DE102006037971B3

DE102006037971B3 - Verfahren zur Beschränkung einer von einer Vorrichtung bei deren Betrieb tatsächlich aufgenommenen oder abgegebenen Istleistung, Lastrechner, Computerprogramm und Speichermedium mit dem Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102006037971B3
Application number: DE200610037971
Authority: DE
Inventors: Christoph Taegert-Kilger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2006-08-14
Filing date: 2006-08-14
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-08-15

Abstract

Verfahren zur Beschränkung einer von einer Vorrichtung bei deren Betrieb tatsächlich aufgenommenen oder abgegebenen mittleren Istleistung, wobei in jedem vor einem Referenzzeitpunkt $I1 gelegenen Zeitfenster (ZF(i-l)) einer vorgegebenen Länge $I2 ein Mittelwert der Istleistung $I3 einen Maximalwert (P<SUB>max</SUB>) nicht übersteigt. Eine Berechnung einer Wartezeit $I4 und/oder Verringerung der Sollleistung $I5 erfolgt auf der Grundlage des Integralmittelwerts (IM) der mit einer Gewichtsfunktion $I6 multiplizierten Istleistung im jeweiligen Zeitfenster (ZF(i)).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschränkung einer von einer Vorrichtung zu deren Betrieb tatsächlich aufgenommenen oder abgegebenen Istleistung, einen Lastrechner zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Computerprogramm und ein Speichermedium mit dem Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens.
Bei technischen Vorrichtungen und Geräten kommt es bei deren Betrieb infolge einer Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe in der Regel zur Erwärmung der Vorrichtung oder einzelnen Komponenten. Sofern die Komponente nicht ausreichend gekühlt werden kann, ist es zur Vermeidung von Beschädigungen durch Überhitzung notwendig, die Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe zu beschränken.
Nach einem bei Röntgenröhren von Röntgengeräten, insbesondere Computertomografiegeräten, verwendeten Verfahren zur Beschränkung der Leistungsabgabe eines Generators der Röntgenröhre wird der Integralmittelwert der in einem Zeitfenster vorgegebener Länge von der Röntgenröhre tatsächlich abgegebenen Istleistung auf einen Maximalwert beschränkt. Dabei wird für eine vom Generator Sollbetriebsdauer aufzunehmende Sollleistung z. B. vorausschauend überprüft, ob in einem die Sollbetriebsdauer enthaltenden Zeitfenster der Maximalwert überschritten wird. Falls eine Überschreitung festgestellt wird, wird eine vor der Sollbetriebsdauer einzuhaltende Wartezeit ermittelt oder die Sollleistung verringert, so dass der Maximalwert nicht mehr überschritten wird. Ist beispielsweise ein Zeitfenster von 60 Minuten und einem Maximalwert von 2 kW gegeben, und wird die Röntgenröhre eine Minute lang mit 120 kW betrieben, so ist danach zumindest eine im Ver gleich zur normalen Tagesbetriebsdauer relativ lange Wartezeit von 59 Minuten erforderlich, damit der Integralmittelwert den Maximalwert nicht übersteigt.
Zwar kann mit dem bekannten Verfahren die Istleistung exakt beschränkt werden. Ein Nachteil ist jedoch, dass es zu relativ langen Wartezeiten kommen kann. Dieses Problem kann in gewissem Maße dadurch vermieden werden, indem mehrere unterschiedliche Zeitfenster verwendet werden. Jedoch ist die Berücksichtigung mehrerer Zeitfenster bei dem bekannten Verfahren aufwändig und fehleranfällig und es kann nicht ausgeschlossen werden, dass dennoch im Vergleich zu einer für den Computertomograf typischen Untersuchungsdauer relativ lange Wartezeiten auftreten.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist, dass bereits bei kleinen Veränderungen einer Sollleistung starke, insbesondere unstetige, Sprünge in der Wartezeit auftreten können.
Aus der DE 100 38 815 A1 ist ein Verfahren zur kontrollierten Stromüberlastung einer Komponente eines Mittel- oder Hochspannungsnetzes bekannt, bei welchem in bestimmten zeitlichen Abständen eine Messung einer Messgröße vorgenommen wird, welche eine Strom-Überlastbarkeit beeinflusst. Aus den in einer vorgegebenen Zeitdauer gemessenen Messgrößen wird eine Faltungssumme gebildet, auf deren Grundlage ein Neuwert für die Strom-Überlastbarkeit ermittelt wird.
