DE102023114025A1 - Method for detecting a clogged differential pressure line of a pressure measuring arrangement - Google Patents
Method for detecting a clogged differential pressure line of a pressure measuring arrangement Download PDFInfo
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Abstract
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 (Bt-1, Bt), die vorzugsweise jeweils die gleiche Länge aufweisen;- Erzeugen von, insb. akustischen Frequenzspektren für jeden Block, wobei jedes Frequenzspektrum mehrere Frequenzkomponenten (c1,t-1; cn,t) aufweist;- Eingabe der, insb. akustischen Frequenzspektren der Blöcke in ein neuronales Netzwerk, welches dazu konfiguriert ist, eine verstopfte Wirkdruckleitung anhand der Frequenzspektren der Blöcke zu erkennen;- Erzeugen einer Ausgabe, die angibt, ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt oder nicht.A computer-implemented method for detecting a blocked differential pressure line of a pressure measuring arrangement, comprising the following steps:- detecting a pressure measurement signal by means of the pressure measuring arrangement (1), preferably for a defined period of time;- combining, preferably successive measured values of the pressure measurement signal into, preferably overlapping blocks (Bt-1, Bt), which preferably each have the same length;- generating, in particular, acoustic frequency spectra for each block, wherein each frequency spectrum has a plurality of frequency components (c1,t-1; cn,t);- entering the, in particular acoustic frequency spectra of the blocks into a neural network which is configured to detect a blocked differential pressure line based on the frequency spectra of the blocks;- generating an output which indicates whether or not a blocked differential pressure line is present.
Description
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.The invention relates to a computer-implemented method for detecting a clogged differential pressure line of a pressure measuring arrangement, a data processing device with means for carrying out the method, a computer program, a computer-readable medium and a pressure measuring arrangement.
Das europäische Patent
Die deutsche Patentanmeldung
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. Furthermore, there are other approaches to detecting a clogged differential pressure line. In particular, there are approaches in which the method is based on changing the frequency of the pressure signal fluctuations.
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.All approaches are useful in themselves, but each has specific weaknesses. Some methods do not work at all or only work to a limited extent if the underlying process is too dynamic and subject to large fluctuations. Other methods only work in a certain pressure signal range that is regularly left by dynamic processes. Still other methods have weaknesses if resonances arise due to long differential pressure lines, which affect the signal power and can sometimes artificially increase the signal power.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu leisten.The invention is based on the object of remedying this situation.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung gemäß Patentanspruch 1, das Verfahren zum Trainieren eines neuronalen Netzwerkes gemäß Patentanspruch 2, Datenverarbeitungsgerät gemäß Patentanspruch 14, das Computerprogramm gemäß Patentanspruch 15, das computerlesbare Medium gemäß Patentanspruch 16 und die Druckmessanordnung gemäß Patentanspruch 17.The object is achieved according to the invention by the method for detecting a blocked differential pressure line according to
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;
- - Eingabe der, insb. akustischen Frequenzspektren der Blöcke in ein neuronales Netzwerk, welches dazu konfiguriert, insb. trainiert ist, eine verstopfte Wirkdruckleitung anhand der Frequenzspektren der Blöcke zu erkennen;
- - Erzeugen einer Ausgabe, die angibt, ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt oder nicht.
- - detecting a pressure measurement signal by means of the pressure measurement arrangement, preferably for a defined period of time;
- - combining, preferably consecutive, measured values of the pressure measurement signal into, preferably overlapping blocks, which preferably each have the same length;
- - generating, in particular, acoustic frequency spectra for each block, wherein each frequency spectrum has several frequency components;
- - Input of the, in particular acoustic frequency spectra of the blocks into a neural network which is configured, in particular trained, to detect a blocked differential pressure line based on the frequency spectra of the blocks;
- - Generate an output indicating whether or not a clogged differential pressure line is present.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein computerimplementiertes Verfahren zum Trainieren eines neuronalen Netzwerkes zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung mit folgenden Schritten:
- - 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;
- - Eingabe der, insb. akustischen Frequenzspektren der Blöcke in ein neuronales Netzwerk zum Trainieren des neuronalen Netzwerkes anhand der erzeugten Frequenzspektren der Blöcke.
