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WO2022042918A1 - Method and arrangement for throughflow measurement - Google Patents

Method and arrangement for throughflow measurement Download PDF

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Publication number
WO2022042918A1
WO2022042918A1 PCT/EP2021/068802 EP2021068802W WO2022042918A1 WO 2022042918 A1 WO2022042918 A1 WO 2022042918A1 EP 2021068802 W EP2021068802 W EP 2021068802W WO 2022042918 A1 WO2022042918 A1 WO 2022042918A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
valve
flow
fluid
pressure
inlet pressure
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/068802
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ralf Huck
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2022042918A1 publication Critical patent/WO2022042918A1/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/05Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects
    • G01F1/34Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure
    • G01F1/36Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction
    • G01F1/363Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using mechanical effects by measuring pressure or differential pressure the pressure or differential pressure being created by the use of flow constriction with electrical or electro-mechanical indication
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/005Valves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/10Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K37/00Special means in or on valves or other cut-off apparatus for indicating or recording operation thereof, or for enabling an alarm to be given
    • F16K37/0025Electrical or magnetic means
    • F16K37/005Electrical or magnetic means for measuring fluid parameters

Definitions

  • Invention relates to an arrangement for measuring the flow of a fluid conveyed by a pump through a technical system and for monitoring the system during its operation, with a valve installed in a fluid line of the system for throttling the flow, with a valve actuating and the Actuator that detects the valve position, with a first pressure sensor that measures the inlet pressure of the fluid upstream of the valve and a second pressure sensor that measures the outlet pressure downstream of the valve, and with an evaluation device that is designed to calculate the flow from the pressures measured upstream and downstream of the valve and the valve position to determine .
  • Valves are used in process engineering systems to measure physical variables such as e.g. B. To regulate temperature, level, process pressure, with or in dependence on fluid flows.
  • the control is carried out by a higher-level controller, which records the corresponding measured variable via a separate sensor and specifies a target value for the valve position according to the control task.
  • the valve position is in turn controlled by a pneumatic or electric actuator with a positioner.
  • Pumps are also used in process engineering systems to convey media (fluids). Pumps, pipelines and valves form a hydraulic/pneumatic system. The sum of the pressure drops in the line network and across the valves is compensated for by the pump pressure. In the simplest case, the pumps are not controlled. The pressure provided is therefore not constant and decreases with increasing flow (e.g. centrifugal pump).
  • the most common control task is to regulate the process temperature, whereby a heating/cooling medium is replaced by a heat exchanger is passed, which affects the temperature of a process medium.
  • the heating/cooling medium is brought to a specific flow temperature in a separate unit.
  • the regulation takes place by changing the volume flow of the heating/cooling medium supplied to the heat exchanger.
  • Another control task is to keep the process pressure or fill level constant using a valve. Again, it would be helpful to determine the amount of process fluid being added to the system through the valve .
  • the desired information can be obtained by using additional sensors such as flow meters to measure and monitor fluid flows, temperature sensors to measure the flow and return temperature of heat exchangers, sensors to measure corrosion in pipes, pressure and speed sensors to measure pump pressure and speed, etc. be won . Since such additional sensors are expensive and space-consuming, they are often not used in real systems.
  • JP 2010-107419 A JP 2015-166720 A and
  • F ⁇ Fi • Cv • (AP) 1/2 to be calculated.
  • F ⁇ is an instantaneous valve characteristic, which is calculated from the instantaneous valve position (valve opening) using a flow characteristic curve equation of the valve and a rangeability.
  • the flow coefficient Cv, the flow characteristic equation and the turndown ratio are design dependent parameters provided by the manufacturer of the valve, where the flow characteristic equation gives the flow relative to the nominal flow as a function of the valve opening relative to the maximum valve opening and the turndown ratio corresponds to the quotient of the maximum and minimum flow rate for which the valve characteristic is valid.
  • the hydraulic conditions in the system in which the valve is installed are not taken into account, so that the smallest deviations in the hydraulic system can no longer be measured precisely.
  • the known methods for measuring pressure are largely based on information (tables, Kv value, valve characteristic curve equation, etc.) from the valve manufacturer and are therefore valve-specific and not universally applicable to different valves.
  • the invention is based on the object of enabling simple and cost-effective flow measurement and system monitoring for systems in which fluids are conveyed by means of pumps, even in the case of different system states.
  • the subject matter of the invention is therefore a method for measuring the flow of a fluid conveyed by a pump through a technical system and for monitoring the system during its operation, with the valve position of a valve installed in a fluid line of the system being recorded and the inlet pressure of the fluid upstream of the valve and the outlet pressure behind the valve can be measured and the flow rate is determined from the pressures measured in front of and behind the valve and the valve position, characterized in that in the system with the built-in valve before its operation using a flow meter, the dependency relationship of the flow, the inlet pressure, the outlet pressure and the valve position is determined and in a Map is stored, and that during operation of the system, the flow rate is determined directly from the map using the inlet pressure, the outlet pressure and the valve position.
  • the invention also relates to an arrangement for measuring the flow of a fluid conveyed through a technical system by means of a pump and for monitoring the system during its operation, with a valve installed in a fluid line of the system for throttling the flow, with a valve that actuates and actuator that detects the valve position, with a first pressure sensor that measures the inlet pressure of the fluid upstream of the valve and a second pressure sensor that measures the outlet pressure downstream of the valve, and with an evaluation device that is designed to calculate the flow from the pressures measured upstream and downstream of the valve and the To determine the valve position, characterized in that the evaluation device contains a memory map in which a dependency relationship of the flow, the inlet pressure, the outlet determined in the system with the built-in valve before its operation using a flow meter ufdrucks and the valve position is stored, and that the evaluation device is designed to determine the flow rate using the inlet pressure, the outlet pressure and the valve position directly from the map during operation of the system.
  • the valve In the initial state of the system, the valve is moved in a learning phase with the pump running by means of the actuator, for example as part of partial or full stroke tests, over a partial stroke or its entire stroke, with the inlet pressure and outlet pressure before or after . behind the valve and the valve position can be measured.
  • using a flow meter measured the flow (volume flow) .
  • the measured values obtained represent a dependency relationship of the flow, the inlet pressure, the outlet pressure and the valve position, which is stored in a memory as a multidimensional characteristic map. If a flow meter is already installed in the fluid line before or after the valve and is therefore part of the hydraulic/pneumatic system, it can be used to measure the flow during the training phase. Otherwise a clamp-on flow meter is preferably used so as not to affect the pneumatic/hydraulic system.
  • the pump can provide different pressures with the same flow rate, e.g. B. is the case with regulated pumps, the map is recorded at each of these pressures.
  • the map obtained contains the following mapping rule:
  • V V(h, Pl, P2), where V is the flow rate, h is the valve position, PI is the inlet pressure, and P2 is the outlet pressure.
  • this information can also be trained, whereby in this case the temperature can also be measured.
  • the latter applies in particular when the fluid being pumped is a gas or gas mixture is .
  • the dependency stored in the map ness relationship is then increased by the density p or Temperature T extended :
  • V V (h, Pl , P2 , p, T ) .
  • the map can also consist of sub-maps z. B. be taken on with differently throttled fluid lines or pumps.
  • the flow can then be determined by interpolation between those sub-characteristics whose measured values from the learning phase correspond to the current measured values of the inlet pressure PI, the outlet pressure P2, the valve position h and, if necessary. closest to the density p of the fluid and the temperature T.
  • the characteristic field can advantageously also be described by a neural network.
  • New operating states can be learned when the system is commissioned or over the course of its life cycle.
