EP4720619A1

EP4720619A1 - Verfahren zur erkennung einer verstopften wirkdruckleitung einer druckmessanordnung

Info

Publication number: EP4720619A1
Application number: EP24717149.9A
Authority: EP
Inventors: Nils Ruf; Alexander Vogel
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2023-05-26
Filing date: 2024-04-02
Publication date: 2026-04-08
Also published as: WO2024245623A1; DE102023114027A1; CN121057928A

Abstract

Computerimplementiertes Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung umfassend die Folgenden Schritte: - Erfassen eines Druckmesssignals mittels der Druckmessanordnung (1); - Zusammenfassen von Messwerten des Druckmesssignals zu Blöcken (Bt-1, Bt); - Erzeugen von, insb. akustischen Frequenzspektren für jeden Block, wobei jedes Frequenzspektrum mehrere Frequenzkomponenten (c1,t-1; cn,t) aufweist; - Ableiten von statistischen Verteilungen (V1; Vn) derart, dass für jede Frequenzkomponente eine statische Verteilung, in die die entsprechende Frequenzkomponente von mehreren Blöcken (Bt-1, Bt) eingeht, abgeleitet wird; - Ermitteln von statistischen Merkmalen (µ; σ) zumindest anhand der statistischen Verteilungen (V1; Vn); - Entscheiden anhand der aus den statistischen Verteilungen ermittelten statistischen Merkmalen (µ; σ), ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt.

Description

Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf ein computerimplementiertes Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung, ein Datenverarbeitungsgerät mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens, ein Computerprogramm, ein computerlesbares Medium und eine Druckmessanordnung.

Das europäische Patent EP 1 840 549 B1 schützt eine Vorrichtung zum Erfassen einer Verstopfung von Wirkdruckleitungen, wobei die Vorrichtung zwei Drucksensoren zum Erfassen von Zeitreihen des statischen Drucks in jeweils einer Wirkdruckleitung und einen Differenzdrucksensor zum Erfassen von Zeitreihen der Differenz zwischen den Drücken in den beiden Wirkruckleitungen und drei Berechnungseinheiten zum Berechnen der Fluktuationen der beiden statischen Drücke und des Differenzdrucks anhand der Zeitreihen und der Quadratsummen der Fluktuationen; Korrelationskoeffizienten- Berechnungseinheiten zum Ermitteln der Korrelationskoeffizienten zwischen den Zeitreihen je eines statischen Drucks und des Differenzdrucks zu ermitteln und eine Auswertungseinheit, welche anhand der Korrelationen Verstopfungen der Wirkdruckleitungen erkennt, und identifiziert, welche der Wirkdruckleitungen verstopft ist bzw. sind.

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2013 110 059 A1 beschreibt eine Differenzdruckmessanordnung, die anhand einer Korrelation eines Differenzdrucksignals, welches eine Druckdifferenz zwischen einem ersten Mediendruck und einem zweiten Mediendruck repräsentiert, und eines Temperatursignals, welches mit einer Temperatur einer Wirkdruckleitung korreliert, verstopfte Wirkdruckleitungen erkennt.

Ferner existieren weitere Ansätze zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung. Insbesondere gibt es Ansätze, bei denen das Verfahren auf der Änderung der Frequenz der Drucksignalschwankungen basieren.

Alle Ansätze sind an sich zielführend, weisen jedoch jeweils spezifische Schwächen auf. So funktionieren einige Verfahren nicht oder nur eingeschränkt, wenn der zugrunde liegende Prozess zu dynamisch ist und großen Schwankungen unterliegt. Andere Verfahren arbeiten nur in einem bestimmten Drucksignalbereich, der von dynamischen Prozessen regelmäßig verlassen wird. Wiederum andere Verfahren weisen Schwächen auf, wenn durch lange Wirkdruckleitungen Resonanzen entstehen, die sich auf die Signalleistung auswirken und die Signalleistung mitunter künstlich erhöhen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu leisten. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 , das Datenverarbeitungsgerät mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 14, das Computerprogramm gemäß Patentanspruch 15, das computerlesbare Medium gemäß Patentanspruch 15 und die Druckmessanordnung gemäß Patentanspruch 17.

Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung umfasst die Folgenden Schritte: Erfassen eines Druckmesssignals mittels der Druckmessanordnung, vorzugsweise für einen definierten Zeitraum;

Zusammenfassen von, vorzugsweise aufeinanderfolgenden Messwerten des Druckmesssignals zu, vorzugsweise überlappenden Blöcken, die vorzugsweise jeweils die gleiche Länge aufweisen;

Erzeugen von, insb. akustischen Frequenzspektren für jeden Block, wobei jedes Frequenzspektrum mehrere Frequenzkomponenten aufweist;

Ableiten von statistischen Verteilungen derart, dass für jede Frequenzkomponente eine statistische Verteilung, in die die entsprechende Frequenzkomponente von mehreren Blöcken eingeht, abgeleitet wird;

Ermitteln von statistischen Merkmalen zumindest anhand der statistischen Verteilungen;

Entscheiden anhand der aus den statistischen Verteilungen ermittelten statistischen Merkmalen, ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt.

