DE102021115874A1 - Füllstandsmessung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mess-System und ein entsprechendes MessVerfahren zur sicheren Bestimmung eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3). Hierzu umfasst das Mess-System ein Radar-basiertes Messgerät (1) mit einer Übertragungs-Einheit (11), mittels welcher Hochfrequenz-Signale (SHF) gen Füllgut (2) sendbar und nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche als Empfangs-Signale (RHF) empfangbar sind; weiterhin mit einer Signalerzeugungs-Einheit, die das auszusendende Hochfrequenz-Signal (SHF) erzeugt; und mit einer Empfangs-Einheit, die das Empfangs-Signal (RHF) aufzeichnet. Erfindungsgemäß ist in einer Auswerte-Einheit (4) des Mess-Systems ein maschineller Lern-Algorithmus (MLA) derart ausgebildet, um anhand des Empfangs-Signals (RHF) den Füllstand (L) detektieren zu können. Hierdurch wird das Problem umgangen, dass der Füllgut-Oberfläche ggf. nicht das richtige Signal-Maximum des Empfangs-Signals (RHF) zugeordnet wird, wie es gemäß dem Stand der Technik zu dessen Detektion erforderlich ist. Vielmehr können mithilfe des maschinellen Lern-Algorithmus (MLA) vor allem Empfangs-Signale (RHF), die unter komplexen Messbedingungen wie beispielsweise unter Stör- und Mehrfachreflektionen aufgezeichnet werden, wesentlich sicherer interpretiert werden.