  • the clamp-on flow meter used for this purpose can be removed so that during regular operation of the system, the flow can be determined directly from the map using the measured inlet pressure, the measured outlet pressure and the measured valve position and without further calculation. Without further calculation, this means that no equations are used in connection with design-dependent parameters which, as already explained above, are inaccurate on the one hand and for which valve-specific information from the manufacturer is required on the other. However, it is not excluded and may even be necessary for the flow rate to be calculated by interpolation from the stored supporting values of the map learned.
  • the values measured during the learning phase for the flow rate, the inlet pressure, the outlet pressure, the valve position and, if necessary, the density and / or temperature of the fluid are stored.
  • error states occurring in the system can be recognized by changes in the learned state of the system, e.g. B. Reduced pump performance, changed pipe cross-sections (fouling, corrosion), defective valve bodies. If the focus is not on replacing a flow meter, but rather on more detailed monitoring of the system (pump performance, fouling, corrosion), permanent, direct measurement of the flow can be provided by a permanently installed flow meter or a clamp-on flow meter. With this additional measured variable, changed pressure conditions in the system, which can have the same cause if the flow rate is unknown, can now be easily distinguished from one another.
  • Fig. 1 shows an example of an arrangement for flow measurement in a system based on a dependency relationship of the flow, the inlet pressure and the outlet pressure before or behind a valve and the valve position and
  • Fig. 2 an example of the characteristics map in the form of a neural network.
  • Fig. 1 shows part of a technical installation 1 in which a fluid 2 is conveyed through a heat exchanger 4 by means of a pump 3 .
  • a valve 6 is installed in a fluid line 5 between the pump 3 and the heat exchanger 4, with which the flow (volume flow) of the fluid 2 is throttled can .
  • the valve 6 is actuated by an actuator 7 which, by means of a position sensor 8, detects the valve position (valve stroke) h and thus the valve opening.
  • the actuator 7 comprises a pneumatic membrane drive 9 with an electropneumatic position controller 10, the detected valve position h with one of, e.g. B. , a higher-level controller of the system automation, not shown here, compares the target value h* generated and controls the pneumatic membrane drive 9 in terms of regulating the control difference.
  • a first pressure sensor 11 measures the inlet pressure PI of the fluid 2 in front of the valve 6 and a second pressure sensor 12 measures the outlet pressure P2 behind the valve 6 .
  • Both pressure sensors 11 , 12 are preferably connected to pressure measuring sockets integrated in the valve housing, so that, apart from two pressure sensors, no expensive flow measuring devices are required that would have to be built into or attached to the fluid line 5 .
  • the valve 6 is actuated by the actuator 7 in the initial state of the system 1 in a learning phase with the pump 3 running, the inlet pressure PI and outlet pressure P2 and the valve position h being measured.
  • the latter can be achieved by temporarily inserting chokes or Actuation of already existing throttles in the fluid line 5 happen.
  • the flow rate V of the fluid 2 is measured by means of a flow meter 16 together with the inlet pressure PI, the outlet pressure P2 and the valve position h.
  • a flow meter is already installed in the fluid line 5 and is therefore part of the part of the technical system 1 under consideration, it can be used for the flow measurement in the training phase. Otherwise, a clamp-on flow meter can be used for the learning phase so as not to affect the pneumatic/hydraulic system.
  • the measured values obtained represent the dependency relationship of the flow rate V, the inlet pressure PI, the outlet pressure P2 and the valve position h, which is learned for different simulated system states and stored in the memory 14 in the form of the multidimensional characteristic map 15 .
  • the dependency relationship contained in the characteristics map 15 can, if necessary. to be extended by the density p of the fluid 2 and/or the temperature T:
  • V V(h, P1, P2, T, p), the temperature T preferably being detected directly at the valve 6 by means of a temperature sensor 17.
  • the map 15 can consist of several sub-maps, the z. B. are recorded at different throttling stages of the fluid line 5 or pump 3, in which case the estimated value V is then determined during normal operation of the system 1.
  • the density p of the fluid 2 and the temperature T come closest.
  • the evaluation device 13 or their function or part functions can z. B. can also be implemented in the position controller 10 , in a cloud 18 or in some other remote location.
  • the measured values of the flow rate V, the inlet pressure PI , the outlet pressure P2 and if necessary . the density p of the fluid 2 and the temperature T by means of a radio interface 19 wirelessly via a mobile communication device (e.g. smartphone) 20 to the cloud 18 or by means of a gateway directly to the cloud 18 in order to create the characteristic map 15 there.
  • a mobile communication device e.g. smartphone
  • the current measured values of the inlet pressure PI, the outlet pressure P2 and the valve position h are queried using the communication terminal 20 and the estimated value V of the flow rate is determined using the characteristics map 15 in the cloud 18 and displayed to the user.
  • Fig. 2 shows an example of the characteristics map 15 in the form of a neural network 21 that contains the measured inlet pressure PI, outlet pressure P2 and the valve position h and, if applicable. the density p of the fluid 2 and/or the temperature T (not shown here) as input variables and generates an estimated value V of the flow as an output variable.
  • the neural network 21 shown is a feed-forward regression network that has an input layer with one input element 22 for each of the input variables P1, P2, h (and possibly p and/or T).
  • the input layer has two hidden layers, each consisting of a plurality of neurons 23 and 24 subordinate.
  • the input variables P1, P2, h are provided with individual weighting factors w ⁇ j in each neuron 23 of the first hidden layer and summed up to form a response from the relevant neuron 23.
  • the responses of the neurons 23 of the first hidden layer are provided with individual weighting factors Wjk in each neuron 24 of the second hidden layer and summed up to form a response of the relevant neuron 24 .
  • An output element 25 is arranged downstream of the second hidden layer, which adds up the responses of the neurons 24 in each case with an individual weighting factor Wk to form the estimated value V for the flow.
  • the individual amounts of change for the weighting factors w are denoted here as Aw.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)
  • Flow Control (AREA)
  • Control Of Fluid Pressure (AREA)

Abstract

The throughflow (V') of a fluid (2) conveyed through a technical system (1) by means of a pump (3) is ascertained from the pressures (P1, P1) measured upstream and downstream of a valve (6) and from the valve setting (h). In order to allow simple and inexpensive throughflow measurement and system monitoring even under different system conditions, in the system (1) with the installed valve (6), before the operation thereof, the dependency relationship of the throughflow (V'), the inlet pressure (P1), the outlet pressure (P2) and the valve setting (h) is ascertained using a throughflow meter (16) and is stored in a characteristic map (15). During the operation of the system (1), the throughflow (V') is ascertained directly from the characteristic map (15) on the basis of the inlet pressure (P1), the outlet pressure (P2) and the valve setting (h).

Description

Beschreibung description
Verfahren und Anordnung zur Durchflussmessung Process and arrangement for flow measurement
Erfindung betri f ft eine Anordnung zur Messung des Durchflusses eines mittels einer Pumpe durch eine technische Anlage geförderten Fluids und zur Überwachung der Anlage während ihres Betriebs , mit einem in einer Fluidleitung der Anlage eingebauten Ventil zur Drosselung des Durchflusses , mit einem das Ventil betätigenden und die Ventilstellung erfassenden Stellantrieb, mit einem den Zulaufdruck des Fluids vor dem Ventil messenden ersten Drucksensor und einem den Auslaufdruck hinter dem Ventil messenden zweiten Drucksensor und mit einer Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist , den Durchfluss aus den vor und hinter dem Ventil gemessenen Drücken und der Ventilstellung zu ermitteln . Invention relates to an arrangement for measuring the flow of a fluid conveyed by a pump through a technical system and for monitoring the system during its operation, with a valve installed in a fluid line of the system for throttling the flow, with a valve actuating and the Actuator that detects the valve position, with a first pressure sensor that measures the inlet pressure of the fluid upstream of the valve and a second pressure sensor that measures the outlet pressure downstream of the valve, and with an evaluation device that is designed to calculate the flow from the pressures measured upstream and downstream of the valve and the valve position to determine .
