校準(zhǔn)濁度測(cè)量傳感器的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種校準(zhǔn)測(cè)量介質(zhì)的濁度和/或固體含量的傳感器的方法，其中，該傳感器包括至少一個(gè)發(fā)射單元和至少兩個(gè)接收單元，其中，該方法包括下列步驟：探測(cè)至少兩個(gè)測(cè)量信號(hào)（1），該測(cè)量信號(hào)取決于在介質(zhì)中散射的光的強(qiáng)度，其中，光從發(fā)射單元發(fā)出，并且光被接收單元接收，將測(cè)量信號(hào)抽象為特征向量（2），基于特征向量（2）自動(dòng)選擇校準(zhǔn)模型（5a、5b、5..），其中，將特征向量（2）傳輸至早先受訓(xùn)分類器（3），并且分類器（3）將校準(zhǔn)模型（5a、5b、5..）和特征向量（2）相關(guān)聯(lián)，以及用自動(dòng)選擇的校準(zhǔn)模型（5a、5b、5..）來(lái)校準(zhǔn)（6）傳感器。
【專利說(shuō)明】校準(zhǔn)濁度測(cè)量傳感器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種校準(zhǔn)濁度測(cè)量傳感器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從本發(fā)明的意義上說(shuō)，尤其是在新鮮的工業(yè)水及氣體中，通過(guò)濁度傳感器執(zhí)行濁度測(cè)量。此外，本發(fā)明涉及類似的過(guò)程變量，諸如固體含量或污泥水平的測(cè)量。適合確定相應(yīng)過(guò)程變量的測(cè)量裝置的大量變體由恩德萊斯和豪瑟爾集團(tuán)公司制造和銷(xiāo)售，例如名稱為“Turbimax CUS51D” 的測(cè)量裝置。
[0003]通常，傳感器被布置在傳感器主體內(nèi)，并且光學(xué)地執(zhí)行過(guò)程變量的確定。在該情況下，從至少一個(gè)發(fā)射單元發(fā)出特定波長(zhǎng)的電磁波，其被將被測(cè)量的介質(zhì)散射，并且被接收單元接收。光學(xué)部件的電磁波波長(zhǎng)通常處于近紅外范圍內(nèi)，例如在880nm。
[0004]最常被用作發(fā)射器的是窄帶輻射器，例如發(fā)光二極管(LED)。在該情況下，LED用于產(chǎn)生處于適當(dāng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光。用作接收器的能夠?yàn)橄鄳?yīng)的光電二極管，其根據(jù)接收的光產(chǎn)生接收器信號(hào)，例如光電流或光電壓。
[0005]存在濁度傳感器的變體，其包括2個(gè)LED和4個(gè)光電二極管。在該情況下，兩個(gè)光電二極管接收從LED發(fā)出并且被介質(zhì)以90°角散射的光；兩個(gè)另外的光電二極管接收以135°角散射的光。在該情況下，光電二極管能夠接收直接或間接路徑上的光。根據(jù)該信號(hào)的多樣性，人們能夠選擇適合介質(zhì)的當(dāng)前特性的信號(hào)，或適當(dāng)?shù)男盘?hào)組合(例如，四束形式，交替光信號(hào)組合)。同樣的，存在使用發(fā)射光方法工作的傳感器變體。
[0006]傳感器能夠測(cè)量大部分的各種介質(zhì)，諸如活性污泥、菌致分解(消化)污泥、凈水，
坐坐寸寸ο
[0007]然而，由于這種靈活性，在校準(zhǔn)的情況下存在問(wèn)題。不同的介質(zhì)要求不同的數(shù)學(xué)校準(zhǔn)模型。這些不同的校準(zhǔn)模型會(huì)因人們?cè)谛?zhǔn)期間用來(lái)近似所選信號(hào)的信號(hào)數(shù)目和數(shù)學(xué)模型而不同。
[0008]相應(yīng)校準(zhǔn)模型的選擇是由操作人員在軟件菜單中手動(dòng)完成的。在該情況下，存在錯(cuò)誤地選擇了不正確的校準(zhǔn)模型的危險(xiǎn)。此外，可能發(fā)生下列情況，即選擇了實(shí)際上為另一介質(zhì)提供的校準(zhǔn)模型，然而雖然如此，它更適合當(dāng)前的介質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是確保可靠和正確地選擇校準(zhǔn)模型。
