CH704747B1 - Zählwaage mit Multilevel-Hinkley-Detektor. - Google Patents

Abstract

Zählwaage mit einem Multilevel-Hinkley-Detektor, welche die Sprünge eines stark verrauschten Signals s(t) von einem Mittelwert µ 0 auf einen neuen Mittelwert µ i erkennen kann. Das gemessene Signal s(t) wird dabei gleichzeitig mit mehreren Werten m i verglichen und aus der Differenz jeweils die kumulative Summe g i (t) gebildet. Daraus, welche Summe g i (t) zuerst einen Schwellenwert λ erreicht, kann zuverlässig bestimmt werden, wie viele Teile hinzugefügt oder allenfalls entnommen wurden.

Description

[0001] Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Zählwaage als Massen- oder Kraftmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Zählwaagen sind bekannt und werden häufig verwendet. Soll eine Zahl n von Teilen abgezählt werden und ist das Zählen zu aufwändig, weil beispielsweise n gross ist, so werden Zählwaagen eingesetzt. Häufig wird die sogenannte Divisionsmethode angewandt. Dabei wird der Behälter mit den Teilen gewogen, das Behälterleergewicht subtrahiert und das Nettogewicht durch das Gewicht eines einzelnen Stücks geteilt. Dieses Verfahren versagt jedoch dann, wenn das Teilegewicht nicht genau bekannt ist oder von Teil zu Teil stark variiert. So kann beispielsweise bei einer Ungenauigkeit von +/- 5% bereits bei 11 Teilen nicht mehr davon ausgegangen werden, dass die berechnete Anzahl stimmt. Diese maximale Anzahl von Teilen, die zuverlässig bestimmt werden kann, wird mit der Formel

berechnet, wobei d die ermittelte oder bekannte Ungenauigkeit ist. Dieser Wert ist unabhängig vom Gewicht der Teile. Um diesen Nachteil der Divisionsmethode zu umgehen, wurden in der Produktionstechnik Algorithmen entwickelt, welche das durch Einlegen von Teilen ansteigende Gewicht analysiert und einer ganzen Anzahl von Teilen zuordnet. Diese Verfahren sind bekannt und werden erfolgreich eingesetzt, versagen aber, wenn eine grosse Anzahl von Teilen gleichzeitig eingelegt wird oder der Rauschpegel der Waage (d.h. die Standardabweichung der Messwerte) in der Grössenordnung des Teilegewichts liegt. Sind die Messwerte so stark verrauscht, kann ein eventuell auftretender Sprung, verursacht durch das Hinzufügen eines weiteren Teiles, nicht mehr mit Sicherheit erkannt werden; er geht im Rauschen unter.

[0002] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, selbst Teile mit variierendem Teilegewicht zuverlässig zu zählen und stark verrauschte Messwerte sicher auswerten zu können.

[0003] Die Lösung der Aufgabe ist wiedergegeben im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 bezüglich ihrer Hauptmerkmale sowie in den abhängigen Ansprüchen bezüglich weiterer vorteilhafter Merkmale.

[0004] Anhand der beigefügten Zeichnung und mittels mathematisch gestützter Überlegungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1<sep>eine Reihe individueller Messresultate s(t) der Masse eines ersten und eines zusätzlichen Objektes, Fig. 2<sep>den zeitlichen Verlauf eines Testwertes g, Fig. 3<sep>Messwerte und Sprungniveaus für verschiedene Stückzahlen, Fig. 4<sep>den zeitlichen Verlauf von Testwerten gi für verschiedene Stückzahlen.

[0005] Jedes Mess-System ist verrauscht; intern durch thermisches Rauschen, Diskretisierungsfehler und weitere systemabhängige Abweichungen konsekutiver Messresultate des gleichen Objektes; extern durch die Unruhe der Umgebung. Dieser zweitgenannte externe Beitrag zum Rauschen ist gerade bei Waagen meist dominant und übertrifft den internen Anteil wesentlich. Ferner trägt die Unruhe der Waage selbst zur Unschärfe bei. In der Regel sind solche Waagen mit einer Ruhekontrolle ausgestattet, welche jedoch in aller Regel eine grössere zulässige Bandbreite aufweist als die statistischen Schwankungen, welche durch die, als normal betrachtete, Unruhe zustande kommen. Aus diesem Grunde weichen die konsekutiven Wägeresultate innerhalb einer zulässigen Bandbreite, dem statistischen Rauschen, voneinander ab. Dieses gilt für alle Waagen, unabhängig vom verwendeten Prinzip der Kraft- oder Massenbestimmung.