In prozesstechnischen Anlagen werden Ventile eingesetzt , um physikalische Messgrößen, wie z . B . Temperatur, Füllstand, Prozessdruck, mit Hil fe oder in Anhängigkeit von Fluidströmen zu regeln . Die Regelung erfolgt durch einen übergeordneten Regler, der die entsprechende Messgröße über einen separaten Sensor erfasst und entsprechend der Regelaufgabe einen Sollwert für die Ventilstellung vorgibt . Die Ventilstellung wird wiederum durch einen pneumatischen oder elektrischen Stellantrieb mit einem Stellungsregler geregelt . Valves are used in process engineering systems to measure physical variables such as e.g. B. To regulate temperature, level, process pressure, with or in dependence on fluid flows. The control is carried out by a higher-level controller, which records the corresponding measured variable via a separate sensor and specifies a target value for the valve position according to the control task. The valve position is in turn controlled by a pneumatic or electric actuator with a positioner.
In prozesstechnischen Anlagen werden ferner Pumpen eingesetzt , um Medien ( Fluide ) zu fördern . Pumpen, Rohrleitungen und Ventile bilden dabei ein hydraulisches/pneumatisches System . Die Summe aus den Druckabfällen in dem Leitungsnetz und über den Ventilen wird dabei durch den Pumpendruck ausgeglichen . Die Pumpen sind im einfachsten Fall nicht geregelt . Der bereitgestellte Druck ist daher nicht konstant und nimmt mit zunehmenden Durchfluss ab ( z . B . Kreiselpumpe ) . Pumps are also used in process engineering systems to convey media (fluids). Pumps, pipelines and valves form a hydraulic/pneumatic system. The sum of the pressure drops in the line network and across the valves is compensated for by the pump pressure. In the simplest case, the pumps are not controlled. The pressure provided is therefore not constant and decreases with increasing flow (e.g. centrifugal pump).
Die häufigste Regelaufgabe besteht in der Regelung der Prozesstemperatur, wobei ein Hei z-/Kühlmedium durch einen Wärme- tauscher geleitet wird, der die Temperatur eines Prozessmediums beeinflusst . Das Hei z-/Kühlmedium wird in einem separaten Aggregat auf eine bestimmte Vorlauftemperatur gebracht . Die Regelung erfolgt durch Veränderung des dem Wärmetauscher zugeführten Volumenstroms des Hei z-/Kühlmediums . The most common control task is to regulate the process temperature, whereby a heating/cooling medium is replaced by a heat exchanger is passed, which affects the temperature of a process medium. The heating/cooling medium is brought to a specific flow temperature in a separate unit. The regulation takes place by changing the volume flow of the heating/cooling medium supplied to the heat exchanger.
In der einfachsten Aus führungs form wird lediglich die Prozesstemperatur erfasst und durch Beeinflussung der Ventilstellung eines Ventils im Hei z-/Kühlkreislauf geregelt . Häufig wäre es j edoch interessant , auch den Volumenstrom im Kreislauf zu kennen, um beispielsweise , die dem Wärmetauscher zugeführte Leistung zu bestimmen . In the simplest embodiment, only the process temperature is recorded and regulated by influencing the valve position of a valve in the heating/cooling circuit. However, it would often be interesting to also know the volume flow in the circuit, for example to determine the power supplied to the heat exchanger.
Eine andere Regelaufgabe besteht in der Konstanthaltung eines Prozessdruckes oder eines Füllstandes durch ein Ventil . Auch hier wäre es hil freich, die dem System über das Ventil zugeführte Menge des Prozessmediums zu bestimmen . Another control task is to keep the process pressure or fill level constant using a valve. Again, it would be helpful to determine the amount of process fluid being added to the system through the valve .
Wenn der Durchfluss durch ein Ventil bereits bekannt ist , wäre es weiterhin interessant , Veränderungen im Leitungsnetz , am Ventil oder der zugeführten Pumpenleistung zu erkennen . If the flow through a valve is already known, it would also be interesting to recognize changes in the pipe network, at the valve or in the pump output supplied.
Die gewünschten Informationen können durch Einsatz zusätzlicher Sensorik wie Durchflussmesser zur Messung und Überwachung von Fluidströmen, Temperatursensoren zur Messung der Vor- und Rücklauf temperatur von Wärmetauschern, Sensoren zur Korrosionsmessung in Rohrleitungen, Druck- und Drehzahlsensoren zur Messung von Pumpendruck und -drehzahl usw . gewonnen werden . Da solche zusätzliche Sensorik teuer und platzintensive ist , wird in realen Anlagen häufig darauf verzichtet . The desired information can be obtained by using additional sensors such as flow meters to measure and monitor fluid flows, temperature sensors to measure the flow and return temperature of heat exchangers, sensors to measure corrosion in pipes, pressure and speed sensors to measure pump pressure and speed, etc. be won . Since such additional sensors are expensive and space-consuming, they are often not used in real systems.
Aus der JP 2010- 107419 A, JP 2015- 166720 A und From JP 2010-107419 A, JP 2015-166720 A and
US 2017 / 0090485 Al ist es bekannt , die Di f ferenz AP zwischen dem Zulaufdruck PI eines Fluids vor einem Ventil und dem Auslaufdruck P2 hinter dem Ventil sowie die Ventilstellung zu erfassen, anhand der erfassten Werte aus einer Durchf lussko- ef f i zienten-Tabelle einen Durchflusskoef fi zienten (Kv-Wert , Durchfluss faktor ) Cv zu lesen und den Durchfluss Q des Fluids nach der Formel US 2017/0090485 A1 it is known to record the difference AP between the inlet pressure PI of a fluid in front of a valve and the outlet pressure P2 behind the valve and the valve position, using the recorded values from a table of flow coefficients a flow coefficient (Kv value , flow factor ) Cv to read and the flow Q of the fluid according to the formula
Q = A • Cv • (AP ) 1/2 zu berechnen, wobei A eine Konstante ist . Um die Genauigkeit der Durchflussmessung zu erhöhen, können unterschiedliche Durchf lusskoef f i zienten-Tabellen für normale , niedrige und hohe Wertebereiche der Druckdi f ferenz AP vorgesehen werden sowie anhand von weiteren Tabellen Korrekturwerte zur Berücksichtigung der Viskosität des Fluids oder von Torsionen des Ventilantriebs ermittelt werden . Q = A • Cv • (AP ) 1/2 where A is a constant. In order to increase the accuracy of the flow measurement, different flow coefficient tables for normal, low and high value ranges of the pressure difference AP can be provided, and correction values can be determined using other tables to take into account the viscosity of the fluid or torsion of the valve drive.