Description

• Die Erfindung betrifft Radar-basierte Füllstandsmessung auf Basis maschineller Lern-Algorithmen.
• In der Automatisierungstechnik, insbesondere zur Prozessautomatisierung werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, mittels denen diverse Prozessgrößen erfassbar sind. Bei der zu bestimmenden Prozessgröße kann es sich beispielsweise um einen Füllstand, einen Durchfluss, einen Druck, die Temperatur, den pH-Wert, das Redoxpotential, eine Leitfähigkeit oder den Dielektrizitätswert eines Mediums in einer Prozessanlage handeln. Zur Erfassung der entsprechenden Messwerte umfassen die Feldgeräte jeweils geeignete Sensoren bzw. basieren auf geeigneten Messprinzipien. Eine Vielzahl verschiedener Feldgeräte-Typen wird von der Firmen-Gruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.
• Zur Füllstandsmessung von Füllgütern in Behältern haben sich Radar-basierte Messverfahren etabliert, da sie robust und wartungsarm sind. Dabei besteht ein zentraler Vorteil Radar-basierter Messverfahren in der Fähigkeit, den Füllstand quasi kontinuierlich und berührungslos messen zu können. Im Kontext dieser Patentanmeldung beziehen sich die Begriffe „Radar“ bzw. „Hochfrequenz“ auf elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 0.03 GHz und 300 GHz. Übliche Frequenzbänder, bei denen Füllstandsmessung durchgeführt wird, liegen bei 2 GHz, 26 GHz, 79 GHz, oder 120 GHz. Die beiden gängigen Messprinzipien bilden hierbei das Pulslaufzeit-Prinzip (auch unter dem Begriff „Pulsradar“ bekannt) sowie das FMCW-Prinzip („Frequency Modulated Continuous Wave“). Auf Basis des Pulslaufzeit-Verfahrens sowie auf Basis des FMCW-Verfahrens können Füllstandsmessgeräte mit vergleichsweise geringem schaltungstechnischem Aufwand und einer hohen Füllstands-Auflösung im Sub-Millimeterbereich realisiert werden.
• Neben frei abstrahlender Radar-Messung, bei der die Hochfrequenz-Signale über eine Antenne ausgesendet bzw. empfangen werden, existiert zudem die Variante des geführten Radars. Hierbei dient anstelle der Antenne eine elektrisch leitfähige Mess-Sonde (bspw. ein Koaxial-Wellenleiter oder ein Metallstab), die zur Führung der Hochfrequenz-Signale in den Behälter hinuntergelassen ist. Analog zu frei abstrahlendem Radar wird das Hochfrequenz-Signal in der Mess-Sonde auf Höhe der Füllgutoberfläche reflektiert und entlang der Mess-Sonde gen Füllstandsmessgerät zurückgeleitet. Bekannt ist diese Variante der Radar-basierten Füllstandsmessung auch unter dem Begriff „TDR“ („Time Domain Reflectometry“). Vorteilhaft an dieser Variante ist, dass aufgrund der geführten Signalabstrahlung weniger Leistung zum Betrieb des Füllstandsmessgerätes erforderlich ist. Beschrieben ist ein TDR-basiertes Füllstandsmessgerät beispielsweise in der US-Patentschrift 10,07,743 B2 .
• Unabhängig vom Messprinzip (Pulslaufzeit, FMCW oder TDR) wird der Füllstandswert bestimmt, indem aus dem reflektierten Empfangssignal das von der Füllgut-Oberfläche resultierende Signal-Maximum und dessen korrespondierender Abstands-Wert ermittelt wird. Allgemein beschrieben werden die verschiedenen Radar-basierten Messprinzipien beispielsweise in „Radar Level Detection, Peter Devine, 2000“.
