DE102022200323A1

DE102022200323A1 - Sensor für ein schwimmendes Dach

Info

Publication number: DE102022200323A1
Application number: DE102022200323.3A
Authority: DE
Inventors: Clemens Hengstler
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2023-07-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen. Sensor (102) für die Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches (110) auf einem Medium (122) in einem Behälter (120). Der Sensor weist eine Mess- und Prozessiereinheit (104) auf, die eingerichtet ist, ein Signal in nominell zu dem schwimmenden Dach senkrechter Richtung zu senden und als reflektiertes Echosignal zu empfangen, aus dem reflektierten Echosignal eine Echokurve (112) zu generieren, wobei die Echokurve aufgrund der Reflexion ein oder mehrere durch mindestens einen Parameter charakterisierbare Echo-Impulse (114, 116, 214, 314, 414, 514, 520) aufweist, einen Parameterwert aus der Echokurve zu bestimmen, den Parameterwert mit einem Referenzparameterwert zu vergleichen und bei einer signifikanten Abweichung eine Ablage des schwimmenden Daches zu detektieren.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Sensor für die Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter, eine Sensoranordnung, eine Verwendung von Reflektoren für eine Sensoranordnung, ein Verfahren zur Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter, eine Verwendung eines Kl-Moduls in einem Sensor, und ein Computerprogrammelement.
Hintergrund
Große Tanks, z.B. Öltanks, werden häufig mit einer Abdeckung, einem sogenannten schwimmenden Dach, engl. „floating roof“, versehen, um beispielsweise zu vermeiden, dass sich Gase bilden und austreten können oder dass beispielsweise Regen in den Tank eindringt. Verkantet sich das Dach oder gerät es in eine schräge Lage, ist dies nicht mehr gewährleistet. Bei bekannten Verfahren werden beispielsweise mehrere Sensoren an unterschiedlichen Stellen verwendet, um eine Neigung des Daches zu erkennen oder Abweichungen von erwarteten zeitlichen Amplitudenänderungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung könnte daher sein, einen Sensor mit verbesserter Detektion einer Neigung eines schwimmenden Dachs bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen in ähnlicher Weise den Sensor für die Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter, die Sensoranordnung, die Verwendung von Reflektoren für eine Sensoranordnung, das Verfahren zur Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter, die Verwendung eines KI-Moduls in einem Sensor, und das Computerprogrammelement. Synergieeffekte können sich aus verschiedenen Kombinationen der Ausführungsformen ergeben, obwohl sie möglicherweise nicht im Detail beschrieben werden.
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. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Sensor für die Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter bereitgestellt. Der Sensor weist eine Mess- und Prozessiereinheit auf, die eingerichtet ist, ein Signal in nominell zu dem schwimmenden Dach senkrechter Richtung zu senden und als reflektiertes Echosignal zu empfangen, aus dem reflektierten Echosignal eine Echokurve zu generieren, wobei die Echokurve aufgrund der Reflexion ein oder mehrere durch mindestens einen Parameter charakterisierbare Echo-Impulse aufweist, einen Parameterwert aus der Echokurve zu bestimmen, den Parameterwert mit einem Referenzparameterwert zu vergleichen und bei einer signifikanten Abweichung eine Ablage des schwimmenden Daches zu detektieren bzw. festzustellen.
Unter „schwimmendem Dach“ wird ein Deckel bzw. eine Abdeckung des Behälters verstanden, der auf dem Medium, das sich in dem Behälter befindet, schwimmt.
Unter „Ablage“ wird eine Neigung bezüglich einer nominellen Ebene, in der Regel einer horizontalen Ebene, verstanden. Während eine „Position“ ein Ort bezeichnet, bezeichnet eine „Lage“ eine Orientierung im Raum. Unter „nomineller Ebene“ wird eine Sollebene verstanden. Bei Flüssigkeiten ist diese beispielsweise eine horizontale Ebene, so dass auch das schwimmende Dach in einer horizontaler Ebene auf der Flüssigkeit schwimmen soll. Die horizontale Ebene kann dabei in einer beliebigen Höhe sein. Die nominelle Richtung, in der das Signal, z.B. ein Radarsignal oder Ultraschallsignal, gesendet wird, ist eine Richtung parallel zu dem Normalenvektor der nominellen Ebene. Um ein Echosignal empfangen zu können, wird das Signal somit nominell senkrecht auf das Medium abgestrahlt, so dass das reflektierte Signal wieder zurück zum Sensor gelangt.
