DE102021133787A1 - Detection of foreign bodies in flowing measurement media - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Mess-System (1) und ein Mess-Verfahren zur sicheren Detektion von Fremdkörpern (4) in Messmedien (2), welche durch Leitungsabschnitte (3) fließen. Das Mess-System (1) umfasst hierzu: Ein erstes Feldgerät (11), das den jeweiligen Messwert (m1) einer ersten Prozessgröße im Leitungsabschnitt (3) misst; Ein zweites Feldgerät (11', 12), das im Leitungsabschnitt (3) den Messwert (m1', m2) von entweder derselben Prozessgröße oder von einer zweiten Prozessgröße des Messmediums (2) bestimmt; Und eine Auswerte-Einheit (13), um zumindest anhand des ersten Messwertes (m1) und anhand des zweiten Messwertes (m1', m2) einen etwaigen Fremdkörper (4) zu detektieren, beispielsweise durch Korrelation der Messwerte (m1, m1', m2). Durch die erfindungsgemäße Fremdkörperdetektion können innerhalb der Prozessanlage etwaige Fremdkörper (4) ohne zusätzliches Mess-Equipment detektiert werden, sofern die Prozessgröße(n) im Rahmen des Prozesses per se zu überwachen ist/sind. Hierdurch kann die Prozessanlage insgesamt sicherer und effizienter betrieben werden.The invention relates to a measuring system (1) and a measuring method for the reliable detection of foreign bodies (4) in measuring media (2) which flow through line sections (3). For this purpose, the measuring system (1) comprises: a first field device (11), which measures the respective measured value (m1) of a first process variable in the line section (3); A second field device (11', 12) which determines the measured value (m1', m2) of either the same process variable or of a second process variable of the measuring medium (2) in the line section (3); And an evaluation unit (13) to detect any foreign body (4) at least on the basis of the first measured value (m1) and the second measured value (m1', m2), for example by correlating the measured values (m1, m1', m2 ). The foreign body detection according to the invention allows any foreign bodies (4) to be detected within the process system without additional measuring equipment, provided that the process variable(s) is/are to be monitored as part of the process per se. As a result, the process plant can be operated more safely and efficiently overall.
Description
Die Erfindung betrifft ein Mess-System und ein Mess-Verfahren zur sicheren Detektion von Fremdkörpern in fließenden Medien, wobei lediglich ein geringer Aufwand an Mess-Equipment erforderlich ist.The invention relates to a measuring system and a measuring method for the reliable detection of foreign bodies in flowing media, with only a small amount of measuring equipment being required.
In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung oder zur Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Zur Erfassung der jeweiligen Prozessgröße werden entsprechende Sensoren bzw. Messprinzipien eingesetzt, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräten, Durchflussmessgeräten, Druck- und Temperaturmessgeräten, pH-Redoxpotential-Messgeräten, Leitfähigkeitsmessgeräten, oder vergleichbaren Geräten zum Einsatz kommen. Sie erfassen als Prozessgröße dementsprechend beispielsweise den Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential oder die Leitfähigkeit. Verschiedenste solcher Feldgeräte-Typen wird von der Firmengruppe Endress + Hauser hergestellt und vertrieben.In process automation technology, field devices are often used that are used to record or influence process variables. Corresponding sensors or measuring principles are used to record the respective process variable, which are used, for example, in fill level measuring devices, flow measuring devices, pressure and temperature measuring devices, pH redox potential measuring devices, conductivity measuring devices, or comparable devices. Accordingly, they record the level, flow rate, pressure, temperature, pH value, redox potential or conductivity as process variables. A wide variety of such field device types are manufactured and sold by the Endress + Hauser group of companies.