- - detecting a pressure measurement signal by means of the pressure measurement arrangement, preferably for a defined period of time;
- - combining, preferably consecutive, measured values of the pressure measurement signal into, preferably overlapping blocks, which preferably each have the same length;
- - generating, in particular, acoustic frequency spectra for each block, wherein each frequency spectrum has several frequency components;
- - Input of the, especially acoustic frequency spectra of the blocks into a neural network to train the neural network using the generated frequency spectra of the blocks.
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 Hz - 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 zu nutzen gemacht, um ein neuronales Netzwerk darauf zu trainieren, verstopfte Wirkdruckleitungen zu erkennen.According to the invention, the recording and evaluation of a frequency spectrum of a pressure measurement signal from a pressure measuring arrangement is proposed. The frequency spectrum can preferably be an acoustic frequency spectrum which is in a range of less than 20 kHz, in particular less than 2.5 kHz, in particular in the range of 0-2 kHz, and very particularly in the range of 5 Hz - 200 Hz. The (acoustic) frequency spectrum characterizes the pressure measuring arrangement and is essentially a fingerprint of the pressure sensor. A change in the pressure measuring arrangement affects the frequency spectrum, in particular the acoustic frequency spectrum. This is used according to the invention to train a neural network to recognize clogged differential pressure lines.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass vor der Eingabe der Frequenzspektren der Blöcke in ein neuronales Netzwerk zunächst die Frequenzspektren mehrerer, vorzugsweise aufeinanderfolgender Blöcke zu jeweils einem zweidimensionalen Spektrogramm, welches auf der Abszisse eine Zeit und auf der Ordinate eine Amplitude der Fourier-Koeffizienten aufweist, aggregiert werden und die Spektrogramme als Eingabe für das neuronale Netzwerk verwendet werden. Insbesondere kann die Ausführungsform vorsehen, dass für die Spektrogramme eine Leistung für jede Frequenzkomponente berechnet wird.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that, before the frequency spectra of the blocks are input into a neural network, the frequency spectra of several, preferably consecutive blocks are first aggregated to form a two-dimensional spectrogram, which has a time on the abscissa and an amplitude of the Fourier coefficients on the ordinate, and the spectrograms are used as input for the neural network. In particular, the embodiment can provide that a power is calculated for each frequency component for the spectrograms.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass für das Training des neuronalen Netzwerkes jedem Spektrogramm ein binäres Label zugeordnet wird, welches angibt, ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt oder nicht.A further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that for the training of the neural network, a binary label is assigned to each spectrogram, which indicates whether a clogged differential pressure line is present or not.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, das jedes Spektrogramm durch das neuronale Netzwerk durch mehrere, vorzugsweise zwei Faltungsschichten verarbeitet und/oder durch eine Max-Pooling-Schicht in der Dimension reduziert wird.A further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that each spectrogram is processed by the neural network through several, preferably two convolution layers and/or is reduced in dimension by a max-pooling layer.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das neuronale Netzwerk ein Faltungsnetzwerk ist, welches dazu eingerichtet ist, Convolutional Layers, insb. Dephtwise Separable Convolutions zu nutzen. Insbesondere kann die Ausführungsform vorsehen, dass in dem Faltungsnetzwerk ein Flattening durchgeführt wird, bei dem die mehrdimensionale Ausgabedatenstruktur einer jeweiligen Faltungsschicht des Faltungsnetzes in eine eindimensionale Ausgabedatenstruktur überführt wird.A further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the neural network is a convolutional network which is set up to use convolutional layers, in particular depth-separable convolutions. In particular, the embodiment can provide that flattening is carried out in the convolutional network, in which the multidimensional output data structure of a respective convolutional layer of the convolutional network is converted into a one-dimensional output data structure.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass durch einen mehrstufigen, vorzugsweise einen dreistufigen Klassifikator aus Fully-Connected-Schichten geringer werdender Größe, eine skalare Ausgabe, insb. aus der Ausgabedatenstrukturerzeugt wird, die, vorzugsweise durch eine Sigmoid-Aktivierungsfunktion, in einen Wertebereich [0; 1] abgebildet wird, um so die Ausgabe zu erzeugen, die angibt, ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt oder nicht.A further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that a multi-stage, preferably a three-stage classifier made up of fully connected layers of decreasing size, generates a scalar output, in particular from the output data structure, which is mapped into a value range [0; 1], preferably by a sigmoid activation function, in order to generate the output that indicates whether a clogged differential pressure line is present or not.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Frequenzspektren mittels einer diskreten Fourier Transformation, insb. einer Fast-Fourier-Transformation erzeugt werden.A further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the frequency spectra are generated by means of a discrete Fourier transformation, in particular a fast Fourier transformation.
