berechnung der Basisspannung für
typische Kornelevatoren, wie sie zur Zeit in Erntemaschinen eingesetzt
werden, erlaubt.
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Es
versteht sich, daß die
vorliegende Erfindung bei jedem beliebigen Sensor eingesetzt werden kann,
der eine zyklisch veränderliche
Größe mißt. Die
vorliegende Erfindung kann auch bei einem Sensor eingesetzt werden,
bei dem der Basispegel eine hohe Spannung ist, und die Ausgangsspannung
des Sensors wird verringert, während
die gemessene Größe an steigt.
Die vorliegende Erfindung kann ferner bei Sensoren eingesetzt werden,
die nicht eine Gleichstromspannung erzeugen, sondern einen Gleichstrom,
eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom, eine Frequenz, eine
Schallstärke oder
Lichtstärke.
Die einzige Einschränkung
für den einsatzbaren
Sensor besteht darin, daß sein
Ausgang durch Verwendung von Signalverarbeitungs- und Berechnungsschaltungen
meßbar
sein muß.