Eine Echokurve ist ein Diagramm, eine Tabelle, oder allgemein ausgedrückt eine Beziehung, das bzw. die das Empfangssignal, beispielsweise in Form einer Amplitude, über die Zeit aufzeigt, wobei die Zeit mit einer Strecke korrespondiert. Die Mess- und Prozessiereinheit empfängt das Signal und wertet es aus. Hierzu weist sie zum Beispiel eine Empfangsantenne auf, sowie einen Empfangsschaltkreis, der eine Empfangsamplitude detektiert und eine Uhr, durch die in eine relative oder absolute Empfangszeit mit der gerade detektierten Amplitude in Beziehung gesetzt wird. Diese Beziehung wird hierin allgemein als Echokurve bezeichnet. Die Echokurve kann als diskrete Werte z.B. in Tabellenform aufgezeichnet werden, oder z.B. als Polynomkoeffizienten oder anderer mathematischer Form. Werte innerhalb und außerhalb von Mess- oder Stützstellen können inter- oder extrapoliert werden. Es können noch weitere Werte durch den Sensor aufgezeichnet werden, wie zum Beispiel Tageszeiten, Datum und Umgebungswerte wie z.B. Temperatur, die in Bezug mit den Messzeiten abgespeichert werden. Die Mess- und Prozessiereinheit speichert diese Werte und bereitet sie auf. Die Mess- und Prozessiereinheit kann auch weitere Funktionseinheiten zur physikalischen oder mathematischen Signalprozessierung aufweisen, wie beispielsweise Filter. Es wird angemerkt, dass Teile der Mess- und Prozessiereinheit auch ausgelagert sein können. Beispielsweise können Rohdaten an einen entfernten Prozessor übermittelt werden, der die oder Teile der Prozessierung und/oder Auswertung übernimmt. Solche ausgelagerten Teile der Mess- und Prozessiereinheit werden hier logisch dem Sensor zugeordnet und werden durch die hier beschriebenen Ausführungsformen abgedeckt.
Ein Parameter bezeichnet eine Größe, beispielsweise eine physikalische Größe, eine geometrische Größe oder eine Anzahl. Ein Parameterwert ist der numerische Wert des Parameters.
Die Referenzwerte können z.B. durch Messungen unter idealen Bedingungen ermittelt worden sein. Die Referenzwerte sind, wie nachfolgend ausgeführt, beispielsweise Amplitudenwerte, Zeitwerte oder eine Anzahl an Echo-Impulsen.
Ein Echo-Impuls kann als ein von Null verschiedener Wert angesehen werden, der höher als ein Rauschniveau oder allgemeines Grundniveau ist. In der Praxis ist der Echo-Impuls kein einzelner Wert, sondern als ein z.B. konkaves Kurvenelement, das mehrere Werte umfasst, ausgebildet. Der in der Echokurve sichtbare Echo-Impuls entsteht durch das reflektierte und empfangene Echosignal. Die Form des Impulses in der Echokurve ist beispielsweise verrauscht glockenförmig.
Unter „signifikant“ wird verstanden, dass der Wert z.B. über einem bekannten Rauschniveau liegt und somit erkennbar ist. Es kann hierbei auch ein Abstand zu dem Rauschniveau oder eine absoluter Wert als Schwellwert definiert sein, ab dem die Eigenschaft „signifikant“ erfüllt ist. Die Verwendung eines Rauschniveauwertes oder Abstand zu einem Rauschniveau erlaubt eine flexible Anpassung an aktuelle Umgebungsverhältnisse wie Regen, Wind, Eis, etc. Allerdings kann auch der absolute Wert ein veränderlicher oder veränderbarerer Wert sein.
Der Sensor ist somit in der Lage, eigenständig durch eine einzelne ermittelte Echokurve die Ablage zu erkennen. Ein zweiter Sensor zur Distanzmessung oder Lageerkennung ist nicht notwendig. Auch eine Ermittlung einer zweiten Echokurve, insbesondere einer zeitlich nachfolgenden Echokurve ist nicht notwendig. Insbesondere ist es nicht notwendig, einen zeitlichen Verlauf zu ermitteln. Nichtsdestotrotz können selbstverständlich weitere Echokurven zur Verifizierung oder für eine statistische Auswertung aufgezeichnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Echokurve eine Hüllkurve oder ein Frequenzspektrum.
Beispielsweise ist das Radarsignal oder Ultraschallsignal amplitudenmoduliert, frequenzmoduliert oder phasenmoduliert, wie z.B. bei einem CW- (continuous wave, Dauerstrich-) bzw. FMCW- (Frequency Modulated Continuous Wave, frequenzmoduliertes Dauerstrich-) Radar.
Gemäß einer Ausführungsform ist der mindestens eine Parameter geeignet, eine Eigenschaft bezüglich des mindestens einen Echo-Impulses zu beschreiben.