Aus der US 2013/ 0240045 Al ist es ebenfalls bekannt , die Di fferenz AP zwischen dem Zulaufdruck PI eines Fluids vor einem Ventil und dem Auslaufdruck P2 hinter dem Ventil sowie die Ventilstellung zu erfassen und den Durchfluss Q des Fluids nach der Formel It is also known from US 2013/0240045 A1 to detect the difference AP between the inlet pressure PI of a fluid in front of a valve and the outlet pressure P2 behind the valve, as well as the valve position and the flow rate Q of the fluid according to the formula
Q = Fi • Cv • (AP ) 1/2 zu berechnen . F± ist dabei eine momentane Ventilcharakteristik, die unter Verwendung einer Durchflusskennliniengleichung des Ventils und eines Stellverhältnisses aus der momentanen Ventilstellung (Ventilöf fnung) berechnet wird . Bei dem Durchflusskoef fi zienten Cv, der Durchflusskennliniengleichung und dem Stellverhältnis handelt es sich um konstruktionsabhängige Kenngrößen, die von dem Hersteller des Ventils bereitgestellt werden, wobei die Durchflusskennliniengleichung den Durchfluss relativ zum Nenndurchfluss als Funktion der Ventilöf fnung relativ zur maximalen Ventilöf fnung angibt und das Stellverhältnis dem Quotienten aus dem maximalen und minimalen Durchfluss , für den die Ventilkennlinie gültig ist , entspricht . Q = Fi • Cv • (AP) 1/2 to be calculated. F± is an instantaneous valve characteristic, which is calculated from the instantaneous valve position (valve opening) using a flow characteristic curve equation of the valve and a rangeability. The flow coefficient Cv, the flow characteristic equation and the turndown ratio are design dependent parameters provided by the manufacturer of the valve, where the flow characteristic equation gives the flow relative to the nominal flow as a function of the valve opening relative to the maximum valve opening and the turndown ratio corresponds to the quotient of the maximum and minimum flow rate for which the valve characteristic is valid.
Die bekannten Verfahren und Anordnungen gehen davon aus , dass sich der Durchfluss anhand einfacher Formeln oder Tabellen über den Durchflusskoef fi zienten (Kv-Wert ) berechnen lässt , was aber nur unter ganz bestimmten Bedingungen gilt . So ist der j eweils benutzte Kv-Wert sehr ungenau, weil er nur zu einer groben Ventilcharakterisierung unter vorgegebenen Bedingungen dient ; unter realen Bedingungen ist der Kv-Wert selbst umgekehrt proportional zu (AP ) 1/2 . Normbedingungen kommen in realen hydraulischen Systemen aus , z . B . , einer Reihenfolge von Pumpe , Rohrleitung, Ventil , Rohrleitung und Wärmetauscher nicht vor, da der Druckabfall an dem Ventil den Durchfluss beeinflusst . Der Durchfluss beeinflusst wiederum den Pumpendruck einer ungeregelten Pumpe sowie den Druckabfall in den Rohrleitungen vor und hinter dem Ventil . Bei den bekannten Verfahren und Anordnungen bleiben dagegen die hydraulischen Bedingungen in der Anlage , in der das Ventil verbaut ist , unberücksichtigt , so dass bei kleinsten Abweichungen in dem hydraulischen System nicht mehr präzise gemessen werden kann . Schließlich beruhen die bekannten Verfahren zur Druckmessung maßgeblich auf Informationen ( Tabellen, Kv-Wert , Ventilkennliniengleichung usw . ) des Ventilherstellers und sind daher ventilspezi fisch und nicht universell bei unterschiedlichen Ventile anwendbar . The known methods and arrangements are based on the assumption that the flow can be calculated using simple formulas or tables via the flow coefficient (Kv value), but this only applies under very specific conditions. The Kv value used in each case is very imprecise because it only serves to roughly characterize the valve under specified conditions; under real conditions the Kv value itself is inversely proportional to (AP ) 1/2 . Standard conditions are sufficient in real hydraulic systems, e.g. B. , a sequence of pump, pipe, valve, pipe and heat exchanger, since the pressure drop across the valve affects the flow. The flow in turn affects the pump pressure of an uncontrolled pump as well as the pressure drop in the piping before and after the valve. In contrast, with the known methods and arrangements, the hydraulic conditions in the system in which the valve is installed are not taken into account, so that the smallest deviations in the hydraulic system can no longer be measured precisely. Finally, the known methods for measuring pressure are largely based on information (tables, Kv value, valve characteristic curve equation, etc.) from the valve manufacturer and are therefore valve-specific and not universally applicable to different valves.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , für Anlagen, in denen Fluide mittels Pumpen gefördert werden, eine einfache und kostengünstige Durchflussmessung und Anlagenüberwachung auch bei unterschiedlichen Anlagenzuständen zu ermöglichen . The invention is based on the object of enabling simple and cost-effective flow measurement and system monitoring for systems in which fluids are conveyed by means of pumps, even in the case of different system states.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren oder das in Anspruch 6 definierte Anordnung gelöst , von denen vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind . According to the invention, the object is achieved by the method specified in claim 1 or the arrangement defined in claim 6, advantageous developments of which are specified in the dependent claims.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Messung des Durchflusses eines mittels einer Pumpe durch eine technische Anlage geförderten Fluids und zur Überwachung der Anlage während ihres Betriebs , wobei die Ventilstellung eines in einer Fluidleitung der Anlage eingebauten Ventil erfasst und der Zulaufdruck des Fluids vor dem Ventil und der Auslaufdruck hinter dem Ventil gemessen werden und der Durchfluss aus den vor und hinter dem Ventil gemessenen Drücken und der Ventilstellung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet , dass in der Anlage mit dem eingebauten Ventil vor ihrem Betrieb unter Verwendung eines Durchflussmessers die Abhängigkeitsbeziehung des Durchflusses , des Zulaufdrucks , des Auslaufdrucks und der Ventilstellung ermittelt und in einem Kennfeld hinterlegt wird, und dass während des Betriebs der Anlage der Durchfluss anhand des Zulaufdrucks , des Auslaufdrucks und der Ventilstellung unmittelbar aus dem Kennfeld ermittelt wird . The subject matter of the invention is therefore a method for measuring the flow of a fluid conveyed by a pump through a technical system and for monitoring the system during its operation, with the valve position of a valve installed in a fluid line of the system being recorded and the inlet pressure of the fluid upstream of the valve and the outlet pressure behind the valve can be measured and the flow rate is determined from the pressures measured in front of and behind the valve and the valve position, characterized in that in the system with the built-in valve before its operation using a flow meter, the dependency relationship of the flow, the inlet pressure, the outlet pressure and the valve position is determined and in a Map is stored, and that during operation of the system, the flow rate is determined directly from the map using the inlet pressure, the outlet pressure and the valve position.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Anordnung zur Messung des Durchflusses eines mittels einer Pumpe durch eine technische Anlage geförderten Fluids und zur Überwachung der Anlage während ihres Betriebs , mit einem in einer Fluidleitung der Anlage eingebauten Ventil zur Drosselung des Durchflusses , mit einem das Ventil betätigenden und die Ventilstellung erfassenden Stellantrieb, mit einem den Zulaufdruck des Fluids vor dem Ventil messenden ersten Drucksensor und einem den Auslaufdruck hinter dem Ventil messenden zweiten Drucksensor und mit einer Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist , den Durchfluss aus den vor und hinter dem Ventil gemessenen Drücken und der Ventilstellung zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet , dass die Auswerteeinrichtung in einem Speicher ein Kennfeld enthält , in dem eine in der Anlage mit dem eingebauten Ventil vor ihrem Betrieb unter Verwendung eines Durchflussmessers ermittelte Abhängigkeitsbeziehung des Durchflusses , des Zulaufdrucks , des Auslaufdrucks und der Ventilstellung hinterlegt ist , und dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist , während des Betriebs der Anlage den Durchfluss anhand des Zulaufdrucks , des Auslaufdrucks und der Ventilstellung unmittelbar aus dem Kennfeld zu ermitteln . The invention also relates to an arrangement for measuring the flow of a fluid conveyed through a technical system by means of a pump and for monitoring the system during its operation, with a valve installed in a fluid line of the system for throttling the flow, with a valve that actuates and actuator that detects the valve position, with a first pressure sensor that measures the inlet pressure of the fluid upstream of the valve and a second pressure sensor that measures the outlet pressure downstream of the valve, and with an evaluation device that is designed to calculate the flow from the pressures measured upstream and downstream of the valve and the To determine the valve position, characterized in that the evaluation device contains a memory map in which a dependency relationship of the flow, the inlet pressure, the outlet determined in the system with the built-in valve before its operation using a flow meter ufdrucks and the valve position is stored, and that the evaluation device is designed to determine the flow rate using the inlet pressure, the outlet pressure and the valve position directly from the map during operation of the system.
