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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung und Validierung eines Füllstands eines Behälters, ein Sensorsystem, ein Verfahren zum Bestimmen und Validieren eines Füllstands in einem Behälter, und eine Verwendung einer Messeinrichtung in einem Sensor zur Bestimmung und Validierung und/oder zum automatischen Abgleichen des Sensors für einen Behälter.
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Stand der Technik
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Der Füllstand von Behältern wird z.B. in der industriellen Prozessautomation und in industriellen Prozessanlagen mittels Füllstandsensoren überwacht und gesteuert. Damit der Sensor das Volumen der Flüssigkeit berechnen kann, muss der Sensor Kenntnis von der Geometrie des Behälters besitzen. Wenn die Sensoren jeweils für unterschiedliche Behälter und Anwendungen eingesetzt werden, muss dieser Abgleich für jeden Sensor und jeden Behälter durchgeführt werden. Dies geschieht bisher händisch. Ein solcher Eingriff für jede Anwendung durch einen Nutzer ist aufwändig und teuer und kann zu Fehlern führen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung könnte daher sein, einen Sensor bereitzustellen, der diesen Abgleich automatisch durchführt.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
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Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen in ähnlicher Weise den Sensor zur Bestimmung und Validierung eines Füllstands eines Behälters, das Sensorsystem, das Verfahren zum Bestimmen und Validieren eines Volumens in einem Behälter, und die Verwendung einer Messeinrichtung in einem Sensor zum automatischen Abgleichen des Sensors für einen Behälter.
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Ferner ist zu beachten, dass alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ein Verfahren betreffen, in der beschriebenen Reihenfolge der Schritte ausgeführt werden können, jedoch muss dies nicht die einzige und wesentliche Reihenfolge der Schritte des Verfahrens sein. Die hier vorgestellten Verfahren können mit einer anderen Reihenfolge der offenbarten Schritte ausgeführt werden, ohne von der jeweiligen Verfahrensausführungsform abzuweichen, sofern im Folgenden nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Sensor zur Bestimmung und Validierung eines Füllstands eines Behälters bereitgestellt. Der Sensor weist eine Steuereinheit auf, die eingerichtet ist, einen ersten Messwert einer ersten Füllhöhe von einer Messeinrichtung des Sensors zu erhalten, sowie einen zweiten Messwert einer zweiten Füllhöhe von der Messeinrichtung des Sensors zu erhalten. Die Steuereinheit ist ferner eingerichtet, aus dem ersten Messwert und einer externen Füllmengenänderungsinformation einen Füllhöhenerwartungswert der zweiten Füllhöhe zu berechnen und mit dem zweiten Messwert zu vergleichen, und zumindest im Falle einer Abweichung des Füllhöhenerwartungswerts von dem zweiten Messwert eine Abweichinformation zu erzeugen.
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Hierdurch ist es zum Beispiel möglich, Messwerte zu validieren. Die Validierung kann mit definierter Regelmäßigkeit oder bei Bedarf vorgenommen werden.
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Beim Befüllen eines Behälters mit einem Medium und bei der Entnahme eines Mediums aus dem Behälter durch eine externe Steuerung stellt diese Steuerung häufig die Daten über die hinzugefügte oder entnommene Menge bereit. Sind diese Daten z.B. in einem Netzwerk verfügbar, mit dem der Sensor verbunden ist, können diese dem Sensor übermittelt werden. Diese Daten enthalten somit die Füllmengenänderungsinformation, welche Menge an Füllmedium dem Behälter zugefügt oder entnommen wurde, wobei die Menge als Volumen angegeben wird oder zumindest in ein Volumen umgerechnet werden kann. Es versteht sich, dass für die Berechnung des Füllhöhenerwartungswerts die akkumulierte bzw. integrierte Füllmengenänderung verwendet wird, das heißt die tatsächliche Füllmengenänderung zwischen zwei Messungen bzw. zwei Messzeitpunkten. Es versteht sich ebenso, dass der erste Messwert entweder ein korrekter, z.B. bereits validierter Messwert ist. Alternativ kann beispielsweise eine Differenz zwischen den Messwerten mit einer Differenz zwischen Füllhöhenerwartungswert und dem ersten Messwert für den Vergleich betrachtet werden. Weiterhin können bei mehreren Messwerten statistische Methoden angewandt werden, wie z.B. Filterung, Korrelation einer Messkurve mit der Kurve der Erwartungswerte, etc.