Aus der EP 1 569 350 A1 ist eine Vorrichtung zur Leistungsbeschränkung bekannt. Bei der Vorrichtung werden aus einem Eingangssignal Leistungswerte und daraus wiederum wird, zur Leistungsbeschränkung, eine Gewichtsfunktion ermittelt. Es wird eine Wartezeit für das Eingangssignal ermittelt und auf der Grundlage der Gewichtsfunktion erfolgt eine Leistungsbeschränkung.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren zur Beschränkung einer von einer Vorrichtung bei deren Betrieb tatsächlich aufgenommenen oder abgegebenen Istleistung angegeben werden, bei welchem Sprünge in der berechneten Wartezeit vermieden werden können. Ferner soll ein besonders einfaches, schnelles und dennoch genaues Verfahren zur Beschränkung der Istleistung angegeben werden. Ein weiteres Ziel ist es, einen Lastrechner, ein Computerprogramm und ein Speichermedium mit dem darauf gespeicherten Programm zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 15 bis 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 14.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Beschränkung einer von einer Vorrichtung bei deren Betrieb tatsächlich aufgenommenen oder abgegebenen mittleren Istleistung vorgese hen, wobei zumindest in einem unmittelbar vor einem Referenzzeitpunkt gelegenen Zeitfenster einer vorgegebenen Länge ein Mittelwert der Istleistung einen Maximalwert nicht übersteigt und die Vorrichtung nach dem Referenzzeitpunkt für eine vorgegebene Sollbetriebsdauer mit einer Sollleistung betrieben werden soll, umfassend den Schritt:

– Verringerung der Sollleistung und/oder Berechnung einer nach dem Referenzzeitpunkt und vor dem Endzeitpunkt der Sollbetriebsdauer einzuhaltenden Wartezeit, so dass der Mittelwert zumindest in dem unmittelbar vor dem Endzeitpunkt der Sollbetriebsdauer gelegenen Zeitfester den Maximalwert nicht übersteigt,

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann die im Zeitfenster aufgenommene oder abgegebene Istleistung entsprechend der Gewichtsfunktion gewichtet werden. Damit ist es möglich, eine im zeitlich früher gelegenen Anfangsbereich des Zeitfensters aufgenommene oder abgegebene Istleistung weniger stark zu berücksichtigen als eine Istleistung im Endbereich des Zeitfensters. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die Wartezeit nicht sprunghaft mit der aufzunehmenden oder abzugebenden Sollleistung verändert. Wenn es sich bei der Gewichtsfunktion um eine stetige, lineare Funktion handelt, welche im Anfangszeitpunkt des Zeitfensters den Wert Null hat, kann erreicht werden, dass sich die Wartezeit stetig linear mit der gewünschten Sollleistung verändert.
Für den Fall der Verringerung der gewünschten Sollleistung auf eine entsprechende erlaubte Istleistung kann erreicht werden, dass sich die ermittelte Istleistung unter Einhaltung der durch den Maximalwert gegebenen Schranke stetig mit der Zeit verändert.
Bei der Anwendung des Verfahrens für den Betrieb eines Generators einer Röntgenröhre hat sich herausgestellt, dass im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bei gleichen Betriebsbedingungen kürzere Wartezeiten erreicht werden. Trotz der kürzeren Wartezeiten ist dabei die thermische Belastung infolge der abgegebenen Istleistung innerhalb der Toleranzgrenzen.
Mit dem Verfahren ist es also möglich einen besonders reibungslosen und kontinuierlichen sowie beschädigungsfreien und sicheren Betrieb der Vorrichtung sicherzustellen.
Unter dem Begriff "Integralmittelwert" einer Funktion f(t), t∊[a;b] wird im Sinne dieser Anmeldung verstanden:
Unter dem Begriff "Integral" einer Funktion f(t) werden sowohl das Integral
im strengen mathematischen Sinne als auch eine Summebildung der Form
mit Δt_i ≤ |b – a| verstanden.
Zur Vereinfachung soll im Weiteren, sofern nichts anderes angegeben ist, nicht zwischen Leistungsaufnahme und Leistungsabgabe unterschieden werden, d.h. die für die aufgenommene Istleistung bzw. Sollleistung gemachten Aussagen gelten gleichermaßen oder analog für die abgegebene Istleistung bzw. Sollleistung und umgekehrt.
Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens hat ein Wert des Integrals der Gewichtsfunktion im Zeitfenster den Wert Eins. Damit kann erreicht werden, dass zumindest bei einer konstanten Istleistung das gleiche Ergebnis erhalten wird wie ohne Gewichtsfunktion, d. h. dass der Integralmittelwert der Istleistung exakt beschränkt werden kann. Vorzugsweise ist die Gewichtsfunktion im Zeitfenster des Weiteren eine positive, eine lokal konstante, eine streng monoton steigende, eine stetige und/oder eine stetig differenzierbare Funktion. Bei der Gewichtsfunktion kann es sich insbesondere um ein Polynom, vorzugsweise ein Polynom ersten Grades, d. h. um eine lineare Funktion, handeln. Die Gewichtsfunktion kann in jedem Zeitfenster jeweils eine andere Form aufweisen. Vorzugsweise weisen die Gewichtsfunktionen in den verwendeten Zeitfenstern jedoch die gleiche Form auf. D. h. die Gewichtsfunktionen können z. B. durch eine Zeitverschiebung entlang der Zeitachse ineinander überführt werden. Die vorgenannten Funktionen ermöglichen eine flexible, insbesondere lokal spezifische, Gewichtung im Zeitfenster. Damit kann das Verfahren in einfacher Weise an spezielle Gegebenheiten und Betriebsbedingungen der Vorrichtung angepasst werden. Ferner kann bei Wahl einer geeigneten Gewichtsfunktion der Integralmittelwert besonders einfach ermittelt werden, wodurch das Verfahren besonders schnell ausgeführt werden kann. Eine besonders schnelle Ausführung des Verfahrens ermöglicht die Verwendung des Verfahrens zur Beschränkung der mittleren Istleistung in Echtzeit, z. B. während des Betriebs der Vorrichtung.
Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Verringerung der Sollleistung und oder die Berechnung der Wartezeit iterativ für aufeinander folgende Sollbetriebsdauern. Damit kann das Verfahren besonders einfach während des Betriebs der Vorrichtung jeweils für eine nächste geplante Sollbetriebsdauer ausgeführt werden, wobei Ergebnisse für eine unmittelbar vorangehende Sollbetriebsdauer verwendet werden können. Es können der Rechenaufwand reduziert und das Verfahren besonders schnell ausgeführt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist die Gewichtsfunktion für jedes Zeitfenster gegeben durch:
wobei

– n = 1, 2, 3, ..., i∊N;
– tnwin = tn2 – tn1 die Länge des Zeitfensters ist und
– das Zeitfenster gegeben ist durch [tn1 ; tn2 ].

Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Wartezeit kleiner oder gleich einer Maximalwartezeit ist. Die vorgesehene Maximalwartezeit kann auf Grundlage der beim normalen Betrieb der Vorrichtung zu erwartenden Istleistungen ermittelt werden.
Für den Fall der oben angegebenen Gewichtsfunktion kann die Wartezeit zwischen aufeinander folgenden Sollbetriebsdauern iterativ auf der Grundlage der folgenden Ungleichung berechnet werden:
wobei

– n = 1, 2, 3, ..., i aufeinander folgende Sollbetriebsdauern dnS kennzeichnen,
– tiw die Wartezeit zwischen den Sollbetriebsdauern di-1S und diS ,
– t_win die Länge des Zeitfensters,
– tnS ein Anfangszeitpunkt der Sollbetriebsdauer dnS ,
– ti-11 ein Anfangszeitpunkt des Zeitfensters ZF(i-1),
– tmaxw eine maximale Wartezeit,
– EnS eine in der Sollbetriebsdauer dnS aufgenommene oder abgegebene Energie und
– P_max der Maximalwert sind.

Wird anstelle der Wartezeit die Sollleistung verringert, so wird die Verringerung iterativ vorzugsweise auf der Grundlage der folgenden Ungleichung ermittelt:
wobei

– n = 1, 2, 3, ..., i aufeinander folgende Sollbetriebsdauern dnS kennzeichnen,
– tiw die Wartezeit zwischen den Sollbetriebsdauern di-1S und diS ,
– t_win die Länge des Zeitfensters,
– tnS ein Anfangszeitpunkt einer Sollbetriebsdauer dnS ,
– ti1 ein Anfangszeitpunkt des Zeitfensters ZF(i),
– ti-12 ein Endzeitpunkt des Zeitfensters ZF(i-1),
– tmaxw eine maximale Wartezeit,
– EnS eine in der Sollbetriebsdauer dnS aufgenommene oder abgegebene Energie und
– P_max der Maximalwert sind.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden mehrere voneinander verschiedene Zeitfenster unterschiedlicher Länge verwendet. Dadurch kann die erforderliche Verringerung der Sollleistung und/oder Wartezeit noch genauer ermittelt werden. Infolgedessen kann eine Überlastung der Vorrichtung, z. B. durch Überhitzung, sicher vermieden werden.
