Virtuelle Sensoren mit Prozesswissen
Soft-Sensoren kombinieren Systemwissen mit vorhandenen Messungen und liefern zuverlässige Schätzungen für Größen, die teuer, schwer zugänglich oder physisch unmöglich direkt zu messen sind.
Was sind Soft-Sensoren?
Ein Soft-Sensor — auch als virtueller Sensor bezeichnet — nutzt ein mathematisches Prozessmodell zusammen mit vorhandenen Messdaten, um eine Schätzung der gesuchten Größe zu berechnen. Im Gegensatz zu einem physikalischen Instrument benötigt ein Soft-Sensor oder virtueller Sensor keine zusätzliche Hardware — er läuft als Software auf dem vorhandenen Leitsystem und nutzt die bereits vorhandene Instrumentierung.
Lösungen für industrielle Messaufgaben
Messung zu teuer
Analysatoren für Qualität, Viskosität oder Zusammensetzung kosten 50.000–500.000 € und werden von mehreren Strömen gemeinsam genutzt — nur periodische Proben, keine kontinuierlichen Daten.
Ein Soft-Sensor liefert kontinuierliche Schätzungen zwischen Analysatorproben und ermöglicht engere Echtzeit-Regelung.
Instrumentierung nicht installierbar
Durchflussmesser an Ventilpositionen, Wärmelasten in kryogenen Kreisläufen oder Drehmomentwerte in abgedichteten Antrieben können nicht instrumentiert werden.
Ein Soft-Sensor berechnet die Größe aus korrelierten Messungen, die bereits im System vorhanden sind.
Keine direkte Messung möglich
Größen wie Polymer-Schmelzindex, Zellkonzentration oder Katalysatoraktivität haben keine Echtzeit-Inline-Sensorik.
Ein Soft-Sensor schließt diese Größen aus messbaren Proxys — Temperatur, Druck, Durchfluss, Spektroskopie — unter Verwendung von Erst-Prinzipien- oder datengetriebenen Modellen.
Sensorausfall und Redundanz
Kritische Messungen fallen beim Anfahren, bei Störungen oder durch Verschmutzung aus. Ein einzelner Ausfallpunkt in einem sicherheitskritischen Regelkreis ist nicht tolerierbar.
Ein Soft-Sensor fusioniert redundante Messungen mehrerer Instrumente zu einer fehlertoleranten Schätzung, die auch bei Ausfall einzelner Sensoren gültig bleibt.
Messgenauigkeit
Zwei Instrumente, die dieselbe Größe messen, haben oft komplementäre Genauigkeitsprofile — eines schnell aber verrauscht, das andere langsam aber präzise.
Ein Soft-Sensor fusioniert beide Signale mit optimaler Schätztheorie zu einer Schätzung, die gleichzeitig schnell, präzise und driftfrei ist.
Technologie
Messungen
Der genaue Sensorbedarf wird fallweise bestimmt. In den meisten Fällen ist die vorhandene Instrumentierung ausreichend — keine neue Hardware erforderlich.
Modelle
Modelle kodieren das Systemwissen, das der Soft-Sensor nutzt. Die Komplexität reicht von einfachen empirischen Korrelationen bis zu vollständigen thermodynamisch-hydraulischen oder kinetischen Dynamikmodellen. Wir sind auf First-Principles-Modellierung für Prozessindustrie und Luftfahrtanwendungen spezialisiert.
Schätzalgorithmen
Von linearen Beobachtern (Luenberger, Kalman-Filter) bis zu nichtlinearen Algorithmen (Erweiterter Kalman-Filter, Unscented Kalman-Filter, Moving-Horizon-Schätzung). Die Wahl hängt vom Grad der Nichtlinearität, der verfügbaren Rechenleistung und der erforderlichen Genauigkeit ab.
Gemessene Ergebnisse
- LHC-Kryokreislauf (CERN): 5 thermodynamische Zustände in Echtzeit aus 3 Drucksensoren + Temperatur geschätzt — nichtlineare MHE bei 1 Hz für suprafluides Helium unter 2 K.
- Virtueller Durchflussmesser an Ventilpositionen: kontinuierliche Durchflussschätzung ohne Installation physischer Durchflussmesser.