[0010]通過(guò)一種校準(zhǔn)測(cè)量介質(zhì)的濁度和/或固體含量的傳感器的方法實(shí)現(xiàn)該目的，其中，該傳感器包括至少一個(gè)發(fā)射單元和至少兩個(gè)接收單元，其中，該方法包括下列步驟:
[0011]-探測(cè)至少兩個(gè)測(cè)量信號(hào)，它們?nèi)Q于在介質(zhì)中散射的光的強(qiáng)度，
[0012]其中，光從發(fā)射單元發(fā)出、并且被接收單元接收，
[0013]-將測(cè)量信號(hào)抽象為特征向量，
[0014]-基于該特征向量自動(dòng)選擇校準(zhǔn)模型，[0015]其中，將該特征向量傳輸至早先受訓(xùn)的分類器，并且該分類器將校準(zhǔn)模型和特征向量相關(guān)聯(lián)，以及
[0016]-用自動(dòng)選擇的校準(zhǔn)模型校準(zhǔn)傳感器。
[0017]自動(dòng)選擇校準(zhǔn)模型意味著防止錯(cuò)誤，并且始終選擇相應(yīng)介質(zhì)的最好、最匹配的校準(zhǔn)模型，以便實(shí)現(xiàn)始終最佳的校準(zhǔn)結(jié)果。
[0018]優(yōu)選地，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練分類器。
[0019]在有利的實(shí)施例中，通過(guò)樸素貝葉斯分類器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)中的至少一種方法和/或通過(guò)基于規(guī)則的方法來(lái)訓(xùn)練分類器。
[0020]建立所述方法，并且使得能夠最優(yōu)地訓(xùn)練分類器。在該情況下，基于規(guī)則的方法形成相對(duì)簡(jiǎn)單的選項(xiàng)，在該情況下，用于當(dāng)特征向量位于第一區(qū)域中時(shí)，分類器決定第一校準(zhǔn)模型，當(dāng)特征向量位于第二區(qū)域中時(shí)，分類器決定第二校準(zhǔn)模型，等等。
[0021]當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室條件下訓(xùn)練分類器時(shí)，實(shí)現(xiàn)特定優(yōu)點(diǎn)，其中，訓(xùn)練是在恒定溫度、恒定氣壓下，用明確的介質(zhì)量和對(duì)介質(zhì)的規(guī)律攪動(dòng)進(jìn)行的。
[0022]在該情況下，優(yōu)選的是，在正在進(jìn)行的測(cè)量操作中再(重新)訓(xùn)練分類器，因而基于測(cè)量操作的經(jīng)驗(yàn)值持續(xù)改進(jìn)分類器。這能夠自動(dòng)地、和/或通過(guò)技術(shù)人員對(duì)分類器的相應(yīng)輸入來(lái)完成。
[0023]有利地，以多數(shù)規(guī)則選擇校準(zhǔn)模型，其中，執(zhí)行多次測(cè)量、且所選擇的用于校準(zhǔn)的校準(zhǔn)模型與最多的測(cè)量相吻合。因而，不是選擇第一校準(zhǔn)模型，而是選擇對(duì)于相應(yīng)的介質(zhì)產(chǎn)生最佳結(jié)果的校準(zhǔn)模型。
[0024]優(yōu)選地，該校準(zhǔn)是多點(diǎn)校準(zhǔn)。通過(guò)以不同濁度步驟的校準(zhǔn)，能夠提高校準(zhǔn)的精度。
[0025]在有利的實(shí)施例中，光線被第一接收單元以第一角度接收、且被第二接收單元以第二角度接收。
[0026]在優(yōu)選進(jìn)一步的改進(jìn)中，根據(jù)8個(gè)特征確定特征向量，其中，傳感器包括2個(gè)發(fā)射單元和4個(gè)接收單元。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]現(xiàn)在將基于附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，附圖的唯一一幅圖示出了:
[0028]圖1是本發(fā)明的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]將基于濁度測(cè)量解釋本發(fā)明。然而，本發(fā)明也能夠應(yīng)用于類似過(guò)程參數(shù)的測(cè)量，諸如污泥水平或固體含量等。在濁度傳感器的情況下，通常存在兩個(gè)獨(dú)立工作的傳感器單元，其每個(gè)都具有一個(gè)發(fā)射器和兩個(gè)接收器。優(yōu)選地，兩個(gè)接收器都用于接收相對(duì)發(fā)射器的光束方向、分別成90°角和135°角散射的光。在濁度傳感器和低濁度值的情況下，優(yōu)選使用90°通道。在平均和高濁度值以及固體測(cè)量時(shí)，優(yōu)選使用135°通道。此外，本發(fā)明的方法能夠應(yīng)用于利用發(fā)射的光進(jìn)行測(cè)量的傳感器。決定性僅在于使用超過(guò)單一的接收器。
[0030]在方框I中的第一步驟中，探測(cè)(記錄下)測(cè)量信號(hào)。根據(jù)該測(cè)量信號(hào)，在方框2中形成特征向量。因而，將所有的測(cè)量信號(hào)都包含在特征向量中。然后，在方框3中，特征向量被傳送至分類器。分類器基于特征向量選擇最適合的校準(zhǔn)模型5a、5b至5..。當(dāng)已經(jīng)選擇了校準(zhǔn)模型時(shí)，然后在方框6校準(zhǔn)該傳感器。因而，分類器3從校準(zhǔn)模型5a、5b至5..的代表性(參考下文)集合中選擇出了最適合該特征向量的校準(zhǔn)模型。
[0031]分類器3在實(shí)驗(yàn)室條件下經(jīng)早先受訓(xùn)。從本發(fā)明的意義上說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室條件包括恒定溫度、恒定氣壓、明確的介質(zhì)量和對(duì)介質(zhì)的規(guī)律攪動(dòng)，以便保持濁度恒定。這些條件的典型值包括室溫(22°C)、正常氣壓(1020hPa)和約201 (升)的體積。為了使訓(xùn)練盡可能準(zhǔn)確，有規(guī)律地?cái)嚢柙擉w積。
[0032]在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)量時(shí)，探測(cè)并記錄下列至少一種介質(zhì)的測(cè)量信號(hào)，包括福爾馬肼、活性污泥、菌致分解(消化)污泥、原污泥、回流污泥、高嶺土和/或二氧化鈦。為了訓(xùn)練分類器，必需具有盡可能大的數(shù)據(jù)庫(kù)，在該數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)對(duì)于所有可能的介質(zhì)的上述信號(hào)的值。應(yīng)注意，該數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)盡可能有代表性。
[0033]能夠通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)訓(xùn)練分類器3。同樣地，能夠使用樸素貝葉斯分類器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和/或支持向量機(jī)中的一種方法。
[0034]在最簡(jiǎn)單的情況下，還可以應(yīng)用基于規(guī)則的方法:如果特征向量2位于第一區(qū)域內(nèi)，就選擇校準(zhǔn)模型5a ;而如果特征向量2位于第二區(qū)域內(nèi)，就選擇校準(zhǔn)模型5b，等等。
[0035]在實(shí)驗(yàn)室條件下成功訓(xùn)練后，分類器3被永久地編程到傳感器中或測(cè)量發(fā)射器中。然而，分類器也能夠這樣實(shí)現(xiàn)，使得其能夠在正在進(jìn)行的測(cè)量操作中再次(或重新)學(xué)習(xí)。這能夠自動(dòng)、和/或通過(guò)技術(shù)人員對(duì)分類器的相應(yīng)輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0036]為了使分類器可靠，根據(jù)多數(shù)原則做出決定。因而，做出大量測(cè)量，并且不立即采取分類器的第一選擇。而是，對(duì)于某一時(shí)間段，存儲(chǔ)分類器的輸出，并且然后選擇最頻繁出現(xiàn)的校準(zhǔn)模型。對(duì)此的典型值是10-15次測(cè)量。
[0037]通常，執(zhí)行多點(diǎn)·校準(zhǔn)，即以相同介質(zhì)的不同濁度步驟，例如“凈”水、“稍微渾濁的”水和“非常渾濁的”水，來(lái)執(zhí)行校準(zhǔn)。