• Je nach Art des Füllgutes, dessen Füllstand zu bestimmen ist, ist dieses gegebenenfalls mit Verunreinigungen, Aditiven oder Fremdstoffen durchsetzt, welche oberhalb oder unterhalb des Füllgutes eventuell eine additive Füllgutschicht, wie beispielsweise einen Schaum, ein Sediment oder eine ölige bzw. wässrige Phase ausbilden. In diesem Fall bildet sich zwischen dem eigentlichen Füllgut und der additiven Füllgutschicht auch eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Grenzschicht, häufig auch als „Trennschicht“ verstanden, aus. Dementsprechend kann die Füllstandsmessung durch etwaige, zusätzliche Füllgutschichten oder durch Mehrfachreflektionen gestört oder verfälscht werden, da das entsprechende Signal-Maximum der Füllgut-Oberfläche nicht mit Sicherheit identifiziert werden kann. Dies kann auch dann eintreten, wenn sich Störkörper, wie Rührwerke oder Zuleitungen im Behälter befinden, welche nach dem Aussenden des Hochfrequenz-Signals entsprechende Stör-Echos erzeugen.
• Gegebenenfalls ist es neben dem Füllstand auch von Interesse, das Vorhandensein oder sogar die Dicke der etwaigen, additiven Füllgutschicht sicher detektieren zu können. Ein TDR-basiertes Füllstandsmessgerät, welches eine etwaige additive Füllgutschicht durch Vergleich der Signal-Amplitude eines Signal-Maximums mit einem theoretischen Soll-Wert ermittelt, wird in der europäischen Patentanmeldung 2 722 655 A1 beschrieben. Mittels Identifikation des entsprechenden Signal-Maximums ist eine Detektion jedoch auch in diesem Fall zumindest unsicher, da die additive Füllgutschicht bzw. dessen Oberfläche das entsprechende Signal gegebenenfalls nur sehr schwach reflektiert.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine sichere Füllstandsmessung zu erreichen.
• Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Mess-System zur Messung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter, das folgende Komponenten umfasst:
• - Ein Radar-basiertes Messgerät, mit
  • ◯ einer Übertragungs-Einheit, mittels welcher Hochfrequenz-Signale gen Füllgut sendbar und nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche als Empfangs-Signale empfangbar sind,
  • ◯ einer Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, das auszusendende Hochfrequenz-Signal zu erzeugen,
  • ◯ einer Empfangs-Einheit, die ausgelegt ist, das Empfangs-Signal aufzuzeichnen, und
• - eine Auswerte-Einheit, in welcher erfindungsgemäß ein maschineller Lern-Algorithmus derart ausgebildet ist, um anhand des Empfangs-Signals den Füllstand zu detektieren.
• Unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung wie einen Microcontroller oder ein Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. In diesem Kontext können verschiedene elektronische Einheiten des Mess-Systems im Sinne der Erfindung potenziell auch auf einen gemeinsamen physikalischen Speicher zurückgreifen bzw. physikalisch mittels derselben Digitalschaltung betrieben werden.
• Durch die erfindungsgemäße Implementierung eines maschinellen Lern-Algorithmus wird das Problem umgangen, dass der Füllgut-Oberfläche ggf. nicht das richtige Signal-Maximum im Empfangs-Signal zugeordnet werden kann, wie es gemäß dem Stand der Technik zu dessen Detektion erforderlich ist. Vielmehr können mithilfe des maschinellen Lern-Algorithmus vor allem Empfangs-Signale, die unter komplexen Messbedingungen wie beispielsweise bei Mehrfachreflektionen oder bei vorhandenen Behälter-Inneneinbauten aufgezeichnet werden, wesentlich sicherer interpretiert werden.
