Die Erfindung betrifft ein ortsauflösendes Füllstandsmessgerät sowie ein Verfahren zur effizienten Datenübertragung der entsprechenden Füllstandswerte.

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.

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).

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.

Die zeitliche Änderung der Frequenz innerhalb des Frequenzbandes ist standardmäßig linear und weist eine Sägezahn- beziehungsweise Dreiecks-Form 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 DE 10 2013 108 490 A1.

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 „Strahlwinker handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung um denjenigen Winkel, in dem die Strahlkeule ihre maximale Sende-Intensität bzw. Empfangs-Empfindlichkeit aufweist).

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.

Zur ortsauflösenden Füllstandsmessung kann die Strahlkeule des Radar-basierten 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.

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 a der Strahlkeule in Abhängigkeit der Phasenverschiebung cp gemäß a~arcsin(<p) ein.

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 DE 100 36 131 A1 beschrieben.

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.

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. Es ist dementsprechend eine Aufgabe der Erfindung, ein dreidimensional auflösendes Füllstandsmessgerät bereitzustellen, welches diesen sich entgegenstehenden Auslegungsanforderungen möglichst gerecht wird.

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, o um Radar-Signale mit lateral veränderbarem Ortsbezug gen Füllgut auszusenden, und o um nach Reflektion an einem entsprechenden Ort der Füllgut-Oberfläche entsprechende-Empfangs-Signale zu empfangen, und eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, o anhand der Empfangs-Signale ortsbezogene Füllstandswerte zu ermitteln, und o um das geometrische Modell zu erstellen, indem die ortsbezogenen Füllstandswerte durch einen oder mehrere geometrische Körper approximiert werden.

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.

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.

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 10 ² , 10 ³ oder 10 ⁴ 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.

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 Innenquerschnitts-Form 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. 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.

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.

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : Ein ortsauflösendes Füllstandsmessgerät an einem Behälter,

Fig. 2: eine erfindungsgemäße Modellierung der Füllgut-Oberfläche.

Zum Verständnis der Erfindung ist in Fig. 1 ein Behälter 3 mit einem Füllgut 2 gezeigt, dessen Füllstand L zu bestimmen ist. Dabei kann der Behälter 3 je nach Art des Füllgutes 2 und je nach Einsatzgebiet bis zu mehr als 100 m hoch sein.

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 s 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. Nach Reflektiert 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 entsprechend proportional zum Abstand d zwischen dem Füllstandsmessgerät 1 und dem Füllgut 2. Bei „c“ handelt es sich in diesem Zusammenhang um die jeweils medienabhängige Radar-Ausbreitungsgeschwindigkeit. Zur Bestimmung der Signallaufzeit t kann im Füllstandsmessgerät 1 das FMCW- oder das Pulslaufzeit- Verfahren implementiert sein. Dementsprechend hat die Erzeugung der auszusendenden Radar-Signale SHF sowie der Empfang der entsprechenden Empfangs-Signale RHF innerhalb des Füllstandsmessgerätes 1 durch eine entsprechend ausgelegte Sende- /Empfangs-Einheit zu erfolgen. Im Falle des FMCW-Verfahrens kann die Sende- /Empfangs-Einheit beispielsweise auf Basis einer Phasenregelschleife („ Phase Locked Loop“) ausgelegt werden. Im Falle des Pulslaufzeit-Verfahrens kann die Sende- /Empfangs-Einheit auf dem Prinzip der Puls-Unterabtastung basieren.

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 d = h — L den Füllstand L zumindest punktuell bestimmen, sofern die Einbauhöhe h im Füllstandsmessgerät 1 hinterlegt wird.

In der Regel ist das Füllstandsmessgerät 1 über eine eigene Kommunikations-Einheit, in welcher als Kommunikations-Protokoll beispielweise „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART ¹ , 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.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist die Oberfläche des Füllgutes 2 nicht planar. Dies kann insbesondere bei Schüttgut-artigen Füllgütern 2 eintreten, bspw. wenn sich beim Befüllen des Behälters 3 Schüttkegel bilden. Daneben kann es beim Abpumpen des Füllgutes 2 zu Vertiefungstrichtern an der Füllgut-Oberfläche kommen. Sofern das Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L lediglich punktuell an einer Stelle der Oberfläche des Füllgutes 2 bestimmt, führt dies gegebenenfalls zu einer fehlerhaften Interpretation des Füllstandes L. Hierdurch kann ein Entleerungsvorgang fehlerhafterweise gestoppt werden, wenn durch das Füllstandsmessgerät 1 ein leerer Behälter s ermittelt wurde, obwohl am Rand des Behälter-Inneren noch Füllgut 2 vorhanden ist. Im entgegengesetzten Fall kann es bei vollem Behälter s vorkommen, dass ein Befüll- Vorgang nicht angehalten wird, obwohl ein Maximalfüllstand an einer Stelle der Füllgut- Oberfläche bereits überschritten ist, da dies durch das Füllstandsmessgerät 1 nicht erkannt wird.