[0006] Um in stark verrauschten Daten – bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich hierbei um Gewichtswerte – einen eventuell auftretenden Sprung um einen vorher ungefähr bekannten Betrag erkennen zu können, wird ein sogenannter Hinkley-Detektor [Roland Schultze: «Sprungerkennung für die Systemerkennung von Schiffen und zur Analyse von Patch-Clamp-Daten», VDI Fortschrittsberichte, Reihe 8: Mess-, Steuerungs- und Regeltechnik Nr. 347] eingesetzt. Dies erlaubt sowohl ein zuverlässiges Zählen von Teilen wie auch eine Nullpunktsnachführung der Waage, die aufgrund von langsamem Kriechen der Waage oder anderen Effekten, z.B. Temperaturänderung, notwendig ist.

[0007] Fig. 1 zeigt in einem ersten Beispiel eine solche Reihe verrauschter Messwerte s(t). µ0 ist der Ausgangsmittelwert, µ1 jener nach Einlegen eines Teiles.

[0008] Der Hinkley-Detektor ist die Implementierung eines Algorithmus, die einen Sprung von einem Mittelwert µ0 eines abgetasteten Signals zu einem anderen Mittelwert µ1> µ0 erkennen soll. Wie in den meisten theoretischen Herleitungen wird das Rauschen auf dem Signal zunächst als weiss und normalverteilt vorausgesetzt; die Varianz σ<2> ändert sich auch bei einem Sprung nicht. Der Hinkley-Detektor arbeitet auch bei leichten Verletzungen dieser Annahmen.

[0009] Der Hinkley-Detektor entscheidet, ob sich in einer Reihe von abgetasteten Werten s(t) ein Sprung vom Mittelwert µ0zum Mittelwert µ1 ereignet hat. Dieser neue Mittelwert µ1 wird a priori aus dem Mittel der Gewichte einer genügenden Zahl von zu zählenden Teilen ermittelt. Hat sich ein solcher Sprung ereignet, so liefert der Hinkley-Detektor eine Schätzung des Sprungzeitpunktes. Um zu entscheiden, ob ein Sprung stattgefunden hat oder nicht, verwendet der Hinkley-Detektor einen Likelihood-Ratio-Test. Die Likelihood ist die Wahrscheinlichkeit dafür, dass bei Zutreffen einer der beiden Hypothesen «Sprung zum Zeitpunkt r» oder «kein Sprung» die gemessenen Daten s(t) entstehen. Die Likelihood der Hypothese Sprung ist vom Zeitpunkt r abhängig, weshalb der Hinkley-Detektor den Zeitpunkt r mit der grössten Likelihood betrachtet. Das Wahrscheinlichkeitsverhältnis zwischen den beiden Hypothesen, das Likelihood-Ratio, wird zur Entscheidung verwendet: Wird ein bestimmter, zuvor gewählter Wert überschritten, wird die Hypothese Sprung angenommen.

[0010] Das Verfahren geht davon aus, dass die Mittelwerte µ0und µ1 vor und nach dem Sprung von vornherein bekannt sind. Der Wert m zwischen diesen beiden Mittelwerten wird bestimmt.

[0011] Liegt ein Messwert s(t) über dem Wert m, so spricht dies für einen Sprung, liegt er darunter, spricht dies dafür, dass kein Sprung stattgefunden hat und der Mittelwert µ0beibehalten worden ist. Die Differenz eines gemessenen Wertes s(t) zum Wert m wird mit d(t) bezeichnet: d(t)=s(t)–m

[0012] Der Hinkley-Detektor bildet aus diesen Werten die Summe

und bestimmt daraus zu jedem Abtastschritt das bisherige Minimum:

[0013] Vor einem Sprung gilt meistens d(t)< 0, somit wird S(t) kleiner. Solange S(t) sinkt, ist M(t) = S(t). Nach einem Sprung ist meistens d(t)>0, somit wächst S(t). Wenn S(t) nach einem Sprung ansteigt, behält M(t) seinen bisherigen Wert. M(t) ist somit das globale Minimum der bisherigen Werte S(t). Die Differenz von S(t) zu M(t) ist die ausschlaggebende Grösse, der Testwert g(t) für die Sprungerkennung: g(t)=S(t)–M(t)

