DE102022128063A1 - Transmission of spatially resolved level measurements - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Daten-Komprimierung von dreidimensionalen Füllgut-Profilen bzw. die Komprimierung derjenigen ortsbezogenen Füllstandswerte (Lx;y), die dem entsprechenden Füllgut-Profil zugrunde liegen und von einem dreidimensional ortsauflösenden Füllstandsmessgerät (1) erfasst werden. Hierzu erstellt eine Auswerte-Einheit des Füllstandsmessgerätes (1) ein geometrisches Modell (MG), indem die ortsbezogenen Füllstandswerte (Lx;y) durch zumindest einen geometrischen Körper (z1, k1, k2 ,B) approximiert werden, bspw. auf Basis künstlicher Intelligenz. Vorteilhaft an dieser erfindungsgemäßen Idee ist, dass geometrische Körper (z1, k1, k2 ,B) potenziell mit einer deutlich geringeren Datenmenge beschreibbar sind, als die korrespondierenden Füllstandswerte (Lx;y) des entsprechenden Teilbereichs auf der Füllgut-Oberfläche. Hierdurch kann das Füllstandsmessgerät (1) das geometrische Modell (MG) über eine interne Kommunikations-Einheit an externe Einheiten, wie bspw. eine Prozessleitstelle übertragen, auch wenn das entsprechende Übertragungs-Protokoll beispielsweise aufgrund von Explosionsschutz-Vorschriften nur eine sehr begrenzte Datenrate zulässt.The invention relates to data compression of three-dimensional filling material profiles or the compression of those location-related filling level values (Lx;y) that form the basis of the corresponding filling material profile and are recorded by a three-dimensional, location-resolving filling level measuring device (1). For this purpose, an evaluation unit of the filling level measuring device (1) creates a geometric model (MG) in which the location-related filling level values (Lx;y) are approximated by at least one geometric body (z1, k1, k2, B), for example on the basis of artificial intelligence. The advantage of this inventive idea is that geometric bodies (z1, k1, k2, B) can potentially be described with a significantly smaller amount of data than the corresponding filling level values (Lx;y) of the corresponding partial area on the filling material surface. This enables the level measuring device (1) to transmit the geometric model (MG) to external units, such as a process control center, via an internal communication unit, even if the corresponding transmission protocol only allows a very limited data rate, for example due to explosion protection regulations.
Description
Die Erfindung betrifft ein ortsauflösendes Füllstandsmessgerät sowie ein Verfahren zur effizienten Datenübertragung der entsprechenden Füllstandswerte.The invention relates to a spatially resolving level measuring device and a method for the efficient data transmission of the corresponding level values.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden zur Erfassung relevanter Prozessparameter entsprechende Feldgeräte eingesetzt. Zwecks Erfassung der Prozessparameter sind in den jeweiligen Feldgeräten daher geeignete Messprinzipien implementiert, mit denen die entsprechenden Prozessparameter, wie Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder Leitfähigkeit erfassbar sind. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen werden von der Firmengruppe „Endress + Hauser“ hergestellt und vertrieben.In process automation technology, appropriate field devices are used to record relevant process parameters. In order to record the process parameters, suitable measuring principles are implemented in the respective field devices with which the corresponding process parameters, such as level, flow, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity, can be recorded. A wide variety of such field device types are manufactured and sold by the “Endress + Hauser” group of companies.
Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich berührungslose Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Dabei werden unter dem Begriff „Behälter“ im Rahmen der Erfindung auch nicht-abgeschlossene Behältnisse, wie beispielsweise Becken, Seen oder fließende Gewässer verstanden. Ein weiterer Vorteil berührungsloser Messverfahren besteht in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich messen zu können. Im Bereich der kontinuierlichen Füllstandsmessung werden daher vorwiegend Radar-basierte Messverfahren eingesetzt (im Kontext dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Radar“ auf Signale bzw. elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz).Contactless measuring methods have been established for measuring the fill level of filling goods in containers because they are robust and low-maintenance. In the context of the invention, the term "container" also includes non-enclosed containers, such as basins, lakes or flowing water. Another advantage of contactless measuring methods is the ability to measure the fill level almost continuously. In the field of continuous fill level measurement, radar-based measuring methods are therefore mainly used (in the context of this patent application, the term "radar" refers to signals or electromagnetic waves with frequencies between 0.03 GHz and 300 GHz).