In anderen Worten wird nicht die gesamte Echokurve betrachtet, sondern nur der mindestens eine Echo-Impuls, bzw. dessen Eigenschaften, die mit einem oder mehreren Parametern spezifiziert werden können. Solche Eigenschaften können auch Beziehungen zwischen den Echo-Impulsen beinhalten.
Gemäß einer Ausführungsform ist der eine Parameter eine Amplitude eines Echo-Impulses auf der Echokurve, und die signifikante Abweichung ein Überschreiten einer vordefinierten Differenz zu einer Referenzamplitude.
Hierbei wird zur Detektion und Bestimmung der Ablage die Amplitude nicht dazu verwendet, die Position des Echo-Impulses zu bestimmen und anhand der Position die Ablage zu bestimmen. Vielmehr wird der Amplitudenwert selbst zur Detektion verwendet. Der Amplitudenwert kann weiterhin nicht nur zur Detektion, dass eine Ablage vorliegt, verwendet werden, sondern er kann auch dahingehend verwendet werden, um die Größe der Ablage, also beispielsweise einen Winkel, z.B. eine Elevation, zu bestimmen oder zumindest zu schätzen.
Die Referenzamplitude kann zum Beispiel ein einzelner vordefinierter Wert sein oder die maximale Amplitude eines Referenzimpulses sein. Wie bereits oben ausgeführt, kann ein solcher Wert oder Referenzimpuls beispielsweise veränderbar sein und Umgebungseinflüsse oder Tages- bzw. Jahreszeit berücksichtigen. Als Amplitude des gemessenen Echo-Impulses kann beispielsweise dessen maximale Amplitude verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Parameter eine Breite des Echo-Impulses auf der Echokurve, und die signifikante Abweichung ein Überschreiten einer vordefinierten Differenz zu einer Referenzbreite ist.
Die Definition der „Breite“ kann nach gängigen Definitionen erfolgen, wie beispielsweise als Zeit vom 50% Schwellenwert der steigenden Flanke des Impulses bis zum 50% Schwellenwert der nächsten fallenden Flanke oder als Differenz des Stromwertes der Echokurve, der diesen Zeitpunkten entspricht. Die Mess- und Prozessiereinheit kann hierbei eingerichtet sein, übliche Verfahren, wie zum Beispiel Filtern anzuwenden. Auch hier gilt, dass die Referenzbreite veränderbar sein kann, um beispielsweise Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Mess- und Prozessiereinheit eingerichtet, das Signal mit einer Frequenz zu senden, bei der die Oberfläche diffus erscheint.
Diese Ausführungsform ist insbesondere hinsichtlich der Bestimmung der Breite des Echo-Impulses von Bedeutung. Die Oberfläche des Daches kann eine gewisse Rauigkeit aufweisen. Die Frequenz des abgestrahlten Signals kann nun einen Wert haben, so dass durch die Körnigkeit der Oberfläche diese als diffus erscheint. Je höher die Frequenz, desto feiner kann die Rauigkeit der Oberfläche sein, um diffus zu wirken. Eine diffuse Oberfläche führt zu unterschiedlicher Breite des Echo-Impulses bei geneigtem Dach. Bei dieser Ausführungsform geht es somit darum, die Form des Echo-Impulses zu beeinflussen, indem der Reflektor als ein diffuser Reflektor verwendet wird. Hierzu kann ein Sensor eingesetzt sein, der eine entsprechende Frequenz aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Parameter eine Anzahl an Echo-Impulsen auf der Echokurve, und die signifikante Abweichung ein Überschreiten einer vordefinierten Differenz zu einer Referenzanzahl an Echo-Impulsen.
Beispielsweise kann sich durch die Beschaffenheit des schwimmenden Daches oder durch spezielle Anordnungen auf dem schwimmenden Dach eine Echokurve ergeben, die eine erste Anzahl an Echo-Impulsen im nominellen Fall aufweist und eine davon unterschiedliche Anzahl im Falle einer Ablage von der nominellen Lage. Die vordefinierte Differenz zu einer Referenzanzahl kann hierbei eine negative oder eine positive Differenz sein. Das Überschreiten der Differenz kann beispielsweise bereits bei einer Differenz von +/- 1 erfüllt sein. Eine solche Differenz kann zum Beispiel durch eine Struktur des Daches oder durch zwei oder mehr Reflektoren erreicht werden, die räumlich bezüglich ihrer Reflexionseigenschaften voneinander isoliert sind. Somit sind sie unterscheidbar, wenn durch die Ablage des Daches unterschiedliche Laufzeiten gemessen werden. Solche Reflektoren können zum Beispiel eindimensional in einer Linie angeordnet werden, oder z.B. zweidimensional, so dass Ablagen in allen Richtungen detektiert werden können. Weiterhin können sie dreidimensional angeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Parameter ein Abstand eines Echo-Impulses zu einem weiteren Echo-Impuls auf der Echokurve ist, und die signifikante Abweichung ein Überschreiten einer vordefinierten Differenz zu einem Referenzabstand der Echo-Impulse ist.