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 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. Insbesondere kann die Ausführungsform vorsehen, dass 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.A further advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the frequency spectra of the respective blocks are high-pass filtered so that frequency components that are below a predeterminable cutoff frequency are essentially filtered out or attenuated. In particular, the embodiment can provide that at least one variance is calculated for each block to filter out the idle phases of the process, and the variance is used to decide whether it is a idle phase of the process. In particular, the embodiment can provide that the variance is compared with a configurable or adjustable threshold value in order to decide whether it is a idle phase of the process, wherein the threshold value is preferably in a range ≤ -70 dB, particularly preferably ≤ -80 dB, very particularly preferably in the range from -80 to -90 dB.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Datenverarbeitungsgerät mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung und/oder zur Durchführung des Verfahrens zum Trainieren eines neuronalen Netzwerks nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen.The invention further relates to a data processing device with means for carrying out the method for detecting a blocked differential pressure line and/or for carrying out the method for training a neural network according to one of the previously described embodiments.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm mit Anweisungen, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, das Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung und/oder das Verfahren zur Durchführung des Verfahrens zum Trainieren eines neuronalen Netzwerkes nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen.The invention further relates to a computer program with instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the method for detecting a clogged differential pressure line and/or the method for carrying out the method for training a neural network according to one of the previously described embodiments.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein computerlesbares Medium, das Anweisungen enthält, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung und/oder das Verfahren zur Durchführung des Verfahrens zum Trainieren eines neuronalen Netzwerkes nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.The invention further relates to a computer-readable medium containing instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the method for detecting a clogged differential pressure line and/or the method for carrying out the method for training a neural network according to one of the previously described embodiments.
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 zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung und/oder das Verfahren zur Durchführung des Verfahrens zum Trainieren eines neuronalen Netzwerkes nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen auszuführen.
- - a pressure transducer for detecting at least one media pressure of a medium;
- - an operating and/or evaluation circuit for providing a pressure measurement signal which depends on the at least one media pressure;
- - at least one differential pressure line which is connected to a pressure inlet of the pressure transducer in order to apply the at least one media pressure to the pressure transducer;
- - a detection unit, which is preferably designed as part of the operating and/or evaluation circuit and is set up to carry out the method for detecting a blocked differential pressure line and/or the method for carrying out the method for training a neural network according to one of the previously described embodiments.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
-
1 : eine Gesamtdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Druckmessanordnung, -
2 : ein Sensormodul und ein elektrisch mit dem Sensormodul verbundenes Elektronikmodul der Druckmessanordnung im Detail, -
3 : ein allgemeines Blockdiagramm des computer-implementierten Verfahrens zum Erkennen von verstopften Wirkdruckleitungen einer Druckmessanordnung, -
4 : ein weiteres Blockdiagramm des Verfahrens zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung, in dem sowohl die Lern- als auch die Inferenzphase dargestellt ist, -
5 : ein weiteres Blockdiagramm des Verfahrens zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung mittels eines neuronalen Netzwerkes, und -
6 : ein Spektrogramm für mittelwertbereinigte und mittels einer diskreten Fouriertransformation in den Frequenzraum transformierter Chunks.