Ein etabliertes Messprinzip bildet hierbei FMCW („Frequency Modulated Continuous Wave“). Das Messprinzip von FMCW- Radar basierten Entfernungsmessverfahren beruht darauf, ein kontinuierliches Radar-Signal mit einer modulierten Frequenz auszusenden. Kennzeichnend für FMCW ist hierbei, dass die Sende-Frequenz periodisch innerhalb eines definierten Frequenzbandes geändert wird. Unter Berücksichtigung der regulatorischen Vorschriften kommen mit fortschreitender Entwicklung verbreitet höhere Frequenzbänder im Bereich einer standarisierten Mittenfrequenz zum Einsatz: Neben dem 6 GHz-Band, dem 26 GHz-Band oder dem 79 GHz-Band sind mittlerweile Frequenz von über 100 GHz implementiert. Vorteilhaft an hohen Frequenzen ist, dass bei höheren Frequenzen eine größere absolute Bandbreite (bspw. 4 GHz beim 100 GHz-Frequenzband) genutzt werden kann. Dadurch wird wiederum eine höhere Auflösung bzw. eine höhere Genauigkeit der Füllstandsmessung erreicht.An established measuring principle is FMCW (“Frequency Modulated Continuous Wave”). The measuring principle of FMCW radar-based distance measuring methods is based on transmitting a continuous radar signal with a modulated frequency. A characteristic of FMCW is that the transmission frequency is periodically changed within a defined frequency band. Taking regulatory requirements into account, higher frequency bands in the range of a standardized center frequency are increasingly being used as development progresses: In addition to the 6 GHz band, the 26 GHz band or the 79 GHz band, frequencies of over 100 GHz have now been implemented. The advantage of high frequencies is that a larger absolute bandwidth (e.g. 4 GHz in the 100 GHz frequency band) can be used at higher frequencies. This in turn achieves a higher resolution and a higher accuracy of the level measurement.
Die zeitliche Änderung der Frequenz innerhalb des Frequenzbandes ist standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise DreiecksForm auf. Eine Sinus-förmige Änderung kann prinzipiell auch implementiert sein. Die Entfernung wird beim FMCW-Verfahren auf Basis der momentanen Frequenzdifferenz zwischen dem aktuell empfangenen Hochfrequenzsignal nach Reflektion am Messobjekt, und dem momentan vom Messgerät ausgesendeten Radar-Signal bestimmt. Beschrieben wird das FMCW-basierte Füllstandsmessverfahren beispielsweise in der Offenlegungsschrift
Mit dem FMCW-Verfahren ist es möglich, die Entfernung bzw. den Füllstand zumindest punktuell zu messen. Dabei richtet sich der Punkt, an dem der Füllstand gemessen wird, nach der Ausrichtung der Sende-/ Empfangsantenne bzw. nach der Richtung ihrer Strahlkeule (aufgrund der allgemein reziproken Eigenschaften von Antennen ist die Charakteristik bzw. der Strahlwinkel der Strahlkeule der jeweiligen Antenne unabhängig davon, ob sie sendet oder empfängt; bei dem Begriff „Winkel“ oder „Strahlwinkel“ handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung um denjenigen Winkel, in dem die Strahlkeule ihre maximale Sende-Intensität bzw. Empfangs-Empfindlichkeit aufweist).The FMCW method makes it possible to measure the distance or the fill level at least at certain points. The point at which the fill level is measured depends on the orientation of the transmitting/receiving antenna or the direction of its beam lobe (due to the generally reciprocal properties of antennas, the characteristics or beam angle of the beam lobe of the respective antenna are independent of whether it is transmitting or receiving; the term "angle" or "beam angle" in the context of this patent application refers to the angle at which the beam lobe has its maximum transmission intensity or reception sensitivity).
Im Falle von flüssigen Füllgütern, deren Füllstand homogen ist, ist eine punktuelle Füllstandsmessung ausreichend. In diesen Fällen ist das Füllstandsmessgerät so ausgerichtet, dass die Strahlkeule der Antenne in etwa senkrecht nach unten gen Füllgut gerichtet ist und die Entfernung zum Füllgut bestimmt. Bei feststoffartigen Füllgütern wie Kies oder Getreide kann der Füllstand beispielsweise aufgrund von Schüttgutkegeln jedoch inhomogen sein, so dass der vom Füllstandsmessgerät ermittelte Füllstandswert nur bedingt aussagekräftig ist. Speziell in solchen Fällen ist es daher erstrebenswert, die Entfernung bzw. den Füllstand ortsaufgelöst in Form eines zwei- oder dreidimensionalen Profils bestimmen zu können. Neben der exakten Volumenschätzung bietet insbesondere die visuelle 3D-Darstellung abbildender Füllstandsmessgeräte hohen Nutzen zur Automatisierung von Befüll- und Abbauprozessen. Außerdem können durch die Visualisierung gefährliche Füllzustände bemerkt und vermeiden werden, womit sich die Zuverlässigkeit und Sicherheit entsprechenden Prozessanlagen erhöhen lässt.In the case of liquid filling materials with a homogeneous filling level, a point-based filling level measurement is sufficient. In these cases, the filling level measuring device is aligned so that the beam of the antenna is directed approximately vertically downwards towards the filling material and determines the distance to the filling material. However, in the case of solid filling materials such as gravel or grain, the filling level can be inhomogeneous due to bulk material cones, for example, so that the filling level value determined by the filling level measuring device is only partially meaningful. In such cases in particular, it is therefore desirable to be able to determine the distance or filling level with spatial resolution in the form of a two- or three-dimensional profile. In addition to the exact volume estimate, the visual 3D representation of imaging filling level measuring devices in particular offers great benefits for the automation of filling and dismantling processes. In addition, the visualization can be used to detect and avoid dangerous filling conditions, which can increase the reliability and safety of the corresponding process plants.