Die Wartezeit kann derart ermittelt werden, dass diese unmittelbar vor der Sollbetriebsdauer einzuhalten ist. Es ist jedoch auch möglich, dass die Wartezeit derart berechnet dass diese zwischen dem Anfang und dem Ende der Sollbetriebsdauer einzuhalten ist. In diesem Fall stellt die Wartezeit eine Unterbrechung der Sollbetriebsdauer dar. Insbesondere kann die Wartezeit auch mehrere, z. B. diskrete, Wartezeitabschnitte umfassen. Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Wartezeit zumindest zwei diskrete Wartezeitabschnitte. In diesem Fall kann die Sollbetriebsdauer durch einen oder mehrere Wartezeitabschnitte unterbrochen werden. Selbstverständlich können die Wartezeitabschnitte auch derart vorgesehen sein, dass eines unmittelbar vor der Sollbetriebsdauer, und das bzw. die anderen Wartezeitabschnitte zwischen dem Anfangszeitpunkt und dem Endzeitpunkt der Sollbetriebsdauer einzuhalten sind. Damit kann die aufgenommene bzw. abgegebene Istleistung auf einen größeren Zeitraum verteilt werden. In Kombination mit der erfindungsgemäßen Gewichtung können damit besonders kurze Wartezeiten erreicht werden. Es versteht sich, dass in dem Fall, dass der Maximalwert nicht überschritten wird, vorzugsweise die Wartezeit Null verwendet wird und/oder entsprechend die Sollleistung nicht verringert wird.
Das Verfahren kann für beliebige Vorrichtungen und Geräte verwendet werden. Es eignet sich insbesondere für Generatoren von Röntgenröhren von Röntgengeräten, vorzugsweise Computertomografiegeräten.
Das Verfahren kann auch bei einem Betriebsverfahren zum Betreiben einer Vorrichtung verwendet werden. Bei dem Betriebsverfahren wird das Verfahren für mehrere aufeinander folgende Sollbetriebsdauern mit zugehörigen Sollleistungen iterativ ausgeführt und anschließend die Vorrichtung entsprechend den verringerten Sollleistungen und/oder berechneten Wartezeiten betrieben oder zum Betrieb freigegeben. Infolge einer automatischen Beschränkung der mittleren Istleistung kann ein beschädigungsfreier Betrieb der Vorrichtung sichergestellt werden.
Nach weiterer Maßgabe ist ein Lastrechner mit einem darauf gespeicherten Programm vorgesehen, welches bei dessen Ausführung auf dem Lastrechner ein eines der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren bewirkt. Ferner ist ein Computerprogramm vorgesehen, welches bei Ausführung auf einem Lastrechner eines der oben beschriebenen Verfahren bewirkt. Des Weiteren ist ein Speichermedium mit einem darauf gespeicherten, in einen Arbeitsspeicher eines Computers einlesbaren vorgenannten Computerprogramm vorgesehen. Bezüglich des Lastrechners, Computerprogramms und Speichermediums, insbesondere bezüglich deren Vorteile, wird auf die vorangehenden Ausführungen zum Verfahren und dessen Ausgestaltungen verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Diagramm, in welchem ein Zeitverlauf einer Wartezeit bzw. eines Integralmittelwerts der ungewichteten abgegebenen Istleistung bei Anwendung des Verfahrens bei einer Röntgenröhre in einer ersten Betriebsweise dargestellt ist und
2 ein zum ersten Diagramm analoges zweites Diagramm bei Anwendung des Verfahrens bei einer Röntgenröhre in einer zweiten Betriebsweise.
1 zeigt ein erstes Diagramm, in welchem ein Zeitverlauf einer Wartezeit bzw. eines Integralmittelwerts der ungewichteten abgegebenen Istleistung bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Generator einer Röntgenröhre in einer ersten Betriebsweise dargestellt ist. 2 zeigt ein zum ersten Diagramm analoges zweites Diagramm bei Anwendung des Verfahrens bei dem Generator der Röntgenröhre in einer zweiten Betriebsweise.
Im ersten bzw. zweiten Diagramm ist auf der Abszissenachse und auf der in Aufsicht linken Ordinatenachse die Zeit in Stunden, Minuten und Sekunden abgetragen. Auf der in Aufsicht rechten Ordinatenachse ist eine Leistung in kW abgetragen.
Ein Maximalwert für den Integralmittelwert der von der Röntgenröhre höchstens abzugebenden Istleistung ist mit P_max bezeichnet. Ein Zeitverlauf der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren berechneten Wartezeit ist in 1 und 2 jeweils als durchgezogene Linie dargestellt. Der Integralmittelwert der in der ersten bzw. zweiten Betriebsphase abgegebenen ungewichteten Istleistung ist in 1 und 2 jeweils als strichlinierte Kurve dargestellt.
Zur Berechnung der Wartezeit ist das Verfahren in Form einer Iteration mit Iterationsschritten i = 1, 2, 3, ... ausgeführt worden. In jedem Iterationsschritt i ist für ein Zeitfenster ZF(i) = [ti1 ; ti2 ] der Länge tiwin = ti2 – ti1 die folgende Gewichtsfunktion w(ti1 ; t) verwendet worden:
wobei die Länge tiwin jeweils eine Stunde beträgt und zur Vereinfachung nachfolgend mit t_win bezeichnet wird.