Erfindungsgemäß wird die Aufnahme und Auswertung eines Frequenzspektrums eines Druckmesssignals einer Druckmessanordnung vorgeschlagen. Bei dem Frequenzspektrum kann es sich bevorzugt um ein akustisches Frequenzspektrum handeln, welches in einem Bereich kleiner 20 kHz, insb. kleiner 2,5 kHz, insb. im Bereich von 0-2 kHz, ganz besonders im Bereich von 5 - 200 Hz liegt. Das (akustische) Frequenzspektrum charakterisiert die Druckmessanordnung und stellt quasi einen Fingerabdruck des Druckmessaufnehmers dar. Eine Veränderung der Druckmessanordnung wirkt sich auf das Frequenzspektrum, insb. das akustische Frequenzspektrum aus. Dies wird sich erfindungsgemäß zunutze gemacht, um anhand von aus statistischen Verteilungen ableitbaren statistischen Merkmalen eine verstopfte Wirkdruckleitung zu detektieren. Bei den statistischen Merkmalen handelt es sich vorzugsweise um statistische Merkmale, die sich auf den Prozess beziehen, in dem die Druckmessanordnung zur Bestimmung des Druckmesssignals angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Verfahrensschritt des Ermittelns der statistischen Merkmale vorsieht, dass jede Frequenzkomponente der Frequenzspektren der Blöcke derartig binarisiert wird, dass jede Frequenzkomponente auf einen Wert aus der Menge {0; 1 } in Abhängigkeit eines Distanzmaßes abgebildet wird, wobei das Distanzmaß einen Abstand zwischen der jeweiligen Frequenzkomponente und einem Wert, insb. einem Mittelwert, angibt, welcher aus der statistischen Verteilung, in die die jeweilige Frequenzkomponente eingegangen ist, abgeleitet wird. Insbesondere kann die Ausführungsform ferner vorsehen, dass die binarisierten Frequenzkomponenten des jeweiligen Blocks zu einer Zufallsvariable für den jeweiligen Block aggregiert werden, wobei ferner ein zeitlicher Verlauf der Zufallsvariable für die Blöcke beobachtet und eine weitere statistische Verteilung für die Zufallsvariable über einen Mittelwert und eine Standardabweichung geschätzt wird und wobei zumindest der Mittelwert und die Standardabweichung der weiteren statistischen Verteilung als die statistischen Merkmale dienen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die ermittelten statistischen Merkmale mit einer Baseline verglichen werden, um zu entscheiden, ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt. Insbesondere kann Ausführungsform vorsehen, dass die Baseline in einer Lernphase erzeugt wird, in der das Druckmesssignal mittels der Druckmessanordnung über einen definierten Zeitraum bei nicht verstopften Wirkdruckleitungen erfasst wird, wobei vorzugsweise aufeinanderfolgende Messwerte des erfassten Druckmesssignals zu, vorzugsweise überlappenden Blöcken, die vorzugsweise jeweils die gleiche Länge aufweisen, zusammengefasst werden und, insb. akustische Frequenzspektren für jeden Block in der Lernphase erzeugt werden, wobei die Frequenzkomponenten der Frequenzspektren der Blöcke in der Lernphase, vorzugsweise durch eine Bernoulli Transformation binarisiert und die binarisierten Frequenzkomponenten des jeweiligen Blocks zu einer Zufallsvariablen für den jeweiligen Block der Lernphase aggregiert werden, wobei ferner ein zeitlicher Verlauf der Zufallsvariablen für die Blöcke der Lernphase beobachtet bzw. erfasst und eine weitere statistische Verteilung für die Zufallsvariablen der Blöcke in der Lernphase über einen Mittelwert und eine Standardabweichung geschätzt wird und wobei zumindest der Mittelwert und die Standardabweichung der weiteren statistischen Verteilung für die Zufallsvariablen der Blöcke in der Lernphase als zumindest ein Teil der Baseline dienen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Vergleich der ermittelten statistischen Merkmale mit der Baseline durch einen Hypothesentest, insb. z-Test durchgeführt wird und in dem Fall, dass eine Prüfgröße des Hypothesentests einen vorgebbaren Schwellwert unterschreitet oder außerhalb eines vorgebbaren Bereichs mit einem oberen und einem unteren Schwellwert liegt, dies als eine verstopfte Wirkdruckleitung gewertet wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass vor der Erzeugung der Frequenzspektren aus dem Druckmesssignal zunächst Ruhephasen des Prozesses aus dem Druckmesssignal herausgefiltert werden, und anschließend erst die Frequenzspektren der jeweiligen Blöcke ermittelt werden. Insbesondere kann die Ausführungsform vorsehen, dass zum Herausfiltern der Ruhephasen des Prozesses für die Blöcke zumindest jeweils eine Varianz berechnet wird, und anhand der Varianz entschieden wird, ob es sich um eine Ruhephase des Prozesses handelt und/oder die Varianz mit einem konfigurier- bzw. einstellbaren Schwellwert verglichen wird, um zu entscheiden, ob es sich um eine Ruhephase des Prozesses handelt, wobei der Schwellwert vorzugsweise in einem Bereich < -70 dB, besonders bevorzugt < -80 dB, ganz besonders bevorzugt im Bereich von -80 bis -90 dB liegt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Frequenzspektren mittels einer diskreten Fourier Transformation, insb. einer Fast-Fourier-Transformation erzeugt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Frequenzspektren der jeweiligen Blöcke hochpassgefiltert werden, sodass Frequenzanteile, die unterhalb einer vorgebbaren Grenzfrequenz liegen im Wesentlichen herausgefiltert bzw. gedämpft werden. Insbesondere kann die Ausführungsform vorsehen, dass die vorgebbare Grenzfrequenz so gewählt wird, dass sie im Bereich einiger Hz, vorzugsweise kleiner 5 Hz, besonders bevorzugt im Bereich von 1-5 Hz liegt.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Datenverarbeitungsgerät mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm mit Anweisungen, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, das Verfahren nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein computerlesbares Medium, das Anweisungen enthält, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Druckmessanordnung, wenigstens umfassend: einen Druckmessumformer zum Erfassen zumindest eines Mediendrucks eines Mediums; eine Betriebs- und/oder Auswerteschaltung zum Bereitstellen eines Druckmesssignals, welches von dem zumindest einen Mediendruck abhängt; zumindest eine Wirkdruckleitung, welche an einen Druckeingang des Druckmessumformers angeschlossen ist, um dem Druckmessumformer mit dem zumindest einen Mediendruck zu beaufschlagen; eine Detektionseinheit, welche vorzugsweise als Teil der Betriebs- und/oder Auswerteschaltung ausgebildet und dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche auszuführen, um so zu erkennen, ob zumindest eine Wirkdruckleitung verstopft ist.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine Gesamtdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Druckmessanordnung,

