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Soft-Sensoren / Virtuelle Sensoren mit Prozesswissen

Soft-Sensoren — auch als virtuelle Sensoren bezeichnet — kombinieren Systemwissen mit vorhandenen Messungen und liefern zuverlässige Schätzungen für schwer messbare Größen.

Was sind Soft-Sensoren / Virtuelle 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.

Soft-Sensor-Architektur: Systemwissen + Messungen → Schätzalgorithmus → virtueller Sensor-Ausgang
Soft-Sensor / virtueller Sensor — Systemwissen zu vorhandenen Messungen hinzufügen.

Lösungen für industrielle Messaufgaben

Messung zu teuer

Problem

Analysatoren für Qualität, Viskosität oder Zusammensetzung kosten 50.000–500.000 € und werden von mehreren Strömen gemeinsam genutzt — nur periodische Proben, keine kontinuierlichen Daten.

Lösung

Ein Soft-Sensor liefert kontinuierliche Schätzungen zwischen Analysatorproben und ermöglicht engere Echtzeit-Regelung.

Instrumentierung nicht installierbar

Problem

Durchflussmesser an Ventilpositionen, Wärmelasten in kryogenen Kreisläufen oder Drehmomentwerte in abgedichteten Antrieben können nicht instrumentiert werden.

Lösung

Ein Soft-Sensor berechnet die Größe aus korrelierten Messungen, die bereits im System vorhanden sind.

Keine direkte Messung möglich

Problem

Größen wie Polymer-Schmelzindex, Zellkonzentration oder Katalysatoraktivität haben keine Echtzeit-Inline-Sensorik.

Lösung

Ein Soft-Sensor schließt diese Größen aus messbaren Proxys — Temperatur, Druck, Durchfluss, Spektroskopie — unter Verwendung von Erst-Prinzipien- oder datengetriebenen Modellen.

Sensorausfall und Redundanz

Problem

Kritische Messungen fallen beim Anfahren, bei Störungen oder durch Verschmutzung aus. Ein einzelner Ausfallpunkt in einem sicherheitskritischen Regelkreis ist nicht tolerierbar.

Lösung

Ein Soft-Sensor fusioniert redundante Messungen mehrerer Instrumente zu einer fehlertoleranten Schätzung, die auch bei Ausfall einzelner Sensoren gültig bleibt.

Messgenauigkeit

Problem

Zwei Instrumente, die dieselbe Größe messen, haben oft komplementäre Genauigkeitsprofile — eines schnell aber verrauscht, das andere langsam aber präzise.

Lösung

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

Industrielle Anwendungen & veröffentlichte Referenzergebnisse

Begutachtete Benchmarks aus der Fachliteratur — was Soft-Sensor-Technologie in realen Industrieumgebungen erreicht. Drittquellen, jeweils verlinkt.

Chemicals / Polymerization

Polymer melt index and density are only available from infrequent laboratory analysis (hours of delay). Quality control requires continuous real-time feedback across reactor temperature profiles and feed rates.

First-principles kinetic model inside NMPC closes the loop on delayed lab measurements, simultaneously controlling multiple reactors. Linear APC is insufficient due to strong nonlinear coupling between quality attributes and process conditions.

Gemessenes Ergebnis: In continuous production use since October 2012.
Quelle: Dow Chemical — Computers & Chemical Engineering (2014)
Pulp & Paper / Tissue Manufacturing

Basis weight (g/m²) cannot be measured in real time in the wire section of a tissue machine — only downstream, too late to correct production deviations.

Hybrid model: first-principles model (FPM) combined with 1D-CNN in parallel; a GRU network dynamically weights their outputs based on the current operating regime.

Gemessenes Ergebnis: RMSE 2.12 g/m² (hybrid) vs 2.68 g/m² (pure ML) vs 4.72 g/m² (pure physics) — validated on 7 months of industrial data.
Quelle: Othen et al. — RWTH Aachen / Nordic Pulp & Paper Research Journal (2025)
Oil & Gas — Downhole Pressure

Permanent downhole gauges (PDGs) are expensive and unreliable in harsh well conditions. Bottom-hole pressure (BHP) is critical for production optimisation and flow assurance.

LSTM soft sensor trained on wellhead / topside measurements. Transfer Learning adapts the model across different well environments and operating conditions with minimal additional data.

Gemessenes Ergebnis: MAPE consistently below 2% on real offshore datasets from Brazil Pre-salt basin.
Quelle: Fernandes et al. — arXiv (2026)
Power Generation — NOx Emissions

Real-time NOx prediction is required for combustion optimisation and emissions compliance. Plant conditions shift continuously with load, fuel quality, and equipment ageing, causing static models to degrade quickly.

