CN117419282A - 在压力或真空下的气体管网中检测阻塞的方法及气体管网 - Google Patents

在压力或真空下的气体管网中检测阻塞的方法及气体管网 Download PDF

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Abstract

本申请涉及在压力或真空下的气体管网中检测阻塞的方法及气体管网。在气体管网中检测阻塞的方法包括：源；消费者；传感器；其特征在于，该方法包括以下阶段：基线或零阶段，确定来自第一组和第二组传感器的测量结果之间的初始物理模型；操作阶段，其中利用估计算法在规律的时间间隔重新建立第一组和第二组传感器的测量结果之间的物理模型，以预测气体管网阻塞；其中，操作阶段包括以下步骤：基于来自传感器的读取的测量结果，重新估计物理模型；根据在基线或零阶段与操作阶段期间确定的物理模型的参数之间的差值来确定或计算系统中阻塞的存在。

Description

在压力或真空下的气体管网中检测阻塞的方法及气体管网
本申请是国际申请日为2019年11月28日、国家申请号为201980070015.6、发明名称为“在压力或真空下的气体管网中检测阻塞的方法及气体管网”的进入中国国家阶段的PCT申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种在压力或真空下的气体管网中检测阻塞的方法。
更具体地说，本发明旨在能够量化在气体管网中出现的阻塞。
这里的“气体”是指例如空气，但这不是必须的。而是也可能是氮气或天然气。
这里的“阻塞”指气体管网中的部分或全部堵塞或管道阻力增加。
背景技术
监测或控制压力下的气体管网的方法是已知的，由此这些方法是为长而直的管道设置的，其中由于所关注的气体的可压缩性，输入的流量不一定等于输出的流量。
这种方法基于许多假设，例如非常长的管道、直管道，这些假设不适合压力下的复杂气体管网，这样的气体管网中有一个或多个压缩机设备向消费者的复杂网络提供加压气体。最终消费者可能是个人最终消费者，或包括所谓的消费者区域或一组个人最终消费者。
然而，上述方法只涉及气体管网中泄漏的检测。
这些众所周知的方法的缺点是，它们不允许在源和消费者之间的管道网络中检测阻塞。此外，气体管网本身是一个不可低估的阻塞来源。
发明内容
本发明的目的是提供这一问题的解决方法。
本发明提供了一种检测和量化压力或真空下的气体管网中的阻塞的方法；该气体管网包括：
-压缩气体或真空的一个或多个源；
-压缩气体或真空应用的一个或多个消费者、消费者区域；
-将压缩气体或真空从源输送到消费者、消费者区域或应用的管道或管道的网络；
-确定在气体管网内的不同时间和位置的气体的一个或多个物理参数的多个传感器；
其特征在于，气体管网还具有附加的传感器，该传感器指示源、消费者和/或消费者区域的状态或状况(例如开/关)，并且所述方法包括以下阶段：
-可能的启动阶段，在此期间使用上述传感器；
-基线或零阶段(a baseline or zero phase)，使用估计算法根据物理定律确定第一组(set)传感器和第二组传感器的测量结果之间的初始物理模型或数学关系；
-操作阶段，其中利用估计算法以规律的时间间隔重新建立第一组传感器和第二组传感器的测量结果之间的物理模型或数学关系，以预测气体管网阻塞；
其中，操作阶段包括以下步骤：
-读出第一组和第二组传感器；
-根据传感器的读出的测量结果，重新估计、确定或计算物理模型或数学关系；
-根据在基线或零阶段与操作阶段确定的物理模型或数学关系的参数之间的差值和/或其衍生物确定或计算系统中阻塞的存在；
-如果检测到阻塞，则产生警报和/或产生阻塞的程度和/或产生相应的阻塞成本。
差值的“衍生物”指可以从差值中提取的任何数学量，例如和、累积和、(加权)平均值、最小平方和……。
“在以规律的时间间隔”也意味着连续的或近乎连续的，也就是说，规律的时间间隔一个紧跟着一个。
优点是这种方法将使得能够学习、检测和量化气体管网本身中的阻塞。
换句话说，由该方法检测到的阻塞不限于压缩气体的源或消费者中的阻塞，即压缩机单元和气动工具中的阻塞，而是也可以是气体管网本身的管道中的阻塞。
