DE102020100980A1

DE102020100980A1 - Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Eigenschaft eines Mediums

Info

Publication number: DE102020100980A1
Application number: DE102020100980.1A
Authority: DE
Inventors: Martine Lefebvre; Rebecca PAGE; Raphael Kuhnen; Wolfgang Drahm; Ulrich Kaiser
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Eigenschaft eines fließfähigen Mediums (M) in einer Rohrleitung (2), umfassend folgende Verfahrensschritte: Aufnehmen eines ersten Tomographie-Datensatzes zumindest eines Teilbereichs einer Querschnittsfläche (A) der Rohrleitung (2) mittels einer elektrischen Tomographie (3), und Aufnehmen eines zweiten Tomographie-Datensatzes zumindest eines Teilbereichs einer Querschnittsfläche (A) der Rohrleitung (4) mittels einer, insbesondere optischen oder akustischen, Diffusions-Tomographie (4), und Ermitteln der zumindest einen Eigenschaft des Mediums (M) anhand des ersten und/oder zweiten Tomographie-Datensatzes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Eigenschaft eines fließfähigen Mediums in einer Rohrleitung.
Viele industrielle Prozesse beinhalten den Transport unterschiedlichster fließfähiger Medien durch Rohrleitungen. Dies betrifft beispielsweise unterschiedlichste Flüssigkeiten, aber beispielsweise auch Feststoff-Flüssigkeits-Gemische. Zur nicht invasiven Bestimmung verschiedener Eigenschaften fließfähiger Medien in einer Rohrleitung sind beispielsweise unterschiedlichste Vorrichtungen bekannt geworden, welche auf tomographischen Messmethoden beruhen. Die Tomographie ist ein Sammelbegriff für unterschiedliche bildgebende Verfahren, mittels welcher eine schichtweise Darstellung einer bestimmten Region, vorliegend einer Region innerhalb der Rohrleitung, ermöglicht wird. Der Tomographie zugrundeliegend ist die Verwendung von in die Region eindringenden, insbesondere elektromagnetischen, Wellen, um die Region anhand einer Vielzahl von unterschiedlichen Bildausschnitten abzubilden. Die eindringenden Wellen können beispielsweise durch elektrische oder magnetische Felder erzeugt werden.
Im Rahmen der elektrischen Tomographie wird beispielsweise zwischen der elektrischen Widerstandstomographie (ERT), der elektrischen Impedanztomographie (IET) und der elektrischen Kapazitätstomographie (ECT) unterschieden. Bei entsprechenden Messgeräten werden Elektroden verwendet, die um die Region herum angebracht werden, um den Widerstand, die Impedanz, die Leitfähigkeit und/oder die Kapazität bzw. Permittivität innerhalb der Region zu überwachen. Zur Messung können unterschiedliche Kombinationen von Elektroden angeregt und entsprechende Signale von den angeregten oder auch anderen Elektroden empfangen und ausgewertet werden. In diesem Zusammenhang sind unterschiedlichste Anrege- und Empfangsschemata bekannt geworden. Entsprechende Messgeräte umfassen häufig einen Ring von Elektroden, die in vorgebbaren Abständen entlang des Umfangs des Rings, welcher beispielsweise im Bereich der Wandung einer Rohrleitung angeordnet sein kann, verteilt sind. Ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung mit einem Elektrodenring ist beispielsweise aus der US2004130338A1 bekannt geworden.
Entsprechende tomographische Messverfahren können ferner beispielswiese auch zur Bestimmung rheologischer Eigenschaften eines Mediums und zur Bestimmung von einer Fließgeschwindigkeit des jeweils untersuchten Mediums verwendet, wie beispielsweise in der EP3371608A1 beschrieben.
Die bekannten Messgeräte und Verfahren gehen nachteilig mit einem vergleichsweise hohen Rechenaufwand bei der Analyse der jeweiligen tomographischen Abbildungen einher und erzielen teilweise begrenzte räumliche Auflösung.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels welcher eine nicht-invasive Bestimmung und/oder Überwachung von Medieneigenschaften von durch eine Rohrleitung fließenden Medien möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Eigenschaft eines fließfähigen Mediums in einer Rohrleitung, umfassend folgende Verfahrensschritte:

Aufnehmen eines ersten Tomographie-Datensatzes zumindest eines Teilbereichs einer Querschnittsfläche der Rohrleitung mittels einer elektrischen Tomographie, und
Aufnehmen eines zweiten Tomographie-Datensatzes zumindest eines Teilbereichs einer Querschnittsfläche der Rohrleitung mittels einer, insbesondere optischen oder akustischen, Diffusions-Tomographie, und Ermitteln der zumindest einen Eigenschaft des Mediums anhand des ersten und/oder zweiten Tomographie-Datensatzes.