Bei der ersten Betriebsweise ist vorgesehen, dass der Generator in einem möglichst kurzen Zeitraum eine möglichst hohe Istleistung abgeben soll. Dazu ist vorgesehen, dass zu Beginn der Iteration bei t₀ = 0 die mittlere, ungewichtete abgegebene Istleistung des Generators 0,5 kW beträgt. Ausgehend von t₀ = 0 soll der Generator in aufeinander folgenden Sollbetriebsdauern diS mit jeweils einer Länge von 20 s jeweils mit einer Sollleistung PiS = 0,0244 kW betrieben werden, wobei PiS zur Vereinfachung im Folgenden mit P_S bezeichnet wird. Der Maximalwert P_max beträgt 1 kW.
Ausgangspunkt eines jeden Iterationsschritts i ist eine Sollbetriebsdauer di-1S , für welche im Iterationsschritt (i-1) die Wartezeit ti-1w berechnet worden ist, bei welcher der Integralmittelwert der mit der Gewichtsfunktion w(ti-11 , t) multiplizierten Istleistung den Maximalwert P_max nicht übersteigt. Ausgehend davon wird für die Sollbetriebsdauer diS eine zwischen den Sollbetriebsdauern di-1S und diS einzuhaltende Wartezeit tiw derart berechnet, dass der Integralmittelwert der mit der Gewichtsfunktion w(ti1 ; t) multiplizierten tatsächlich abgegebenen Istleistung in dem vor dem Endzeitpunkt der Sollbetriebsdauer diS gelegenen Zeitfenster ZF(i) = [ti1 ; ti2 ] den Maximalwert P_max nicht übersteigt.
Damit der Maximalwert P_max im Zeitfenster ZF(i) nicht überschritten wird, muss allgemein gelten:
wobei P(t) die vom Generator abgegebene momentane Istleistung ist.
Wie oben erläutert worden ist, ist P(t) im vorliegenden Fall eine Summe aus einzelnen Stufenfunktionen, welche in den entsprechenden Sollbetriebsdauern dnS , n ≤ i jeweils den Wert PnS ≡ PS = 0,0244 kW aufweisen.
Wegen der Linearität des Integrals zerfällt dieses in eine Summe von Integralen über die Sollbetriebsdauern dnS :
Für die Integrale der Summe gilt:
wobei tnS der Anfangszeitpunkt der Sollbetriebsdauer dnS , ES ≡ EnS die darin abgegebene betragsmäßig jeweils gleiche Energie ist und die letzte Ungleichung aus der Tatsache folgt, dass die Gewichtsfunktion w(ti1 , t) im Zeitfenster ZF(i) eine streng monoton steigende Funktion ist.
Damit folgt für die Ungleichung (5):
Zur Vereinfachung der analytischen Berechnung der Wartezeit tiw wird nun formal angenommen, dass die Energie E_S jeweils im Anfangszeitpunkt tiS der Sollbetriebsdauer diS abgegeben wird. Mit dieser Annahme kann das Zeitfenster ZF(i) so gewählt werden, dass dessen Endzeitpunkt ti2 gleich dem Anfangszeitpunkt tiS der Sollbetriebsdauer diS ist, d. h. ZF(i) = [ti1 ; tiS ]. Unter Verwendung dieses Zeitfensters ZF(i) und der Gewichtsfunktion w(ti1 , t) gemäß (3) mit w(ti1 , ti2 ) = w(ti1 , tiS ) = 2 ergibt sich:
bzw.