[0014] Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Testwertes g(t). Wenn g(t) einen bestimmten Schwellenwert λ überschreitet, wird dies als Kriterium für die Sprungerkennung genommen. Als Sprungzeitpunkt wird derjenige Zeitpunkt geschätzt, zu dem S(t) bisher minimal, also g(t) = 0 war. Kurze, kleine Anstiege von g(t) kommen vor, wenn s(t) aufgrund des Rauschens einmal grösser als m ist. Hat jedoch ein Sprung stattgefunden, steigt g(t) rasch und deutlich an. Der Schwellenwert λ muss so gross gewählt werden, dass g(t) ihn nicht aufgrund von rauschbedingten kurzen Anstiegen überschreitet (kein Fehlalarm) und so klein, dass die Schwelle nach einem Sprung rasch überschritten und der Sprung somit erkannt wird. Einen Sprung sofort zu erkennen ist nicht möglich, da ein Ansteigen von g(t) respektive S(t) allein als Kriterium nicht ausreicht; erst ein stärkerer Anstieg soll als Sprung angesehen werden. Wird der Schwellenwert λ grösser gewählt, steigt auch die Zeit, bis ein Sprung erkannt wird. Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Sprung detektiert wird, obwohl keiner aufgetreten ist (Fehlalarm), strebt jedoch rasch gegen 0. Die mittlere Zeit bis zu einem Fehlalarm steigt exponentiell, die Verzögerung, bis ein Sprung erkannt wird, jedoch nur proportional zu λ an. Durch die Wahl eines relativ grossen λ kann ein Fehlalarm fast gänzlich ausgeschlossen werden, ohne dass die Zeit bis zur Erkennung eines Sprunges unbrauchbar lang wird. Der Algorithmus kann durch die Wahl eines geeigneten λ an die Bedürfnisse der Anwendung angepasst werden.

[0015] Für die Online-Verarbeitung lassen sich die Rechenschritte in eine rekursive Form bringen. Nach der Initialisierung mit g(0) = 0 werden die Werte s(t) Schritt für Schritt durchgegangen und jedesmal werden die beiden folgenden Rechnungen ausgeführt: Kumulative Summe bilden: g*(t) = g*(t–1) + (s(t)–m(t)) · (m(t)–µ0)

[0016] Negative Werte abschneiden:

[0017] Solange kein Sprung stattgefunden hat, weicht g(t) nur unwesentlich von 0 ab. Ab dem Zeitpunkt eines Sprunges beginnt es jedoch anzusteigen, bis λ erreicht und somit ein Sprung erkannt wird.

[0018] Um den Vergleich mit einem nicht konstanten Wert m zu ermöglichen, wird die Gleichung so verändert, dass eine vom Betrag von m abhängige Wertung des Anstiegs der Kumulativen Summe eingeführt wird. g<*>(t) = g*(t–1) + µ0· (s(t)–m(t)) g<*>(t) wird um so stärker ansteigen, je grösser m(t) ist. Dieses ist der der sog. «Dynamische Hinkley-Detektor» (DHD) [Schultze a.a.O.]

[0019] In der vorliegenden Erfindung wird nicht ein zeitlich sich änderndes m(t) betrachtet, sondern parallel mehrere mi(sogenannter Multi Level Hinkley Detektor MLHD). Nach jeder neuen Gewichtsmessung werden für jedes i die entsprechenden kumulativen Summen gi(t) berechnet. Der Index i dient hierbei der Zuordnung der kumulativen Summe gi(t) zum mi und dem dazugehörenden Mittelwert µi Als Beispiel zur Illustration dient Fig. 3.

[0020] Fig. 3 ist eine Darstellung von Messwerten s(t) und Mittelwerten µ0 bis µ5 bei einem hier postulierten Stückgewicht von 0.1 kg. Entsprechend nimmt der Index i hier die Werte von 0 bis 5 an. Konkret werden hier drei solcher Stücke à 0.1 kg auf einmal eingelegt.

[0021] Hier springt s(t) von µ0 zum neuen Mittelwert µ3. Dabei werden die Werte m1, m2und nach dem Sprung meistens überschritten, der Wert m4jedoch wird nur kurzzeitig durch die rauschbedingten Schwankungen überschritten. Dies bewirkt ein Ansteigen der kumulativen Summen g1 bis g3; g4jedoch weicht nur wenig von 0 ab. g3 überschreitet λ als erstes, das heisst, es hat ein Sprung zum neuen Mittelwert µ3 stattgefunden, wie in Fig. 4 dargestellt.