Zusätzlich zu den zuvor genannten Prozessgrößen gibt es auch solche, die überhaupt nicht bzw. nur mit technisch hohem Aufwand durch ein einzelnes Feldgerät erfasst werden können. Hierzu zählt unter anderem die Detektion etwaiger Fremdkörper in Messmedien, die in Prozessanlagen durch entsprechende Leitungsabschnitte fließen. Je nach Art der Prozessanlage bzw. je nach Einsatzgebiet kann es sich bei dem Leitungsabschnitt, in dem etwaige Fremdkörper zu detektieren sind, um ein geschlossenes Rohr, einen Abschnitt einer offenen Leitung oder um ein freies Gewässer handeln. Besonders kritisch sind Fremdkörper beispielsweise in der LebensmittelIndustrie, wo als Prozessgröße beispielsweise Metallspäne oder Scherben in flüssigen Lebensmitteln unter Gesundheitsaspekten unbedingt zu vermeiden sind. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, etwaige Fremdkörper in Messmedien, die durch Leitungsabschnitte fließen, mit möglichst wenig Mess-Equipment auch bei hoher Flussgeschwindigkeit sicher detektieren zu können.In addition to the aforementioned process variables, there are also those that cannot be recorded at all by a single field device or only with great technical effort. This includes, among other things, the detection of any foreign bodies in the measurement media that flow through the corresponding line sections in process systems. Depending on the type of process plant or depending on the area of application, the line section in which any foreign bodies are to be detected can be a closed pipe, a section of an open line or an open body of water. Foreign bodies are particularly critical in the food industry, for example, where, for example, metal shavings or shards in liquid food must be avoided at all costs from a health perspective. The invention is therefore based on the object of being able to reliably detect any foreign bodies in measurement media that flow through line sections with as little measurement equipment as possible, even at high flow speeds.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Mess-System zur Detektion von insbesondere Feststoff-artigen Fremdkörpern in einem Messmedium, welches durch einen Leitungsabschnitt von beispielsweise einem Rohr fließt. Dabei umfasst das Mess-System zumindest folgende Komponenten:
- - Ein erstes Feldgerät, das ausgelegt ist, um einen ersten Messwert einer ersten Prozessgröße im Leitungsabschnitt zu messen,
- - ein zweites Feldgerät, das ausgelegt ist, um im Leitungsabschnitt einen zweiten Messwert von entweder der ersten Prozessgröße oder von einer zweiten Prozessgröße des Messmediums zu bestimmen, und
- - eine Auswerte-Einheit, die ausgelegt ist, um zumindest anhand des ersten Messwertes und anhand des zweiten Messwertes einen etwaigen Fremdkörper zu detektieren, beispielsweise anhand einer Korrelation zwischen den Messwerten, einer zeitlichen Faltung der Messwerte, oder einer Laplace- bzw. Z-Transformation.
- - A first field device that is designed to measure a first measured value of a first process variable in the line section,
- - a second field device, which is designed to determine a second measured value of either the first process variable or of a second process variable of the measuring medium in the line section, and
- - an evaluation unit that is designed to detect any foreign body at least based on the first measured value and based on the second measured value, for example based on a correlation between the measured values, a temporal convolution of the measured values, or a Laplace or Z transformation .
Dabei wird unter dem Begriff „Einheit“ wird im Rahmen der Erfindung prinzipiell jede elektronische Schaltung bzw. Hardware verstanden, die für den angedachten Einsatzzweck geeignet ausgelegt ist. Es kann sich also je nach Anforderung um eine Analogschaltung zur Erzeugung bzw. Verarbeitung entsprechender analoger Signale handeln. Es kann sich jedoch auch um eine Digitalschaltung, wie ein FPGA oder ein Speichermedium in Zusammenwirken mit einem Programm handeln. Dabei ist das Programm ausgelegt, die entsprechenden Verfahrensschritte durchzuführen bzw. die notwendigen Rechenoperationen der jeweiligen Einheit anzuwenden. Konkret kann es sich bei der Auswerte-Einheit also beispielsweise auch um eine Prozessleitzentrale der Prozessanlage oder um einen dezentralen Server handeln.Within the scope of the invention, the term “unit” is understood in principle to mean any electronic circuit or hardware that is suitably designed for the intended purpose. Depending on the requirement, it can therefore be an analog circuit for generating or processing corresponding analog signals. However, it can also be a digital circuit such as an FPGA or a storage medium in cooperation with a program. The program is designed to carry out the corresponding procedural steps or to apply the necessary arithmetic operations of the respective unit. Specifically, the evaluation unit can also be, for example, a process control center of the process installation or a decentralized server.