Diese Ausführungsform kann beispielsweise Anwendung finden, wenn die Laufzeiten zu vorgenannten isolierten Reflektoren in nomineller Lage des Daches unterschiedlich sind.
Weiterhin kann geometrisch die Größe der Neigung bestimmt werden. Durch eine geschickte Anordnung der Reflektoren kann sowohl die Elevation der Ebene des Daches bezüglich der nominellen Lage ermittelt werden als auch in welche Richtung die Ebene geneigt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Sensor an dem Behälter angebracht.
Der Sensor kann beispielsweise am Rand des Behälters angeordnet sein. Der Sensor kann auch durch eine Halterung getragen werden, die den Sensor an einem gewünschten Ort über dem Behälter positioniert.
Der einzelne Sensor ist somit eingerichtet, unabhängig vom Füllstand instantan eine Ablage des schwimmenden Dachs zu detektieren. In Ausführungsformen kann er die Größe der Ablage und die Richtung der Ablage detektieren.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Sensoranordnung für die Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter bereitgestellt. Die Sensoranordnung weist einen hier beschriebenen Sensor auf, sowie ein schwimmendes Dach. Der Sensor weist somit eine Mess- und Prozessiereinheit auf, die eingerichtet ist, ein Signal in nominell zu dem schwimmenden Dach senkrechter Richtung zu senden und als reflektiertes Echosignal zu empfangen, aus dem reflektierten Echosignal eine Echokurve zu generieren, wobei die Echokurve aufgrund der Reflexion ein oder mehrere durch mindestens einen Parameter charakterisierbare Echo-Impulse aufweist. Die Mess- und Prozessiereinheit ist ferner eingerichtet, einen Parameterwert aus der Echokurve zu bestimmen, den Parameterwert mit einem Referenzparameterwert zu vergleichen und bei einer signifikanten Abweichung des Parameterwerts von dem Referenzparameterwert eine Ablage des schwimmenden Daches zu detektieren bzw. festzustellen. Das schwimmende Dach ist eingerichtet, das Signal des Sensors zu reflektieren.
Gemäß einer Ausführungsform weist das schwimmende Dach zum Reflektieren des Signals spezielle Reflektoren auf.
Spezielle Reflektoren sind beispielsweise Corner-Reflektoren oder andere Reflektoren, die speziell auf das Dach montiert werden, um das Signal zu reflektieren, wohingegen das Dach selbst keinen „speziellen“ Reflektor darstellt, und als „natürlicher“ Reflektor bezeichnet werden kann. Das heißt, auch das Dach selbst ist ein Reflektor.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Sensoranordnung weiterhin eine entfernte Prozessiereinheit auf, die eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Prozessierung zur Erkennung der Ablage durchzuführen.
Beispielsweise weist das Dach einen oder mehrere Corner-Reflektoren oder Winkel-Reflektoren auf. Bei derartigen Antenennreflektoren werden elektromagnetische Wellen so reflektiert, dass die reflektierten Wellen immer in der gleichen Richtung den Reflektor verlassen, in der sie auf diesen getroffen sind. Die elektromagnetischen Wellen werden also in Richtung ihres Ursprungsortes reflektiert.
Die Reflektoren können wie bereits oben beschrieben, eindimensional, zweidimensional oder dreidimensional angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung von Reflektoren für eine hier beschriebene Sensoranordnung zur Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter bereitgestellt.
Neben dem Dach selbst können diese Reflektoren auch die bereits beschriebenen speziellen Reflektoren sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung eines KI-Moduls in einem hier vorgestellten Sensor zu Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter bereitgestellt, wobei das KI-Modul eingerichtet ist, die Ablage anhand der Form der Echokurve zu erkennen.
Das KI-Modul kann in der Mess- und Prozessiereinheit in dem Sensor oder einer Recheneinheit außerhalb des Sensors implementiert sein. Als Ergebnis der Erkennung kann z.B. eine Klassifizierung in „Ablage“ und „Nicht-Ablage“ erfolgen, wie auch eine weitere Unterteilung in unterschiedliche Ablagegrade. Solche Ablagegrade können beispielsweise die Größe der Ablage oder die Richtung der Ablage spezifizieren. Das Erlernen der Form der Echokurve kann über die Zeit und/oder durch Erfassen von Echokurven von Sensoren mit der gleichen oder ähnlichen Anwendung erfolgen, beispielsweise wenn mehrere gleiche Behälter auf einem Betriebsgelände vorhanden sind. Allgemein kann sowohl das Erlernen als auch die Auswertung bzw. die Erkennung über die Cloud, bzw. durch Übertragen an Geräte in der Cloud und einer dortigen Prozessierung, erfolgen. Wie bereits erwähnt, werden solche ausgelagerten Prozessierungsfunktionen logisch, d.h. virtuell und nicht die Hardware betreffend, als Teil des Sensors betrachtet. Die Hardware kann jedoch Teil der Sensoranordnung sein.