Fig. 2: ein Sensormodul und ein elektrisch mit dem Sensormodul verbundenes Elektronikmodul der Druckmessanordnung im Detail,

Fig. 3: schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung,

Fig. 4: ein Blockdiagramm des Verfahrens zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung während einer Inferenzphase,

Fig. 5: ein weiteres Blockdiagramm des Verfahrens zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung, in dem sowohl die Lern- als auch die Inferenzphase dargestellt ist,

Fig. 6: ein Spektrogramm für mittelwertbereinigte und mittels einer diskreten Fouriertransformation in den Frequenzraum transformierter Chunks, und

Fig. 7: eine Mahalanobis-Ellipse mit Radius 1 ,5.

Figur 1 zeigt stark vereinfacht und schematisch eine Gesamtdarstellung einer Druckmessanordnung. In Fig.1 ist eine Differenzdruckmessanordnung dargestellt. Wenn auch nachfolgenden anhand der Differenzdruckmessanordnung beschrieben, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt, sondern kann gleichfalls auf eine beliebig andere Druckmessanordnung, insb. eine Absolut- und/oder Relativdruckmessanordnung übertragen werden. Die in Fig. 1 dargestellte Differenzdruckmessanordnung umfasst einen Differenzdruckmessumformer 10, weicher ein Sensormodul 11 , das zwischen einem ersten, hochdruckseitigen Prozessanschlussflansch 12 und einem zweiten, niederdruckseitigen Prozessanschlussflansch 13 angeordnet ist, und ein Elektronikmodul 14 aufweist. Beide Module sind in einem Gehäuse des Differenzdruckmessumformers angeordnet. Das Elektronikmodul kann über eine Zweidrahtleitung 16 an ein Prozessleitsystem 18 angeschlossen sein, wobei das Elektronikmodul 14 über die Zweidrahtleitung kommunizieren und mit Energie versorgt werden kann. Die Zweidrahtleitung kann insbesondere als Feldbus nach dem Profibus- bzw. Foundation Fieidbus-Standard oder nach dem HART-Standard betrieben werden. Derartige Differenzdruckmessumformer sind an sich bekannt und werden beispielsweise unter der Marke Deltabar von der Anmelderin hergestellt und in Verkehr gebracht.

Die Differenzdruckmessanordnung kann weiterhin einen Wirkdruckgeber 20 zum Einbau in eine Rohrleitung 21 umfassen. Der Wirkdruckgeber umfasst eine Blende 22, einen ersten Druckabgriffkanal 23 auf einer Hochdruckseite der Blende 22 und einen zweiten Druckabgriffkanal 24 auf einer Niederdruckseite der Blende 22. Der hochdruckseitige Prozessanschlussflansch 12 ist über eine hochdruckseitige Wirkdruckleitung 25 an den hochdruckseitigen Druckabgriffkanal 23 angeschlossen, und der niederdruckseitige Prozessanschlussflansch ist über eine niederdruckseitige Wirkdruckleitung 26 an den niederdruckseitigen Druckabgriffkanal 24 angeschlossen. Die Begriffe „hochdruckseitig“ und „niederdruckseitig“ beziehen sich auf eine durch einen Durchfluss (in der Zeichnung von links nach rechts) erzeugte Druckdifferenz, wobei diese proportional zum Quadrat der Durchflussgeschwindigkeit ist und beispielsweise in der Größenordnung von einigen 10 bis 100 mbar beträgt. Der statische Druck, dem diese durchflussabhängige Druckdifferenz überlagert ist, kann beispielsweise von 1 bar bis zu einigen 100 bar betragen.