Zur ortsauflösenden Füllstandsmessung kann die Strahlkeule des Radarbasierten Füllstandsmessgerätes mechanisch schwenkbar ausgelegt werden, damit das Füllgut-Profil über den gesamten Behälter-Querschnitt oder zumindest einen Teilbereich der Füllgut-Oberfläche erfasst werden kann. Aufgrund des erhöhten Wartungsaufwands sind solche Ausführungsformen jedoch lediglich in Sonderanwendungen, wie bspw. im Bergbau verwendet.For spatially resolving level measurement, the beam of the radar-based level measuring device can be designed to be mechanically pivotable so that the filling material profile can be measured across the entire container cross-section. section or at least a partial area of the filling material surface can be detected. Due to the increased maintenance effort, such designs are only used in special applications, such as in mining.
Auch Radar-basierte Entfernungsmessgeräte, bei denen die Strahlkeule elektrisch schwenkbar ist, sind aus dem Stand der Technik bekannt: Unter anderem kann das so genannte „Phased-Array“ Prinzip genutzt werden, bei dem das Messgerät mehrere Antennen umfasst, wobei deren Radar-Signale auswertungstechnisch überlagert werden. Die Antennen sind hierbei reihenförmig (Strahlschwenkung entlang einer Achse) oder in einem Array (Strahlschwenkung um zwei Achsen) angeordnet. Um das Hochfrequenzsignal unter einem definierten Winkel abzustrahlen bzw. zu empfangen, werden die einzelnen Antennen gemäß deren Anordnungsreihenfolge mit einer pro Antenne zunehmenden Phasenverschiebung angesteuert. Dabei stellt sich der Winkel α der Strahlkeule in Abhängigkeit der Phasenverschiebung φ gemäß
Nach dem Stand der Technik kann die hierfür erforderliche Hardware bereits so kompakt integriert werden, dass die Antennen als Patch-Antennen zusammen mit dem Halbleiterbauteil für die Signalerzeugung/ Signalauswertung auf einer gemeinsamen Leiterplatte bzw. sogar als gemeinsam gekapselter Radar-IC („Integrated Circuit“) untergebracht sind. Ein nach dem Phased-Array-Prinzip arbeitendes Entfernungsmessgerät ist unter anderem in der deutschen Veröffentlichungsschrift
Neben dem Phased-Array-Prinzip können ortsauflösende Radar-Messgeräte alternativ auch auf Basis digitaler Strahlformung (besser im Englischen als „Digital Beam Forming“) ausgelegt werden. Hierbei erhält jede Antenne des Antennen-Arrays eine eigene Signalverarbeitung und eine eigene Digitalisierung. Das empfangene Radar-Signal wird sowohl hinsichtlich seiner Amplitude als auch seiner Phasenlage mit einem entsprechenden Verfahren digitalisiert. Die Summierung erfolgt digital nach einer virtuellen Phasenverschiebung und Amplitudenskalierung in einem speziellen Rechner, dem sogenannten Strahlformungsprozessor („Beamform Processor“). Mit der digitalen Strahlformung kann die Strahlungscharakteristik der Antenne so geformt werden, dass sie mehrere unabhängige Hauptkeulen für verschiedene Richtungen hat. Sowohl mittels digitaler Strahlformung, als auch mittels des Phased-Array-Prinzips kann potenziell eine hohe laterale und vertikale Ortsauflösung der Füllstandsmessung erreicht werden.In addition to the phased array principle, spatially resolving radar measuring devices can alternatively be designed on the basis of digital beam forming. In this case, each antenna in the antenna array has its own signal processing and its own digitization. The received radar signal is digitized in terms of both its amplitude and its phase position using an appropriate process. The summation takes place digitally after a virtual phase shift and amplitude scaling in a special computer, the so-called beamform processor. With digital beam forming, the radiation characteristics of the antenna can be shaped so that it has several independent main lobes for different directions. Both digital beam forming and the phased array principle can potentially achieve a high lateral and vertical spatial resolution of the level measurement.
Durch die hohe Auflösung ist auch die Datenmenge an erfassten, ortsbezogenen Füllstandswerten entsprechend hoch. Problematisch ist eine hohe Datenmenge jedoch insbesondere bei solchen Füllstandsmessgeräte-Typen, die erhöhten Explosionsschutz-Anforderungen unterliegen. In diesen ist der Leistungsübertrag und somit die maximale Datenübertragungsrate stark begrenzt. Dennoch ist es auch unter solchen Einsatzbedingungen oft wichtig, einen möglichst aktuellen Überblick über den ortsaufgelösten Füllstand zu behalten. Daher ist es nur begrenzt möglich, die Rate, mit der das Füllgut-Profil aktualisiert bzw. neu erfasst wird, zu minimieren. Eine zu starke Ausdünnung der Datenmenge pro aktualisiertem Füllgut-Profil kann wiederum dazu führen, dass Raster des Füllgut-Profils nicht mehr engmaschig genug ist.Due to the high resolution, the amount of data recorded for location-based level values is correspondingly high. However, a large amount of data is particularly problematic for level measuring device types that are subject to increased explosion protection requirements. In these, the power transfer and thus the maximum data transfer rate is severely limited. Nevertheless, even under such operating conditions, it is often important to maintain as up-to-date an overview of the location-resolved level as possible. It is therefore only possible to a limited extent to minimize the rate at which the filling material profile is updated or newly recorded. If the amount of data per updated filling material profile is thinned out too much, this can in turn lead to the filling material profile grid no longer being fine enough.
Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, ein dreidimensional auflösendes Füllstandsmessgerät bereitzustellen, welches diesen sich entgegenstehenden Auslegungsanforderungen möglichst gerecht wird.It is therefore an object of the invention to provide a three-dimensionally resolving level measuring device which meets these conflicting design requirements as best as possible.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Füllstandsmessgerät zur Ermittlung eines geometrischen Modells von zumindest einem Teilbereich der Oberfläche eines Füllgutes. Hierzu umfasst das Füllstandsmessgerät zumindest folgende Komponenten:
- - Eine Sende-/Empfangs-Einheit, die ausgelegt ist,
- ◯ um Radar-Signale mit lateral veränderbarem Ortsbezug gen Füllgut auszusenden, und
- ◯ um nach Reflektion an einem entsprechenden Ort der Füllgut-Oberfläche entsprechende-Empfangs-Signale zu empfangen, und
- - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist,
- ◯ anhand der Empfangs-Signale ortsbezogene Füllstandswerte zu ermitteln, und
- ◯ um das geometrische Modell zu erstellen, indem die ortsbezogenen Füllstandswerte durch einen oder mehrere geometrische Körper approximiert werden.
- - A transmitting/receiving unit designed
- ◯ to transmit radar signals with laterally variable location reference to the filling material, and
- ◯ to receive corresponding reception signals after reflection at a corresponding location on the product surface, and
- - an evaluation unit designed
- ◯ to determine location-related fill level values based on the received signals, and
- ◯ to create the geometric model by approximating the location-related level values using one or more geometric bodies.
Die Erfindung basiert somit auf der Idee, zumindest die relevanten Teilbereiche der Füllgut-Oberfläche, welche durch die ortsbezogenen Füllstandswerte dargestellt sind, durch geometrische Körper approximativ darzustellen. Vorteilhaft hieran ist, dass geometrische Körper potenziell mit einer deutlich geringeren Datenmenge beschreibbar sind, als die korrespondierenden Füllstandswerte des entsprechenden Teilbereichs auf der Füllgut-Oberfläche. Hierdurch kann das Füllstandsmessgerät das geometrische Modell über eine Kommunikations-Einheit an externe Einheiten, wie bspw. die Prozessleitstelle übertragen, auch wenn das entsprechende Übertragungs-Protokoll nur eine sehr begrenzte Datenrate zulässt. Dabei kann die Kommunikations-Einheit bei entsprechender Auslegung die Aktualisierungs-Rate, mit welcher sie das jeweils aktuelle Modell an die externe Einheit übertragt, insbesondere antiproportional in Abhängigkeit der Approximations-Dauer einstellen, damit der Prozessleitstelle durchgehend ein möglichst aktuelles Modell vorliegt.The invention is therefore based on the idea of approximately representing at least the relevant sub-areas of the filling material surface, which are represented by the location-related filling level values, using geometric bodies. The advantage of this is that geometric bodies can potentially be described with a significantly smaller amount of data than the corresponding filling level values of the corresponding sub-area on the filling material surface. This enables the filling level measuring device to transmit the geometric model to external units, such as the process control center, via a communication unit, even if the corresponding transmission protocol only allows a very limited data rate. If designed accordingly, the communication unit can set the update rate with which it transmits the current model to the external unit, in particular inversely proportional to the approximation duration, so that the process control center always has the most current model possible.
Unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jegliche separate Anordnung bzw. Kapselung derjenigen elektronischen Schaltungen verstanden, die für den konkreten Einsatzzweck, bspw. zur Messsignal-Verarbeitung oder als Schnittstelle vorgesehen sind. Die jeweilige Einheit kann also je nach Einsatzzweck entsprechende Analogschaltungen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung analoger Signale umfassen. Die Einheit kann jedoch auch Digitalschaltungen, wie FPGAs, Microcontroller oder Speichermedien in Zusammenwirken mit entsprechenden Programmen umfassen. Dabei ist das Programm ausgelegt, die erforderlichen Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Schaltungen der jeweiligen Einheit im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. mittels derselben physikalischen Digitalschaltung betrieben werden. Dabei ist es nicht relevant, ob verschiedene elektronische Schaltungen innerhalb der Einheit auf einer gemeinsamen Leiterkarte oder auf mehreren, miteinander verbundenen Leiterkarten angeordnet sind.In the context of the invention, the term "unit" is understood to mean in principle any separate arrangement or encapsulation of those electronic circuits that are intended for the specific purpose, e.g. for measuring signal processing or as an interface. Depending on the purpose, the respective unit can therefore comprise corresponding analog circuits for generating or processing analog signals. However, the unit can also comprise digital circuits such as FPGAs, microcontrollers or storage media in conjunction with corresponding programs. The program is designed to carry out the necessary process steps or to apply the necessary computing operations. In this context, different electronic circuits of the respective unit within the meaning of the invention can potentially also access a common physical memory or be operated using the same physical digital circuit. It is not relevant whether different electronic circuits within the unit are arranged on a common circuit board or on several interconnected circuit boards.