在基线和操作阶段两者期间，根据已知的物理定律和使用各种传感器的测量结果，建立这些传感器之间的数学关系。
由此，采用一种估计算法。
这是基于这样一个假设，即，在基线或零阶段时气体管网中最初没有明显的阻塞；换句话说，它是基于气体管网的正常情况或所谓的“基线”或零。数学模型也基于气体管网中没有泄漏和气体管网的拓扑结构不发生变化的假设。
这样，可以创建物理模型或数学模型，它们代表传感器测量的不同参数之间的关系。
然后，该模型可以通过比较基线参数与新确定或计算的物理或数学模型的参数来即刻检测传感器的未来测量结果中的不规则性。
这样，阻塞将被非常快速地检测，并且如果检测到阻塞，可以立刻采取行动，并可以修补阻塞。
优选地，上述物理模型或数学关系应采用参数或常数矩阵的形式，其中，在操作阶段跟踪这些参数或常数的修改。
这个矩阵将是网络的“阻力”或与其相反的“传导性”的度量，或者更确切地说是气体在气体管网中经历的“阻力”或“传导性”的度量。
矩阵中的变化表明了阻力的变化。通过根据新的传感器数据重新计算矩阵的参数，来跟踪矩阵中的变化，可以检测到阻力的变化，并且可以检测到阻塞。
优选地，在某些时刻，操作阶段暂时中断或停止，此后恢复基线或零相位，以便在重新开始操作阶段之前重新定义不同传感器的测量结果之间的物理模型或数学关系。
因此，应该注意的是，该过程，即具有源、管道、消费者和/或消费者区域的气体管网，没有被关闭，而是仅该方法被关闭。换句话说，如果操作阶段暂时中断或停止，源仍将向消费者或消费者区域提供气体或真空。
中断操作阶段并恢复基线阶段的优点是可以更新物理模型或数学关系。
这将使得可以考虑气体管网或系统的时变行为，从而可以考虑气体管网的变化、阻塞修复或增加。
本发明还涉及在压力或真空下的气体管网；气体管网至少具有：
-压缩气体或真空的一个或多个源；
-压缩气体或真空应用的一个或多个消费者、消费者区域；
-将气体或真空从源输送到消费者、消费者区域或应用的管道或管道的网络；
-确定在气体管网内的不同时间和位置的气体的一个或多个物理参数的多个传感器；
其特征在于，气体管网还具有：
-可能指示一个或多个源、消费者和/或消费者区域的状态或状况(例如，开/关)的一个或多个传感器；
-用于从传感器收集数据的数据采集控制单元；
-用于实施根据本发明的方法的计算单元。
这种装置(arrangement)可用于应用根据本发明的方法。
附图说明
为了更好地演示本发明的特征，下面通过非限制性特征的示例，参照附图，描述了根据本发明的方法和气体管网的多个优选变体，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的装置(arrangement)；
图2示出了根据本发明的方法的示意性流程图。
具体实施方式
图1中的气体管网1主要包括源侧2、消费者侧3和两者之间的管道5构成的网络4。
这种情况下的气体管网1是压力下(即压力高于大气压力)的气体管网1。气体可以是空气、氧气、氮气或任何其他无毒和/或危险气体或气体混合物。
源侧2包括若干个压缩机6，在这种情况下，有三个压缩机，压缩机产生压缩空气。消费者侧3包括多个压缩空气的消费者7，在这种情况下也是3个。
压缩机6也有可能含有压缩空气干燥器。
不排除气体管网的下游也可以有压缩机6。这种被称为“增压压缩机”。
压缩空气经由管道5的网络4从压缩机6路由到消费者7。
这个网络4在大多数情况下是一个由管道5构成的非常复杂的网络。
图1以非常示意性和简化的方式展示了这个网络4。此外，为了保持图1中的简洁性，没有明确指示气体管网1中的相关截止阀和旁路阀。
在大多数实际情况下，管道5的网络4由大量的管道5组成，这些管道将消费者7彼此以及与压缩机6串联和并联。不排除网络4的一部分采用或包括环形结构。
这是因为气体管网1通常随着时间的推移利用附加的消费者7或压缩机6而扩展，因此必须在现有管道5之间铺设新的管道5，从而导致管道5的缠结。
在这种情况下，气体管网1也配备有压力容器8，但这不是必须的，其中，所有压缩机6都在该压力容器8的前面。
不排除在气体管网1的下游可能有一个或多个压力容器8。
此外，组件17，如过滤器、分离器、雾化器和/或调节器，也可以在气体管网中提供。这些组件17可以在各种组合中找到，并且可以位于压力容器8附近和个体消费者7附近。