Bei der elektrischen Tomographie handelt es sich insbesondere um eine elektrische Widerstandstomographie (ERT), Impedanztomographie (IET) oder Kapazitätstomographie (ECT). Als Diffusions-Tomographie können dagegen beispielsweise die optische oder die akustische Diffusions-Tomographie verwendet werden. Die Diffusions-Tomographie beruht allgemein auf Streueffekten im jeweiligen Medium. Hierbei können sowohl optische Wellen, welche zur Streuung von Photonen an den Bestandteilen des Mediums, als auch akustische Wellen, welche zu einer Phononen-Streuung führen, eingesetzt werden. Die beiden unterschiedlichen, verwendeten Tomographien, die elektrische Tomographie und die Diffusions-Tomographie, liefern unterschiedliche Informationen über das jeweilige Medium und können in Kombinationen einen Mehrwert bezüglich der ermittelbaren Medieneigenschaften liefern, welche die Möglichkeiten der reinen Summe beider Verfahren übersteigt. Die beiden gewählten Tomographien sind bezüglich unterschiedlicher physikalischer Größen sensitiv. Deshalb können für die eine Tomographie für zwei unterschiedliche Situationen erhaltene, ähnliche Messdaten anhand der zweiten Tomographie unterscheidbar gemacht werden. Einige Beispiele für bestimmbare Eigenschaften sind anhand der nachfolgendenden möglichen Ausgestaltungen angegeben.
Es muss vorteilhaft keine vollständige Bildauswertung der tomographischen Daten durchgeführt werden. Demnach kann die Auswertung der jeweils erhaltenen Messdaten gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren deutlich reduziert werden.
In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Eigenschaft um eine Aussage über eine Zusammensetzung des Mediums, welche insbesondere anhand des ersten Tomographie-Datensatzes bestimmt wird.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn es sich bei der Aussage über die Zusammensetzung um eine Aussage über eine Homogenität und/oder einen Durchmischungsgrad des Mediums, eine durchschnittliche Partikelgröße zumindest einer Komponente des Mediums, oder eine Konzentration zumindest einer Komponente des Mediums handelt.
In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei der Eigenschaft um eine Aussage über einen Streuquerschnitt des Mediums, welcher insbesondere anhand des zweiten Tomographie-Datensatzes bestimmt wird.
Hier ist es wiederum von Vorteil, wenn anhand des Streuquerschnitts eine Aussage über eine Blasengröße eines im Medium enthaltenen Gases, oder über eine Extinktion des Mediums bestimmt wird.
Die elektrische Tomographie gibt also insbesondere Aufschluss über die Zusammensetzung des Mediums, während die Diffusions-Tomographie Hinweise auf die mechanische Größe der Komponenten geben kann.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass der Durchfluss des Mediums bestimmt wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um den Massedurchfluss oder den Volumendurchfluss handeln.
Hinsichtlich der Bestimmung des Durchflusses ist es von Vorteil, wenn der erste und/oder zweite Tomographie-Datensatz zur Bestimmung des Durchflusses des Mediums herangezogen wird. Es ist demnach möglich, einen ermittelten Wert für den Durchfluss anhand des ersten und/oder zweiten Tomographie-Datensatzes zu korrigieren und entsprechend einen kompositionsspezifischen Durchfluss zu bestimmen.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei der Eigenschaft um eine Komposition und/oder Textur des Mediums. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach eine umfassende Charakterisierung des Mediums hinsichtlich seiner Textur und Zusammensetzung möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung wird zumindest ein erster und/oder ein zweiter Referenz-Tomographie-Datensatz bestimmt, wobei der erste und/oder zweite Tomographie-Datensatz mit dem ersten und/oder zweiten Tomographie-Datensatz verglichen wird, insbesondere wobei eine Abweichung zwischen dem ersten und/oder zweiten Tomographie-Datensatz und/oder Referenz-Tomographie-Datensatz bestimmt wird. Der/die Referenz-Tomographie-Datensatz/Datensätze ist/sind vorzugsweise derart gewählt, dass sie einem oder mehreren Referenzwerten für die zumindest eine zu bestimmende Eigenschaft des Mediums entsprechen oder für diese charakteristisch sind. Der/die Referenz-Tomographie-Datensatz/Datensätze können beispielsweise in einer Speichereinheit hinterlegbar und sowohl empirisch anhand eines Referenzmediums bestimmt als auch anhand eines mathematischen Modells berechnet sein.
In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn anhand des Vergleichs des ersten und/oder zweiten Tomographie-Datensatzes mit dem ersten und/oder zweiten Referenz-Tomographie-Datensatzes eine Veränderung der Eigenschaft des Mediums erkannt wird. Es kann also eine Abweichung von einer Referenz auf einfache Art und Weise detektiert werden. Viele Prozesse erfordern keine Kenntnis der absoluten Werte bestimmter Medieneigenschaften, sondern lediglich die Feststellung einer Abweichung von den jeweils angestrebten Sollwerten. In diesem Falle bietet die beschriebene Ausgestaltung für die jeweiligen Prozesse eine erhebliche Vereinfachung.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn die Veränderung der Eigenschaft des Mediums mittels einer Berechnungseinheit erkannt wird, welche dazu ausgestaltet ist, das Erkennen der Veränderung der Eigenschaft des Mediums zu erlernen.
Die Berechnungseinheit ist demnach bevorzugt eine mit künstlicher Intelligenz ausgestattete Einheit, und erlernt das Erkennen einer Abweichung von einer Referenz. Es handelt sich also um eine intelligente Prozessüberwachung. Bei dem maschinellen Lernprozess, den die Berechnungseinheit durchläuft, kann es sich sowohl um einen überwachten (engl. supervised) als auch um einen nicht-überwachten (engl. unsupervised) Lernprozess handeln.
In diesem Zusammenhang kann die Berechnungseinheit sowohl offline als auch online, trainiert werden. Unter einem offline-Training wird ein Training vor der Durchführung des Verfahrens, also bevor das Verfahren im fortlaufenden Prozess angewendet wird, verstanden. Es handelt sich im Prinzip um ein Training unter Laborbedingungen. Die Berechnungseinheit kann stattdessen oder darüber hinaus aber auch online trainiert werden, d.h. im fortlaufenden Prozess, bzw. während der Durchführung des Verfahrens im Prozess. Für das Training und das Erkennen der Abweichung von einer Referenz kann beispielsweise die Methode der selbstorganisierten Karten angewendet werden.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Computerprogramm zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Eigenschaft eines fließfähigen Mediums in einer Rohrleitung mit computerlesbaren Programmcodeelementen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, zumindest eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Computerprogrammprodukt mit einem erfindungsgemäßen Computerprogramm und zumindest einem computerlesbaren Medium, auf dem zumindest das Computerprogramm gespeichert ist.
Es sei darauf verwiesen, dass sich die in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen mutatis mutandis auch auf das erfindungsgemäße Computerprogramm und das Computerprogrammprodukt anwenden lassen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1 eine erste Ausgestaltung für eine Vorrichtung, welche zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, mit einer Einheit zur Durchführung einer elektrischen Tomographie und einer Einheit zur Durchführung einer Diffusions-Tomographie, und
2 eine zweite Ausgestaltung für eine Vorrichtung, welche zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, mittels welcher zusätzlich der Durchfluss des Mediums durch die Rohrleitung bestimmbar ist.