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Die Messwerte werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst. Ändert sich die Füllhöhe in dieser Zeit nicht, kann dies in der Abweichinformation berücksichtigt werden oder die Berechnung erst gar nicht zugelassen werden. Beispielsweise kann ein Flag anzeigen, dass es keine Änderung der Füllmenge gab. Somit kann z.B. eine vermeintliche Validierung vermieden werden und Ressourcen gespart werden.
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Unter Füllstand wird eine Füllhöhe und/oder eine Füllmenge bzw. ein Füllvolumen eines Mediums verstanden, mit dem der Behälter befüllt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet ist, den Füllhöhenerwartungswert anhand einer Linearisierungskurve zu berechnen.
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Eine Linearisierungskurve bezieht sich auf einen Behälter bzw. eine Behälterform und enthält Wertepaare mit Füllhöhe und zugehörigem Füllvolumen. Alternativ kann die Linearisierungskurve auch prozentuale Füllhöhen im Behälter zu dem jeweils zugehörigen prozentualen Füllvolumen beschreiben. Ist die Linearisierung bekannt, z.B. in Form von Tabellenwerten oder Polynomkoeffizienten, etc., kann aus der Füllmenge eine Füllhöhe (und umgekehrt) berechnet werden. Das heißt, es kann auch ausgehend von einem aktuellen Füllstand in Abhängigkeit der entnommenen oder hinzugefügten Füllmenge die resultierende Füllhöhenänderung und damit der Füllhöhenerwartungswert berechnet werden. Die Linearisierungskurve kann z.B. in einem Speicher in oder außerhalb der Steuereinheit abgespeichert sein, auf den die Steuereinheit Zugriff hat.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Messwert der ersten Füllhöhe ein erster Abstand von dem Sensor zu einer Oberfläche eines Mediums, mit dem der Behälter befüllt ist, und der zweite Messwert der zweiten Füllhöhe ist ein zweiter Abstand von dem Sensor zu der Oberfläche des Mediums.
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Die Füllhöhe, d.h., die Höhe vom Behälterboden aus gesehen, ist äquivalent zu dem Abstand des Sensor zu der Oberfläche des Füllmediums zu sehen, der tatsächlich gemessen wird. Im Falle, dass sich Angaben, Werte oder Berechnungen auf die Behälteroberseite oder einen Deckel beziehen und die Sensorposition davon unterschiedlich ist, wird dieser Unterschied in den Berechnungen berücksichtigt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit weiterhin eingerichtet, aus der Abweichinformation eine Diagnoseinformation zu erzeugen und auszugeben.
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Die Diagnoseinformation kann beispielsweise die gemessenen und berechneten Werte und insbesondere die ermittelte Abweichung enthalten. Sie kann auch eine Bewertung oder eine Information über mögliche Ursachen enthalten. Die Diagnoseinformation kann eine lokale Anzeige bewirken, z.B. eine LED schalten oder zu einer Anzeige auf einem Display führen, oder über eine Kommunikationsschnittstelle ausgegeben werden. Weiterhin kann sie in einem lokalen Speicher für ein späteres Auslesen gespeichert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit weiterhin eingerichtet, auf Grundlage der Abweichinformation eine Änderung der Parametrierung vorzunehmen.
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Somit kann die Abweichinformation zu einer Änderung der Sensorkonfiguration bzw. der Parametrierung führen.
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Gemäß einer Ausführungsform bewirkt die Änderung der Parametrierung eine Störsignalausblendung. Eine Störsignalausblendung wird verwendet, wenn z.B. aufgrund von Einbauten im Behälter bei gewissen Distanzen ungewünschte Echos dieser Einbauten die eigentlichen Füllstandsechos überlagern und dadurch die Messung negativ beeinflussen. Da sich die störenden Echos solcher Einbauten immer am gleichen Ort befinden, können sie über eine solche Störsignalausblendung zur Bestimmung des Distanzwertes berücksichtigt bzw. ausgeblendet werden.
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Eine Ursache der Abweichung könnte beispielsweise ein störender Einbau sein. Es ist auch möglich, dass bekannte Störsignale zu einem charakteristischen Verlauf der Messung und/oder der Abweichung führen, so dass der Störer identifiziert werden kann. Hierdurch können Maßnahmen gegen das Störsignal getroffen werden, wie z.B. eine Störsignalausblendung.
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Generell kann aus der Abweichinformation ein Steuersignal generiert werden oder als Steuersignal verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Sensor weiterhin eine drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationseinheit auf, um die externe Füllmengenänderungsinformation zu erhalten.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit weiterhin eingerichtet, die externe Füllmengenänderungsinformation aus einem Netzwerk zu empfangen.