Im Ausgangs zustand der Anlage wird in einer Anlernphase bei laufender Pumpe das Ventil mittels des Stellantriebs , beispielsweise in Rahmen von Partial- oder Fullstroke-Tests , über einen Teilhub oder seinen Gesamthub bewegt , wobei der Zulaufdruck und Auslaufdruck vor bzw . hinter dem Ventil und die Ventilstellung gemessen werden . Gleichzeitig wird mittels eines Durchflussmessers der Durchfluss (Volumenstrom) gemessen . Die erhaltenen Messwerte stellen eine Abhängigkeitsbeziehung des Durchflusses , des Zulaufdrucks , des Auslaufdrucks und der Ventilstellung dar, die als mehrdimensionales Kennfeld in einem Speicher hinterlegt wird . Wenn in der Fluidleitung vor oder hinter dem Ventil bereits ein Durchflussmesser verbaut und damit Bestandteil des hydraulischen/pneumatischen Systems ist , kann dieser für die Durchflussmessung in der Anlernphase verwendet werden . Anderenfalls wird vorzugsweise ein Clamp-on-Durchf lussmesser verwendet , um das pneumatische/ hydraulische System nicht zu beeinflussen . In the initial state of the system, the valve is moved in a learning phase with the pump running by means of the actuator, for example as part of partial or full stroke tests, over a partial stroke or its entire stroke, with the inlet pressure and outlet pressure before or after . behind the valve and the valve position can be measured. At the same time, using a flow meter measured the flow (volume flow) . The measured values obtained represent a dependency relationship of the flow, the inlet pressure, the outlet pressure and the valve position, which is stored in a memory as a multidimensional characteristic map. If a flow meter is already installed in the fluid line before or after the valve and is therefore part of the hydraulic/pneumatic system, it can be used to measure the flow during the training phase. Otherwise a clamp-on flow meter is preferably used so as not to affect the pneumatic/hydraulic system.
Wenn die Pumpe bei gleichem Durchfluss unterschiedliche Drücke bereitstellen kann, wie dies z . B . bei geregelten Pumpen der Fall ist , wird das Kennfeld bei j edem dieser Drücke aufgenommen . If the pump can provide different pressures with the same flow rate, e.g. B. is the case with regulated pumps, the map is recorded at each of these pressures.
Wenn im späteren regulären Betrieb der Anlage mit nennenswerten Querschnittsverringerung aufgrund von Korrosion oder Ablagerung ( Fouling) zu rechnen ist , kann dies durch eine zuschaltbare Drossel vor und/oder hinter dem Ventil während der Anlernphase simuliert werden, so dass auch die daraus resultierenden Werte in das Kennfeld auf genommen werden können . If a significant reduction in cross-section due to corrosion or deposits (fouling) is to be expected during later regular operation of the system, this can be simulated during the learning phase by means of a throttle that can be switched on upstream and/or downstream of the valve, so that the resulting values can also be entered into the Map can be taken on.
Das erhaltene Kennfeld beinhaltet also folgende Abbildungsvorschri ft : The map obtained contains the following mapping rule:
V = V (h, Pl , P2 ) , wobei V der Durchfluss , h die Ventilstellung, PI der Zulaufdruck und P2 der Auslaufdruck ist . V = V(h, Pl, P2), where V is the flow rate, h is the valve position, PI is the inlet pressure, and P2 is the outlet pressure.
Wenn in der Anlage mit unterschiedlichen Mediendichten zu rechnen ist , so können auch diese Informationen mit eintrainiert werden, wobei in diesem Fall zusätzlich noch die Temperatur gemessen werden kann . Letzteres gilt insbesondere auch dann, wenn es sich bei dem geförderten Fluid um ein Gas bzw . Gasgemisch handelt . Die in dem Kennfeld abgelegte Abhängig- keitsbeziehung wird dann um die Dichte p bzw . Temperatur T erweitert : If different media densities are to be expected in the system, this information can also be trained, whereby in this case the temperature can also be measured. The latter applies in particular when the fluid being pumped is a gas or gas mixture is . The dependency stored in the map ness relationship is then increased by the density p or Temperature T extended :
V = V (h, Pl , P2 , p, T ) . V = V (h, Pl , P2 , p, T ) .
Das Kennfeld kann auch Teil-Kennfeldern bestehen, die z . B . bei unterschiedlich gedrosselten Fluidleitungen oder Pumpen auf genommen werden . Im normalen Betrieb der Anlage kann dann der Durchfluss durch Interpolation zwischen denj enigen Teil- Kennfeldern ermittelt wird, deren Messwerte aus der Anlernphase den aktuellen Messwerten des Zulaufdrucks PI , des Auslaufdrucks P2 , der Ventilstellung h und ggf . der Dichte p des Fluids und der Temperatur T am nächsten kommen . Das Kennfeld kann in vorteilhafter Weise auch durch ein neuronales Netz beschrieben werden . The map can also consist of sub-maps z. B. be taken on with differently throttled fluid lines or pumps. In normal operation of the system, the flow can then be determined by interpolation between those sub-characteristics whose measured values from the learning phase correspond to the current measured values of the inlet pressure PI, the outlet pressure P2, the valve position h and, if necessary. closest to the density p of the fluid and the temperature T. The characteristic field can advantageously also be described by a neural network.
Das Erlernen neuer Betriebs zustände kann bei der Inbetriebnahme der Anlage oder im Verlauf des Lebens zyklus erfolgen . New operating states can be learned when the system is commissioned or over the course of its life cycle.
Nach der Anlernphase kann der dafür verwendete Clamp-on- Durchf lussmesser entfernt werden, so dass im regulären Betrieb der Anlage der Durchfluss anhand des gemessenen Zulaufdrucks , des gemessenen Auslaufdrucks und der gemessenen Ventilstellung unmittelbar und ohne weitere Berechnung aus dem Kennfeld ermittelt werden . Ohne weitere Berechnung bedeutet hier, dass keine Gleichungen in Verbindung mit konstruktionsabhängigen Kenngrößen verwendet werden, die , wie oben bereits erläutert , zum einen ungenau sind und für die zum anderen ventilspezi fische Informationen des Herstellers benötigt werden . Es ist aber nicht ausgeschlossen und kann sogar erforderlich sein, dass der Durchfluss rechnerisch durch Interpolation aus den gespeicherten Stützwerten des gelernten Kennfeldes ermittelt wird . After the training phase, the clamp-on flow meter used for this purpose can be removed so that during regular operation of the system, the flow can be determined directly from the map using the measured inlet pressure, the measured outlet pressure and the measured valve position and without further calculation. Without further calculation, this means that no equations are used in connection with design-dependent parameters which, as already explained above, are inaccurate on the one hand and for which valve-specific information from the manufacturer is required on the other. However, it is not excluded and may even be necessary for the flow rate to be calculated by interpolation from the stored supporting values of the map learned.