• Als „maschineller Lern-Algorithmus“ definiert sich im Rahmen der Erfindung prinzipiell jeder universelle, mathematische Funktions-Approximator, welcher zumindest eine seiner Eingangsgrößen auf mindestens eine seiner Ausgangsgrößen abbildet. Interne Parameter der entsprechenden, abbildenden Funktionen werden während einer Einlern-Phase anhand von bekannten Trainingsdaten angepasst. Dabei wird als algorithmischer Ansatz insbesondere überwachtes Lernen implementiert. In diesem Zusammenhang ist es im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben, in welcher konkreten Form der maschinelle Lern-Algorithmus implementiert ist. Zum Beispiel kann der maschinelle Lern-Algorithmus in Form von „Decision Trees“, „Support Vector Machine“, „Naive Bayes“, oder „k Nearest Neighbour“ implementiert werden. Besonders wirksam kann der Füllstand jedoch detektiert werden, wenn der maschinelle Lern-Algorithmus auf Basis eines nicht-symbolischen Ansatzes, wie beispielsweise als künstliches neuronales Netzwerk, insbesondere in Form einer tiefen Lernmethode (besser bekannt als „Deep Learning“) ausgelegt ist. Näher beschrieben sind maschinelle Lern-Algorithmen beispielsweise in „Introduction to Artificial Intelligence“ (Wolfgang Ertel, 2017).
• Außerdem ist es im Rahmen der Erfindung nicht wesentlich, wie bzw. wo die Auswerte-Einheit realisiert ist. So kann die Auswerte-Einheit beispielsweise als integraler Bestandteil des Messgerätes selbst, als Bestandteil eines übergeordneten Netzwerkes, wie einer Cloud bzw. einem Server, oder als Bestandteil eines anlagenspezifischen Prozessleitsystems ausgelegt werden.
• Möglich ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Idee beispielsweise, wenn das Füllstandsmessgerät auf Basis des TDR-Verfahrens ausgelegt ist, so dass die Übertragungs-Einheit als Mess-Sonde realisiert ist, die sich in den Behälter erstreckt. Korrespondierend hierzu erzeugt die Signalerzeugungs-Einheit das auszusendende Hochfrequenz-Signal in diesem Fall gemäß des TDR-Verfahrens entsprechend pulsweise. Vorteilhaft am TDR-Verfahren in Bezug zur erfindungsgemäßen Idee ist, dass das Empfangs-Signal eine insgesamt höhere Signal-Amplitude aufweist, wodurch der maschinelle Lern-Algorithmus den Füllstand prinzipiell leichter identifizieren kann.
• Möglich ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Idee prinzipiell jedoch auch im Fall eines frei abstrahlenden Radar-Messgerätes, bei welchem die Übertragungs-Einheit als Antenne ausgelegt ist, je nach Frequenzband beispielsweise als Hornantenne, Linsenantenne, oder als Planar-Antenne. Dabei ist es nicht ausschlaggebend, ob die Signalerzeugungs-Einheit das auszusendende Hochfrequenz-Signal gemäß dem FMCW-Verfahren erzeugt bzw. die Empfangs-Einheit das Empfangs-Signal gemäß des FMCW-Verfahrens aufzeichnet, oder ob die Signalerzeugungs-Einheit das auszusendende Hochfrequenz-Signal gemäß des Pulslaufzeit-Verfahrens erzeugt und die Empfangs-Einheit das Empfangs-Signal gemäß des Pulslaufzeit-Verfahrens aufzeichnet.
• Korrespondierend zum erfindungsgemäßen Mess-System wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein entsprechendes MessVerfahren zur Detektion des Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter mittels des Mess-Systems nach einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsvarianten gelöst. Dabei umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