-
1 : an overall view of an embodiment of a pressure measuring arrangement according to the invention, -
2 : a sensor module and an electronic module of the pressure measuring arrangement electrically connected to the sensor module in detail, -
3 : a general block diagram of the computer-implemented method for detecting clogged differential pressure lines of a pressure measuring arrangement, -
4 : another block diagram of the method for detecting a clogged differential pressure line of a pressure measuring arrangement, showing both the learning and the inference phase, -
5 : another block diagram of the method for detecting a clogged differential pressure line of a pressure measuring arrangement by means of a neural network, and -
6 : a spectrogram for chunks adjusted for mean values and transformed into frequency space using a discrete Fourier transform.
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.The differential pressure measuring arrangement can further comprise a
Die Druckmessanordnung weist weiterhin eine Detektionseinheit 150 auf, die dazu eingerichtet ist, das nachfolgend beschriebene computerimplementierte Verfahren auszuführen. Die Detektionseinheit 150 kann, wie in
Das computerimplementierte Verfahren unterteilt sich dabei in mehrere Verfahrensschritte, einen in einem Präprozessor 152 ausgeführten Präprozessor-Schritt (vgl.
In dem ersten Schritt 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.In the first step, the pressure measurement signal is first sampled at the highest possible sampling rate in order to obtain successive measured values, preferably digitized measured values, particularly preferably measured values digitized by the
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 Bt-1, Bt (im Nachfolgenden auch als Chunks bezeichnet), vorzugsweise gleicher Länge zusammengefasst werden. Chunks Bt-1, Bt bilden hierbei jeweils untrennbare Einheiten und alle Messwerte eines Chunks Bt-1, Bt werden jeweils zusammen weiterverarbeitet. Anschließend wird in dem Präprozessor-Schritt für jeden Chunk Bt-1, Bt 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 Bt-1 bzw. Bt unterhalb des Schwellwerts, so wird der Chunk Bt-1 bzw. Bt 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.In order to prevent idle phases belonging to the process, the pressure values of which are determined using the
Die verbleibenden Chunks Bt-1, Bt 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 Bt-1, Bt zu erhalten.
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 von Neuronalen Netzwerken, insb. Faltungsnetzen (nachfolgend auch Convolutional Neural Networks oder kurz „CNN“ genannt) aus dem Bereich des Maschinellen Lernens beruht und die im Wesentlichen in den
Diese Variante unterteilt sich in eine Lern- bzw. Trainingsphase, in der zunächst für den Prozess typische Merkmale erkannt bzw. erlernt werden und eine Inferenzphase, in der die Spektren anhand der gelernten Muster während des eigentlichen Messbetriebs der Druckmessanordnung analysiert werden.This variant is divided into a learning or training phase, in which characteristics typical for the process are first recognized or learned, and an inference phase, in which the spectra are analyzed based on the learned patterns during the actual measurement operation of the pressure measuring arrangement.