Fig. 2 zeigt ein Sensormodul 11 und ein elektrisch mit dem Sensormodul 11 verbundenes Elektronikmodul 14 im Detail. Die Anordnung der beiden in Figur 2 gezeigten Module ist hierbei, aus Gründen der Einfachheit, nebeneinander und insofern anders als in Figur 1 angeordnet. Bei dem Sensormodul handelt es sich vorliegend um einen piezoresistiven Drucksensorelement 110 mit einer Messmembran 112, wobei das Drucksensorelement 110 Widerstandselemente in einer Brückenschaltung aufweist, um eine druckabhängige Verformung bzw. Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Sensormodulsignal zu wandeln. Anstelle des piezoresistiven Drucksensors kann auch ein kapazitiver Drucksensor vorgesehen sein, wobei in diesem Fall die Messmembran eine Elektrode aufweist, deren Kapazität gegenüber einer Elektrode an einem biegesteifen Gegenkörper ein Maß für die druckabhängige Verformung bzw. Auslenkung der Messmembran ist. Einzelheiten zu elektrischen Wandlern sind einem Fachmann auf dem Gebiet der Druckmesstechnik geläufig und brauchen hier nicht näher erläutert zu werden. Das Sensormodul gibt das von der erfassten Druckdifferenz abhängige Sensormodulsignal an das Elektronikmodul 14 aus, wobei eine Betriebs- und/oder Auswerteschaltung 160 des Elektronikmoduls 14 anhand des Sensormodulsignals ein die Druckdifferenz repräsentierendes Differenzdruckmesssignal generiert und bspw. über die Zweidrahtleitung 16 insb. an das Prozessleitsystem 18 ausgeben kann. Hierzu kann die Betriebs- und/oder Auswerteschaltung bspw. einen Mikroprozessor 162 zum Verarbeiten von mittels eines ADC 164 digitalisierten Sensormodulsignalen des Drucksensors 110 aufweisen.

Die Druckmessanordnung weist weiterhin eine Detektionseinheit 150 auf, die dazu eingerichtet ist, das nachfolgend beschriebene computerimplementierte Verfahren auszuführen. Die Detektionseinheit 150 kann, wie in Fig. 2 dargestellt, Teil der Betriebs- und/oder Auswerteschaltung 160 sein oder alternativ davon abgesetzt als separate Einheit, bspw. in einer Cloud, realisiert sein.

Das computerimplementierte Verfahren unterteilt sich dabei in mehrere Verfahrensschritte, einen in einem Präprozessor 152 ausgeführten Präprozessor-Schritt, bei dem das Druckmesssignal bzw. Differenzdruckmesssignal in ein Frequenzspektrum transformiert wird, einen in einem Feature Extractor 154 ausgeführten Feature Extractor- Schritt, bei dem aus dem Frequenzspektrum nützliche noch näher zu beschreibende Merkmale (nachfolgend auch Kenngrößen bzw. Features genannt) abgeleitet werden und einen optionalen in einem Klassifikator ausgeführten 156 Klassifikator-Schritt, bei dem anhand der zuvor abgeleiteten Merkmale entschieden wird, ob die Wirkdruckleitung 25, 26 verstopft ist oder nicht. Die Verfahrensschritte werden dabei nacheinander ausgeführt. Fig. 3 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm des computer-implementierten Verfahren zum Erkennen von verstopften Wirkdruckleitungen 25, 26 einer Druckmessanordnung 1 .

In dem ersten Schritt a) wird zunächst das Druckmesssignal mit einer höchstmöglichen Abtastrate abgetastet, um so aufeinanderfolgende Messwerte, vorzugsweise digitalisierte Messwerte, besonders bevorzugt durch den ADC 164 digitalisierte Messwerte zu erhalten. Die Abtastrate ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass sie mindestens einige 10 Hz, vorzugsweise mindestens 50 Hz, besonders bevorzugt mindestens 100 Hz beträgt.