在所示的示例中，这些部件17设置在压力容器8之后并且接近个体消费者7。
网络4还包括多个传感器9a、9b、9c和9d，它们位于网络4中的不同位置。
在这种情况下，一个流量传感器正好放置在上述压力容器8之后，它将测量由所有压缩机6提供的总流量q。也有可能压缩机6的单个流量是由它们自己测量的。
此外，图中显示了四个压力传感器9b，它们测量网络4中不同位置的压力。
也建议使用压力传感器9b来测量压力容器8中的压力，以校正用于大量、浓缩体积的“质量输入-质量输出”原则。
显然，也可以提供或多于或少于四个的压力传感器9b。此外，对于本发明，流量传感器9a的数量不受限制。
除了流量传感器9a或压力传感器9b，另外地或者替代地，可以使用传感器9a、9b来确定气体的如下一个或多个物理参数：压差、气体速度、温度或湿度。
除了上述测量气体的物理参数的传感器9a和9b之外，还有一些位于压缩机6、消费者7或消费者区域附近的传感器9c或“状态传感器9c”。优选地，这些传感器9c是消费者7本身的一部分，其被称为智能消费者。
如后面所解释的那样，通过使用状态传感器9c考虑到压缩机6、消费者7或消费者区域的状态或状况(例如开/关)，可以降低估计算法的交叉灵敏度，从而使得这些估计算法变得更加可靠。
也可能将传感器9a、9b和9c中的至少一些与源6和/或消费者7一起集成在一个模块中。这被称为“智能连接的气动设备”。
也可以使用传感器9a、9b，这些传感器测量消费者7或在消费者区域中的气体的压力或流量。也可以使用测量消费者7或在消费者区域中的气体的温度的传感器。
来自一组附加或替代的传感器9a、9b中的上述压差传感器优选地放置在过滤器、分离器、雾化器和/或调节器组件17上面。不言而喻，压差传感器9d的数量可能与图1所示的数量不同。
来自该组附加或替代的传感器9a、9b的上述湿度和温度传感器优选地安装在压缩机6和消费者7的入口和/或出口处。
在所示的示例中，上述的附加或替代的传感器9a、9b并不全部包括在气体管网1中，但不用说，这也是可能的。当然，这些传感器9a、9b可以用于更广泛和复杂的气体管网1中，以及仅测量体积流速而不是质量流速的网络1中。
根据本发明，气体管网1还设置有数据采集控制单元10，以从上述传感器9a、9b和9c收集数据。
换句话说，传感器9a、9b和9c确定或测量气体的物理参数和压缩机6、消费者7和/或消费区域的条件，并将这些数据发送到数据采集控制单元10。
根据本发明，气体管网1还设置有用于处理来自传感器9a、9b和9c的数据的计算单元11，其中计算单元11将能够执行用于检测和量化气体管网1中的阻塞12的方法，如下所述。
上述计算单元11可以是作为气体管网1的物理部分的物理模块。不能排除计算单元11不是物理模块，而是所谓的基于云的计算单元11，其可以或可以不无线连接到气体管网1。这意味着计算单元11或计算单元11的软件位于“云”中。
在这种情况下，气体管网1还设置有监视器13，以显示或用信号表示使用该方法检测到的阻塞12。
根据本发明的气体管网1和方法的操作非常简单且如下。
图2示意性地说明了在图1的气体管网1中检测和量化阻塞12的方法。
在第一阶段14，启动阶段14中，传感器9a、9b和9c如果必要的话在使用前进行校准。不言而喻，如果有其他传感器，它们也可以在使用前进行校准。
一旦传感器9a、9b和9c放置在气体管网1中时，这就会发生。当然，随着时间的推移，传感器9a、9b和9c可能会重新校准。
优选地，传感器9a、9b和9c通过原位自校准进行校准。这意味着在气体管网1中的传感器9a、9b和9c，即在其安装完毕后，将进行校准。“运行中”或“原位”是指在不从气体管网1中移除传感器9a、9b和9c的情况下的校准。
这样，可以确保传感器9a、9b和9c的放置和/或可能的污染将不会影响其测量结果，因为只有在放置传感器9a、9b和9c之后才会进行校准，或在一定时间段后重复校准。
然后第二阶段15或基线阶段15(也称为零阶段)开始。
在这一阶段，根据物理定律利用估计算法在第一组传感器9a、9b和9c与第二组传感器9a、9b和9c的测量结果之间确定物理模型或数学关系。通过考虑到压缩机6、消费者7或消费者区域的任何附加的状态传感器9c(例如，开/关)，可以降低估计算法的交叉灵敏度，使得这些估计算法更加可靠。