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Wie bereits beschrieben, ist die Änderung der Füllmenge Sensor-extern bekannt. Diese Information kann über eine Kommunikationsschnittstelle dem Sensor zur Verfügung gestellt werden. Die Kommunikationseinheiten können hierbei drahtlose Schnittstellen direkt oder indirekt den Sensor mit einem Netzwerk, einer externen Steuerung, einem externen Rechner, etc. verbinden, wo die Füllmengenänderungsinformation verfügbar ist. Die Kommunikationsschnittstelle kann beispielsweise Mobilfunk, LoRa WAN, WiFi, ZigBee, WLAN, Bluetooth, NFC, Ethernet, etc. sein. Bei dem Netzwerk kann es sich beispielsweise um ein lokales Netzwerk handeln, um das Internet, oder insbesondere um das Internet of Things (loT).
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit weiterhin eingerichtet, unter Verwendung unterschiedlicher Linearisierungskurven unterschiedliche Füllhöhenerwartungswerte zu berechnen.
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Je nach Behälterform kann es unterschiedliche Linearisierungskurven geben. Das heißt, es können unterschiedliche Linearisierungskurven im Speicher gespeichert sein. Die Steuereinheit kann dann prüfen, ob der Messwert einem Erwartungswert einer dieser Kurven entspricht oder beispielsweise den Erwartungswert verwenden, der dem Messwert am Nächsten ist und daraus die passende Behälterform ableiten.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuereinheit weiterhin eingerichtet, aus den unterschiedlichen Füllhöhenerwartungswerten, die auf unterschiedlichen Linearisierungskurven beruhen, den dem zweiten Messwert nächstliegenden zu ermitteln und die zugeordnete Linearisierungskurve als Linearisierungskurve für den Behälter zu verwenden und/oder die Behälterart zu bestimmen.
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Wie bereits erwähnt, können die Behälter unterschiedliche Formen aufweisen, so dass sich deren Linearisierung unterscheidet. Somit gibt es für die unterschiedlichen Behälter jeweils entsprechende Linearisierungskurven. Durch Ermittlung der Kurve, die den Messungen am Nächsten kommt, kann auf die Behälterform oder Behälterart geschlossen werden. Für die weiteren Messungen kann nun diese Linearisierungskurve verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Sensor weiterhin eine Messeinrichtung auf, die eingerichtet ist, den ersten Messwert und den zweiten Messwert zu erfassen und an die Steuereinheit zu übermitteln.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der der Sensor weiterhin einen Speicher auf, der die Linearisierungskurven enthält und/oder Behälterinformationen zur Bestimmung der Behälterart bzw. der Behälterform enthält.
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Die Linearisierungskurven sind mit den Behälterinformationen assoziiert, sodass über die ermittelte Linearisierungskurve auf die Behälterart bzw. Behälterform geschlossen werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Sensoranordnung zur Bestimmung und Validierung eines Messwerts bereitgestellt. Die Sensoranordnung weist einen Sensor mit einer Steuereinheit auf, die eingerichtet ist, einen ersten Messwert einer ersten Füllhöhe und einen zweiten Messwert einer zweiten Füllhöhe von einer Messeinrichtung des Sensors zu erhalten. Die Sensoranordnung ist ferner eingerichtet, den ersten und den zweiten Messwert über eine Kommunikationsschnittstelle an ein Netzwerkelement eines Datennetzwerks zu übertragen. Die Sensoranordnung weist weiterhin das Netzwerkelement des Datennetzwerks auf, das eingerichtet ist, über die Kommunikationsschnittstelle den ersten und den zweiten Messwert zu empfangen und aus dem ersten Messwert und einer externen Füllmengenänderungsinformation einen Füllhöhenerwartungswert der zweiten Füllhöhe zu berechnen und mit dem zweiten Messwert zu vergleichen, und zumindest im Falle einer Abweichung des Füllhöhenerwartungswert von dem zweiten Messwert eine Abweichinformation zu erzeugen.
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Die Validierung in diesem Zusammenhang dient der korrekten Bestimmung des Füllstands des Behälters. Im Netzwerkelement können die weiteren, oben bezüglich der Steuereinheit beschriebenen Funktionen implementiert sein. So können die eine oder mehreren Linearisierungskurven im Netzwerk oder im Netzwerkelement gespeichert sein, auf die das Netzwerkelement Zugriff hat, die Diagnoseinformation erzeugen und an weitere Netzwerkelement weitergeben oder an den Sensor. Durch eine Kommunikation des Netzwerkelements mit dem Sensor kann das Ergebnis des Vergleichs an den Sensor gesendet werden, so dass dieser Diagnoseinformationen lokal anzeigen, speichern kann und/oder seine Parametrierung ändern kann.