Auch wenn das Erlernen über die Zeit erfolgen kann, wird in der tatsächlichen Anwendung zum Erkennen einer Ablage nur eine einzige Echokurve benötigt.
Unter „Form“ wird hierbei nicht die Ermittlung einer einzelnen Position einer maximalen Amplitude verstanden, sondern z.B. die Breite und Höhe eines Echo-Impulses und Abstände und Anzahl von Echo-Impulsen. Es können aber auch Methoden aus z.B. der digitalen Signalprozessierung zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann eine gelernte Kurve oder eine gespeicherte Referenzkurve mit der aktuellen Echokurve kreuzkorreliert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter bereitgestellt. Das Verfahren wird von der Mess- und Prozessiereinheit durchgeführt und weist die nachfolgenden Schritte auf. In einem ersten Schritt wird ein Signal in nominell zu dem schwimmenden Dach senkrechter Richtung gesendet und in einem zweiten Schritt wird das gesendete Signal als reflektiertes Echosignal empfangen. In einem dritten Schritt wird eine Echokurve aus dem reflektierten Echosignal generiert, wobei die Echokurve aufgrund der Reflexion ein oder mehrere durch mindestens einen Parameter charakterisierbare Echo-Impulse aufweist.
In einem vierten Schritt wird ein Parameterwert, das heißt mindestens ein Parameterwert entsprechend des mindestens einen Parameters, aus der Echokurve bestimmt. In einem fünften Schritt wird der Parameterwert mit einem Referenzparameterwert verglichen und eine Ablage des schwimmenden Daches bei einer signifikanten Abweichung des Parameterwerts von dem Referenzparameterwert bestimmt bzw. festgestellt.
Das Verfahren kann zumindest teilweise als Computerprogrammelement implementiert sein, das eingerichtet ist, auf einer Mess- und Prozessiereinheit eines Sensors ausgeführt zu werden, um den Sensor zu veranlassen, die Schritte des hierein beschriebenen Verfahrens zur Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter auszuführen.
Das Computerprogrammelement kann Teil eines Computerprogramms sein, es kann jedoch auch ein ganzes Programm für sich sein. Beispielsweise kann das Computerprogrammelement verwendet werden, um ein bereits vorhandenes Computerprogramm zu aktualisieren, um zur vorliegenden Erfindung zu gelangen. Das Computerprogrammelement kann auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein, das als ein Speichermedium angesehen werden kann, wie beispielsweise ein USB-Stick, eine CD, eine DVD, ein Datenspeichergerät, eine Festplatte oder ein beliebiges anderes Medium, auf dem sich ein Programmelement wie oben beschrieben befinden kann.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Figuren sollen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden. Hierbei zeigt

1 ein Diagramm einer Sensoranordnung mit einem Sensor in einem idealisierten Szenario,
2 ein Diagramm mit einer Sensoranordnung in einem Szenario mit schrägem schwimmendem Dach,
3 ein Diagramm mit einer Sensoranordnung in einem Szenario mit einer Körnung der Dachoberfläche,
4 ein Diagramm mit einer Sensoranordnung mit speziellen Reflektoren in einem ersten Beispiel,
5 ein Diagramm mit einer Sensoranordnung mit speziellen Reflektoren in einem zweiten Beispiel, und
6 ein Diagramm mit den Schritten des Verfahrens zur Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein Diagramm einer Sensoranordnung 100 mit einem Sensor 102 in einem idealisierten Szenario. Die Mess- und Prozessiereinheit 104 es Sensors 102 sendet ein Signal senkrecht zu einem schwimmenden Dach 110. Das Dach schwimmt auf einer Oberfläche eines Mediums 122, mit dem der Behälter 120 befüllt ist. Der Sensor 102 weist somit die Mess- und Prozessiereinheit 104 auf, die das Signal sendet und das reflektierte Signal empfängt, einschließlich einer Antenne 106. Weiterhin ist die Mess- und Prozessiereinheit 104 eingerichtet, das empfangene Signal zu prozessieren und aus dem empfangenen Signal eine Echokurve 112 zu generieren. Die Echokurve 112 bildet eine Entfernung zu einem reflektierenden Objekt auf eine Amplitude ab. Die Amplitude entspricht einer Empfangsamplitude des reflektierten Signals. Die Entfernung entspricht einer gemessenen Laufzeit und wird beispielsweise auf einen Ausgangsstrom, der beispielsweise zwischen 4 und 20 mA betragen kann, abgebildet.