Um zu verhindern, dass zum Prozess, dessen Druckwerte mittels der Druckmessanordnung 1 ermittelt werden, gehörende Ruhephasen die Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung 25, 26 erschweren, ist es nötig, diese Ruhephasen möglichst schnell zu erkennen und herauszufiltern. Dies kann grundsätzlich auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Eine einfache nachfolgende Methode kann hierfür vorsehen, dass die, vorzugsweise aufeinanderfolgenden Messwerte in dem Präprozessor-Schritt zu, vorzugsweise überlappenden Blöcken B_t-i, Bt (im Nachfolgenden auch als Chunks bezeichnet), vorzugsweise gleicher Länge zusammengefasst werden. Chunks B_t-i, Bt bilden hierbei jeweils untrennbare Einheiten und alle Messwerte eines Chunks B_t-i , Bt werden jeweils zusammen weiterverarbeitet. Anschließend wird in dem Präprozessor-Schritt für jeden Chunk B_t-i, B_t jeweils eine Varianz und optional jeweils ein Mittelwert berechnet. Anschließend wird die Varianz mit einem konfigurier- bzw. einstellbaren Schwellwert verglichen. Liegt dabei die Varianz des Chunks BM bzw. B_t unterhalb des Schwellwerts, so wird der Chunk BM bzw. B_t ignoriert, da es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um eine Ruhephase im Prozess handelt. Der Schwellwert ist dabei abhängig vom Prozess und kann von Prozess zu Prozess variieren. Beispielsweise kann der Schwellwert für einen Füllstandsprozess, bei dem mittels einer Druckmessanordnung ein Füllstand bestimmt wird, ein anderer sein als dies für einen Durchflussprozess, bei dem mittels einer Differenzdruckmessanordnung ein Durchfluss bestimmt wird, der Fall ist. Üblicherweise liegt der Schwellwert aber in einem Bereich < -70 dB, vorzugsweise < - 80 dB, besonders bevorzugt im Bereich von -80 bis -90 dB.

Die verbleibenden Chunks B_t-i, B_t werden danach in dem Präprozessor-Schritt mittelwertbereinigt und mittels einer diskreten Fouriertransformation, z.B. einer Fast Fourier Transformation (kurz: FFT), in den Frequenzraum transformiert, um so die für den im anschließenden Feature Extractor-Schritt notwendigen Fourier-Koeffizienten für jeden Chunk BM , B_t zu erhalten. Fig. 6 zeigt exemplarisch ein solches Spektrogramm. Nach der Fourier Transformation kann optional in dem Präprozessor-Schritt vorgesehen sein, dass ein Hochpassfilter 158 angewandt wird, der auf einer vorgebbaren Grenzfrequenz arbeitet, um so den eigentlichen Druckwert herauszufiltern. Die vorgebbare Grenzfrequenz kann bspw. so gewählt sein, dass sie im Bereich einiger Hz, vorzugsweise kleiner 5 Hz, besonders bevorzugt im Bereich von 1-5 Hz liegt. Die Ausgabe des Präprozessors nach der Verarbeitung besteht aus den (ggf. hochpassgefilterten) Fourier- Koeffizienten eines Chunks. Dies ist in Fig. 3 durch den Verfahrensschritt b) dargestellt.

In dem an den Präprozessor-Schritt anschließenden Feature Extractor-Schritt werden die zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung 25, 26 benötigten Merkmale ermittelt. Hierzu wird vorliegend eine Variante vorgeschlagen, die im Wesentlichen auf der Anwendung der klassischen Statistik beruht und die in Fig. 4 und 5 dargestellt ist.

Diese Variante unterteilt sich in eine Lernphase (Verfahrensschritte a) - e) in Fig. 3), in der zunächst für den Prozess typische Merkmale erkannt werden und eine Inferenzphase, in der die Spektren anhand der gelernten Muster während des eigentlichen Betriebs der Druckmessanordnung analysiert werden.

Ziel der Lernphase ist die Schätzung von Kovarianzmatrizen aller Frequenzkomponenten CI,M ; c_n,t und darauf basierend die Bestimmung der Verteilung einer Zufallsvariablen. Der Lernprozess wiederum unterteilt sich in mehrere Phasen und kann dabei im Detail wie folgt ablaufen:

In einer ersten Phase des Lernprozesses („Vert. Schätzer (Komponente)“ in Fig. 5) sollen die statistischen Verteilungen i- _n der einzelnen Fourier-Koeffizienten (also der jeweilige Wert der einzelnen Frequenzenkomponente CI,M; c_n,t) über unterschiedliche Blöcke B_t-i, B_t gelernt werden. Die einzelnen Frequenzenkomponenten Ci,_t-i; c_n,t eines Blockes B_t-i, Bt werden jeweils separat behandelt. Hierbei werden Real- und Imaginärteil der Frequenzkomponente Ci,_t-i ; c_n,t zunächst als separate Zufallsvariablen betrachtet, wodurch diese für jede Frequenz als bivariate Wahrscheinlichkeitsverteilung aufgefasst werden können. Alternativ genügt auch die Betrachtung der Amplituden der einzelnen Fourier-Koeffizienten. Für die Beschreibung jeder dieser statistischen Verteilungen Vi-V_n werden deren Kovarianzmatrizen und Mittelwerte fortlaufend geschätzt. Dies wird so lange fortgeführt, bis die Schätzungen hinreichend stabil sind. In anderen Worten ausgedrückt: Es wird zunächst überprüft, ob die Unterschiede der aktuellen Schätzungen der Kovarianzmatrizen und Mittelwerte zum Zeitpunkt t im Vergleich zu denen zum Zeitpunkt t - 1 hinreichend klein sind. Hinreichend klein kann der Fehler bspw. sein, wenn die z.B. mittlere Quadratfehlersumme der Kovarianzmatrizen und Mittelwerte zum Zeitpunkt t im Vergleich zu denen zum Zeitpunkt t-1 um weniger als z.B. 10'⁵ voneinander abweichen. Sobald die Schätzungen hinreichend kleine Fehler aufweisen, wird mit Hilfe der, vorzugsweise invertierten Kovarianzmatrizen über jede Verteilung eine Distanzmetrik (genauer: die Mahalanobis-Distanz) induziert, die, vereinfacht ausgedrückt, die Distanz eines Punktes (in Standardabweichungen) zum Zentrum der Verteilung angibt. Die erste Phase ist in Fig. 3 durch den Verfahrensschritt c) dargestellt.