Durch die erfindungsgemäße Fremdkörperdetektion können innerhalb der Prozessanlage etwaige Fremdkörper ohne zusätzliches Mess-Equipment detektiert werden, sofern die Prozessgröße(n) im Rahmen des Prozesses per se zu bestimmen ist/sind. Hierdurch kann die Prozessanlage insgesamt sicherer und effizienter betrieben werden.The foreign body detection according to the invention allows any foreign bodies to be detected within the process system without additional measuring equipment, provided that the process variable(s) is/are to be determined per se within the framework of the process. As a result, the process plant can be operated more safely and efficiently overall.
Korrespondierend zum erfindungsgemäßen Mess-System wird die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, außerdem durch ein Verfahren zur Detektion etwaiger Fremdkörper mittels des Mess-Systems gelöst. Demnach umfasst das Verfahren folgende Verfahrensschritte:
- - Bestimmung eines ersten Messwertes einer ersten Prozessgröße des Messmediums im Leitungsabschnitt mittels des ersten Feldgerätes,
- - Messung eines zweiten Messwertes der ersten Prozessgröße oder einer zweiten Prozessgröße des Messmediums im Leitungsabschnitt mittels des zweiten Feldgerätes, und
- - Detektion des etwaigen Fremdkörpers anhand des ersten Messwertes und anhand des zweiten Messwertes.
- - Determination of a first measured value of a first process variable of the measuring medium in the line section by means of the first field device,
- - Measurement of a second measured value of the first process variable or a second process variable of the measuring medium in the line section by means of the second field device, and
- - Detection of any foreign body based on the first measured value and based on the second measured value.
Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung nicht fest vorgeschrieben, welche spezifische Prozessgröße die einzelnen Feldgeräte des Mess-Systems erfassen müssen, um das erfindungsgemäße Verfahren umsetzen zu können. Allerdings kann eine Korrelation umso sicherer erfasst werden kann, je empfindlicher die entsprechenden Feldgeräte die Messwerte erfassen können. Sofern das erste Feldgerät also beispielsweise als Dielektrizitätswertmessgerät ausgelegt ist, um als erste Prozessgröße einen Dielektrizitätswert des Messmediums zu bestimmen, ist es vorteilhaft, dieses
- - auf Basis des TDR-Verfahrens („Time Domain Reflectometry“), wie beispielsweise in der Veröffentlichungsschrift
EP 0622 628 A2 - - analog zu Radar-basierter Abstandsmessung auf Basis eines Pulslaufzeit-Verfahrens, oder
- - auf Basis von Phasenmessung, wie unter anderem in der Veröffentlichungsschrift
DE 10 2017 130728 A1
- - based on the TDR method (“Time Domain Reflectometry”), as for example in the publication
EP 0622 628 A2 - - analogous to radar-based distance measurement based on a pulse propagation time method, or
- - based on phase measurement, as inter alia in the publication
DE 10 2017 130728 A1
In einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Mess-System kann das zweite Feldgerät korrespondierend zum ersten Feldgerät ausgelegt werden, so dass auch das zweite Feldgerät die erste Prozessgröße des Messmediums bestimmt. Um die Flussgeschwindigkeit des Messmediums bzw. des etwaigen Fremdkörpers zu berücksichtigen, muss das zweite Feldgerät bei dieser Ausführungsvariante jedoch im Leitungsabschnitt in Bezug zur Flussrichtung des Messmediums mit einem definierten Abstand zum ersten Feldgerät angeordnet werden. Alternativ kann das zweite Feldgerät als Durchflussmessgerät ausgelegt werden, um als zweite Prozessgröße einen Durchfluss des Messmediums im Leitungsabschnitt zu messen. In diesem Fall ist es irrelevant, wo das zweite Feldgerät im Leitungsabschnitt in Bezug zum ersten Feldgerät angeordnet ist.In a first variant of the measuring system according to the invention, the second field device can be designed to correspond to the first field device, so that the second field device also determines the first process variable of the measuring medium. In order to take into account the flow rate of the measurement medium or any foreign body, the second field device in this embodiment variant must be arranged in the line section at a defined distance from the first field device in relation to the direction of flow of the measurement medium. Alternatively, the second field device can be designed as a flow meter in order to measure a flow of the measurement medium in the line section as the second process variable. In this case it is irrelevant where the second field device is arranged in the line section in relation to the first field device.