• - Aussenden eines Hochfrequenz-Signals über die Übertragungs-Einheit in den Behälter gemäß des jeweiligen Radar-Verfahrens,
• - Aufzeichnen des Empfangs-Signals nach Reflektion des Hochfrequenz-Signals gemäß des entsprechenden Radar-Verfahrens, und
• - derartige Auswertung des Empfangs-Signals mittels des maschinellen Lern-Algorithmus, so dass der Füllstand detektiert wird.
• Dabei kann der maschinelle Lern-Algorithmus in der Einlern-Phase, die vor dem eigentlichen Messbetrieb erforderlich ist, beispielsweise mittels experimentell gewonnener und/oder per Simulation generierter Empfangs-Signale, wie zum Beispiel mittels „CST Microwave Studio“ eingelernt werden.
• Optional kann das erfindungsgenmäße Verfahren um folgende Verfahrensschritte erweitert werden, um beispielsweise die Funktionsfähigkeit des Messgerätes zu überprüfen:
• - Bestimmung eines Füllstandswertes, indem im Empfangs-Signal gemäß der klassischen Auswertung ein zur Füllgut-Oberfläche entsprechendes Signal-Maximum lokalisiert wird,
• - Vergleich desjenigen Füllstandswertes, welcher gemäß dem Stand der Technik mittels Lokalisierung des entsprechenden Signal-Maximum bestimmt wird, mit demjenigen Füllstand, welcher erfindungsgemäß mittels des maschinellen Lern-Algorithmus ermittelt ist, und
• - Einstufung des ermittelten Füllstandes als plausibel, sofern der Vergleich eine hinreichende Übereinstimmung ergibt.
• Hierdurch kann die Sicherheit bzw. die Aussagekraft der Füllstandsmessung weiter erhöht werden.
• Anhand der nachfolgenden Figur wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
• 1: Ein erfindungsgemäßes Mess-System zur Füllstandsmessung in einem Behälter.
• Zum Verständnis erfindungsgemäßer Füllstandsmessung ist in 1 ein frei abstrahlendes Radar-Messgerät 1 gezeigt, mittels dem der Füllstand L eines in einem Behälter 3 befindlichen Füllgutes 2 bestimmt werden kann. Zur Umsetzung des Pulslaufzeit- oder des FMCW-Verfahrens umfasst das Messgerät 1 als Übertragungs-Einheit für entsprechende Hochfrequenz-Signale S_HF, R_HF gen Füllgut 2 bzw. nach Reflektion im Behälter 3 eine Antenne 11. Entgegen der in 1 gezeigten Ausführungsvariante ist im Falle des TDR-Messprinzips als Übertragungs-Einheit 11 anstelle der Antenne 11 eine Mess-Sonde erforderlich.
• Zur Bestimmung des Füllstandes L ist das Messgerät 1 an der Oberseite des Behälters 3 angebracht, wobei die Antenne 11 zum Aussenden und Empfang der Hochfrequenz-Signale S_HF, R_HF im Behälter-Inneren gen Füllgut 2 gerichtet ist. Dabei ist die Einbauhöhe h des Messgerätes 1 oberhalb der Behältersole bekannt und im Füllstandsmessgerät 1 oder in einer externen Auswerte-Einheit 4, wie einem dezentralen Server oder einem zentralen Prozessleitsystem, hinterlegt.
• Über die Antenne 11 wird das auszusendende Hochfrequenz-Signal S_HF entsprechend des FMCW- oder Pulslaufzeit-Verfahrens entsprechend pulsförmig oder frequenzmoduliert in Richtung des Füllgutes 2 ausgesendet. Durch den Sprung des Dielektrizitätswertes an der Oberfläche des Füllgutes 2 wird das ausgesendete Hochfrequenz-Signal S_HF im Anschluss auf Höhe der Füllgut-Oberfläche reflektiert und nach einer korrespondierenden Signallaufzeit t im Messgerät 1 entsprechend als Empfangs-Signal R_HF empfangen. Hierbei hängt die Signallaufzeit t des Signals S_HF, R_HF gemäß $$t=\frac{2d}{c}$$