Als Approximations- Algorithmus für das geometrische Modell kann in der Auswerte-Einheit beispielweise die Methode der kleinsten Quadrate (besser im Englischen bekannt als „Least Square“) oder ein maschineller Lern-Algorithmus, insbesondere ein künstliches neuronales Netz, implementiert werden. Dabei kann als Zielgröße beispielsweise derjenige Faktor definiert werden, um welchen die Datenmenge reduziert wird. Als Zielgröße kann beispielsweise vorgegeben werden, die Anzahl, die Form und/oder die Größe der geometrischen Körper so zu wählen, dass die Datenmenge des Modells in Bezug zu den ortsbezogenen Füllstandswerten um bspw. einen Faktor 102, 103 oder 104 komprimiert wird. Dabei kann entweder dem Approximations-Algorithmus die Entscheidung überlassen werden, welche Arten an geometrischen Körpern zur Approximation herangezogen werden. Denkbar ist es jedoch auch, dem Approximations- Algorithmus die Art(en) die Art des geometrischen Körpers fest vorzugeben. Vorteilhaft könnte dies beispielsweise sein, wenn die Form der Füllgut-Oberfläche aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Füllgutes der konkreten Prozessanwendung, wie beispielsweise der Korngröße, bereits grob bekannt ist. Unabhängig hiervon kann als geometrischer Körper zur Approximation des Modells beispielsweise ein oder mehrere Quader, Kegel Zylinder, Ogive und/oder Kugelausschnitte herangezogen werden. Dabei werden die geometrischen Körper zur Erstellung des Models vorzugsweise entsprechend logischer und/oder arithmetischer Operationen, insbesondere Vereinigung, Schnitt und/oder Differenz, verknüpft, sofern mehrere geometrische Körper zur Approximation herangezogen werden.The approximation algorithm for the geometric model can be implemented in the evaluation unit, for example, using the least squares method (better known in English as “least square”) or a machine learning algorithm, in particular an artificial neural network. The target variable can be defined, for example, as the factor by which the amount of data is reduced. The target variable can be, for example, to select the number, shape and/or size of the geometric bodies in such a way that the amount of data in the model is compressed by a factor of 10 2 , 10 3 or 10 4 in relation to the location-related fill level values. The approximation algorithm can be left to decide which types of geometric bodies are used for the approximation. However, it is also conceivable to specify the type(s) of geometric body to the approximation algorithm. This could be advantageous, for example, if the shape of the filling material surface is already roughly known due to the physical properties of the filling material of the specific process application, such as the grain size. Irrespective of this, one or more cuboids, cones, cylinders, ogives and/or sphere sections can be used as geometric bodies to approximate the model. The geometric bodies are preferably linked to create the model using logical and/or arithmetic operations, in particular union, intersection and/or difference, if several geometric bodies are used for the approximation.
Sofern der Auswerte-Einheit die Geometrie des lateralen Innenquerschnittes des konkreten Behälters bekannt ist, und sofern das geometrische Modell für die gesamte Füllgut-Oberfläche zu erstellen ist, kann die Auswerte-Einheit die extrudierte Innenquerschnittsform zur Approximation des geometrischen Modells optional miteinbeziehen. Hierdurch kann der Rechenaufwand zur Erstellung des Modells bzw. die Genauigkeit des Modells verbessert werden. Dabei ist diese Variante nicht nur bei Behältern anwendbar, deren Innenquerschnitt über die Höhe konstant ist. Sofern der InnenquerschnittsForm bzw. Fläche von der Höhe abhängt, ist es möglich, die Geometrie des lateralen Innenquerschnittes in das Modell miteinzubeziehen, sofern beispielsweis die Abhängigkeit der Innenquerschnitts-Form/Fläche von der Höhe bekannt ist.If the evaluation unit knows the geometry of the lateral inner cross-section of the specific container and if the geometric model is to be created for the entire filling material surface, the evaluation unit can optionally include the extruded inner cross-section shape to approximate the geometric model. This can improve the computational effort required to create the model or the accuracy of the model. This variant is not only applicable to containers whose inner cross-section is constant over the height. If the inner cross-section shape or area depends on the height, it is possible to include the geometry of the lateral inner cross-section in the model, provided, for example, that the dependency of the inner cross-section shape/area on the height is known.