Wegen ti2 = ti-12 + tw und der obigen Annahme kann (8b) umgeschrieben werden:
Auf Grund der Tatsache, dass die Wartezeit tiw noch nicht bekannt ist, ist auch tiS zunächst nicht bekannt. Zur Lösung dieses Problems wird folgendes Vorgehen vorgeschlagen: Aufgrund der speziellen Form der Gewichtsfunktion w(ti1 , t) nach (3) kann diese für den i-ten Iterationsschritt zumindest teilweise aus der Gewichtsfunktion w(ti-11 , t) des (i-1)-ten Iterationsschritts ermittelt werden:
Damit kann die rechte Seite der Ungleichung (8c) wie folgt geschrieben werden:
In (10) erfolgt die Summation über alle Sollbetriebsdauern dnS ∊[ti1 ; ti-12 ]. Es gilt ti-11 < ti1 und – auf Grund der obigen Annahme – ti-1S = ti-12 . Damit und mit der Tatsache, dass die Energie jeweils im Anfangszeitpunkt abgegeben wird folgt:
Zur Anpassung des Verfahrens an tatsächliche Betriebsbedingungen der Röntgenröhre ist eine maximale Wartezeit tmaxw = 3 min vorgesehen, d. h. tw ≤ tmaxw , wobei unter den oben genannten Annahmen gilt ti-11 ≤ ti1 ≤ ti-11 + tmaxw . Damit ergibt sich für die Summe des Subtrahenden der Gleichung (10) folgende Ungleichung:
Mit den Ungleichungen (11) und (12) folgt für (10):
Mit (13) ist die Ungleichung (8c) also auf alle Fälle erfüllt, wenn gilt:
Mit den obigen Annahmen tiS = ti2 und ti-1S = ti-12 gilt tiw = tiS – ti-1S = ti2 – ti-12 = (ti1 + twin) – (ti-11 + twin) = ti1 – ti-11 (15),Wobei die Wartezeit tiw selbstverständlich auch größer, maximal gleich tmaxw gewählt werden kann.
Mit der Ungleichung (14) und der Beziehung (15) folgt:
Damit die Bedingung der Ungleichung (4) oder (5) erfüllt ist, ist es insbesondere ausreichend, die Wartezeit tiw mit dem Wert des Ausdrucks der rechten Seite der Ungleichung (16) oder mit der maximalen Wartezeit tmaxw gleichzusetzen.
Bei der obigen Beschreibung ist die Gewichtsfunktion w(ti1 , t) auf der Grundlage des Betrachtungszeitpunkts ti1 , i = 1, 2, 3 ... beschrieben worden. Selbstverständlich kann dazu auch ein beliebiger anderer Betrachtungszeitpunkt, wie z. B. ti2 , gewählt werden.
Mit der gemäß dem vorangehend beschriebenen Verfahren für jede Sollbetriebsdauer berechneten Wartezeit ergibt sich für die erste Betriebsweise, dass ein maximaler Integralmittelwert der ungewichteten Istleistung von 1,33 kW nach 59 Minuten seit Beginn der Iteration erreicht wird, was in 1 Ersichtlich ist. Die Überschreitung des Maximalwerts P_max ist eine Folge der für den Normalbetrieb der Röntgenröhre unüblich hohen Leistungsabgabe bei der ersten Betriebsweise. Allerdings ist deutlich ersichtlich, dass sich der Integralmittelwert der ungewichteten Istleistung nach der Überschreitung auf einen Wert unter dem Maximalwert P_max einpendelt und trotz der hohen Leistungsabgabe nicht mehr überschritten wird.
Ob eine Überschreitung wie oben von etwa 33 %, wie im obigen Beispiel akzeptabel ist, hängt von den Gegebenheiten der jeweiligen Vorrichtung ab. Sollte eine derartige Überschreitung zu hoch liegen kann auf Grund der besonders hohen Flexibilität des Verfahrens z. B. die Gewichtsfunktion angepasst werden. Beispielsweise können die im Anfangsbereich des Zeit fensters gelegenen Istleistungen stärker gewichtet werden oder es kann anstelle des Maximalwerts P_max ein kleinerer Wert zur Berechnung der Wartezeit und/oder Verringerung der Sollleistung zu Grunde gelegt werden. Das kann z. B. dadurch erfolgen, dass der Maximalwert mit einer Zahl zwischen Null und Eins multipliziert wird.
Die größte bei der ersten Betriebsweise berechnete Wartezeit beträgt 2 Minuten 36 Sekunden. Diese Wartezeit ist im Vergleich zu typischen Untersuchungszeiten bei Computertomografiegeräten, welche z. B. bei 10 Minuten liegen, keineswegs unangemessen lang.
Wie aus 1 zu entnehmen ist, verändert sich Wartezeit und die abgegebene Istleistung stetig mit der Zeit. Das ist für einen kontinuierlichen Betrieb der Röntgenröhre von besonderem Vorteil.
Bei der zweiten Betriebsweise handelt es sich um eine realistische Betriebsweise des Generators der Röntgenröhre eines Computertomografen. Dabei gibt der Generator in Paketen jeweils 1- bis 3-mal hintereinander für eine Dauer von 20 Sekunden eine Istleistung von 40 kW bis 80 kW ab. Eine Zykluszeit zwischen den Paketen beträgt 7 Minuten. Der Maximalwert P_max beträgt bei der zweiten Betriebsweise 4,6 kW und tmaxw = 7 Minuten.
Die Wartezeit ist in Analogie zur ersten Betriebsweise berechnet worden.