Wie in 1 zu sehen ist, entsteht durch die Reflexion am Dach 110, ein Echo-Impuls 114 in der Echokurve 112. Das Dach 110 ist in diesem Beispiel nicht geneigt, sodass das Signal senkrecht auf das Dach 110 trifft, das heißt, parallel zu einem Normalenvektor der horizontalen Ebene, in der das Dach 110 liegt. Diese Konstellation wird hierin als „nominell“ bezeichnet. Die Kurve in 1 ist idealisiert für glatte Oberfläche sowie ohne Störungen und Rauschen gezeichnet.
2 zeigt ein Diagramm einer Sensoranordnung 100 mit einem Sensor 102 in einem Szenario, bei dem das schwimmende Dach 110 geneigt ist, was zu dem Echo-Impuls 214 führt. Der Vergleich des gestrichelt gezeichneten Echo-Impulses 214 mit dem Echo-Impuls 214 zeigt, dass die durch das geneigte Dach 110 hervorgerufene maximale Amplitude des Echosignals geringer ist als die, die durch das horizontale Dach 110 hervorgerufen wird. Die Amplitude ist schwächer je größer die Neigung ist. Auch in 2 wird ein sehr glatter, wenn auch nicht idealisierter Reflektor, in diesem Fall das Dach 110, zugrunde gelegt. Die Differenz 202 der Amplituden kann als Parameter bzw. Kriterium verwendet werden, ob das Dach 110 geneigt ist oder nicht. Hierzu kann ein vordefinierter oder durch KI (künstliche Intelligenz) bereitgestellter Schwellwert verwendet werden.
3 zeigt ein Diagramm mit einer Sensoranordnung 100 in einem Szenario, bei dem ein nicht idealer Reflektor oder ein diffuser Reflektor verwendet wird. Diese Reflektoren verursachen nicht nur eine Änderung der Amplitude, sondern auch der Länge/Breite des Echosignals. Ein diffuser Reflektor ergibt sich durch eine diffuse Oberfläche, wobei die Eigenschaft „diffus“ von der Wellenlänge bzw. Frequenz des Signals abhängt. Je größer die Frequenz des Signals ist, desto kleinkörniger kann die Oberfläche sein, um einen diffusen Reflektor zu erhalten. Bei höheren Frequenzen, beispielsweise 80, 120, 160 oder 240 GHz, reicht bereits Sandpapier bzw. ein Material oder eine Oberfläche mit der Rauigkeit eines Sandpapiers aus. Die Mess- und Prozessiereinheit 104 kann den Parameter Länge oder Breite 316 des Echo-Impulses 314 berechnen und mit einer Referenzbreite eines Referenzsignals vergleichen. Auch hier kann ein Schwellwert verwendet werden, um zu entscheiden, ob das Dach 110 geneigt ist oder nicht. Diese Schwelle kann beispielsweise der Nutzer oder die Mess- und Prozessiereinheit 104 selbst einstellen. Wird diese überschritten, kann die Mess- und Prozessiereinheit 104 eine Meldung abgeben und auf das mögliche schräge schwimmende Dach 110 hinweisen. Über eine Cloud und KI kann diese Auswertung im laufenden Betrieb optimiert werden.
4 zeigt ein Diagramm mit einer Sensoranordnung 100 mit speziellen Reflektoren 402, die auf dem Dach 110 angebracht sind, in einem ersten Beispiel. Die Echokurve 112 ist in 4 ohne geometrische Zuordnung zu der eingezeichneten Sensoranordnung 100 abgebildet. Der spezielle Reflektor 402 weist beispielsweise drei Corner-Reflektoren auf, die eindimensional in einer Linie parallel zum schwimmenden Dach 110 angeordnet sind, sodass alle Corner-Reflektoren den gleichen Abstand zum Sensor 102 oder zur Antenne 106 des Sensors haben. Dadurch wird das Signal von drei Corner-Reflektoren reflektiert. Ist das schwimmende Dach 110 nicht geneigt, d.h. horizontal, ergeben die drei einzelnen Reflexionen eine einzige Reflexion mit hoher Amplitude und somit ein einzelner Echo-Impuls 116 auf der Echokurve. Ein weiterer Echo-Impuls 114 ergibt sich ferner an einer weiteren Position durch die Reflexion des Signals am Dach 110. Ist das Dach 110 nur leicht geneigt, werden für die einzelnen Reflektoren unterschiedliche Laufzeiten des Signals gemessen, wie anhand des Amplitudenverlaufs 414 angedeutet. Zusätzlich entstehen hierbei Überlagerungen der Echos auf der Echokurve Interferenzen, die Auslöschungen und Überlagerungen bewirken. Somit ändert sich das Echobild, das heißt, die Form der Echokurve. Dies kann durch die Mess- und Prozessiereinheit 104 erkannt und ausgewertet werden.