In der nächsten Phase (Verfahrensschritt d) in Fig. 3) des Lernprozesses wird eine Binarisierung derartig durchgeführt, dass ein Radius R, insb. in Standardabweichungen definiert wird, der einen Kreis auf diesen statistischen Verteilungen beschreibt, wobei der Radius R auf einer Distanzmetrik, insb. der Mahalanobis-Distanz basiert. Nun wird für fortlaufende Fourier-Koeffizienten bestimmt, ob diese innerhalb oder außerhalb des Kreises liegen. Hierdurch entsteht für jede Frequenzkomponente ein Bernoulli-Prozess mit einer zugrundeliegenden Bernoulli-Verteilung, deren Parameter die Wahrscheinlichkeit angibt, mit der ein Punkt außerhalb der Ellipse landet. In Fig.3 sind solche Mahalanobis-Ellipsen ME schematisch angedeutet und in Fig. 7 ist eine solche Mahalanobis-Ellipse ME mit Radius 1 ,5 dargestellt.

In einer daran anschließenden Phase (Verfahrensschritt e) in Fig. 3) des Lernprozesses wird eine Aggregation derartig durchgeführt, dass für jedes Fourier-Sample, d.h. die Fourier-Koeffizienten eines jeden Blocks bzw. Chunks zu einem Zeitpunkt (in Fig. 3 z.B. zum Zeitpunkt t und Li), des Präprozessors alle Bernoulli-Samples, d.h. jede (binäre) Entscheidung, ob der Fourier-Koeffizient innerhalb oder außerhalb des Kreises liegt, für jede Frequenzkomponente zu einer Zufallsvariable w_t-i; w_t aggregiert werden. Dies kann bspw. durch Bildung des arithmetischen Mittelwertes erfolgen. Der Verlauf dieser Mittelwerte wird über die Zeit beobachtet und deren statistische Verteilung VL über Mittelwert und Standardabweichung p; o geschätzt. Diese beiden Größen dienen zusammen mit den Kovarianzmatrizen und Mittelwerten der (einzelnen) Frequenzkomponenten als Baseline für die Inferenzphase.

Die Lernphase wird vorzugsweise für eine definierte festzulegende Zeit ausgeführt. Nach Abschluss der Lernphase und Ermitteln bzw. Vorliegen der Baseline kann anschließend, vorzugsweise im eigentlichen Messbetrieb, in dem mittels der Differenzdruckmessanordnung ein Durchfluss bestimmt wird, die Inferenzphase (Verfahrensschritte a), b), d) und f) in Fig. 3) ausgeführt werden.

Hierzu werden, ähnlich wie bei der Lernphase der Baseline, die Fourier-Koeffizienten zunächst binarisiert. Hierbei werden die Verfahrensschritte a), b) und d) wie zuvor bei der Lernphase beschrieben ausgeführt. Ferner stehen die invertierten Kovarianzmatrizen und Mittelwerte aus der Lernphase zur Verfügung, um die Mahalanobis-Distanzen berechnen zu können.

Anschließend werden (durch Verfahrensschritt f) in Fig. 3 dargestellt) die binären Variablen der Verteilungen wieder zu einem einzigen Sample aggregiert. Von den auf diese Weise erzeugten Samples wird ebenfalls eine weitere statistische Verteilung Vi (für die Inferenzphase) bestimmt, damit sich diese mit der Baseline vergleichen lässt. Hierzu kann ein Fenster bzw. eine Fensterfunktion verwendet werden, welches die letzten N Samples beinhaltet, woraus sich ein Stichprobenmittelwert errechnen lässt. Über ein Distanzmaß wird der Abstand der aktuellen Verteilung Vi zur gelernten Verteilung VL (Baseline) bestimmt. Dies kann bspw. mittels eines Hypothesentests, insb. eines z-Test erfolgen, bei dem bestimmt wird, wie unterschiedlich die Stichprobenverteilung gegenüber der statistischen Verteilung VL der Baseline ist und somit der Abstand der aktuellen Verteilung zu der gelernten statistischen Verteilung (Baseline) ist. Der Test kann einseitig oder zweiseitig durchgeführt werden.