Im Rahmen der Erfindung ist es nicht relevant, welches Prinzip zur ortsauflösenden Radar-Messung im Füllstandsmessgerät implementiert ist. Die Sende-/Empfangs-Einheit kann beispielsweise ausgelegt werden, um die Radar-Signale mittels des Phased-Array-Prinzips oder mittels des Digital Beam Forming Prinzips mit lateral veränderbarem Ortsbezug auszusenden und Empfangs-Signale entsprechend zu empfangen. Korrespondierend zu dem in der Sende-/Empfangs-Einheit implementierten Prinzip muss auch die Auswerte-Einheit ausgelegt sein, um die ortsbezogenen Füllstandswerte mittels des jeweiligen Prinzips zu ermitteln.Within the scope of the invention, it is not relevant which principle for spatially resolving radar measurement is implemented in the level measuring device. The transmitting/receiving unit can, for example, be designed to transmit the radar signals using the phased array principle or the digital beam forming principle with a laterally variable location reference and to receive reception signals accordingly. Corresponding to the principle implemented in the transmitting/receiving unit, the evaluation unit must also be designed to determine the location-related level values using the respective principle.
Korrespondierend zu dem zuvor beschriebenen Füllstandsmessgerät umfasst die Erfindung zudem das folgende Verfahren zur Erstellung eines geometrischen Modells von zumindest einem Teilbereich der Oberfläche eines Füllgutes. Hierzu sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
- - Aussenden von Radar-Signalen gen Füllgut mit jeweils lateral verändertem Ortsbezug,
- - Empfang der entsprechenden Radar-Signale nach Reflektion an den verschiedenen Orten auf der Füllgut-Oberfläche,
- - Ermittlung ortsbezogener Füllstandswerte anhand der Empfangs-Signale, und
- - Erstellung des geometrischen Modells, indem die ortsbezogenen Füllstandswerte durch zumindest einen geometrischen Körper approximiert werden.
- - Transmission of radar signals towards the filling material with laterally changed location reference,
- - Reception of the corresponding radar signals after reflection at the various locations on the product surface,
- - Determination of location-related level values based on the received signals, and
- - Creation of the geometric model by approximating the location-related fill level values by at least one geometric body.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : Ein ortsauflösendes Füllstandsmessgerät an einem Behälter, -
2 : eine erfindungsgemäße Modellierung der Füllgut-Oberfläche.
-
1 : A spatially resolving level measuring device on a container, -
2 : an inventive modelling of the filling material surface.
Zum Verständnis der Erfindung ist in
Um den Füllstand L bestimmen zu können, ist ein Radar-basiertes Füllstandsmessgerät 1 oberhalb des Füllgutes 2 in einer bekannten Einbauhöhe h über der Sole des Behälter 3 angebracht. Dabei ist das Füllstandsmessgerät 1 derart an einer entsprechenden Öffnung des Behälters 3 befestigt, so dass Radar-Signale SHF, RHF über eine Antennen-Anordnung in den Behälter 3 hinein vertikal nach unten gen Füllgut 2 ausgesendet bzw. nach deren Reflektion an der Füllgut-Oberfläche empfangen werden können. Dementsprechend kann das Füllstandsmessgerät 1 im Wesentlichen außerhalb des Behälters 3 angeordnet sein.In order to be able to determine the fill level L, a radar-based fill
Nach Reflektion der ausgesandten Radar-Signale SHF an der Füllgut-Oberfläche empfängt das Füllstandsmessgerät 1 die reflektierten Radar-Signale RHF. Dabei ist die resultierende Signallaufzeit t zwischen Aussenden und Empfang des jeweiligen Radar-Signals SHF, RHF gemäß
Beispielsweise nach einer entsprechenden Kalibration kann das Füllstandsmessgerät 1 die gemessene Signallaufzeit t wiederum dem jeweiligen Abstand d zuordnen. Hierüber kann das Füllstandsmessgerät 1 gemäß
In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine eigene Kommunikations-Einheit, in welcher als Kommunikations-Protokoll beispielweise „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ implementiert ist, mit einer übergeordneten Einheit 4, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einem dezentralen Server-System verbunden. Hierüber können die gemessenen Füllstandswerte L übermittelt werden, beispielsweise um etwaige Zu- oder Abflüsse des Behälters 3 zu steuern. Über dien Kommunikations-Einheit können jedoch auch anderweitige Informationen über den allgemeinen Betriebszustand des Füllstandsmessgerätes 1 kommuniziert werden.As a rule, the
Bei dem in
Aus diesem Grund bestimmt das in
Dreidimensionale Füllgutoberflächen-Profile, die auf den ermittelten Füllstandswerten Lx;y basieren, lassen sich beispielsweise nummerisch in Form von Netzen oder Volumenzellen beschreiben. Für eine hinreichend genaue Beschreibung sind dazu entsprechend viele Stützwerte und damit sehr große Datenmengen erforderlich. Beispielsweise ergibt die Beschreibung des mit einem ortsauflösenden Radarmessgerätes gemessenen Behälterinhalts mit 180 Azimut, 180 Elevation und 500 Entfernungszellen als Volumenzellen bereits 16 Mbit an Datenmenge. Selbst bei einer Datenreduktion von über 90% ist die resultierende Datenmenge für Schmalbandfunknetze und „HART“ im „4-20 mA“-Betrieb in Zeiträumen von wenigen Minuten nicht zu übertragen.Three-dimensional product surface profiles based on the determined fill level values L x;y can be described numerically in the form of networks or volume cells, for example. For a sufficiently accurate description, a corresponding number of support values and thus very large amounts of data are required. For example, the description of the container contents measured with a spatially resolving radar measuring device with 180 azimuth, 180 elevation and 500 distance cells as volume cells already results in 16 Mbit of data. Even with a data reduction of over 90%, the resulting data volume for narrowband radio networks and "HART" in "4-20 mA" operation cannot be transmitted in periods of a few minutes.