Aus diesem Grund bestimmt das in Fig. 1 dargestellte Füllstandsmessgerät 1 den Füllstand L _x;y bezogen auf die horizontale Ebene x;y ortsaufgelöst. Hierzu können in der Sende-/Empfangs-Einheit bzw. in der Auswerte-Einheit beispielsweise das Phased-Array- Prinzip oder das Digital Beam Forming Prinzip implementiert sein, so dass Füllstandswerte L _x;y mit jeweils lateral verändertem Ortsbezug x;y ausgesendet und Empfangs-Signale RHF entsprechend empfangen werden. Dabei ist es zur Erstellung eines Füllgut-Profils vorteilhaft, die einzelnen Radar-Signale SHF in Bezug zur Vertikalen derart mit jeweils unterschiedlichem Ortsbezug x;y auszusenden bzw. zu empfangen, dass ein regelmäßiges Raster gebildet wird. Somit kann die Auswerte-Einheit anhand der entsprechenden Empfangs-Signale RHF Füllstandswerte L _x;y für dieses Raster ermitteln. Das Raster erstreckt sich lateral optimalerweise über den gesamten Innenraum des Behälters 3. Dementsprechend muss die Sende-/Empfangs-Einheit bezüglich des Phased-Array Prinzips bzw. bezüglich des Digital Beam Forming Prinzips in der Lage sein, die Strahlkeule über einen entsprechend weiten Raumwinkelbereich schwenken zu können. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Füllstandsmessgerät 1 ausgelegt ist, ein Raster bzw. einen Raumwinkelbereich von mindestens 90° mit einer Auflösung von mindestens 2° pro Achse zu erfassen. Hieraus resultiert ein entsprechend großer Datensatz an ortsaufgelösten Füllstandswerten L _x;y , der über die Kommunikations-Einheit zu exportieren ist.

Dreidimensionale Füllgutoberflächen-Profile, die auf den ermittelten Füllstandswerten L _x;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 ¹ im „4-20 mA“-Betrieb in Zeiträumen von wenigen Minuten nicht zu übertragen.

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 L _x;y je nach Größe des Datensatzes nicht möglich, obwohl dies zur Steuerung von Pumpen oder Abflüssen ggf. erforderlich ist.

Daher erstellt die Auswerte-Einheit erfindungsgemäß ein geometrisches Modell MG von vorzugsweise der gesamten Füllgut-Oberfläche im Behälter s, 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.

Visualisiert ist die erfindungsgemäßen Erstellung des geometrischen Modells MG schematisch in Fig. 2: Bei der dort gezeigten Ausführungsvariante basiert das Modell MG auf einem Grundkörper B, welcher aus der gen Füllgut-Oberfläche extrudierten Querschnittsgeometrie des Behälter-Inneren resultiert. In diesem Fall ist es erforderlich, die die Querschnittsgeometrie des jeweiligen Behälters 3 in der Auswertungs-Einheit des Füllstandsmessgerätes 1 zu hinterlegen. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, handelt es sich bei der dortigen Ausführungsvariante um einen Behälter s, dessen Innenraum über die gesamte Höhe h eine kreisförmige Querschnittsgeometrie aufweist.

Um die Füllgut-Oberfläche zu modellieren, wird der Grundkörper B bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante exemplarisch durch drei geometrische Körper z, k1 , k2 modifiziert. Dabei erfolgt die Modifikation in Form logischer bzw. arithmetischer Operationen: Von einem Zylinder z wird ein erster Kegel k1 subtrahiert und vertikal versetzt durch Addition ein zweiter Kegel k2 hinzugefügt. Der resultierende Teilkörper wird mit dem extrudierten Grundkörper B geschnitten, woraus das geometrische Modell MG der Füllgut-Oberfläche resultiert. Wie das in Fig. 2 gezeigte Modell MG zeigt, kann dadurch der Füllstand L _x;y des Füllgut 2 insofern ortsaufgelöst nachgebildet werden, als dass sich im Behälter s bspw. ein Schüttgutkegel und gleichzeitig ein Vertiefungstrichter durch ablaufendes Schüttgut 2 ausbildet. Es versteht sich hierbei von selbst, dass es sich bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsvariante lediglich um ein stark vereinfachtes Beispiel handelt.

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 L _x;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 L _x;y aus dem Teilbereich der Füllgut-Oberfläche, der durch den Kegel k1 , k2 abgedeckt wird.

In Bezug zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante erfordert es zur Übertragung des konkreten Modells MG gemäß

2 Byte an Datenmenge pro Parameterwert und ein Byte für die Objektart. Für die Verknüpfungen genügen weniger als 64 Byte.

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 L _x;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 L _x;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 Mc eine definierte Maximai-Datenmenge umfasst, oder so dass die Datenmenge des Modells MG in Bezug zu den zugrundeliegenden Füllstandswerten L _x;y um einen Mindest-Faktor von bspw. 10 ² 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.

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 L _x;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.

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.

Bezugszeichenliste

1 Füllstandsmessgerät

2 Füllgut 3 Behälter

4 Übergeordnete Einheit

11 Sammel-Linse

B Innenquerschnittsform des Behälters d Entfernung H Höhe des geometrischen Körpers h Einbauhöhe k1 ,2 Kegel

L _x;y Füllstandswert

MG Geometrisches Modell R Radius

R _HF SHF (Reflektiertes) Radar-Signal x;y Ortskoordinaten z Zylinder