Unterschreitet diese Prüfgröße bei einem einseitig ausgeführten Test einen Schwellwert (z.B. bei der Füllstandsmessung) oder liegt die Prüfgröße bei einem zweiseitig ausgeführten Test außerhalb eines Bereiches (z. B: bei der Durchflussmessung), bestehend aus zwei Schwellwerten, einem oberen und einem unteren Schwellwert, so wird ein unnatürliches Verhalten des Prozesses festgestellt, und dies als eine verstopfte Wirkdruckleitung 25, 26 gewertet bzw. ausgegeben. Grundsätzlich kann die Wertung bzw. Ausgabe in dem Feature Extractor-Schritt, das eine verstopfe Wirkdruckleitung 25, 26 vorliegt, ausreichend für das Erkennen einer verstopften Wirkdruckleitung 25, 26 sein. Allerdings können hierbei falsche Ergebnisse entstehen. Aus diesem Grund kann es optional vorgesehen sein, dass in dem an den Feature Extractor-Schritt anschließenden Klassifikator-Schritt eine zusätzliche Glättung des von dem Feature Extractor stammenden Diagnosesignals durch einen Mittelwertfilter durchgeführt wird. Der Mittelwertfilter aggregiert die letzten M Aussagen, die aus dem Feature Extractor-Schritt hervorgehen, und entscheidet schwellwertabhängig anhand des Mittelwerts, ob tatsächlich eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt oder nicht.

Bezugszeichenliste

1 Druckmessanordnung

10 Druckmessumformer

11 Sensormodul

12, 13 Prozessanschlussflansche

14 Elektronikmodul

16 Zweidrahtleitung

18 Prozessleitsystem

20 Wirkdruckgeber

21 Rohrleitung

22 Blende

23, 24 Druckabgriffkanäle

25, 26 Wirkdruckleitungen

110 Drucksensorelement

112 Messmembran

140 Druckübertragungsmedium

150 Detektionseinheit

152 Präprozessor

154 Feature Extractor

156 Klassifikator

158 Hochpassfilter

160 Betriebs- und/oder Auswerteschaltung

162 Mikroprozessor

164 ADC

Vl-Vn Statistische Verteilungen

VL Weitere statistische Verteilung bzw. Verteilung aus der Lernphase

VI Weitere statistische Verteilung bzw. Verteilung aus der Inferenzphase p; o Statistischen Merkmale, insb. Mittelwert und Standardabweichung

Bt-i, Bt Blöcke bzw. Chunks

C1 ,t-1 ; C_n,t Frequenzkomponenten der Frequenzspektren der Blöcke

R Radius für die Mahalanobis-Ellipse

ME Mahalanobis-Ellipse wt-i; w_t Zufallsvariable

Claims

Patentansprüche

1 . Ein computerimplementiertes Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung umfassend die Folgenden Schritte:

Erfassen eines Druckmesssignals mittels der Druckmessanordnung (1), vorzugsweise für einen definierten Zeitraum;

Zusammenfassen von, vorzugsweise aufeinanderfolgenden Messwerten des Druckmesssignals zu, vorzugsweise überlappenden Blöcken (B_t-i, Bt), die vorzugsweise jeweils die gleiche Länge aufweisen;

Erzeugen von, insb. akustischen Frequenzspektren für jeden Block, wobei jedes Frequenzspektrum mehrere Frequenzkomponenten (ci,_t-i; c_n,t) aufweist;

Ableiten von statistischen Verteilungen (V1 ; V_n) derart, dass für jede Frequenzkomponente eine statistische Verteilung, in die die entsprechende Frequenzkomponente von mehreren Blöcken (B_t-i, Bt) eingeht, abgeleitet wird; Ermitteln von statistischen Merkmalen (p; o) zumindest anhand der statistischen Verteilungen (V1 ; V_n);

Entscheiden anhand der aus den statistischen Verteilungen ermittelten statistischen Merkmalen (p; o), ob eine verstopfte Wirkdruckleitung (25, 26) vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Verfahrensschritt des Ermittelns der statistischen Merkmale (p; o) vorsieht, dass jede Frequenzkomponente der Frequenzspektren der Blöcke derartig binarisiert wird, dass jede Frequenzkomponente auf einen Wert aus der Menge {0; 1 } in Abhängigkeit eines Distanzmaßes abgebildet wird, wobei das Distanzmaß einen Abstand zwischen der jeweiligen Frequenzkomponente und einem Wert, insb. ein Mittelwert, angibt, welcher Wert aus der statistischen Verteilung, in die die jeweilige Frequenzkomponente eingegangen ist, abgeleitet wird.

3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die binarisierten Frequenzkomponenten des jeweiligen Blocks zu einer Zufallsvariablen (w_t-i; w_t) für den jeweiligen Block aggregiert werden, und ferner ein zeitlicher Verlauf der Zufallsvariablen (w_t-i; w_t) für die Blöcke beobachtet und eine weitere statistische Verteilung (Vi) für die Zufallsvariablen über einen Mittelwert und eine Standardabweichung (p; o) geschätzt wird und wobei zumindest der Mittelwert und die Standardabweichung (p; o) der weiteren statistischen Verteilung als die statistischen Merkmale dienen.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ermittelten statistischen Merkmale (p; o) mit einer Baseline verglichen werden, um zu entscheiden, ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt.