Um die Vertrauenswürdigkeit des aus dem Kennfeld ermittelten Durchflusses abschätzen zu können, können die in der Anlernphase gemessenen Werte des Durchflusses , des Zulaufdrucks , des Auslaufdrucks , der Ventilstellung und ggf . der Dichte und/oder Temperatur des Fluids gespeichert werden . Neben der reinen Bestimmung des Volumenstroms lassen sich in der Anlage auftretende Fehlerzustände durch Änderungen vom angelernten Zustand des Systems erkennen, wie z . B . verringerte Pumpenleistung, veränderte Rohrquerschnitte ( Fouling, Korrosion) , defekte Ventilkörper . Wenn nicht der Ersatz eines Durchflussmessers , sondern vielmehr die detailliertere Überwachung der Anlage ( Pumpleistung, Fouling, Korrosion) im Vordergrund stehen, kann eine permanente , direkte Messung des Durchflusses durch einen fest verbauten Durchflussmesser oder ein Clamp- on-Durchf lussmesser vorgesehen werden . Durch diese zusätzliche Messgröße lassen sich j etzt geänderte Druckverhältnisse in der Anlage , die bei unbekanntem Durchfluss die gleiche Ursache haben können, gut voneinander unterscheiden . In order to be able to assess the reliability of the flow rate determined from the map, the values measured during the learning phase for the flow rate, the inlet pressure, the outlet pressure, the valve position and, if necessary, the density and / or temperature of the fluid are stored. In addition to the pure determination of the volume flow, error states occurring in the system can be recognized by changes in the learned state of the system, e.g. B. Reduced pump performance, changed pipe cross-sections (fouling, corrosion), defective valve bodies. If the focus is not on replacing a flow meter, but rather on more detailed monitoring of the system (pump performance, fouling, corrosion), permanent, direct measurement of the flow can be provided by a permanently installed flow meter or a clamp-on flow meter. With this additional measured variable, changed pressure conditions in the system, which can have the same cause if the flow rate is unknown, can now be easily distinguished from one another.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Aus führungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert ; im Einzelnen zeigen The invention is explained below using exemplary embodiments and with reference to the figures of the drawing; show in detail
Fig . 1 ein Beispiel für eine Anordnung zur Durchflussmessung in einer Anlage auf der Grundlage einer in einem Kennfeld hinterlegten Abhängigkeitsbeziehung des Durchflusses , des Zulaufdrucks und Auslaufdrucks vor bzw . hinter einem Ventil und der Ventilstellung und Fig. 1 shows an example of an arrangement for flow measurement in a system based on a dependency relationship of the flow, the inlet pressure and the outlet pressure before or behind a valve and the valve position and
Fig . 2 ein Beispiel für das Kennfeld in Form eines neuronalen Netzes . Fig. 2 an example of the characteristics map in the form of a neural network.
Gleiche Bezugs zeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung . Die Darstellungen sind rein schematisch und repräsentieren keine Größenverhältnisse . The same reference symbols have the same meaning in the different figures. The illustrations are purely schematic and do not represent any proportions.
Fig . 1 zeigt einen Teil einer technischen Anlage 1 , in der ein Fluid 2 mittels einer Pumpe 3 durch einen Wärmetauscher 4 gefördert wird . In einer Fluidleitung 5 zwischen der Pumpe 3 und dem Wärmetauscher 4 ist ein Ventil 6 eingebaut , mit dem der Durchfluss (Volumenstrom) des Fluids 2 gedrosselt werden kann . Dazu wird das Ventil 6 von einem Stellantrieb 7 betätigt , der mittels eines Positionssensor 8 die Ventilstellung (Ventilhub ) h und damit die Ventilöf fnung erfasst . Der Stellantrieb 7 umfasst bei dem gezeigten Beispiel einen pneumatischen Membranantrieb 9 mit einem elektropneumatischen Stellungsregler 10 , die erfasste Ventilstellung h mit einem von, z . B . , einem hier nicht gezeigten übergeordneten Regler der Anlagenautomatisierung erzeugten Sollwert h* vergleicht und den pneumatischen Membranantrieb 9 im Sinne einer Ausregelung der Regeldi f ferenz steuert . Fig. 1 shows part of a technical installation 1 in which a fluid 2 is conveyed through a heat exchanger 4 by means of a pump 3 . A valve 6 is installed in a fluid line 5 between the pump 3 and the heat exchanger 4, with which the flow (volume flow) of the fluid 2 is throttled can . For this purpose, the valve 6 is actuated by an actuator 7 which, by means of a position sensor 8, detects the valve position (valve stroke) h and thus the valve opening. In the example shown, the actuator 7 comprises a pneumatic membrane drive 9 with an electropneumatic position controller 10, the detected valve position h with one of, e.g. B. , a higher-level controller of the system automation, not shown here, compares the target value h* generated and controls the pneumatic membrane drive 9 in terms of regulating the control difference.
Ein erster Drucksensor 11 misst den Zulaufdruck PI des Fluids 2 vor dem Ventil 6 und ein zweiter Drucksensor 12 den Auslaufdruck P2 hinter dem Ventil 6 . Beide Drucksensoren 11 , 12 sind vorzugsweise an in dem Ventilgehäuse integrierten Druckmessstutzen angeschlossen, so dass außer zwei Drucksensoren keine teuren Durchflussmessgeräte benötigt werden, die in oder an die Fluidleitung 5 ein- oder angebaut werden müssten . A first pressure sensor 11 measures the inlet pressure PI of the fluid 2 in front of the valve 6 and a second pressure sensor 12 measures the outlet pressure P2 behind the valve 6 . Both pressure sensors 11 , 12 are preferably connected to pressure measuring sockets integrated in the valve housing, so that, apart from two pressure sensors, no expensive flow measuring devices are required that would have to be built into or attached to the fluid line 5 .
Die Messwerte des Zulaufdrucks PI , des Auslaufdrucks P2 und der Ventilstellung h werden einer Auswerteeinrichtung 13 zugeführt , die in einem Speicher 14 ein Kennfeld 15 enthält , in dem eine Abhängigkeitsbeziehung V = V (h, Pl , P2 ) des Durchflusses V des Fluids 2 , des Zulaufdrucks PI , des Auslaufdrucks P2 und der Ventilstellung h hinterlegt ist und die während des Betriebs der Anlage 1 einen Schätzwert V für den Durchfluss anhand der Messwerte des Zulaufdrucks PI , des Auslaufdrucks P2 und der Ventilstellung h unmittelbar aus dem Kennfeld 15 ermittelt . The measured values of the inlet pressure PI, the outlet pressure P2 and the valve position h are supplied to an evaluation device 13, which contains a characteristic diagram 15 in a memory 14, in which a dependency relationship V=V(h, Pl, P2) of the flow V of the fluid 2, of the inlet pressure PI, the outlet pressure P2 and the valve position h is stored and which, during operation of the system 1, determines an estimated value V for the flow rate using the measured values of the inlet pressure PI, the outlet pressure P2 and the valve position h directly from the characteristics map 15.