Grundlage für das Training bilden die (hochpassgefilterten) Fourier-Koeffizienten von mehreren Chunks, die jeweils aus K Frequenzkomponenten zusammengesetzt sind (Spektrogramme) und durch den Präprozessor bereitgestellt werden. Für das Training des Netzes, insb. des Faltungsnetzes müssen jedoch mehrere Chunks zu einem Sample aggregiert werden. Ferner kann es von Vorteil sein, wenn ein Leistungsspektrum berechnet wird. Der FFT-Aggregator ist dazu eingerichtet, N aufeinanderfolgende Ausgaben des Präprozessors zu zweidimensionalen Spektrogrammen zu gruppieren. Ferner kann optional für jede Ausgabe eine Leistung für jede Frequenzkomponente berechnet werden. Nach diesem Schritt können die resultierenden zweidimensionalen Spektrogramme zum Training des Faltungsnetzes verwendet werden. Für das Training in der Lernphase kann zunächst vorgesehen sein, dass die zweidimensionalen Spektrogramme über eine nicht näher spezifizierte Datenübertragung an einen externen Rechner gesendet werden, da Speicherplatz und Rechenleistung des Mikroprozessors 162 ggfls. nicht für das Training von CNNs ausreichen.The basis for the training is the (high-pass filtered) Fourier coefficients of several chunks, each of which is composed of K frequency components (spectrograms) and is provided by the preprocessor. However, to train the network, in particular the convolutional network, several chunks must be aggregated into a sample. It can also be advantageous if a power spectrum is calculated. The FFT aggregator is set up to group N consecutive outputs of the preprocessor into two-dimensional spectrograms. Furthermore, a power for each frequency component can optionally be calculated for each output. After this step, the resulting two-dimensional spectrograms can be used to train the convolutional network. For training in the learning phase, it can initially be provided that the two-dimensional spectrograms are sent to an external computer via an unspecified data transfer, since the storage space and computing power of the
Die zweidimensionalen Spektrogramme dienen als Eingaben (Samples) für das Faltungsnetz. Jedem Spektrogramm wird danach ein binäres Label zugeordnet, wobei 0 für eine freie Impulse Line (Negativklasse) und 1 für eine verstopfte Leitung (Positivklasse) steht. Es wird im Vorfeld festgelegt, ab welchem Verstopfungsgrad ein Sample zur Positivklasse gehört. Das Spektrogramm im Übergangsbereich der beiden Klassen wird derjenigen zugeordnet, von der die meisten Fourier-Koeffizienten stammen. Bei Gleichstand zählt das Sample vorzugsweise zur Negativklasse. Für das nachfolgende Training können die Spektrogramme (Samples) durchmischt und zufällig auf einen Trainings-, einen Validierungs- und einen Testdatensatz aufgeteilt werden. Auf den Trainingsdatensatz können vorzugsweise dabei 60 % der Samples entfallen und der Validierungsdatensatz kann weitere 30 % der Samples enthalten, so dass die verbleibenden 10 % den Testdatensatz bilden können. Der Testdatensatz wird als unabhängiger Datensatz benötigt, da die Validierungsdaten für das Anpassen der Hyperparameter, wie z.B. einer Batch Size und für die Erkennung von Under- sowie Overfitting verwendet werden. Vorzugsweise kann bei der Erzeugung des Datensatzes die Skalierung der Spektrogramme in Dezibel vorgenommen werden. Die logarithmische Skala sorgt für eine bessere visuelle Trennbarkeit kleiner Leistungsunterschiede, was das Training der Netze vereinfacht.The two-dimensional spectrograms serve as inputs (samples) for the convolutional network. Each spectrogram is then assigned a binary label, where 0 stands for a free impulse line (negative class) and 1 for a blocked line (positive class). It is determined in advance at what level of blockage a sample belongs to the positive class. The spectrogram in the transition area between the two classes is assigned to the one from which the most Fourier coefficients come. In the event of a tie, the sample preferably belongs to the negative class. For subsequent training, the spectrograms (samples) can be mixed and randomly divided into a training, a validation and a test data set. The training data set can preferably contain 60% of the samples and the validation data set can contain a further 30% of the samples, so that the remaining 10% can form the test data set. The test dataset is required as an independent dataset because the validation data is used to adjust the hyperparameters, such as a batch size, and to detect under- and overfitting. Preferably, the spectrograms can be scaled in decibels when the dataset is generated. The logarithmic scale ensures better visual separation of small differences in performance, which simplifies training the networks.