5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Baseline in einer Lernphase erzeugt wird, in der das Druckmesssignal mittels der Druckmessanordnung (1) über einen definierten Zeitraum bei nicht verstopften Wirkdruckleitungen erfasst wird, wobei vorzugsweise aufeinanderfolgende Messwerte des erfassten Druckmesssignals zu, vorzugsweise überlappenden Blöcken (B_t-i, Bt), die vorzugsweise jeweils die gleiche Länge aufweisen, zusammengefasst werden und, insb. akustische Frequenzspektren für jeden Block (B_t-i, Bt) in der Lernphase erzeugt werden, wobei die Frequenzkomponenten (ci,t-i ; c_n,t) der Frequenzspektren der Blöcke in der Lernphase, vorzugsweise durch eine Bernoulli Transformation binarisiert und die binarisierten Frequenzkomponenten des jeweiligen Blocks (B_t-i , Bt) zu einer Zufallsvariablen (w_t-i; w_t) für den jeweiligen Block (B_t-i , B_t) der Lernphase aggregiert werden, wobei ferner ein zeitlicher Verlauf der Zufallsvariablen (w_t-i; w_t) für die Blöcke der Lernphase beobachtet und eine weitere statistische Verteilung (Vi_) für die Zufallsvariablen (w_t-i; w_t) der Blöcke in der Lernphase über einen Mittelwert und eine Standardabweichung (p; o) geschätzt wird und wobei zumindest der Mittelwert und die Standardabweichung (p; o) der weiteren statistischen Verteilung (Vi_) für die Zufallsvariablen der Blöcke in der Lernphase als zumindest ein Teil der Baseline dienen.

6. Verfahren nach wenigstens einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vergleich der ermittelten statistischen Merkmale (p; o) mit der Baseline das Bestimmen eines Distanzmaßes vorsieht und in dem Fall, dass das Distanzmaß einen vorgebbaren Schwellwert unterschreitet oder außerhalb eines vorgebbaren Bereichs mit einem oberen und einem unteren Schwellwert liegt, dies als eine verstopfte Wirkdruckleitung gewertet wird.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Vergleich der ermittelten statistischen Merkmale (p; o) mit der Baseline und das Bestimmen eines Distanzmaßes mittels eines Hypothesentests, insb. eines z-Test durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor der Erzeugung der Frequenzspektren aus dem Druckmesssignal zunächst Ruhephasen des Prozesses aus dem Druckmesssignal rausgefiltert werden, und anschließend erst die Frequenzspektren der jeweiligen Blöcke (B_t-i, Bt) ermittelt wird.

9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zum Herausfiltern der Ruhephasen des Prozesses für die Blöcke (B_t-i , Bt) zumindest jeweils eine Varianz berechnet wird, und anhand der Varianz entschieden wird, ob es sich um eine Ruhephase des Prozesses handelt.

10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Varianz mit einem konfigurier- bzw. einstellbaren Schwellwert verglichen wird, um zu entscheiden, ob es sich um eine Ruhephase des Prozesses handelt, wobei der Schwellwert vorzugsweise in einem Bereich < -70 dB, besonders bevorzugt < -80 dB, ganz besonders bevorzugt im Bereich von -80 bis -90 dB liegt.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenzspektren mittels einer diskreten Fourier Transformation, insb. einer Fast-Fourier- Transformation erzeugt werden.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenzspektren der jeweiligen Blöcke (B_t-i, Bt) hochpassgefiltert werden, sodass Frequenzanteile, die unterhalb einer vorgebbaren Grenzfrequenz liegen, im Wesentlichen herausgefiltert bzw. gedämpft werden.

13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die vorgebbare Grenzfrequenz so gewählt wird, dass sie im Bereich einiger Hz, vorzugsweise kleiner 5 Hz, besonders bevorzugt im Bereich von 1-5 Hz liegt.

14. Datenverarbeitungsgerät mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche.

15. Computerprogramm mit Anweisungen, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, das Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen.

16. Computerlesbares Medium, das Anweisungen enthält, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.

17. Druckmessanordnung, wenigstens umfassend: einen Druckmessumformer (10) zum Erfassen zumindest eines Mediendrucks eines Mediums; eine Betriebs- und/oder Auswerteschaltung (14) zum Bereitstellen eines Druckmesssignals, welches von dem zumindest einen Mediendruck abhängt; zumindest eine Wirkdruckleitung (25), welche an einen Druckeingang (12) des Druckmessumformers (10) angeschlossen ist, um dem Druckmessumformer (10) mit dem zumindest einen Mediendruck zu beaufschlagen; eine Detektionseinheit (150), welche vorzugsweise als Teil der Betriebs- und/oder Auswerteschaltung ausgebildet und dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche auszuführen, umso zu erkennen, ob die zumindest eine Wirkdruckleitung (25, 26) verstopft ist.