In den Figuren sind gleiche Elemente je mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Messgerät 1 dargestellt, welches an einer von einem fließfähigen Medium M durchflossenen Rohrleitung 2 montiert ist. Das Messgerät 2 umfasst eine Mess-Einheit 3 zur Durchführung einer elektrischen Tomographie und eine Messeinheit 4 zur Durchführung einer Diffusions-Tomographie. Beide Mess-Einheiten 3,4 sind mit einer übergeordneten Elektronik 5 verbunden, in welcher die jeweilige Eigenschaft des Mediums M bestimmt wird.
Die Mess-Einheiten 3,4 sind zur Erfassung je eines Tomographie-Datensatzes eines Bereichs der Rohrleitung 2, hier einer Querschnittsfläche A durch die Rohrleitung ausgestaltet. In der vorliegenden Ausgestaltung sind die beiden Mess-Einheiten 3,4 nebeneinander angeordnet, sie können in anderen Ausgestaltungen aber auch im gleichen Bereich entlang der Rohrleitung 2 angeordnet sein. Neben der Erfassung eines zweidimensionalen Tomographie-Datensatzes einer Querschnittsfläche A durch die Rohrleitung 2 können in anderen Ausgestaltungen auch dreidimensionale Bereiche der Rohrleitung 2 vermessen werden.
In 2 ist ein Messgerät 1 dargestellt, welches ferner über Einheit 6 zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses des Mediums M durch die Rohrleitung 1 umfasst. Auch die Einheit 6 zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses ist mit der Elektronik 5 verbunden. Vorteilhafterweise können die mittels der tomographischen Messeinheiten 3,4 gewonnen Informationen zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses herangezogen werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Rohrleitung
3: Mess-Einrichtung zur elektrischen Tomographie
4: Mess-Einrichtung zur Diffusions-Tomographie
5: Elektronik
6: Einheit zur Bestimmung und/oder Überwachung des Durchflusses
M: Medium
A: Querschnittsfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2004130338 A1 [0003]
EP 3371608 A1 [0004]

