DE102016118726A1

DE102016118726A1 - Verfahren zur Füllstandsbestimmung

Info

Publication number: DE102016118726A1
Application number: DE102016118726.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Altendorf; Manfred Jagiella; Andreas Mayr
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2016-10-04
Filing date: 2016-10-04
Publication date: 2018-04-05
Also published as: CN107894264B; US20180094965A1; CN107894264A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße, insbesondere des Füllstandes (L) eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllgutes (2). Hierzu umfasst das System zumindest eine Kamera (3) zur Aufnahme zumindest eines Bildes (IP) von zumindest einem ersten Teilbereich (4) des Behälters (1), zumindest eine Wärmebildkamera (5) zur Aufnahme zumindest eines Wärmebildes (IH) von zumindest dem ersten Teilbereich (4) und eine Auswerte-Einheit (6). Erfindungsgemäß ermittelt die Auswerte-Einheit die Prozessgröße anhand des zumindest einen Wärmebildes (IH) in Kombination mit dem zumindest einen Bild (IP), wobei das Bild (IP) vorzugsweise zur Ermittlung einer Referenzposition am Behälter herangezogen wird. Das erfindungsgemäße System bietet somit den Vorteil, dass keine der Komponenten im Inneren des Behälters (1) angeordnet sein muss. Dementsprechend ist im Vergleich zu Füllstandsmessgeräten nach dem Stand der Technik eine vereinfachte Montage des erfindungsgemäßen Systems möglich.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Füllstandsbestimmung oder zur Bestimmung weiterer Prozessgrößen mittels einer Wärmebildkamera und einer herkömmlichen Kamera, sowie ein Verfahren, welches zur Bestimmung der Prozessgröße mittels des System geeignet ist.
In der Automatisierungstechnik, insbesondere in der Prozessautomatisierungstechnik, werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder zur Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Erfassung von Prozessgrößen werden Sensoren eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, usw. integriert sind. Sie erfassen die entsprechenden Prozessvariablen, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit. Zur Beeinflussung von Prozessgrößen dienen Aktoren, wie unter Anderem Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Im Rahmen der Erfindung werden unter dem Begriff „Behälter“ auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Allgemein werden all diejenigen Geräte als Feldgeräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Daher werden im Zusammenhang mit der Erfindung unter Feldgeräten zusätzlich auch Remote I/Os, Funkadapter bzw. allgemein elektronische Komponenten verstanden, die auf der Feldebene angeordnet sind. Eine Vielzahl dieser Feldgeräte wird von der Firma Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Ein weiterer Vorteil besteht in ihrer Fähigkeit, den Füllstand (L) quasi kontinuierlich und mit einer hohen Auflösung messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt. Ein etabliertes Messprinzip bildet hierbei das Pulslaufzeit-Messprinzip, auch unter dem Namen Pulsradar bekannt. Daneben gibt es auch das FMCW-Verfahren, bei dem ein kontinuierliches Mikrowellen-Signal mit sich verändernder Frequenz eingesetzt wird.
Aus dem Stand der Technik sind radarbasierte Füllstandsmessgeräte bereits hinlänglich bekannt. Exemplarisch sei hier die Veröffentlichungsschrift WO 2015/010814 A1 genannt, aus der das Funktionsprinzip von laufzeitbasierten Messverfahren zur Füllstandsmessung hervorgeht.
Nachteilhaft an radar- bzw. ultraschallbasierten Verfahren ist, dass das Messgerät direkt im Innenraum des Behälters, in dem der Füllstand (L) zu bestimmen ist, angebracht sein muss. Außerdem ist es ohne zusätzliche Messverfahren nicht möglich, neben dem Füllstand (L) weitere Prozessgrößen, wie die Füllgut-Temperatur oder Phasengrenzen innerhalb des Füllgutes oder zwischen zwei verschiedenen Füllgütern zu bestimmen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur Messung des Füllstandes (L) oder weiterer Prozessgrößen bereitzustellen, welches nicht am Behälter angebracht sein muss.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein System zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes. Hierzu umfasst es:

– zumindest eine Kamera zur Aufnahme zumindest eines Bildes (I_P) vom gesamten Behälter oder von zumindest einem ersten Teilbereich des Behälters,
– zumindest eine Wärmebildkamera zur Aufnahme zumindest eines Wärmebildes (I_H) von demselben (Teil-)Bereich, den auch die Kamera aufnimmt,
– eine Auswerte-Einheit, die anhand des zumindest einen Bildes (I_P) und anhand des zumindest einen Wärmebildes (I_H) die zumindest eine Prozessgröße ermittelt.