Vor allem, sofern die Kommunikations-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 also auf dem 4-20 mA Übertragungs-Standard basiert oder aufgrund von Explosionsschutz-Vorschriften in sonstiger Weise in seiner Datenübertragungsrate limitiert wird, ist eine verzögerungsfreie Übertragung des kompletten Datensatzes der gerasterten Füllstandswerte Lx;y je nach Größe des Datensatzes nicht möglich, obwohl dies zur Steuerung von Pumpen oder Abflüssen ggf. erforderlich ist.In particular, if the communication unit of the
Daher erstellt die Auswerte-Einheit erfindungsgemäß ein geometrisches Modell MG von vorzugsweise der gesamten Füllgut-Oberfläche im Behälter 3, wobei das Modell MG auf einem oder mehreren geometrischen Körpern z1, k1, k2 ,B basiert. Dabei ist es prinzipiell nicht vorgeschrieben, welche Art an geometrischen Körpern z1, k1, k2 ,B zur approximierten Abbildung der Füllgut-Oberfläche herangezogen wird. Denkbar sind einfache geometrische Körpern, wie Kuben, Zylinder oder Kegel. Denkbar sind jedoch auch komplexere Körper, wie Kugelsegmente oder Ogive. Dabei kann das geometrische Modell MG durch die Auswerte-Einheit pragmatischer Weise zunächst so erstellt werden, dass der Basispunkt des Modells MG am Ort des Füllstandsmessgerätes 1 definiert ist. Eine nachträgliche Änderung des Basispunktes durch den Anwender, so das der Basispunkt beispielsweise an einem Ort innerhalb des Behälters definiert ist, kann durch entsprechende Koordinaten-Translation erreicht werden.Therefore, according to the invention, the evaluation unit creates a geometric model M G of preferably the entire filling material surface in the
Visualisiert ist die erfindungsgemäßen Erstellung des geometrischen Modells MG schematisch in
Um die Füllgut-Oberfläche zu modellieren, wird der Grundkörper B bei der in
Vorteilhaft an dieser erfindungsgemäßen Modellierung der Füllgut-Oberfläche ist, dass hierdurch je nach Art, Anzahl und Größe derjenigen geometrischen Körper z1, k1, k2 ,B, die dem resultierenden Modell MG zugrunde liegen, das Model MG in Bezug zu den ortsbezogenen Füllstandswerten Lx;y durch eine deutlich reduzierte Datenmenge darstellbar ist. Veranschaulicht wird diese Datenkomprimierung dadurch, dass beispielsweise ein Kegel k1, k2 als geometrischer Körper z1, k1, k2 ,B mathematisch lediglich durch dessen Höhe, dessen Öffnungswinkel, dessen Position und ggf. dessen räumlicher Ausrichtung darstellbar ist. Dabei ist die Datenmenge, die zur mathematischen Beschreibung dieser Parameter erforderlich ist, je nach korrespondierenden Bereich auf der Füllgut-Oberfläche wesentlich kleiner als die Datenmenge an ortsaufgelösten Füllstandswerten Lx;y aus dem Teilbereich der Füllgut-Oberfläche, der durch den Kegel k1, k2 abgedeckt wird.
In Bezug zu der in
In relation to the
2 Byte an Datenmenge pro Parameterwert und ein Byte für die Objektart. Für die Verknüpfungen genügen weniger als 64 Byte.2 bytes of data per parameter value and one byte for the object type. Less than 64 bytes are sufficient for the links.