Zur Durchflussmessung von fließenden Messmedien in entsprechenden Leitungsabschnitten stehen je nach Art der Durchflussmessung (Massendurchfluss, Volumendurchfluss) und je nach Art bzw. Aggregatzustand des Mediums verschiedene Messprinzipien zu Verfügung: Ein Coriolis-basiertes Messverfahren ist beispielsweise in der Patentschrift
Näher erläutert wird die Erfindung anhand der nachfolgenden Figur. Es zeigt:
-
1 : Ein erfindungsgemäßes Mess-System zur Detektion etwaiger Fremdkörper in einem strömenden Messmedium.
-
1 : A measuring system according to the invention for detecting any foreign bodies in a flowing measuring medium.
Zum Verständnis der Erfindung ist in
Zur Steuerung der Prozessanlage bzw. des Verarbeitungs-Prozesses ist als Prozessgröße in der Regel die Flussgeschwindigkeit v bzw. der Massendurchfluss M' (in kg/s oder einer vergleichbaren Einheit) oder der Volumendurchfluss V' (in der Regel in m3/s) des Messmediums 2 durch den Rohrleitungsabschnitt 3 zu bestimmen. Dementsprechend ist am Rohrleitungsabschnitt 3 ein Durchflussmessgerät 12 angeordnet, um den entsprechenden Messwert m2 bestimmen zu können. Als Durchflussmessgerät 11 kann beispielsweise ein nach dem thermischen Prinzip arbeitendes oder ein Ultraschall-basiertes Gerät eingesetzt werden.The flow velocity v or the mass flow M' (in kg/s or a comparable unit) or the volume flow V' (usually in m 3 /s) is usually used as a process variable to control the process plant or the processing process. of the measuring
Zur Weitergabe des aktuell gemessenen Durchfluss-Messwertes m2 ist das Durchflussmessgerät 12 über eine geeignete Schnittstelle, wie etwa „4-20 mA“, „PROFIBUS“, „HART“, oder „Ethernet“ jeweils mit einer übergeordneten Auswerte-Einheit 13, wie z. B. einem lokalen Prozessleitsystem oder einen dezentralen Server verbunden. Hierdurch kann die Auswerte-Einheit 13 gegebenenfalls Zu- oder Abflüsse zum bzw. vom Rohrleitungsabschnitt 3 steuern, damit die Flussgeschwindigkeit v entsprechend geregelt wird. Über die Schnittstelle können zudem auch anderweitige Informationen übermittelt werden, bspw. Parametrierungs-Daten für das Durchflussmessgerät 12 oder Informationen zum allgemeinen Betriebszustand des Durchflussmessgerätes 12.In order to pass on the currently measured flow rate value m2, the
Zur weiteren Inline-Analyse des Messmediums 2 sind am Rohrleitungsabschnitt 3 außerdem zwei weitere Feldgeräte 11, 11' angeordnet, welche ebenfalls in Kontakt mit dem Messmedium 2 stehen und beide die gleiche Prozessgröße ermitteln, wie beispielsweise einen Dielektrizitätswert, einen pH-Wert oder eine Dichte des Messmediums 2. Wie in
Auf Basis von zumindest zwei der in
Sofern die Messwerte m1, m1', m2 eine entsprechende Korrelation aufweisen, ist hieraus mit hoher Wahrscheinlichkeit auf das Vorhandensein eines Fremdkörpers 4 zu schließen. Dabei kann in Abhängigkeit davon, welche Prozessgröße(n) der Korrelationsberechnung zugrunde gelegt wird/werden, auch eine inverse Korrelation zwischen den entsprechenden Messwerten m1, m1', m2, auf einen Fremdkörper 4 hinweisen. Eine inverse Korrelation, die auf Fremdkörper 4 im Messmedium 2 zurückführbar ist, liegt beispielsweise vor, wenn eines der Feldgeräte 