Das erfindungsgemäße System bietet somit den Vorteil, dass keine der Komponenten im Inneren des Behälters angeordnet sein muss. Dementsprechend ist im Vergleich zu Füllstandsmessgeräten nach dem Stand der Technik eine vereinfachte Montage des Systems möglich.
Der Füllstand oder etwaige andere Prozessgrößen werden erfindungsgemäß durch die Bildinformationen des Wärmebildes (I_H) ermittelt, wobei die Bildinformationen des Bildes (I_P) der herkömmlichen Kamera miteinbezogen wird. Dabei wird durch das Wärmebild (I_H) eine eigentliche Kerninformation, beispielsweise die Phasengrenze zwischen dem Füllgut und der oberhalb befindlichen Gas-Atmosphäre, ermittelt. Durch Miteinbezug der Bildinformationen aus dem Bild (I_P) kann die Phasengrenze räumlich in Bezug zum Behälter bzw. einem vorbekannten Referenzpunkt am Behälter gesetzt werden. Insgesamt kann somit aus der detektierten Phasengrenze unter Kenntnis der Position im Behälter (beispielsweise in Bezug zu einer Referenzposition, deren Abstand zum Behälterboden bekannt ist) der Füllstand bestimmt werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass das System nicht festinstalliert sein muss und gegebenenfalls an einer anderen Stelle neu aufgebaut werden kann, da mithilfe der Kamera die Kontur des Behälters gegebenenfalls auch bei wechselnden Perspektiven erkannt werden kann. Je nach Behältergröße kann es also auch als tragbares System ausgelegt werden.
Für eine günstige Umsetzung der erfindungsgemäßen Idee ist es von Vorteil, wenn die Auswerte-Einheit derart ausgestaltet ist, dass sie anhand des Bildes (I_P) der Kamera zumindest eine Referenzposition am Behälter definiert, und dass die Auswerte-Einheit die zumindest eine Prozessgröße räumlich in Bezug zu der Referenzposition setzt. Dies könnte beispielsweise umgesetzt werden, indem die Auswerte-Einheit derart ausgelegt wird, dass sie, sofern der Teilbereich zumindest ein Segment der Außenkontur des Behälters umfasst, die Referenzposition innerhalb des Segments definiert. Günstige Geometrien an der Außenkontur, die in diesem Fall als Referenzposition herangezogen werden können, sind beispielsweise markante Silhouetten von Behälter-Anbautenn. Denkbar wäre in diesem Zusammenhang, dass die übergeordnete Einheit selbstständig erkennt, ob der von den Kameras erfasste Teilbereich ein Segment der Außenkontur des Behälters umfasst. Sofern dies gegeben ist, kann beispielsweise weiterhin selbstständig von der übergeordneten Einheit geprüft werden, ob in diesem Segment an einer bestimmten Stelle eine entsprechend markante Silhouette vorhanden ist, die als Referenzposition verwendet werden könnte.
Alternativ zu einer Definition der Referenzposition über die Außenkontur des Behälters wäre es auch denkbar, dass die Auswerte-Einheit derart ausgestaltet ist, dass sie, sofern der Behälter zumindest eine Markierung in einer vorbekannten Entfernung zum Behälterboden (im einfachsten Fall eine Füllstands-Skala auf der Außenseite des Behälters) aufweist und der von den Kameras erfasste Teilbereich diese Markierung umfasst, diese Markierung als Referenzposition definiert.
Sofern als Kamera und/oder als Wärmebildkamera eine time-of-flight Kamera eingesetzt wird, ist es zudem möglich, den Füllstand und/oder die weitere Prozessgröße ortsaufgelöst, also dreidimensional zu bestimmen.
Für eine sichere Implementierung des erfindungsgemäßen Systems ist es zudem von Vorteil, wenn die zumindest eine Kamera und die zumindest eine Wärmebildkamera derart außerhalb des Behälters angeordnet sind, dass das zumindest eine Bild (I_P) und das zumindest eine Wärmebild (I_H) aus zwei verschiedenen Perspektiven mit einem vorbekannten geometrischen Bezug, oder aus etwa der gleichen Perspektive aufgenommen werden.
Je nach Anwendung des erfindungsgemäßen Systems, beispielsweise bei komplexen Behälter-Geometrien, kann es vorteilhaft sein, wenn das System mehrere Kameras und/oder mehrere Wärmebildkameras zur Aufnahme verschiedener Teilbereiche umfasst.
Zur Erhöhung des Kontrasts des Wärmebildes (I_H) und/oder des Bildes (I_P) kann eine Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung des zumindest ersten Teilbereichs eingesetzt werden. Sofern speziell der Kontrast auf dem Wärmebild erhöht werden soll, ist die Beleuchtungsquelle vorzugsweise derart auszulegen, dass sie mit einer Wellenlänge abstrahlt, bei der die zumindest eine Wärmebildkamera die maximale Empfindlichkeit aufweist.
Eine weitere Maßnahme zur Erhöhung des Kontrastes kann dadurch bewirkt werden, dass der Behälter zumindest im ersten Teilbereich so beschaffen ist, dass das Wandmaterial des Behälters bei derjenigen Wellenlänge, bei der die Empfindlichkeit der Wärmebildkamera maximal ist, einen hohen Transmissionskoeffizienten von insbesondere höher als 0,85 aufweist. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Wahl des Wandmaterials in diesem Teilbereich, beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen, erreicht werden.
Die Aufgabe, die Erfindung zugrunde liegt, wird zudem durch ein Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines in einem Behälter befindlichen Füllgutes mittels des zuvor beschriebenen Systems gelöst. Analog zu dem oben beschriebenen System umfasst es folgende Verfahrensschritte:

– von zumindest einer Kamera wird zumindest ein Bild (I_P) von zumindest einem ersten Teilbereich des Behälters aufgenommen,
– von zumindest einer Wärmebildkamera wird zumindest ein Wärmebild (I_H) von dem zumindest einen ersten Teilbereich des Behälters aufgenommen,
– anhand des zumindest einen Bildes (I_P) und anhand des zumindest einen Wärmebildes (I_H) wird von einer Auswerte-Einheit die zumindest eine Prozessgröße ermittelt.

Erfindungsgemäß gibt es keine Vorgaben, in welchen zeitlichen Abständen die Bilder (I_H, I_P) aufzunehmen sind, bzw. wie oft die ermittelte Prozessgröße aktualisiert wird. Neben einer zyklischen oder ereignisgesteuerten Aktualisierung ist auch eine kontinuierliche Aktualisierung möglich, so dass quasi ein Video aufgenommen wird. Hierdurch könnte der zeitliche Verlauf der zumindest einen Prozessgröße ermittelt werden, um beispielsweise chemische Prozesse, die das Füllgut momentan durchläuft, zu überwachen.
Hierbei ist es nicht relevant, ob bei jeder Aktualisierung des Wärmebildes (I_H) auch ein neues Bild (I_P) aufgenommen wird. Eine Aktualisierung des Bildes (I_P) ist nur dann erforderlich, wenn sich die Perspektive der Kameras und somit der ausgewählte (Teil-)Bereich verändert.
Abhängig von der Größe oder der Komplexität des Behälters oder der zu bestimmenden Prozessgröße kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn zusätzlich zum ersten Teilbereich ein Bild (I_P) und ein Wärmebild (I_H) von zumindest einem zweiten Teilbereich aufgenommen werden. Eine Kalibration des erfindungsgemäßen Systems könnte beispielsweise durchgeführt werden, indem die zumindest eine Prozessgröße (beispielsweise durch vorige anderweitige Bestimmung) von vornherein bekannt ist, wobei die anschließende Kalbration in Bezug zu der bereits bekannten Prozessgröße durchgeführt wird.
Anhand der nachfolgenden Figur wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
1: Bestimmung einer Prozessgröße an einem Behälter durch eine Wärmebildkamera in Kombination mit einer Kamera.
In 1 ist ein Behälter 1 mit einem Füllgut 2 gezeigt, wobei eine Prozessgröße dieses Füllgutes 2 zu bestimmen ist. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um die Temperatur T des Füllgutes, den Füllstand L, eine etwaige Schaumschicht oder eine sonstige Phasengrenze des Füllgutes 2. Insbesondere bei Anwendungen in der Prozessautomation kann es vorkommen, dass das Füllgut 2 innerhalb des Behälters 1 chemische Prozesse durchläuft. In diesem Fall kann es sich bei der Prozessgröße außerdem um eine Zeit- und/oder ortsaufgelöste Temperaturverteilung innerhalb des Behälters 1 handeln. Hierdurch wird beispielsweise eine Überwachung des Prozessablaufs ermöglicht.