Aus 2 ist ersichtlich, dass der Maximalwert P_max bei der zweiten Betriebsweise nur sehr kurzfristig minimal überschritten wird, was innerhalb der Toleranzgrenzen des Generators liegt und in der Regel zu keiner Überlastung führt.
Die größte Wartezeit beträgt 6 Minuten, was für den Normalbetrieb des Computertomografen nicht unangemessen lang ist. Auch hier pendelt sich die tatsächlich abgegebene Istleistung auf einen Wert unter dem Maximalwert P_max ein. Ferner verläuft die Wartezeit und die abgegebene Istleistung stetig mit der Zeit, wodurch die bei der Beschreibung der ersten Betriebsweise genannten Vorteile erreicht werden können.
Selbstverständlich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich oder alternativ zur Berechnung der Wartezeit die Sollleistung verringert werden. Es ist auch möglich, lediglich die Sollleistung zu verringern. Diese weitern Alternativen können analog zu der oben im Detail beschriebenen Berechnung der Wartezeit ausgeführt werden, und werden nicht weiter ausgeführt.
Aus den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ersichtlich, dass es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, den Integralmittelwert der tatsächlich aufgenommenen oder abgegebenen ungewichteten Istleistung derart zu beschränken, dass dieser in einem Zeitfenster vorgegebener Länge den Maximalwert P_max nicht wesentlich und innerhalb akzeptabler, zulässiger Grenzen überschreitet.
Mit einer wie oben ermittelten Formel zur Berechnung der Wartezeit und/oder zur Verringerung der Sollleistung kann das Verfahren in einfacher Weise iterativ für aufeinander folgende Sollbetriebsdauern schnell und zuverlässig durchgeführt werden. Dabei ist es von besonderem Vorteil, dass die Wartezeit keine unstetigen Sprünge aufweist und stetig von der Zeit abhängt. Letzteres ermöglicht einen besonders kontinuierlichen Betrieb ohne dass unangemessen lange Wartezeiten auftreten.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen den Betrieb eines Generators einer Röntgenröhre eines Computertomografen. Selbstverständlich kann das Verfahren auch bei beliebigen Röntgengeräten und beliebigen Vorrichtungen verwendet werden, bei welchen eine aufgenommene oder abgegebene Istleistung beschränkt werden soll.
Das Verfahren ist auch als Betriebsverfahren für den Generator bzw. die Röntgenröhre oder beliebige Vorrichtungen geeignet. Mit dem Verfahren kann vorausschauend ermittelt werden, welche Wartezeit vor einer geplanten, zukünftigen Sollbetriebsdauer einzuhalten ist und/oder wie die Sollleistung verringert werden soll. Auf der Grundlage der berechneten Wartezeit und/oder verringerten Sollleistung kann der Betrieb der Vorrichtung bis nach Ablauf der Wartezeit automatisch gesperrt bzw. unterbrochen bzw. die Sollleistung entsprechend verringert werden. Das Verfahren eignet sich hervorragend für Lastrechner, welche zur automatischen Überwachung der Vorrichtung, z. B. einer Röntgenröhre eines Computertomografen, vorgesehen sind.
Bei einer vorausschauenden Berechnung der Wartezeit und/oder Verringerung der Sollleistung, z. B. bei einer Simulation vor Betrieb der Vorrichtung, ist es möglich, dass das Ergebnis einem Benutzer angezeigt wird. Auf der Grundlage der Anzeige kann der Benutzer entscheiden, ob ein Betrieb der Vorrichtung gemäß den ermittelten Ergebnissen gewünscht bzw. sinnvoll ist. Selbstverständlich kann die ermittelte Wartezeit und/oder verringerte Sollleistung auch automatisch auf deren Konformität mit den Betriebsmodi der Vorrichtung überprüft werden.