5 zeigt ein illustratives Diagramm einer Sensoranordnung 100 mit speziellen Reflektoren 502 in einem zweiten Beispiel, in welchem mehrere Corner-Reflektoren 502 in unterschiedlicher Höhe angebracht sind. Wenn das schwimmende Dach 110 nicht geneigt ist, kann als Parameter die Distanz 518 zwischen den einzelnen Reflektoren 502 gemessen und als Referenz abgespeichert werden. Ändert sich die Distanz 518 zwischen den beiden Echo-Impulsen 520 in 5 zu einer Distanz 516 zwischen den beiden Echo-Impulsen 514, kann auf eine Schräglage des Daches 110 geschlossen werden. Hierfür genügt bereits eine geringfügige Neigung. Ferner können zusätzlich die Form, Amplitude und/oder Breite der Echo-Impulse 114, 214 sowie die Distanz zu den Echo-Impulsen 114, 214 des Daches für die Erkennung einer Schräglage verwendet werden. Zur Vereinfachung wurden in 5 nur zwei Corner-Reflektoren eingezeichnet, mit denen eine zweidimensionale Lageerkennung möglich ist. Werden drei oder mehr Corner-Reflektoren verwendet, ist auch eine dreidimensionale Lageerkennung möglich. Die durchgezogenen waagrechten Linien in 5 zeigen die Beziehung der Höhe der geneigten Reflektoren 502, 110 zu den entsprechenden als durchgehende Kurve gezeichneten Echo-Impulsen 214, 514. Die gepunkteten waagrechten Linien in 5 zeigen die Beziehung der Höhe der nicht geneigten Reflektoren 502, 110 zu den entsprechenden als gepunktete Kurve gezeichneten Echo-Impulsen 520, 114.
6 zeigt ein Diagramm mit den Schritten des Verfahrens zur Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter.
Bezugszeichenliste

100: Sensoranordnung
102: Sensor
104: Mess- und Prozessiereinheit
106: Antenne
110: schwimmendes Dach
112: Echokurve
114: Echo-Impuls bei nicht geneigten Dach
116: Echo-Impuls durch spezielle Reflektoren bei nicht geneigtem Dach
120: Behälter
122: Medium
202: Differenz der Amplituden, wenn das Dach geneigt oder nicht geneigt ist
214: Echoimpuls bei geneigtem Dach, glatter Reflektor
314: Echoimpuls bei geneigtem Dach, diffuser Reflektor
316: Breite des Echoimpulses 314
402: Spezielle Reflektoren in einem ersten Beispiel
414: Amplitudenverlauf bei mehreren Reflektoren und geneigtem Dach
502: Spezielle Reflektoren in einem zweiten Beispiel
514: erster und zweiter Echoimpuls bei geneigtem Dach und bei zwei speziellen Reflektoren
516: Distanz von Echo-Impulsen durch spezielle Reflektoren bei geneigtem Dach
518: Referenz-Distanz von Echo-Impulsen durch spezielle Reflektoren
520: erster und zweiter Echoimpuls bei nicht geneigtem Dach und bei zwei speziellen Reflektoren
600: Verfahren zur Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches auf einem Medium in einem Behälter
602: erster Schritt des Verfahrens
604: zweiter Schritt des Verfahrens
606: dritter Schritt des Verfahrens
608: vierter Schritt des Verfahrens
610: fünfter Schritt des Verfahrens

Claims

Sensor (102) für die Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches (110) auf einem Medium (122) in einem Behälter (120); wobei der Sensor (102) eine Mess- und Prozessiereinheit (104) aufweist, die eingerichtet ist, ein Signal in nominell zu dem schwimmenden Dach (110) senkrechter Richtung zu senden und als reflektiertes Echosignal zu empfangen, aus dem reflektierten Echosignal eine Echokurve (112) und/oder ein Frequenzspektrum zu generieren, wobei die Echokurve (112) aufgrund der Reflexion ein oder mehrere durch mindestens einen Parameter charakterisierbare Echo-Impulse (114, 116, 214, 314, 414, 514, 520) aufweist, einen Parameterwert aus der Echokurve (112) zu bestimmen, und den Parameterwert mit einem Referenzparameterwert zu vergleichen und bei einer signifikanten Abweichung eine Ablage des schwimmenden Daches (110) zu detektieren.