Claims

Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Eigenschaft eines fließfähigen Mediums (M) in einer Rohrleitung (2), umfassend folgende Verfahrensschritte: Aufnehmen eines ersten Tomographie-Datensatzes zumindest eines Teilbereichs einer Querschnittsfläche (A) der Rohrleitung (2) mittels einer elektrischen Tomographie (3), und Aufnehmen eines zweiten Tomographie-Datensatzes zumindest eines Teilbereichs einer Querschnittsfläche (A) der Rohrleitung (4) mittels einer, insbesondere optischen oder akustischen, Diffusions-Tomographie (4), und Ermitteln der zumindest einen Eigenschaft des Mediums (M) anhand des ersten und/oder zweiten Tomographie-Datensatzes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Eigenschaft um eine Aussage über eine Zusammensetzung des Mediums (M) handelt, welche insbesondere anhand des ersten Tomographie-Datensatzes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei es sich bei der Aussage über die Zusammensetzung um eine Aussage über eine Homogenität und/oder einen Durchmischungsgrad des Mediums (M), eine durchschnittliche Partikelgröße zumindest einer Komponente des Mediums (M), oder eine Konzentration zumindest einer Komponente des Mediums (M) handelt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der Eigenschaft um eine Aussage über einen Streuquerschnitt des Mediums (M) handelt, welcher insbesondere anhand des zweiten Tomographie-Datensatzes bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei anhand des Streuquerschnitts eine Aussage über eine Blasengröße eines im Medium (M) enthaltenen Gases, oder über eine Extinktion des Mediums (M) bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Durchfluss des Mediums (M) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste und/oder zweite Tomographie-Datensatz zur Bestimmung des Durchflusses des Mediums (M) herangezogen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der Eigenschaft um eine Komposition und/oder Textur des Mediums (M) handelt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein erster und/oder ein zweiter Referenz-Tomographie-Datensatz bestimmt wird, und wobei der erste und/oder zweite Tomographie-Datensatz mit dem ersten und/oder zweiten Tomographie-Datensatz verglichen wird, insbesondere wobei eine Abweichung zwischen dem ersten und/oder zweiten Tomographie-Datensatz und/oder Referenz-Tomographie-Datensatz bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei anhand des Vergleichs des ersten und/oder zweiten Tomographie-Datensatz mit dem ersten und/oder zweiten Referenz-Tomographie-Datensatz eine Veränderung der Eigenschaft des Mediums (M) erkannt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Veränderung der Eigenschaft des Mediums (M) mittels einer Berechnungseinheit erkannt wird, welche dazu ausgestaltet ist, das Erkennen der Veränderung der Eigenschaft des Mediums (M) zu erlernen.
Computerprogramm zur Bestimmung und/oder Überwachung zumindest einer Eigenschaft eines fließfähigen Mediums in einer Rohrleitung mit computerlesbaren Programmcodeelementen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm nach Anspruch 12 und zumindest einem computerlesbaren Medium, auf dem zumindest das Computerprogramm gespeichert ist.