Just-In-Time Learning Random Forest (JIT-RF): adapts locally to current operating conditions at each prediction step, handling concept drift from combustion changes without full model retraining.

Gemessenes Ergebnis: R² = 0.93 on real plant data; 99.7% of predictions within 15 mg/m³ absolute error — outperforming 6 comparison methods.
Quelle: He et al. — Sensors / MDPI (2024)
Wastewater Treatment

Lab analysis of effluent quality (COD, TSS, pathogen indicators) is slow and costly. No real-time visibility into treatment performance means delayed response to exceedances.

ML soft sensors trained on low-cost online measurements: turbidity, pH, conductivity. SVR (Support Vector Regression) and Cubist tree-based models predict key quality parameters continuously.

Gemessenes Ergebnis: COD: R² = 0.96 (SVR); TSS: R² = 0.99 (Cubist) — using only turbidity, pH and conductivity as inputs.
Quelle: Shyu et al. (Univ. South Florida) — ACS Environmental Au (2023)
Pharmaceutical / Process Analytical Technology (PAT)

Tablet critical quality attributes (CQAs) — content uniformity, dissolution, hardness — are only measurable at end-of-batch, blocking Real-Time Release Testing (RTRT) and requiring full off-line QA.

Soft sensors infer CQAs from in-line PAT instruments (NIR, Raman, laser diffraction) and process data during manufacturing, following the FDA PAT guidance framework for science- and risk-based process understanding.

Gemessenes Ergebnis: Enables RTRT workflows eliminating end-of-batch off-line testing. FDA PAT guidance framework in place since 2004.
Quelle: Markl et al. — International Journal of Pharmaceutics (2020)
Semiconductor / Virtual Metrology

Metrology steps (CMP endpoint, film thickness, etch depth) are expensive and sampled at low frequency — creating quality blind spots across thousands of wafers between measurements.

Virtual Metrology (VM) predicts post-process quality from tool telemetry (RF power, chamber pressure, gas flows, process recipe) without physical measurement, enabling higher sampling density at near-zero cost.

Gemessenes Ergebnis: Two decades of industrial VM deployment reviewed across CMP, CVD, plasma etching and TSV processes (185-paper systematic review).
Quelle: Maitra et al. — Expert Systems with Applications (2024)
Automotive / Autonomous Vehicles

Higher SAE automation levels require up to 28 sensors per vehicle at Level 5 vs 8 at Level 1. Physical sensors add cost, weight, power consumption, and failure points.

Virtual sensors (ideal, Hi-Fi, or RSI types) replace or supplement physical units, validated in full vehicle simulation environments. State estimation for chassis, drivetrain, and environment perception uses Kalman-family observers and hybrid ML approaches.

Gemessenes Ergebnis: Virtual sensor market: USD 1.37 B (2025) → projected USD 5.35 B (2030) per Mordor Intelligence.
Quelle: Barabás et al. — Sensors / MDPI (2025)

Soft-Sensor / Virtueller Sensor vs. Physikalisches Instrument

Ein direkter Vergleich für Beschaffungs- und Machbarkeitsentscheidungen.

MerkmalPhysikalisches InstrumentSoft-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 erfahren

Digital Variometer SSDV12

Hochpräziser Steig-/Sinkratensensor für Gleitschirmflieger durch Soft-Sensor-Datenfusion aus Druck-, Trägheits- und GPS-Messungen.

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Referenzen

Ausgewählte Publikationen

Peer-reviewed Forschung zu Soft-Sensor- und virtuellen Sensormethoden in industriellen und wissenschaftlichen Projekten.

Vollständige Publikationsliste auf noga.es →

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.

Was passiert, wenn sich der Prozess verändert oder driftet?

Prozessdrift — durch Verschleiß, Rohstoffwechsel oder Produktionsgradwechsel — ist die häufigste Ursache für Soft-Sensor-Degradation. Robuste Deployments umfassen Model-Health-Monitoring (gleitendes RMSE, Drift-Indikatoren), Retraining-Trigger und Rollback auf die vorherige Modellversion. Für Prozesse mit häufigen Regimewechseln sind Just-In-Time- (JIT) oder adaptive Modelle bevorzugt.

Kann ein Soft-Sensor einen physischen Sensor in einem Sicherheitsinstrumentierten System ersetzen?

Soft-Sensoren sind als Advisory-, Monitoring- und redundante Schätzkanäle sehr wertvoll. Als alleinige Messkette in einer sicherheitsgerichteten Funktion (SIF) erfordert der Nachweis deterministischer Fehlermodi, Unabhängigkeit und volle Safety-Lifecycle-Konformität nach IEC 61511. In der Praxis werden sie als Ergänzung zur physikalischen Sicherheitsinstrumentierung eingesetzt, nicht als Ersatz.

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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.

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