11, 11' einen erhöhten Dielektrizitätswert misst, während das Durchflussmessgerät 12 eine verringerte Flussgeschwindigkeit v misst. Bei der Beurteilung, ob das Messmedium 2 im Rohrleitungsabschnitt 3 einen Fremdkörper 4 umfasst, muss dementsprechend außerdem die Flussgeschwindigkeit v des etwaigen Fremdkörpers 4, bzw. der zeitlich versetzte Einfluss des Fremdkörpers 4 auf die einzelnen Messwerte m1, m1' berücksichtigt werden.If the measured values m1, m1', m2 have a corresponding correlation, the presence of a
Die Flussgeschwindigkeit v kann beispielsweise in Form der Durchfluss-Messwerte m2 des Durchflussmessgerätes 12 in die Fremdkörper-Detektion miteinbezogen werden. Alternativ kann die Flussgeschwindigkeit v indirekt darüber miteinbezogen werden, dass diejenigen zwei Feldgeräte 11, 11' des erfindungsgemäßem Mess-Systems 1, deren Korrelation überprüft wird, dieselbe Prozessgröße bestimmen, jedoch in Bezug zur Flussrichtung des Messmediums 2 in einem definierten Abstand ΔL zueinander angeordnet sind, wie in
Eine etwaige Korrelation kann umso sicherer ermittelt werden, je höher die Auflösung ist, mit welcher das Feldgerät 11, 11', 12 den Messwert m1, m1', m2 erfassen kann. Dementsprechend ist es für den Fall, dass neben dem Durchfluss-Messwert m2 der Dielektrizitätswert des Messmediums 2 als Messwerte m1, m1' erfasst werden, vorteilhaft, wenn die entsprechenden Feldgeräte 11 11' auf einem Hochfrequenz-Messprinzip, wie dem TDR-Prinzip basieren, da dies eine hochgenaue Messung ermöglicht.Any correlation can be determined more reliably the higher the resolution with which the
Durch die erfindungsgemäße Fremdkörperdetektion kann innerhalb der Prozessanlage auf gegebenenfalls detektierte Fremdkörper 4 angemessen reagiert werden: Sofern ein Fremdkörper 4 detektiert wird, kann die Auswerte-Einheit 13 beispielsweise veranlassen, ein Absperrventil, welches sich in Flussrichtung hinter dem Fremdkörper 4 bzw. den Feldgeräten 11, 11', 12 befindet, zu schließen, damit der Fremdkörper 4 nicht unbeabsichtigt mitabgefüllt wird. Oder das Messmedium 2 kann in Flussrichtung hinter den Feldgeräten 11, 11', 12 in einen Bypass umgeleitet werden, über welchen etwaiger Ausschuss entsorgt wird. Hierdurch kann die Prozessanlage insgesamt sicherer und effizienter betrieben werden.The foreign body detection according to the invention makes it possible to react appropriately within the process plant to any
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Mess-Systemmeasuring system
- 22
- Mediummedium
- 33
- Leitungsabschnittline section
- 44
- Fremdkörperforeign body
- 1111
- Erstes FeldgerätFirst field device
- 11'11'
- Zweites FeldgerätSecond field device
- 1212
- Durchflussmessgerätflow meter
- 1313
- Auswerte-Einheitevaluation unit
- m1m1
- Messwert des ersten FeldgerätesMeasured value of the first field device
- m1'm1'
- Messwert des zweiten FeldgerätesMeasured value of the second field device
- m2m2
- Messwert des DurchflussmessgerätesFlow meter reading
- vv
- Durchflussgeschwindigkeitflow rate
- ΔLΔL
- Abstand zwischen den MessgerätenDistance between the gauges
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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