Um das Kennfeld 15 zu erstellen, wird im Ausgangs zustand der Anlage 1 in einer Anlernphase bei laufender Pumpe 3 das Ventil 6 mittels des Stellantriebs 7 betätigt , wobei der Zulaufdruck PI und Auslaufdruck P2 sowie die Ventilstellung h gemessen werden . Dieses geschieht bei unterschiedlichen Pumpleistungen und/oder unterschiedlichen Drosselungen der vor und hinter dem Ventil 6 liegenden Abschnitte der Fluidleitung 5. Letzteres kann durch temporäres Einfügen von Drosseln oder Betätigung von ohnehin vorhandenen Drosseln in der Fluidleitung 5 geschehen . Zusammen mit dem Zulaufdruck PI , dem Auslaufdruck P2 und der Ventilstellung h wird mittels eines Durchflussmessers 16 der Durchfluss V des Fluids 2 gemessen . Wenn in der Fluidleitung 5 bereits ein Durchflussmesser verbaut und damit Bestandteil des betrachteten Teils der technischen Anlage 1 ist , kann dieser für die Durchflussmessung in der Anlernphase verwendet werden . Anderenfalls kann für die Anlernphase ein Clamp-on-Durchf lussmesser verwendet werden, um das pneumatische/hydraulische System nicht zu beeinflussen . Die erhaltenen Messwerte stellen die Abhängigkeitsbeziehung des Durchflusses V, des Zulaufdrucks PI , des Auslaufdrucks P2 und der Ventilstellung h dar, die für unterschiedliche simulierte Anlagenzustände gelernt und in Form des mehrdimensionalen Kennfelds 15 in dem Speicher 14 hinterlegt wird . Die in dem Kennfeld 15 enthaltene Abhängigkeitsbeziehung kann ggf . um die Dichte p des Fluids 2 und/oder die Temperatur T erweitert werden : In order to create the map 15, the valve 6 is actuated by the actuator 7 in the initial state of the system 1 in a learning phase with the pump 3 running, the inlet pressure PI and outlet pressure P2 and the valve position h being measured. This happens with different pump capacities and/or different throttling of the sections of the fluid line 5 located in front of and behind the valve 6. The latter can be achieved by temporarily inserting chokes or Actuation of already existing throttles in the fluid line 5 happen. The flow rate V of the fluid 2 is measured by means of a flow meter 16 together with the inlet pressure PI, the outlet pressure P2 and the valve position h. If a flow meter is already installed in the fluid line 5 and is therefore part of the part of the technical system 1 under consideration, it can be used for the flow measurement in the training phase. Otherwise, a clamp-on flow meter can be used for the learning phase so as not to affect the pneumatic/hydraulic system. The measured values obtained represent the dependency relationship of the flow rate V, the inlet pressure PI, the outlet pressure P2 and the valve position h, which is learned for different simulated system states and stored in the memory 14 in the form of the multidimensional characteristic map 15 . The dependency relationship contained in the characteristics map 15 can, if necessary. to be extended by the density p of the fluid 2 and/or the temperature T:
V = V (h, Pl , P2 , T , p ) , wobei die Temperatur T vorzugsweise direkt an dem Ventil 6 mittels eines Temperatursensors 17 erfasst wird . V=V(h, P1, P2, T, p), the temperature T preferably being detected directly at the valve 6 by means of a temperature sensor 17.
Wie Fig . 1 angedeutet ist , kann das Kennfeld 15 aus mehreren Teil-Kennfeldern bestehen, die z . B . bei unterschiedlichen Drosselungsstufen der Fluidleitung 5 oder Pumpe 3 aufgenommen werden, wobei dann im normalen Betrieb der Anlage 1 der Schätzwert V den Durchfluss durch Interpolation zwischen denj enigen Teil-Kennfeldern ermittelt wird, die den aktuellen Messwerten des Zulaufdrucks PI , des Auslaufdrucks P2 und ggf . der Dichte p des Fluids 2 und der Temperatur T am nächsten kommen . As Fig . 1 is indicated, the map 15 can consist of several sub-maps, the z. B. are recorded at different throttling stages of the fluid line 5 or pump 3, in which case the estimated value V is then determined during normal operation of the system 1. the density p of the fluid 2 and the temperature T come closest.
Die hier separat dargestellte Auswerteeinrichtung 13 bzw . ihre Funktion oder Teil funktionen können z . B . auch in dem Stellungsregler 10 , in einer Cloud 18 oder einer sonstigen entfernten Stelle realisiert sein . So können in der Anlern- phase die Messwerte des Durchflusses V, des Zulaufdrucks PI , des Auslaufdrucks P2 und ggf . der Dichte p des Fluids 2 und der Temperatur T mittels einer Funkschnittstelle 19 drahtlos über ein mobiles Kommunikationsendgerät ( z . B . Smartphone ) 20 in die Cloud 18 oder mittels eines Gateways direkt in die Cloud 18 übertragen werden, um dort das Kennfeld 15 anzulegen . Im Betrieb der Anlage 1 können dann z . B . mittels des Kommunikationsendgeräts 20 die aktuellen Messwerte des Zulaufdrucks PI , des Auslaufdrucks P2 und der Ventilstellung h abgefragt und anhand des Kennfeldes 15 in der Cloud 18 der Schätzwert V des Durchflusses ermittelt und dem Benutzer angezeigt werden . The evaluation device 13 or their function or part functions can z. B. can also be implemented in the position controller 10 , in a cloud 18 or in some other remote location. In the training phase the measured values of the flow rate V, the inlet pressure PI , the outlet pressure P2 and if necessary . the density p of the fluid 2 and the temperature T by means of a radio interface 19 wirelessly via a mobile communication device (e.g. smartphone) 20 to the cloud 18 or by means of a gateway directly to the cloud 18 in order to create the characteristic map 15 there. In operation of the system 1 z. B. the current measured values of the inlet pressure PI, the outlet pressure P2 and the valve position h are queried using the communication terminal 20 and the estimated value V of the flow rate is determined using the characteristics map 15 in the cloud 18 and displayed to the user.
Fig . 2 zeigt ein Beispiel für das Kennfeld 15 in Form eines neuronalen Netzwerks 21 , das den gemessenen Zulaufdruck PI , Auslaufdruck P2 und die Ventilstellung h sowie ggf . die Dichte p des Fluids 2 und/oder die Temperatur T (hier nicht gezeigt ) als Eingangsgrößen erhält und einen Schätzwert V des Durchflusses als Ausgangsgröße erzeugt . Fig. 2 shows an example of the characteristics map 15 in the form of a neural network 21 that contains the measured inlet pressure PI, outlet pressure P2 and the valve position h and, if applicable. the density p of the fluid 2 and/or the temperature T (not shown here) as input variables and generates an estimated value V of the flow as an output variable.