基于已知的物理定律，可以在第一组传感器9a、9b和第二组传感器9a、9b之间建立模型。
这第一组传感器9a、9b优选地全部测量气体的相同的物理参数，例如在气体管网1的不同位置的压力p和/或压力差△p。第二组传感器9a、9b优选地全部测量气体的相同的物理参数，例如流速q。
在此情况下，第一组传感器9a、9b包括在气体管网1中不同位置的不同压力和/或压差传感器9b，而第二组传感器9a、9b在此情况下包括一个且优选地至少一个流量传感器9a。然而，这并不是严格必要的，只要在两组传感器9a、9b中没有共同的传感器，该方法仍然保持完整。唯一的规定是，两组传感器9a、9b的交集必须为空。
例如，该模型由数学关系(如矩阵等)组成，其中仍然有一些参数或常数。该矩阵将是气体管网1的阻力或相反的传导性的度量。
这些参数或常数可以通过读出相关的传感器9a、9b和9c并使用估计算法来确定。
这是基于一种基线情况，或没有阻塞12的气体管网1的正常情况。
数据采集控制单元10将读取传感器9a、9b和9c并将这些数据发送到计算单元11，在那里将进行必要的计算以确定上述参数或常数。
一旦确定了参数或常数，则以数学关系的形式确定两组传感器9a、9b之间的物理模型。
接下来，将开始第三阶段16或操作阶段16，在此期间将使用估计算法再次设置第一组传感器9a、9b和第二组传感器9a、9b的测量结果之间的物理模型或数学关系，以预测气体管网1中的阻塞12。
在该阶段16中，执行以下步骤：
-读出第一组和第二组传感器9a、9b和9c；
-基于来自传感器9a、9b、9c的读出的测量结果重新估计、确定或计算物理模型或数学关系；
-从在基线阶段15和操作阶段16期间确定的物理模型或数学关系的参数之间的差异来确定或计算系统中阻塞12的存在；
-如果检测到阻塞则产生警报，并且如果合适，产生阻塞程度和/或阻塞成本。
为了确定气体管网1中的阻塞12，在倒数第二步中，将检查上述差值是否超过一定的阈值。那么这表明在气体管网1中有阻塞12。
这个阈值可以预先设定，或者可以根据经验进行选择。
当检测到阻塞12时，将产生警报。在这种情况下，这在显示警报的监视器13的帮助下完成。
气体网络1的用户将注意到此警报，并能够采取适当的步骤。
操作阶段16的这些步骤优选地以一定的时间间隔依次且有规律的地重复。
这意味着在气体管网1的整个操作时段期间，可以检测和跟踪阻塞12，而不仅仅是在气体管网1启动期间或之后不久进行一次。
上述时间间隔可以根据气体管网1进行选择和设置。
在本发明的优选变体中，在某些时刻，操作阶段16将暂时中断或停止，在此之后，在恢复操作阶段16之前，将重新建立基线或零阶段15以重新定义不同传感器的测量结果之间的物理模型或数学关系。
这里的“在某些时刻”应解释为预设的时刻，例如每周、每月或每年一次，或用户可以选择的时刻。
再次估计基线阶段15的时间跨度比在操作阶段期间再次建立物理模型或数学关系的时间跨度要长得多。换句话说，基线阶段15期间的用于适应网络1中的变化的更新时间步骤比操作阶段16期间的更新时间步骤要长得多。
物理模型将被更新，以考虑系统可能的时变行为。
例如，这些包括通过更换相关部件或阀门来修复的网络4中的阻塞12，或对改变气体管网1的上述“基线”情况的网络4的修改或扩展。
虽然在图1的示例中，它涉及到压力下的气体管网1，但它也可以是真空下的气体管网1。
然后，源侧2包括多个真空源，即真空泵或类似设备。
在这种情况下，消费者7或消费者区域已经被需要真空的应用所取代。
此外，该方法与上述公开的方法相同。
本发明决不限于通过示例和图中所示的实施例，可以以不同的变体来实施如本发明所述的方法和气体管网，而不超出本发明的范围。

Claims (11)

1.一种用于检测和量化压力或真空下的气体管网(1)中的阻塞(12)的方法；所述气体管网(1)包括：
-压缩气体或真空的一个或多个源(6)；
-压缩气体或真空应用的一个或多个消费者(7)、消费者区域；
-用于将压缩气体或真空从源(6)输送到消费者(7)、消费者区域或应用的管道(5)或管道(5)的网络(4)；
-确定在气体管网(1)内的不同时间和位置的气体的一个或多个物理参数的多个传感器(9a、9b)；