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Teile des Sensorsystems bzw. der Funktionen des Sensorsystems können auch im Sensor implementiert sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung und Validierung eines Messwerts bereitgestellt, das folgende, durch eine Steuereinheit eines Sensors ausgeführte Schritte aufweist: Erhalten eines ersten Messwerts einer ersten Füllhöhe von einer Messeinrichtung des Sensors, Erhalten eines zweiten Messwerts einer zweiten Füllhöhe von der Messeinrichtung des Sensors, Berechnen eines Füllhöhenerwartungswerts der zweiten Füllhöhe aus dem ersten Messwert und einer externen Füllmengenänderungsinformation, Vergleichen des Füllhöhenerwartungswerts mit dem zweiten Messwert, und Erzeugen, zumindest im Falle einer Abweichung des Füllhöhenerwartungswert von dem zweiten Messwert, einer Abweichinformation.
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Ein entsprechendes Verfahren kann für die Sensoranordnung angegeben werden, in der die Schritte teilweise von dem Netzwerkelement durchgeführt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung eines Füllstandsensors zur Bestimmung und Validierung einer Füllhöhe und/oder zur Ermittlung einer Behälterart bereitgestellt.
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Wie bereits beschrieben, kann die Steuereinheit über einen Vergleich des zweiten Messwerts mit einem dem Füllvolumen entsprechenden Wert auf der Linearisierungskurve die Behälterart bzw. die Behälterform bestimmen.
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Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann bei der Durchführung der beanspruchten Erfindung durch das Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer Gegenstände oder Schritte erfüllen, die in den Ansprüchen aufgeführt sind. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 zeigt ein Diagramm eines Sensors gemäß einer Ausführungsform,
- 2 zeigt ein Diagramm einer Sensoranordnung gemäß einer Ausführungsform,
- 3 die Schritte des Verfahrens zur Validierung eines Füllstands in einem Behälter durch einen Sensor,
- 4 ein Diagramm eines Behälters und einer zugeordneten Linearisierungskurve.
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Ausführungsbeispiele
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Diagramm eines Sensors 100 gemäß einer Ausführungsform. Der Sensor 100 zur Bestimmung und Validierung eines Füllstands eines Behälters bzw. der Validierung des Messwertes für den Füllstand. Der Sensor 100 weist eine Messeinrichtung 102, eine Steuereinheit 112 mit einem Speicher 106, sowie eine Kommunikationseinheit 108 und eine Kommunikationsschnittstelle 114 zur Kommunikation mit einem Netzwerk 110 auf. Wie in 4 illustriert, misst die Messeinrichtung 102 in zeitlichen Abstand einen ersten Füllstand h0 und einen zweiten Füllstand h1 eines Behälters 400. Die Füllstände h0, h1 können zum Beispiel jeweils als Abstand vom Sensor zur Oberfläche des Füllmediums gemessen werden. Die Messeinrichtung 102 übermittelt den ersten und den zweiten Messwert an die Steuereinheit 112. Die Steuereinheit 112 empfängt die Messwerte von der Messeinrichtung 102 sowie aus dem Netzwerk 110 über die Kommunikationsschnittstelle 114 eine Information, wie sich die Füllmenge zwischen der Messung des ersten Füllstands h0 und der Messung des zweiten Füllstands h1 geändert hat. Die Information kann dabei beispielsweise zwei absolute Werte der zu den Zeitpunkten der Messungen erhaltenen oder entnommenen Füllmengen enthalten oder bereits die Differenz. Die Steuereinheit 112 greift auf den Speicher 106 zu, der eine Linearisierungskurve 402 enthält, die eine Beziehung wischen der Füllmenge und der Füllhöhe darstellt und mittels derer die Steuereinheit 112 einen Füllhöhenerwartungswert der zweiten Füllhöhe h1 ausgehend von der ersten Füllhöhe h0 berechnet basierend auf der Information über die Füllmengenänderung. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die erste Füllhöhe n0 korrekt ist. Beispielsweise wurde sie bereits auf die gleiche Art und Weise validiert, wie der zweite Messwert. Die Steuereinheit 112 vergleicht nun den Füllhöhenerwartungswert mit dem zweiten Messwert. Stellt die Steuereinheit 112 eine Abweichung fest, erzeugt sie eine Abweichinformation bzw. eine Diagnoseinformation, die sie lokal anzeigen und/oder speichern kann. Sie kann weitere Maßnahmen treffen, wie z.B. die Parametrierung des Sensors ändern und beispielsweise eine Störausblendung konfigurieren. In dem Speicher 106 können Linearisierungskurven für unterschiedliche Behälter gespeichert sein. In diesem Fall kann die Steuereinheit 112 ermitteln, bei welcher Linearisierungskurve die Abweichung zum Vergleichswert am Kleinsten ist, und damit diese Linearisierungskurve auch für weitere Messungen zur Ermittlung des Füllstands und/oder Validierung verwenden. Hierdurch kann sie ferner die Behälterform oder Behälterart bestimmen, wenn eine derartige Beziehung zu einer Form oder Art mit abgespeichert ist.