Das Beispiel macht deutlich, dass der Faktor der Datenreduktion unter anderem davon abhängt, wie stark das geometrische Modell MG an das zugrundeliegende Raster an Füllstandswerten Lx;y approximiert wird. Dabei können in der Auswerte-Einheit entweder klassische Approximations-Algorithmen, wie beispielsweise die Methode der kleinsten Quadrate („Least Squares“), oder maschinelle bzw. selbstlernende Algorithmen, wie ein künstliches neuronales Netz implementiert werden, um anhand der Füllstandswerte Lx;y das geometrische Model MG zu approximieren. Denkbar ist es in diesem Zusammenhang, den Approximations-Algorithmus derart in der Auswerte-Einheit zu implementieren, so dass das resultierende geometrische Modell MG eine definierte Maximal-Datenmenge umfasst, oder so dass die Datenmenge des Modells MG in Bezug zu den zugrundeliegenden Füllstandswerten Lx;y um einen Mindest-Faktor von bspw. 102 komprimiert wird. Hierdurch wird es der Kommunikations-Einheit ermöglicht, das jeweils approximiertes Modell MG der Füllgut-Oberfläche auch im Falle limitierter Datenrate mit hoher Aktualisierungs-Rate von bspw. 10 Hz an die übergeordnete Einheit 4 zu übermitteln.The example makes it clear that the data reduction factor depends, among other things, on how closely the geometric model M G is approximated to the underlying grid of fill level values L x;y . In this case, either classic approximation algorithms, such as the least squares method, or machine or self-learning algorithms, such as an artificial neural network, can be implemented in the evaluation unit in order to approximate the geometric model M G based on the fill level values L x;y . In this context, it is conceivable to implement the approximation algorithm in the evaluation unit in such a way that the resulting geometric model M G comprises a defined maximum amount of data, or so that the amount of data of the model M G is compressed in relation to the underlying fill level values L x;y by a minimum factor of, for example, 10 2 . This enables the communication unit to transmit the approximated model M G of the filling material surface to the higher-
Die Approximations-Dauer, welche die Auswerte-Einheit zur Approximation des jeweils aktuellen Modells MG benötigt, hängt unter anderem davon ab, ob das Modell MG in Bezug zu dem zuvor generierten Modell MG stark angepasst werden muss. Dies richtet sich wiederum danach, ob sich der Füllstand Lx;y bzw. die Topologie stark geändert hat. Sofern in der Auswerte-Einheit zur Generierung des geometrischen Modells MG ein maschineller Lern-Algorithmus implementiert ist, hängt die jeweilige Approximations-Dauer zudem vom aktuellen Lernfortschritt des Lern-Algorithmus ab. Dementsprechend kann die Kommunikations-Einheit im Bedarfsfall insofern flexibel ausgelegt werden, als dass sie die Aktualisierungs-Rate, mit welcher das jeweils aktuelle Modell MG an die übergeordnete Einheit 4 übertragen wird, selbstständig in Abhängigkeit der Approximations-Dauer einstellt.The approximation time that the evaluation unit needs to approximate the current model M G depends, among other things, on whether the model M G needs to be significantly adjusted in relation to the previously generated model M G. This in turn depends on whether the fill level L x;y or the topology has changed significantly. If a machine learning algorithm is implemented in the evaluation unit for generating the geometric model M G , the respective approximation time also depends on the current learning progress of the learning algorithm. Accordingly, the communication unit can be designed flexibly if necessary in that it independently sets the update rate with which the current model M G is transmitted to the higher-
Sofern sich die Approximations-Dauer also bspw. durch zunehmenden Lernfortschritt verringert, kann die Kommunikations-Einheit die Aktualisierungs-Rate entsprechend antiproportional zur Approximations-Dauer erhöhen, zumindest bis die maximal mögliche Datenübertragungsrate erreicht ist. Im anderen Fall, also wenn sich die Approximations-Dauer trotz etwaigem Lernfortschritt erhöht, lässt dies wiederum auf eine starke Änderung der Füllgut-Topologie schließen. In diesem Szenario kann die Kommunikations-Einheit bei entsprechender Auslegung ein Warnsignal an die Prozessleitstelle 4 ausgeben, sofern die Approximations-Dauer einen definierten Maximalwert überschreitet, oder sofern sich die Approximations-Dauer in Bezug zu einem vorhergehend approximierten Modell MG um einen Mindestwert erhöht hat. Hierdurch kann vor irregulären Zuständen im Behälter 3 gewarnt werden, wie z. B. dem Abrutschen einer Flanke oder dem Abbrechen einer Wechte.If the approximation duration decreases, for example due to increasing learning progress, the communication unit can increase the update rate inversely proportional to the approximation duration, at least until the maximum possible data transfer rate is reached. In the other case, i.e. if the approximation duration increases despite any learning progress, this in turn indicates a major change in the filling material topology. In this scenario, the communication unit can, if designed accordingly, issue a warning signal to the
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- FüllstandsmessgerätLevel measuring device
- 22
- FüllgutFilling material
- 33
- Behältercontainer
- 44
- Übergeordnete EinheitSuperior unit
- 1111
- Sammel-LinseCollecting lens
- BB
- Innenquerschnittsform des BehältersInternal cross-sectional shape of the container
- dd
- Entfernungdistance
- HH
- Höhe des geometrischen KörpersHeight of the geometric body
- hH
- EinbauhöheInstallation height
- k1,2k1,2
- Kegelcone
- Lx;yLx;y
- FüllstandswertLevel value
- MGMG
- Geometrisches ModellGeometric model
- RR
- Radiusradius
- RHF, SHFRHF, SHF
- (Reflektiertes) Radar-Signal(Reflected) radar signal
- x;yx;y
- OrtskoordinatenLocation coordinates
- zz
- Zylindercylinder
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102013108490 A1 [0005]DE 102013108490 A1 [0005]
- DE 10036131 A1 [0010]DE 10036131 A1 [0010]
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Legal Events
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: KOSLOWSKI, CHRISTINE, DR., DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: KOSLOWSKI, CHRISTINE, DR., DE |
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