Claims

Verfahren zur Beschränkung einer von einer Vorrichtung bei deren Betrieb tatsächlich aufgenommenen oder abgegebenen mittleren Istleistung, wobei zumindest in einem unmittelbar vor einem Referenzzeitpunkt (ti-12 ) gelegenen Zeitfenster (ZF(i-1)) einer vorgegebenen Länge (ti-1win ) ein Mittelwert der Istleistung einen Maximalwert (P_max) nicht übersteigt und die Vorrichtung nach dem Referenzzeitpunkt (ti-12 ) für eine vorgegebene Sollbetriebsdauer (diS ) mit einer Sollleistung (PiS , PS) betrieben werden soll, umfassend den Schritt: – Verringerung der Sollleistung (PiS , PS) und/oder Berechnung einer nach dem Referenzzeitpunkt (ti-12 ) und vor dem Endzeitpunkt der Sollbetriebsdauer (diS ) einzuhaltenden Wartezeit (tiw ), so dass der Mittelwert zumindest in dem unmittelbar vor dem Endzeitpunkt der Sollbetriebsdauer (diS ) gelegenen Zeitfester (ZF(i)) den Maximalwert (P_max) nicht übersteigt, wobei als Mittelwert der Integralmittelwert (IM) der mit einer Gewichtsfunktion (w(ti1 ; t)) multiplizierten Istleistung im jeweiligen Zeitfenster (ZF(i)) verwendet wird und wobei die Gewichtsfunktion (w(ti1 ; t)) eine Funktion der Zeit und eine monoton steigende, nichtdiskrete, integrierbare Funktion mit mindestens zwei voneinander verschiedenen Funktionswerten größer Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Wert des Integrals der Gewichtsfunktion (w(ti1 ; t)) im Zeitfenster (ZF(i)) den Wert Eins hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Gewichtsfunktion (w(ti1 ; t)) im Zeitfenster (ZF(i)) eine positive, eine lokal konstante, eine streng monoton steigende, eine stetige und/oder eine stetig differenzierbare Funktion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gewichtsfunktion (w(ti1 ; t)) im Zeitfenster (ZF(i)) ein Polynom, vorzugsweise ein Polynom ersten Grades, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gewichtsfunktionen (w(tn1 ; t)) in mehreren verwendeten Zeitfenstern (ZF(n), n = 1, 2, 3, ...) eine gleiche Form aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verringerung der Sollleistung (PiS , PS) und oder die Berechnung der Wartezeit (tiw ) iterativ für aufeinander folgende Sollbetriebsdauern (dnS ) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gewichtsfunktion (w(tn1 ; t)) im Zeitfenster (ZF(n)) gegeben ist durch:
wobei: – tnwin = tn2 – tn1 die Länge des Zeitfensters (ZF(n)) ist und – das Zeitfenster (ZF(n)) gegeben ist durch [tn1 ; tn2 ].
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Wartezeit (tiw ) kleiner oder gleich einer Maximalwartezeit (tmaxw ) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Wartezeit (tiw ) zwischen aufeinander folgenden Sollbetriebsdauern (di-1S , diS ) iterativ auf der Grundlage der folgenden Ungleichung berechnet wird:
wobei – n = 1, 2, 3, ..., i aufeinander folgende Sollbetriebsdauern dnS kennzeichnen, – tiw die Wartezeit zwischen den Sollbetriebsdauern di-1S und diS , – t_w _in die Länge des Zeitfensters, – tnS ein Anfangszeitpunkt der Sollbetriebsdauer dnS , – ti-11 ein Anfangszeitpunkt des Zeitfensters ZF(i-1), – tmaxw eine maximale Wartezeit, – EnS eine in der Sollbetriebsdauer dnS aufgenommene oder abgegebene Energie und – P_max der Maximalwert sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Verringerung der Sollleistung (PiS , PS) iterativ auf der Grundlage der folgenden Ungleichung ermittelt wird:
wobei – n = 1, 2, 3, ..., i aufeinander folgende Sollbetriebsdauern dnS kennzeichnen, – tiw die Wartezeit zwischen den Sollbetriebsdauern di-1S und diS , – t_win die Länge des Zeitfensters, – tnS ein Anfangszeitpunkt einer Sollbetriebsdauer dnS , – ti1 ein Anfangszeitpunkt des Zeitfensters ZF(i), – ti-12 ein Endzeitpunkt des Zeitfensters ZF(i-1), – tmaxw eine maximale Wartezeit, – EnS eine in der Sollbetriebsdauer dnS aufgenommene oder abgegebene Energie und – P_max der Maximalwert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mehrere voneinander verschiedene Zeitfenster unterschiedlicher Länge verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Wartezeit (tiw ) zumindest zwei diskrete Wartezeitintervalle umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Vorrichtung ein Generator einer Röntgenröhre eines Röntgengeräts, vorzugsweise eines Computertomografiegeräts ist.
Betriebsverfahren zum Betreiben einer Vorrichtung, bei welchem ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für mehrere aufeinander folgende Sollbetriebsdauern (dnS ) mit zugehörigen Sollleistungen (PnS ) iterativ und zeitlich vorausschauend ausgeführt und anschließend die Vorrichtung entsprechend den verringerten Sollleistungen und/oder berechneten Wartezeiten (tnw ) betrieben oder zum Betrieb freigegeben wird.
Lastrechner mit einem darauf gespeicherten Programm, welches bei dessen Ausführung auf dem Lastrechner ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 bewirkt.
Computerprogramm, welches bei Ausführung auf einem Lastrechner ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 bewirkt.
Speichermedium mit einem darauf gespeicherten, in einen Arbeitsspeicher eines Computers einlesbaren Computerprogramm nach Anspruch 16.