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2 zeigt ein Diagramm einer Sensoranordnung 200 gemäß einer Ausführungsform. Die Ermittlung des Füllstands und die Validierung wird ähnlich wie für den Sensor in 1 beschrieben, jedoch mit dem Unterschied, dass verschieden Funktionalitäten in das Netzwerk 110, beispielsweise ein loT-Netzwerk oder eine Cloud, ausgelagert sind. In der Cloud 110 befindet sich der Speicher 106 mit der Linearisierungskurve sowie ein Netzwerkelement 104. Die Steuereinheit sendet die Messwerte über die Kommunikationsschnittstelle 114 an das Netzwerkelement 104. Das Netzwerkelement 104 empfängt die Messwerte, greift auf den Speicher 106 zu, berechnet den Füllhöhenerwartungswert und berechnet die Abweichung zu dem zweiten Messwert. Das Netzwerkelement 104 kann nun Maßnahmen auslösen und/oder eine Information über das Ergebnis des Vergleichs, z.B. eine Diagnoseinformation an den Sensor übermitteln. Auch der Sensor kann einen Speicher aufweisen, in welchem in diesem Beispiel nur die dem Behälter entsprechende Linearisierungskurve enthält. So kann die vorhandene Linearisierungskurve validiert werden oder von dem Netzwerkelement 106 aktualisiert werden.
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3 zeigt die Schritte des Verfahrens zum Bestimmen und Validieren eines Füllstands in einem Behälter durch einen Sensor. Das Verfahren wird in der Steuereinheit 112 des Sensors 100 ausgeführt und weist folgende Schritte auf. In einem ersten Schritt 302 erhält die Steuereinheit einen ersten Messwert einer ersten Füllhöhe von der Messeinrichtung des Sensors. Im Schritt 304 erhält die Steuereinheit einen zweiten Messwert einer zweiten Füllhöhe von der Messeinrichtung des Sensors. In Schritt 306 berechnet die Steuereinheit einen Füllhöhenerwartungswert der zweiten Füllhöhe aus dem ersten Messwert und einer externen Füllmengenänderungsinformation. In Schritt 308 vergleicht die Steuereinheit den Füllhöhenerwartungswert mit dem zweiten Messwert, und in Schritt 310 erzeugt die Steuereinheit eine Abweichinformation, zumindest im Falle einer Abweichung des Füllhöhenerwartungswert von dem zweiten Messwert.
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Wird eine Abweichung festgestellt, kann eine Diagnoseinformation ausgegeben werden. Sind eine oder mehrere Linearisierungskurven im Netzwerk oder im Netzwerkelement gespeichert, auf die das Netzwerkelement Zugriff hat, kann das Netzwerkelement eine Diagnoseinformation erzeugen und an weitere Netzwerkelemente oder an den Sensor weitergeben. Durch eine Kommunikation des Netzwerkelements mit dem Sensor kann das Ergebnis des Vergleichs an den Sensor gesendet werden, so dass dieser Diagnoseinformationen lokal anzeigen und/oder speichern kann und seine Parametrierung ändern kann.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Sensor
- 102
- Messeinrichtung
- 104
- Netzwerkelement
- 106
- Speicher
- 108
- Kommunikationseinheit
- 110
- Datennetzwerk / Cloud / loT
- 112
- Steuereinheit
- 114
- Kommunikationsschnittstelle (drahtlos/drahtgebunden)
- 200
- Sensoranordnung
- 300
- Verfahren
- 302
- erster Schritt des Verfahrens
- 304
- zweiter Schritt des Verfahrens
- 306
- dritter Schritt des Verfahrens
- 308
- vierter Schritt des Verfahrens
- 310
- fünfter Schritt des Verfahrens
- 400
- Behälter
- 402
- Linearisierungskurve