Zur Bestimmung der Prozessgröße sind im Außenbereich des Behälters 1 eine Kamera 3 und eine Wärmebildkamera 5 angeordnet. Die zwei Kameras 3, 5 sind derart ausgerichtet, dass sie in etwa aus derselben Perspektive ein Bild I_P bzw. ein Wärmebild I_H von einem Teilbereich 4 des Behälters 1 aufnehmen. Der Teilbereich 4 ist dabei so gewählt, dass er zum einen denjenigen Teil des Füllgutes 2, der zur Bestimmung der Prozessgröße durch die Wärmebildkamera 5 relevant ist, umfasst.
Darüber hinaus ist der Teilbereich 4 im gezeigten Ausführungsbeispiel so ausgewählt, dass er ein Segment der Außenkontur des Behälters 1 umfasst. Hierdurch wäre es prinzipiell möglich, das Wärmebild I_H der Wärmebildkamera 5 mittels einer Auswerte-Einheit 6 in Bezug zu einer Referenzposition an der Außenkontur des Behälters 1 zu setzten und damit als Prozessgröße beispielsweise den Füllstand L innerhalb des Behälters 2 zu bestimmen. Allerdings umfasst das Segment der Außenkontur bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel keinen geeigneten Punkt mit einer markanten Silhouette, der als Referenzposition verwendet werden könnte. Daher umfasst der Teilbereich 4 bei dem in gezeigten Ausführungsbeispiel außerdem eine Füllstands-Skala 7 an der Außenwand des Behälters 1. Sie kann von der Auswerte-Einheit 6 als Referenzposition 7 definiert werden. Damit ist es möglich, etwa den Füllstand L in Bezug zum Behälterboden zu bestimmen.
Sofern es sich bei der Prozessgröße um den Füllstand L handelt, ist es außerdem notwendig, den Teilbereich 4 groß genug auszulegen, so dass er sowohl den minimal möglichen Füllstand als auch den maximal möglichen Füllstand abbilden kann. Sollte dies aufgrund der äußeren Gegebenheiten am Behälter 1 oder aufgrund des begrenzten Auflösungsvermögen der Kameras 3, 5 nicht möglich sein, so besteht alternativ zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel auch die Möglichkeit, mehrere Kameras 3 und mehrere Wärmebildkameras 5 einzusetzen, die jeweils Bilder bzw. Wärmebilder I_H, I_P von mehreren unterschiedlichen Teilbereichen machen. In diesem Fall sollte wiederum die Lage der einzelnen Teilbereiche zueinander vorbekannt sein.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
2: Füllgut
3: Kamera
4: Erster Teilbereich
5: Wärmebildkamera
6: Auswerte-Einheit
7: Referenzposition
I_H: Wärmebild
I_P: Bild
L: Füllstand
T: Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/010814 A1 [0004]