- Sensorfusion-Variometer (SSDV12): Druck + IMU + GPS-Fusion mit Steigratenlösung und Genauigkeit jenseits konventioneller Barometervariometer.
- Analysator-Lückenabdeckung: kontinuierliche Qualitätsschätzung zwischen 2-stündigen Laborprobenintervallen ohne zusätzliche Analysatorinvestition.
Soft-Sensor / Virtueller Sensor vs. Physikalisches Instrument
Ein direkter Vergleich für Beschaffungs- und Machbarkeitsentscheidungen.
| Merkmal | Physikalisches Instrument | Soft-Sensor / Virtueller Sensor |
|---|---|---|
| Anschaffungskosten | 50.000–500.000 € pro Instrument | Nur Software — läuft auf vorhandenem DCS/SPS |
| Installation | Wochen bis Monate (Bauarbeiten, Kabel) | Tage bis Wochen (Modellintegration) |
| Wartung | Kalibrierungsabschaltungen, Verschmutzung | Modellaktualisierung — keine Prozessausfallzeit |
| Abdeckung | Ein physikalischer Messpunkt pro Gerät | Jede vom Modell erreichbare Variable |
| Datenrate | Periodisch (Analysator: 1–2 h) oder Einzelpunkt | Kontinuierlich, synchron mit Regelzyklus |
| Ausfallmodus | Harter Ausfall — Regelkreis offen | Schrittweiser Abbau — modellbasierter Rückfall |
Produkte
Advanced Virtual Flow Meter
Softwarebasierte Durchflussberechnung an Ventilpositionen aus Ventilstellung, Druck- und Temperaturmessungen — kein physisches Durchflussmessgerät erforderlich.
Mehr erfahrenDigital Variometer SSDV12
Hochpräziser Steig-/Sinkratensensor für Gleitschirmflieger durch Soft-Sensor-Datenfusion aus Druck-, Trägheits- und GPS-Messungen.
Mehr erfahrenReferenzen
- Non-linear Moving Horizon State Estimation and Control for the Superfluid Helium Cryogenic Circuit at the Large Hadron Collider — IFAC, 2015. Dr. Noga hat zu dieser Arbeit während seiner Promotion am CERN beigetragen.
Ausgewählte Publikationen
Peer-reviewed Forschung zu Soft-Sensor- und virtuellen Sensormethoden in industriellen und wissenschaftlichen Projekten.
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein Soft-Sensor / virtueller Sensor?
Ein Soft-Sensor ist ein Softwaremodell, das Schätzungen schwer messbarer Prozessgrößen aus vorhandener Instrumentierung berechnet. Keine neue Hardware erforderlich — er läuft auf Ihrem vorhandenen Leitsystem oder SPS.
Muss ich neue Sensoren installieren?
In den meisten Fällen nein. Der Soft-Sensor nutzt bereits vorhandene Messungen im Leitsystem. Die genauen Anforderungen werden fallweise bewertet.
Wie genau sind Soft-Sensoren?
Bei gut instrumentierten Prozessen mit einem guten First-Principles-Modell sind Schätzfehler von 1–5 % typisch. Die CERN-LHC-Kryo-Anwendung schätzte 5 thermodynamische Zustände aus 3 Drucksensoren.
Wie lange dauert ein Projekt?
Typischerweise 4–12 Wochen vom Kickoff bis zur Inbetriebnahme, abhängig von der Modellkomplexität und Datenverfügbarkeit. Ein 30-minütiges Erstgespräch reicht zur Bewertung.
Messaufgabe besprechen
Jedes Soft-Sensor-Projekt beginnt mit dem Verständnis Ihres Prozesses, Ihrer Instrumentierung und der zu messenden Größe. Ein 30-minütiges Gespräch reicht für eine Machbarkeitsbewertung.
Über uns
Soft-Sensor ist eine spezialisierte Ingenieursdienstleistung unter der Leitung von Dr. Rafał Noga — APC/MPC-Berater mit Erfahrung in Soft-Sensor- und Zustandsschätzung für Prozessindustrie, Kryotechnik und Luftfahrt seit 2007.