[0038]標(biāo)識(shí)符列表
[0039]I標(biāo)準(zhǔn)條件下的測(cè)量信號(hào)
[0040]2形成特征向量
[0041]3分類器
[0042]4訓(xùn)練
[0043]5a至5..校準(zhǔn)模型
[0044]6校準(zhǔn)
【權(quán)利要求】
1.一種校準(zhǔn)測(cè)量介質(zhì)的濁度和/或固體含量的傳感器的方法，其中，所述傳感器包括至少一個(gè)發(fā)射單元和至少兩個(gè)接收單元，其中，所述方法包括下列步驟: -探測(cè)至少兩個(gè)測(cè)量信號(hào)(I )，所述測(cè)量信號(hào)取決于在所述介質(zhì)中散射的光的強(qiáng)度， 其中，所述光從所述發(fā)射單元發(fā)出，并且所述光被所述接收單元接收， -將所述測(cè)量信號(hào)抽象為特征向量(2)， -基于所述特征向量(2)自動(dòng)選擇校準(zhǔn)模型(5a、5b、5..)， 其中，將所述特征向量(2 )傳輸至早先受訓(xùn)分類器(3 )，并且所述分類器(3 )將所述校準(zhǔn)模型(5a、5b、5..)和所述特征向量(2)相關(guān)聯(lián)，以及 -用所自動(dòng)選擇的校準(zhǔn)模型(5a、5b、5..)校準(zhǔn)(6)所述傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其中，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練所述分類器(3 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法， 其中，通過(guò)樸素貝葉斯分類器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)中的至少一種方法和/或通過(guò)基于規(guī)則的方法來(lái)訓(xùn)練所述分類器(3 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的至少一項(xiàng)所述的方法， 其中，在實(shí)驗(yàn)室條件下訓(xùn)練所述分類器(3 )， 其中，所述訓(xùn)練是在恒定溫度、恒定氣壓下、用明確的介質(zhì)量和對(duì)所述介質(zhì)的規(guī)律攪動(dòng)進(jìn)行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的至少一項(xiàng)所述的方法， 其中，在正在進(jìn)行的測(cè)量操作中再訓(xùn)練所述分類器(3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的至少一項(xiàng)所述的方法， 其中，按多數(shù)規(guī)則選擇所述校準(zhǔn)模型(5a、5b、5..)， 其中，執(zhí)行多次測(cè)量，且所選擇的用于校準(zhǔn)(6)的校準(zhǔn)模型(5a、5b、5..)與最多的測(cè)量相吻合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的至少一項(xiàng)所述的方法， 其中，所述校準(zhǔn)(6 )是多點(diǎn)校準(zhǔn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的至少一項(xiàng)所述的方法， 其中，所述光被所述第一接收單元以第一角度接收、并被所述第二接收單元以第二角度接收。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的至少一項(xiàng)所述的方法， 其中，根據(jù)8個(gè)特征確定所述特征向量(2 )， 其中，所述傳感器包括2個(gè)發(fā)射單元和4個(gè)接收單元。
【文檔編號(hào)】G01N21/49GK103575706SQ201310341781
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月7日
【發(fā)明者】埃丹·安杰利奇, 卡爾斯滕·戈茨, 安德烈亞斯·菲德特 申請(qǐng)人:恩德萊斯和豪瑟爾測(cè)量及調(diào)節(jié)技術(shù)分析儀表兩合公司