其特征在于，气体管网(1)还能够具有一个或多个传感器(9c)，所述一个或多个传感器(9c)能够记录一个或多个源(6)、消费者(7)或消费者区域的状态或状况，并且所述方法包括以下阶段：
-基线或零阶段(15)，使用估计算法根据物理定律确定第一组传感器(9a、9b)和第二组传感器(9a、9b)的测量结果之间的初始物理模型或数学关系；
-操作阶段(16)，其中利用估计算法以规律的时间间隔重新建立第一组传感器(9a、9b)和第二组传感器(9a、9b)的测量结果之间的物理模型或数学关系，以预测气体管网(1)的阻塞；
其中，所述操作阶段(16)包括以下步骤：
-读出第一组和第二组传感器(9a、9b、9c)；
-根据来自传感器(9a、9b、9c)的读出的测量结果，重新估计、确定或计算物理模型或数学关系；
-根据基线或零阶段(15)与操作阶段(16)期间确定的物理模型或数学关系的参数之间的差值和/或其衍生物确定或计算系统中阻塞(12)的存在；
-如果检测到阻塞(12)，产生警报和/或产生阻塞程度和/或产生相应的阻塞成本，
其特征在于，上述物理模型或数学关系采用参数或常数矩阵的形式，其中在操作阶段(16)期间监视这些参数或常数的修改。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一组传感器(9a、9b、9c)包括气体管网(1)中不同位置处的不同压力和/或压差传感器(9b)，并且可能包括能够确定源(6)、消费者(7)或消费者区域的状态的多个传感器(9c)，并且第二组传感器(9a、9b、9c)包括至少一个流量传感器(9a)。
3.根据上述任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，传感器(9a、9b、9c)通过原位自校准进行校准。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，上述传感器(9a、9b)能够测量气体的以下一个或多个物理参数：压力、压差、温度、流速、湿度。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在一定时刻，操作阶段(16)暂时中断或停止，在此之后恢复基线或零阶段(15)，以便在操作阶段(16)重新开始之前重新定义不同传感器(9a、9b、9c)的测量结果之间的物理模型或数学关系。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，操作阶段(16)的步骤以给定的时间间隔依次重复。
7.一种在压力下或真空下的气体管网，所述气体管网(1)至少具有：
-压缩气体或真空的一个或多个源(6)；
-压缩气体或真空应用的一个或多个消费者(7)、消费者区域；
-用于将压缩气体或真空从源(6)输送到消费者(7)、消费者区域或应用的管道(5)或管道(5)的网络(4)；
-确定在气体管网(1)内的不同时间和位置的气体的一个或多个物理参数的多个传感器(9a、9b)；
其特征在于，气体管网(1)还具有：
-可能的一个或多个传感器(9c)，所述一个或多个传感器(9c)指示一个或多个源(6)、消费者(7)和/或消费者区域的状态或状况(例如开/关)；
-数据采集控制单元(10)，用于从传感器(9a、9b、9c)收集数据；
-计算单元(11)，用于执行根据上述任意一项权利要求所述的方法。
8.根据权利要求7所述的气体管网，其特征在于，至少部分传感器(9a、9b、9c)和源(6)和/或消费者(7)一起集成在一个模块中。
9.根据权利要求7或8所述的气体管网，其特征在于，所述气体管网(1)还具有监视器(13)以显示或用信号表示阻塞、阻塞的程度、阻塞成本以及可能的位置(12)。
10.根据权利要求7至8中任意一项所述的气体管网，其特征在于，能够登记消费者(7)的状态或条件的传感器(9c)是消费者(7)本身的一部分。
11.根据权利要求7至8中任意一项所述的气体管网，其特征在于，所述计算单元(11)是基于云的计算单元(11)，其利用或不利用无线连接连接到气体管网(1)。
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