Bei dem gezeigten neuronalen Netzwerk 21 handelt es sich um ein Feed-Forward Regressionsnetz , das eine Eingangsschicht mit j eweils einem Eingangselement 22 für j ede der Eingangsgrößen Pl , P2 , h (und ggf . p und/oder T ) aufweist . Der Eingangsschicht sind zwei verdeckte Schichten bestehend aus j eweils mehreren Neuronen 23 bzw . 24 nachgeordnet . Die Eingangsgrößen Pl , P2 , h werden in j edem Neuron 23 der ersten versteckten Schicht mit individuellen Gewichts faktoren w±j versehen und zu einer Antwort des betref fenden Neurons 23 auf summiert . Die Antworten der Neuronen 23 der ersten verdeckten Schicht werden in j edem Neuron 24 der zweiten versteckten Schicht mit individuellen Gewichts faktoren Wjk versehen und zu einer Antwort des betref fenden Neurons 24 aufsummiert . Der zweiten verdeckten Schicht ist ein Ausgangselement 25 nachgeordnet , das die Antworten der Neuronen 24 j eweils mit einem individuellen Gewichts faktor Wk zu dem Schätzwert V für den Durchfluss auf summiert . Um das neuronale Netz 21 in der Anlernphase zu trainieren und den nachzu- bildenden Zusammenhang zwischen dem Zulaufdruck PI , Auslaufdruck P2 , der Ventilstellung h und dem Durchfluss V zu lernen, werden die Gewichts faktoren w = w±j , Wjk, Wk des neuronalen Netzes 21 mit Hil fe von Adaptionsalgorithmen 26 im Sin- ne einer Verringerung des Fehlers AV = V - V zwischen den von dem neuronalen Netz 21 gelieferten Schätzwerten V und dem von dem Durchflussmesser 16 erhaltenen Messwerten V des Durchflusses V verändert . Die individuellen Änderungsbeträge für die Gewichts faktoren w sind der Einfachheit halber hier pauschal mit Aw bezeichnet . The neural network 21 shown is a feed-forward regression network that has an input layer with one input element 22 for each of the input variables P1, P2, h (and possibly p and/or T). The input layer has two hidden layers, each consisting of a plurality of neurons 23 and 24 subordinate. The input variables P1, P2, h are provided with individual weighting factors w±j in each neuron 23 of the first hidden layer and summed up to form a response from the relevant neuron 23. The responses of the neurons 23 of the first hidden layer are provided with individual weighting factors Wjk in each neuron 24 of the second hidden layer and summed up to form a response of the relevant neuron 24 . An output element 25 is arranged downstream of the second hidden layer, which adds up the responses of the neurons 24 in each case with an individual weighting factor Wk to form the estimated value V for the flow. In order to train the neural network 21 in the learning phase and to reproduce the To learn the relationship between the inlet pressure PI , outlet pressure P2 , the valve position h and the flow rate V, the weighting factors w = w±j , Wjk, Wk of the neural network 21 are used with the help of adaptation algorithms 26 in the sense of reducing the error AV = V - V between the estimated values V supplied by the neural network 21 and the measured values V of the flow rate V obtained from the flowmeter 16 . For the sake of simplicity, the individual amounts of change for the weighting factors w are denoted here as Aw.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Verfahren zur Messung des Durchflusses (V ) eines mittels einer Pumpe (3) durch eine technische Anlage (1) geförderten Fluids (2) und zur Überwachung der Anlage (1) während ihres Betriebs, wobei die Ventilstellung (h) eines in einer Fluidleitung (5) der Anlage (1) eingebauten Ventil (6) erfasst und der Zulaufdruck (PI) des Fluids vor dem Ventil (6) und der Auslaufdruck (P2) hinter dem Ventil (6) gemessen werden und der Durchfluss (V ) aus den vor und hinter dem Ventil (6) gemessenen Drücken (PI, PI) und der Ventilstellung (h) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anlage (1) mit dem eingebauten Ventil (6) vor ihrem Betrieb unter Verwendung eines Durchflussmessers (16) die Abhängigkeitsbeziehung des Durchflusses (V) , des Zulaufdrucks (PI) , des Auslaufdrucks (P2) und der Ventilstellung (h) ermittelt und in einem Kennfeld (15) hinterlegt wird, und dass während des Betriebs der Anlage (1) der Durchfluss (V ) anhand des Zulaufdrucks (PI) , des Auslaufdrucks (P2) und der Ventilstellung (h) unmittelbar aus dem Kennfeld (15) ermittelt wird. 1. A method for measuring the flow rate (V) of a fluid (2) conveyed by a pump (3) through a technical system (1) and for monitoring the system (1) during its operation, the valve position (h) being one in one Fluid line (5) of the system (1) built-in valve (6) is recorded and the inlet pressure (PI) of the fluid upstream of the valve (6) and the outlet pressure (P2) downstream of the valve (6) are measured and the flow (V ) out the pressures (PI, PI) measured upstream and downstream of the valve (6) and the valve position (h), characterized in that in the system (1) with the built-in valve (6) before its operation using a flow meter ( 16) the dependency relationship of the flow (V), the inlet pressure (PI), the outlet pressure (P2) and the valve position (h) is determined and stored in a map (15), and that during operation of the system (1) the flow (V ) based on the inlet pressure (PI) , the outlet pressure (P2) and the Ve Position (h) is determined directly from the map (15).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (15) bei unterschiedlichen Pumpleistungen und/ oder unterschiedlich gedrosselter Fluidleitung (5) ermittelt wird . 2. The method according to claim 1, characterized in that the characteristic map (15) is determined at different pump capacities and/or differently throttled fluid line (5).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Temperatur (T) des Fluids (2) gemessen und die ermittelte und in dem Kennfeld (15) hinterlegte Ab- hängigkeitsbeziehung um die Temperatur (T) erweitert wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature (T) of the fluid (2) is additionally measured and the dependency relationship determined and stored in the characteristic map (15) is expanded by the temperature (T).
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte und in dem Kennfeld (15) hinterlegte Abhängigkeitsbeziehung um die Dichte (p) des Fluids (2) erweitert wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the determined and in the characteristic map (15) stored dependency relationship is expanded by the density (p) of the fluid (2).
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (15) durch ein neuronales Netz (21) beschrieben wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the characteristic map (15) is described by a neural network (21).
6. Anordnung zur Messung des Durchflusses (V ) eines mittels einer Pumpe (3) durch eine technische Anlage (1) geförderten Fluids (2) und zur Überwachung der Anlage (1) während ihres Betriebs, mit einem in einer Fluidleitung (5) der Anlage (1) eingebauten Ventil (6) zur Drosselung des Durchflusses (V) , mit einem das Ventil (6) betätigenden und die Ventilstellung (h) erfassenden Stellantrieb (7) , mit einem den Zulaufdruck (PI) des Fluids (2) vor dem Ventil (6) messenden ersten Drucksensor (11) und einem den Auslaufdruck (P2) hinter dem Ventil (6) messenden zweiten Drucksensor (12) und mit einer Auswerteeinrichtung (13) , die dazu ausgebildet ist, den Durchfluss (V ) aus den vor und hinter dem Ventil (6) gemessenen Drücken (Pl, P2) und der Ventilstellung (h) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (13) in einem Speicher (14) ein Kennfeld (15) enthält, in dem eine in der Anlage (1) mit dem eingebauten Ventil (6) vor ihrem Betrieb unter Verwendung eines Durchflussmessers (16) ermittelte Abhängigkeitsbeziehung des Durchflusses (V) , des Zulaufdrucks (PI) , des Auslaufdrucks (P2) und der Ventilstellung (h) hinterlegt ist, und dass die Auswerteeinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, während des Betriebs der Anlage (1) den Durchfluss (V ) anhand des Zulaufdrucks (PI) , des6. Arrangement for measuring the flow (V) of a means of a pump (3) through a technical system (1) funded fluid (2) and for monitoring the system (1) during its operation, with a in a fluid line (5) of System (1) built-in valve (6) for throttling the flow (V), with an actuator (7) actuating the valve (6) and detecting the valve position (h), with an inlet pressure (PI) of the fluid (2). the valve (6) measuring the first pressure sensor (11) and the outlet pressure (P2) downstream of the valve (6) measuring the second pressure sensor (12) and with an evaluation device (13) which is designed to calculate the flow (V ) from the to determine the pressures (Pl, P2) measured in front of and behind the valve (6) and the valve position (h), characterized in that the evaluation device (13) contains a characteristic map (15) in a memory (14) in which an in the plant (1) with the built-in valve (6) before its operation using a flow The dependency relationship of the flow rate (V), the inlet pressure (PI), the outlet pressure (P2) and the valve position (h) determined by the ss meter (16) is stored, and that the evaluation device (13) is designed to, during operation of the system (1 ) the flow rate (V ) based on the inlet pressure (PI) , des
Auslaufdrucks (P2) und der Ventilstellung (h) unmittelbar aus dem Kennfeld (15) zu ermitteln. Outlet pressure (P2) and the valve position (h) can be determined directly from the map (15).
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