Sensor (102) nach Anspruch 1, wobei die Echokurve (112) eine Hüllkurve oder ein Frequenzspektrum ist.
Sensor (102) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Parameter geeignet ist, eine Eigenschaft bezüglich des mindestens einen Echo-Impulses (114, 116, 214, 314, 414, 514, 520) zu beschreiben.
Sensor (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Parameter eine Amplitude eines Echo-Impulses (114, 116, 214, 314, 414, 514, 520) auf der Echokurve (112) ist, und die signifikante Abweichung ein Überschreiten einer vordefinierten Differenz (202) zu einer Referenzamplitude ist.
Sensor (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Parameter eine Breite (316) des Echo-Impulses (114, 116, 214, 314, 414, 514, 520) auf der Echokurve (112) ist, und die signifikante Abweichung ein Überschreiten einer vordefinierten Differenz zu einer Referenzbreite ist.
Sensor (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mess- und Prozessiereinheit (104) eingerichtet ist, das Signal mit einer Frequenz zu senden, bei der die Oberfläche diffus erscheint.
Sensor (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Parameter eine Anzahl an Echo-Impulsen (114, 116, 214, 314, 414, 514, 520) auf der Echokurve (112) ist, und die signifikante Abweichung ein Überschreiten einer vordefinierten Differenz zu einer Referenzanzahl an Echo-Impulsen ist.
Sensor (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Parameter ein Abstand eines Echo-Impulses zu einem weiteren Echo-Impuls auf der Echokurve (112) ist, und die signifikante Abweichung ein Überschreiten einer vordefinierten Differenz zu einem Referenzabstand der Echo-Impulse ist.
Sensor (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (102) an dem Behälter (120) angebracht ist.
Sensoranordnung (100) für die Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches (110) auf einem Medium (122) in einem Behälter (120) aufweisend: einen Sensor (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 8; und ein schwimmendes Dach (110); wobei der Sensor (102) eine Mess- und Prozessiereinheit (104) aufweist, die eingerichtet ist, ein Signal in nominell zu dem schwimmenden Dach (110) senkrechter Richtung zu senden und als reflektiertes Echosignal zu empfangen; aus dem reflektierten Echosignal eine Echokurve (112) zu generieren, wobei die Echokurve (112) aufgrund der Reflexion ein oder mehrere durch mindestens einen Parameter charakterisierbare Echo-Impulse (114, 116, 214, 314, 414, 514, 520) aufweist; einen Parameterwert aus der Echokurve (112) zu bestimmen; den Parameterwert mit einem Referenzparameterwert zu vergleichen und bei einer signifikanten Abweichung eine Ablage des schwimmenden Daches (110) festzustellen; und wobei das schwimmende Dach (110) eingerichtet ist, das Signal des Sensors (102) zu reflektieren.
Sensoranordnung (100) nach Anspruch 9, wobei das schwimmende Dach (110) zum Reflektieren des Signals spezielle Reflektoren (402, 502) aufweist.
Sensoranordnung (100) nach Anspruch 10 oder 11, weiterhin aufweisend eine vom Sensor (102) entfernte Prozessiereinheit, die eingerichtet ist, zumindest einen Teil der Prozessierung zur Erkennung der Ablage durchzuführen.
Verwendung von Reflektoren (110, 402, 502) für eine Sensoranordnung (100 nach einem der Ansprüche 10 bis 12 zur Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches (110) auf einem Medium (122) in einem Behälter (120).
Verfahren (600) zur Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches (110) auf einem Medium (122) in einem Behälter (120), aufweisend die Schritte: Senden (602) eines Signals in nominell zu dem schwimmenden Dach (110) senkrechter Richtung; Empfangen (604) des gesendeten Signals als reflektiertes Echosignal; Generieren (606) einer Echokurve (112) aus dem reflektierten Echosignal, wobei die Echokurve (112) aufgrund der Reflexion ein oder mehrere durch mindestens einen Parameter charakterisierbare Echo-Impulse (114, 116, 214, 314, 414, 514, 520) aufweist; Bestimmen (608) eines Parameterwerts aus der Echokurve (112); Vergleichen (610) des Parameterwerts mit einem Referenzparameterwert und Bestimmen einer Ablage des schwimmenden Daches (110) bei einer signifikanten Abweichung des Parameterwerts von dem Referenzparameterwert.
Verwendung eines KI-Moduls in einem Sensor (102) nach einem Ansprüche 1 bis 9 zur Erkennung einer Ablage eines schwimmenden Daches (110) auf einem Medium (122) in einem Behälter (120), wobei das KI-Modul eingerichtet ist, die Ablage anhand der Form der Echokurve (112) zu erkennen.