[0022] Je grösser mi, desto schneller wächst gi(t) und desto schneller erreicht sie die Schwelle λ. Da grosse Sprünge durch normalverteiltes Rauschen selten auftreten, ist die Wahrscheinlichkeit für einen Fehlalarm hier gering. Bei kleinen mi werden mehr Schritte notwendig, um λ zu erreichen; die Fehlerwahrscheinlichkeit ist auch hier gering.

[0023] Bei jedem Durchlauf wird nur für das grösste gi(t) überprüft, ob es bereits die Schwelle λ überschritten hat. Durch die Verwendung des MLHD wird es wie oben beschrieben möglich, viele verschiedene Sprunghöhen parallel zu überprüfen und diese, je nach Anwendungsfall, zu analysieren. So kann beispielsweise neben dem Einlegen eines Teils auch das gleichzeitige Einlegen mehrerer Teile detektiert werden, indem mehrere voneinander verschiedene Mittel mi gleichzeitig verarbeitet werden. Ein Herausnehmen von Teilen kann durch die Verwendung negativer mi festgestellt werden. Durch Verwendung anderer mi können Sprünge detektiert werden, die nicht einem ganzzahligen Vielfachen des Teilegewichts entsprechen. Auf diese Weise können Störgewichte erkannt und entsprechend behandelt werden (z.B. durch eine Warnung an den Bediener der Waage, Abstellen der Produktionsanlage etc.)

[0024] Durch die Verwendung eines kleinen mi (mi<< mStückgewicht) kann sogar eine Nullpunktkorrektur implementiert werden. Tritt ein solches Ereignis (durch die Kleinheit von miund die damit verbundene lange Zeitdauer bis zum Erreichen von λ ) sehr seltenes Ereignis auf, so wird angenommen, dass sich der Nullpunkt der Waage durch Kriechen, Verschmutzen der Wägeplattform, Temperaturveränderungen usw. verändert hat, und dieses kann entsprechend korrigiert werden.

Claims (6)

1. Zählwaage als Massen- oder Kraftmesser mit einem Rechner, der ausgebildet ist, aus verrauschten Gewichtswerten das Auflegen eines oder mehrerer zusätzlicher gleichartiger Teile zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner weiter ausgebildet ist, – durch einen Multi-Level-Hinkley-Detektor (MHLD) in einer Folge von Gewichtswerten s(t) Sprünge als Folge einer diskreten Anzahl hinzugefügter oder entnommener Teile zu erkennen, – aus einer Zahl von konsekutiv gemessenen Gewichtswerten s(t) der unveränderten Zahl von Teilen mindestens folgende Rechenschritte vorzunehmen: – aus den genannten Werten s(t) einen ersten Wert µ0 zu bilden – einen zweiten Wert (µ1–u0) zu generieren, welcher dem zu erwartenden Gewicht eines zu zählenden Teiles entspricht, – aus dem ersten Wert µ0und dem zweiten Wert µ1, das Mittel m zu bilden, – die Abweichung des neuen Messwertes s(t) vom Wert m zu bilden, – die Summe aller Abweichungen innerhalb der zu berücksichtigenden Folge von s(t) zu ermitteln, – aus jeder Folge von s(t) das Minimum zu errechnen und falls diese Summe <0 ist, diese =0 zu setzen – eine Kennzahl g(t) zu bilden, welche die Differenz aus der Summe der Abweichungen und deren Minimum darstellt, – zu ermitteln, ob g(t) grösser ist als ein vorgegebener Schwellenwert λ, falls g(t)>λ, einen Sprung zu detektieren und dieses Ereignis weiterzuverarbeiten.

2. Zählwaage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hinkley-Detektor weiter ausgebildet ist, voneinander verschiedene Mittel mi zu verarbeiten, wodurch das gleichzeitige Einlegen oder Herausnehmen von mehreren Teilen erkennbar ist, wobei jedem der weiteren Mittel mieine dem jeweiligen Mittel mi entsprechende abhängige Grösse gi (t) zuordbar ist und jeweils nur das grösste gi(t) auswählbar und mit λ vergleichbar ist.

3. Zählwaage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner weiter ausgebildet ist, µ0 = 0 zu setzen.

4. Zählwaage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung eines kleinen mi, d.h. mi<<mStückgewicht, eine Nullpunktskorrektur implementierbar ist.

5. Zählwaage nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung von weiteren mi auch Gewichtsauflagen detektiert werden können, welche nicht der Zu- oder Abnahme von ganzen Teilen entsprechen.

6. Zählwaage nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich dabei um eine Waage handelt, die das aufgelegte Gewicht über die Schwingfrequenzen von schwingenden Saiten ermittelt.