Claims

System zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllgutes (2), umfassend: – zumindest eine Kamera (3) zur Aufnahme zumindest eines Bildes (I_P) von zumindest einem ersten Teilbereich (4) des Behälters (1), – zumindest eine Wärmebildkamera (5) zur Aufnahme zumindest eines Wärmebildes (I_H) von zumindest dem ersten Teilbereich (4), – eine Auswerte-Einheit (6), die anhand des zumindest einen Bildes (I_P) und anhand des zumindest einen Wärmebildes (I_H) die zumindest eine Prozessgröße ermittelt.
System nach Anspruch 1, wobei die Auswerte-Einheit (6) derart ausgestaltet ist, anhand des Bildes (I_P) zumindest eine Referenzposition (7) am Behälter (1) zu definieren, und die zumindest eine Prozessgröße räumlich in Bezug zu der Referenzposition (7) zu setzen.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerte-Einheit (6) derart ausgestaltet ist, die Referenzposition (7) innerhalb des Segments zu definieren, sofern der Teilbereich (4) zumindest ein Segment der Außenkontur des Behälters (1) umfasst.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerte-Einheit (6) derart ausgestaltet ist, die Markierung (7) als Referenzposition (7) zu definieren, sofern der Behälter (1) zumindest eine Markierung (7) in einer vorbekannten Entfernung zum Behälterboden aufweist und der Teilbereich (4) die Markierung (7) umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Kamera (3) und die zumindest eine Wärmebildkamera (5) derart außerhalb des Behälters (1) angeordnet sind, das zumindest eine Bild (I_P) und das zumindest eine Wärmebild (I_H) aus zwei verschiedenen Perspektiven mit einem vorbekannten geometrischen Bezug aufzunehmen.
System nach Anspruch 5, wobei die zumindest eine Kamera (3) und die zumindest eine Wärmebildkamera (5) derart außerhalb des Behälters (1) angeordnet sind, das zumindest eine Bild (I_P) und das zumindest eine Wärmebild (I_H) aus in etwa derselben Perspektive aufzunehmen.
System nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, mehrere Kameras (3) und/oder mehrere Wärmebildkameras (5) umfassend.
System nach zumindest einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung des zumindest ersten Teilbereichs (4) vorgesehen ist.
System nach Anspruch 8, wobei die Beleuchtungsquelle mit einer Wellenlänge abstrahlt, bei der die zumindest eine Wärmebildkamera (5) eine maximale Empfindlichkeit aufweist.
System nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wandmaterial des Behälters (1) zumindest im ersten Teilbereich (4) bei der Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit der Wärmebildkamera (5) einen Transmissionskoeffizienten von größer als 0,85 aufweist.
Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines in einem Behälter (1) befindlichen Füllgutes (2) mittels eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: – Aufnahme zumindest eines Bildes (I_P) von zumindest einem ersten Teilbereich (4) des Behälters (1) mittels zumindest einer Kamera (3), – Aufnahme zumindest eines Wärmebildes (I_H) von dem zumindest einen ersten Teilbereich (4) des Behälters (1) mittels einer Wärmebildkamera (3), – Ermittlung der zumindest einen Prozessgröße anhand des zumindest einen Bildes (I_P) und anhand des zumindest einen Wärmebildes (I_H) mittels einer Auswerte-Einheit (6).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei zusätzlich zum ersten Teilbereich (4) ein Bild (I_P) und/oder ein Wärmebild (I_H) von zumindest einem zweiten Teilbereich aufgenommen werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei es sich bei der zumindest einen Prozessgröße um den Füllstand (L) des Füllgutes (2) im Behälter (1), und/oder zumindest eine Füllgut-Temperatur (T) oder eine Temperaturverteilung, und/oder eine Phasengrenze innerhalb des Füllgutes (2) handelt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei ein zeitlicher Verlauf der zumindest einen Prozessgröße ermittelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die zumindest eine Prozessgröße vorbekannt ist, und wobei eine Kalibration des Systems in Bezug zu der bekannten Prozessgröße durchgeführt wird.