  

  vom Abstand d $$d=h-L$$

  

  der Behälter-Oberseite zur Füllgut-Oberfläche ab. Dabei ist c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Hochfrequenz-Signals S_HF, R_HF im Behälter 3, die im Bereich der Lichtgeschwindigkeit c liegt.
• Zur Erzeugung des Hochfrequenz-Signals S_HF umfasst das Füllstandsmessgerät 1 eine entsprechend ausgelegte Signalerzeugungs-Einheit: Im Falle des TDR-Verfahrens kann diese beispielsweise auf einem Kondensator basieren, der zur Erzeugung des ca.100 ps bis 1 ns dauernden Pulses entsprechend entladen wird. Im Falle von frei abstrahlendem Radar gemäß des Pulslaufzeit- oder FMCW-Verfahrens, wie es in 1 der Fall ist, kann die Signalerzeugungs-Einheit beispielsweise einen Frequenz-geregelten Hochfrequenz-Schwingkreis oder einen Schwingquarz umfassen. Damit die Signalerzeugungs-Einheit das Hochfrequenz-Signal S_HF gemäß dem jeweiligen Verfahren in der erforderlichen Taktrate pulsförmig oder rampenförmig erzeugt, wird der Kondensator bzw. der Schwingquarz entsprechend getaktet bzw. moduliert angesteuert.
• Zwischen der Signalerzeugungs-Einheit des Messgerätes 1 und der Antenne 11 ist eine Sende-/Empfangs-Weiche zwischengeschaltet, um das Empfangs-Signal R_HF nach Reflektion im Behälter 3 einer Empfangs-Einheit zuzuführen, in welcher das Empfangs-Signal R_HF digitalisiert bzw. aufgezeichnet wird (nicht explizit dargestellt). Dabei ist die Auslegung der Sende-/Empfangs-Weiche prinzipiell nicht fest vorgegeben. Im Falle des TDR-Verfahrens, wie es bei der in 1 gezeigten Ausführungsvariante der Fall ist, kann die Sende-/Empfangs-Weiche beispielsweise als rein elektrischer Knoten ausgelegt sein. Insbesondere im Fall von frei abstrahlendem Radar kann die Sende-/Empfangs-Weiche beispielsweise als Duplexer realisiert werden.
• Zur Ermittlung des Füllstandes L kann das Empfangs-Signal R_HF in der Empfangs-Einheit beispielsweise aufgezeichnet werden, indem das Empfangs-Signal R_HF gemäß des Pulslaufzeit-Prinzips unterabgetastet wird, so dass das Empfangs-Signal R_HF zeitlich um einen definierten Faktor gedehnt wird. Dabei hängt der Zeitdehnungsfaktor von der Abtastrate ab. Hierzu muss die entsprechende Abtastrate zur Erzielung einer hinreichenden Zeitdehnung so gewählt sein, dass sie sich von der Taktrate der ausgehenden Signal-Pulse S_HF lediglich im Promillebereich unterscheidet. Im Falle von FMCW wird die zeitgedehnte Aufzeichnung des Empfangs-Signals R_HF durch Mischen des Empfangs-Signals R_HF mit dem instantan ausgesendeten Hochfrequenz-Signals S_HF erreicht.
• Durch die Zeitdehnung wird die Bestimmung des Füllstandes L anhand des Empfangs-Signals R_HF aus schaltungstechnischer Sicht vereinfacht. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsvariante des Messgerätes 1 wird das Empfangs-Signal R_HF im Falle von frei abstrahlendem Radar zusätzlich zur Zeitdehnung gleichgerichtet, so dass das aufgezeichnete Empfangs-Signal R_HF in Bezug zu einem festen Referenzpotential lediglich eine Polarität - plus oder minus - aufweist.
• Die Ermittlung des Füllstandes L mittels des ggf. zeitgedehnten Empfangs-Signals R_HF wird anhand der rechts in 1 dargestellten Kurve näher veranschaulicht: Die dortige Kurve illustriert den zeitlichen Amplituden-Verlauf des Empfangs-Signals R_HF. Dabei verhält sich der Abstand d zwischen Behälter-Oberseite und der Füllgut-Oberfläche proportional zur Signallaufzeitzeit-Achse t der in 1 dargestellten Kurve. Im Idealfall, also ohne jegliche äußere Störeinflüsse, umfasst das Empfangs-Signal R_HF zumindest ein signifikantes Signal-Maximum, welches eindeutig der Oberfläche des Füllgutes 2 zugeordnet werden kann. Dabei wird der Füllstand L anhand der zum Signal-Maximum korrespondierenden Laufzeit t und der zuvor erwähnten Formeln bestimmt. Gemäß dem Stand der Technik kann dies mittels entsprechender Such-Algorithmen zur Detektion des Signal-Maximums im Auswertungs-Signal R_HF erfolgen.
• Wie aus der in 1 dargestellten Kurve ersichtlich ist, umfasst das Auswertungs-Signal R_HF neben dem Füllstands-Maximum weitere Signal-Maxima, welche beispielsweise der Reflektion des Hochfrequenz-Signals S_HF am Behälterboden oder Störkörpern, wie Einlässen zuzuordnen sind. Dabei weisen die Signal-Maxima je nach Einsatzort zudem keinen scharfen Verlauf auf. Somit lässt sich hieraus im Zweifelsfall kein bzw. nicht das korrekte Signal-Maximum bestimmen. Daher ist es dem Messgerät 1 unabhängig davon, ob es auf dem Pulslaufzeit- dem FMCW- oder dem TDR-Messprinzip basiert, je nach Mess-Situation nicht mit Sicherheit möglich, den Füllstand L des Füllgutes 2 korrekt zu ermitteln. Dabei ist es je nach Anwendung bzw. Prozessanlage essenziell, den Füllstand L des Füllgutes 2 mit Sicherheit korrekt zu kennen, bspw. um Überfüllung des Behälters 3 zu verhindern.
• Erfindungsgemäß kann der Füllstand L durch die Anwendung eines maschinellen Lern-Algorithmus MLA auf das ggf. zeitgedehnte Empfangs-Signal R_HF auch bei nicht zweifelsfrei detektierbaren Signal-Maxima ermittelt werden. Hierbei ist es prinzipiell nicht festgelegt, welcher Lern-Algorithmus MLA angewendet wird. Als besonders zielführend erweisen sich hierfür künstliche neuronale Netzwerke, insbesondere „Deep Learning“. Hierdurch kann das Empfangs-Signal R_HF hinsichtlich des Füllstandes L im Falle eines komplexeren Signalverlaufs sicherer interpretiert werden, als wenn lediglich Signal-Maxima detektiert und zur Füllstands-Bestimmung herangezogen werden.
• Da die Anwendung des maschinellen Lern-Algorithmus MLA ggf. eine hohe Rechenleistung erfordert, ist es vorteilhaft, wenn der maschinelle Lern-Algorithmus MLA nicht im Messgerät 1 selbst implementiert ist, sondern in der externen Auswerte-Einheit 4, da das Messgerät 1 in der Prozessanlage unter Umständen einer begrenzten Leistungsversorgung unterliegt. Dabei kann das Messgerät 1 bzw. dessen Empfangs-Einheit das aufgezeichnete Empfangs-Signal R_HF über eine geeignete Schnittstelle, wie etwa „PROFIBUS“, „HART“, „Wireless HART‟, „4-20mA“, „Bluetooth“ oder „Ethernet“ an die Auswerte-Einheit 4 übertragen. Somit bildet die Auswerte-Einheit 4 zusammen mit dem Messgerät 1 ein entsprechendes Mess-System zur erfindungsgemäßen Füllstandsmessung im Behälter 3. Sofern auch im Messgerät 1 genügend Rechenleistung zur Verfügung steht, kann der maschinelle Lern-Algorithmus auch im Messgerät 1 selbst implementiert werden.
• Die Anwendung maschineller Lern-Algorithmen MLA erfordert ein Einlernen des erfindungsgemäßen Mess-Systems unter bekannten Bedingungen. Daher ist das Messgerät 1 vor dem regulären Messbetrieb verschiedenen Einlern-Situationen mit bekannten Parametern, wie
• - dem Füllstand L des Füllgutes 2,
• - einem bekannten Füllgut Typ bzw. dessen Dielektrizitätswert DK, und/oder
• - einer bekannten Behälter-Innengeometrie
auszusetzen. Dabei können die Empfangs-Signale R_HF, die der Einlern-Phase zugrunde liegen, nicht nur experimentell gewonnen werden, sondern auch mittels Simulation, wie beispielsweise per „CST Microwave Studio“. Hierdurch wird eine zeitintensive Einlern-Phase in der Prozess-Anlage vermieden.
• Auf Basis der Erfindung ist es nicht nur möglich, den Füllstand L zu bestimmen, sondern der Füllstand L kann auch auf seine Plausibilität hin geprüft werden, bspw. um die Funktionstüchtigkeit des Messgerätes 1 zu validieren und somit die Sicherheit der Messung weiter zu erhöhen. Hierzu kann die Auswertungs-Einheit 4 so ausgelegt werden, dass sie den Füllstandswert L aus dem Empfangs-Signal R_HF nicht nur mittels des maschinellen Algorithmus MLA bestimmt, sondern zusätzlich auch durch Lokalisierung des entsprechenden Signal-Maximums, wie es nach dem Stand der Technik gegebenenfalls möglich ist. In diesem Fall können die zwei auf unterschiedliche Weise ermittelten Füllstandswerte L (mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie mittels der klassischen Methode) miteinander verglichen werden: Sofern der Vergleich eine hinreichende Übereinstimmung der zwei Füllstandswerte L ergibt, kann hieraus auf einen plausiblen Füllstandswert L bzw. ein funktionstüchtiges Messgerät 1 geschlossen werden. Somit wird hierdurch die Sicherheit der FüllstandsMessung weiter erhöht.
• Bezugszeichenliste

1

Messgerät

2

Füllgut

3

Behälter

4

Auswerte-Einheit

d

Abstand

h

Höhe über Behältersole

L

Füllstand

MLA

Maschineller Lern-Algorithmus

RHF

Empfangs-Signal

SHF

Hochfrequenz-Signal

t

Signallaufzeit

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 1007743 B2 [0004]

Claims (11)

1. Mess-System zur Messung eines Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3), umfassend: - Ein Radar-basiertes Messgerät (1), mit ◯ einer Übertragungs-Einheit (11), mittels welcher Hochfrequenz-Signale (S_HF) gen Füllgut (2) sendbar und nach Reflektion an der Füllgut-Oberfläche als Empfangs-Signale (R_HF) empfangbar sind, ◯ einer Signalerzeugungs-Einheit, die ausgelegt ist, das auszusendende Hochfrequenz-Signal (S_HF) zu erzeugen, ◯ einer Empfangs-Einheit, die ausgelegt ist, das Empfangs-Signal (R_HF) aufzuzeichnen, und - eine Auswerte-Einheit (4), in welcher ein maschineller Lern-Algorithmus (MLA) derart ausgebildet ist, um anhand des Empfangs-Signals (R_HF) den Füllstand (L) zu detektieren.
2. Mess-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der maschinelle Lern-Algorithmus (MLA) als künstliches neuronales Netzwerk, insbesondere in Form einer tiefen Lernmethode ausgelegt ist.
3. Mess-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerte-Einheit als integraler Bestandteil des Messgerätes (1) ausgelegt ist.
4. Mess-System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerte-Einheit (4) als Bestandteil eines übergeordneten Netzwerkes, insbesondere eines Server-Systems oder eines Prozessleit-Systems, ausgelegt ist.
5. Mess-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Übertragungs-Einheit als Mess-Sonde, die sich in den Behälter (3) erstreckt, ausgelegt ist, und wobei die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, das auszusendende Hochfrequenz-Signal (S_HF) gemäß des TDR-Verfahrens zu erzeugen, bzw. wobei die Empfangs-Einheit ausgelegt ist, das Empfangs-Signal (R_HF) gemäß des TDR-Verfahrens aufzuzeichnen.
6. Mess-System nach Anspruch 1 bis 4, wobei die Übertragungs-Einheit als Antenne (11), insbesondere als Hornantenne oder als Planar-Antenne, ausgelegt ist.
7. Mess-System-nach Anspruch 6, wobei die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, das auszusendende Hochfrequenz-Signal (S_HF) gemäß dem FMCW-Verfahren zu erzeugen, bzw. wobei die Empfangs-Einheit ausgelegt ist, das Empfangs-Signal (R_HF) gemäß dem FMCW-Verfahren aufzuzeichnen.
8. Mess-System-nach Anspruch 6, wobei die Signalerzeugungs-Einheit ausgelegt ist, das auszusendende Hochfrequenz-Signal (S_HF) gemäß des Pulslaufzeit-Verfahrens zu erzeugen, bzw. wobei die Empfangs-Einheit ausgelegt ist, das Empfangs-Signal (R_HF) gemäß des Pulslaufzeit-Verfahrens aufzuzeichnen.
9. Verfahren zur Detektion des Füllstandes (L) eines Füllgutes (2) in einem Behälter (3) mittels des Mess-Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Aussenden eines Hochfrequenz-Signals (S_HF) über die Übertragungs-Einheit (11) in den Behälter (3), - Aufzeichnen des Empfangs-Signals (R_HF) nach Reflektion des Hochfrequenz-Signals (S_HF), - Derartige Auswertung des Empfangs-Signals (R_HF) mittels des maschinellen Lern-Algorithmus (MLA), so dass der Füllstand (L) detektiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der maschinelle Lern-Algorithmus (MLA) mittels experimentell gewonnener Empfangs-Signale (R_HF) und/oder per Simulation generierter Empfangs-Signale (R_HF) eingelernt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, folgende zusätzliche Verfahrensschritte umfassend: - Bestimmung eines Füllstandswertes, indem im Empfangs-Signal (R_HF) ein zur Füllgut-Oberfläche korrespondierendes Signal-Maximum lokalisiert wird, - Vergleich desjenigen Füllstandswertes, welcher mittels Lokalisierung des entsprechenden Signal-Maximum bestimmt wird, mit demjenigen Füllstand (L), welcher mittels des maschinellen Lern-Algorithmus (MLA) ermittelt ist, und - Einstufung des ermittelten Füllstandes (L) als plausibel, sofern der Vergleich eine hinreichende Übereinstimmung ergibt.

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