Für die Faltung kommen vorzugsweise keine klassischen Convolutions (Faltungsschichten) zur Anwendung. Stattdessen werden vorzugsweise Convolutional Layers, insb. sogenannte Depthwise Separable Convolutions genutzt. Depthwise Separable Convolutions sind bspw. in der Veröffentlichung „
Für die Inferenzphase, in der die Spektren anhand der gelernten Muster während des eigentlichen Betriebs der Druckmessanordnung analysiert werden, wird das trainierte Modell mit den Modellparametern Θ, insb. den Gewichten des neuronalen Netzes, zurück auf die Recheneinheit der Druckmessanordnung übertragen, falls das Training nicht auf der Recheneinheit der Druckmessanordnung durchgeführt wurde. Anschließend kann das Modell mit den Modellparametern das Sample des FFT-Aggregators zum Zeitpunkt t direkt klassifizieren und über den Schwellwert η eine Ausgabe erzeugen, die angibt, ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt oder nicht.For the inference phase, in which the spectra are analyzed based on the learned patterns during the actual operation of the pressure measuring system, the trained model with the model parameters Θ, in particular the weights of the neural network, is transferred back to the computing unit of the pressure measuring system if the training was not carried out on the computing unit of the pressure measuring system. The model can then use the model parameters to directly classify the sample of the FFT aggregator at time t and generate an output via the threshold value η that indicates whether a clogged differential pressure line is present or not.
Grundsätzlich kann die Ausgabe des Feature Extractor, ob eine verstopfte 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 der Ausgabe des Feature Extractors durch einen Mittelwertfilter durchgeführt wird. Der Mittelwertfilter aggregiert die letzten M Ausgaben, die aus dem Feature-Extractor-Schritt hervorgehen, und entscheidet schwellwertabhängig anhand des Mittelwerts, ob tatsächlich eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt oder nicht.In principle, the output of the feature extractor, whether a clogged
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 11
- Druckmessanordnungpressure measuring arrangement
- 1010
- Druckmessumformerpressure transducer
- 1111
- Sensormodulsensor module
- 12, 1312, 13
- Prozessanschlussflanscheprocess connection flanges
- 1414
- Elektronikmodulelectronic module
- 1616
- Zweidrahtleitungtwo-wire line
- 1818
- Prozessleitsystemprocess control system
- 2020
- Wirkdruckgeberdifferential pressure sensor
- 2121
- Rohrleitungpipeline
- 2222
- Blendeaperture
- 23, 2423, 24
- Druckabgriffkanälepressure tap channels
- 25, 2625, 26
- Wirkdruckleitungendifferential pressure lines
- 110110
- Drucksensorelementpressure sensor element
- 112112
- Messmembranmeasuring membrane
- 140140
- Druckübertragungsmediumpressure transmission medium
- 150150
- Detektionseinheitdetection unit
- 152152
- Präprozessorpreprocessor
- 154154
- Feature ExtractorFeature Extractor
- 156156
- Klassifikatorclassifier
- 158158
- Hochpassfilterhigh-pass filter
- 160160
- Betriebs- und/oder Auswerteschaltungoperating and/or evaluation circuit
- 162162
- Mikroprozessormicroprocessor
- 164164
- ADCADC
- Bt-1, BtBt-1, Bt
- Blöcke bzw. Chunksblocks or chunks
- c1,t-1, cn,tc1,t-1, cn,t
- Frequenzkomponenten der Frequenzspektren der BlöckeFrequency components of the frequency spectra of the blocks
- CNNCNN
- Faltungsnetzwerk (engl. Convolutional Neural Network)convolutional neural network
- ΘΘ
- Modellparameternmodel parameters
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
-
EP 1 840 549 B1 [0002]
EP 1 840 549 B1 [0002] -
DE 10 2013 110 059 A1 [0003]
DE 10 2013 110 059 A1 [0003]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- MobileNets: Efficient Convolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications“ von Andrew G. Howard, [0036]MobileNets: Efficient Convolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications” by Andrew G. Howard, [0036]
- Rigid Motion Scattering for Texture Classification“ von Laurent Slfre, Stéphane Mallat [0036]Rigid Motion Scattering for Texture Classification” by Laurent Slfre, Stéphane Mallat [0036]
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- 2024-05-03 WO PCT/EP2024/062182 patent/WO2024245683A1/en active Pending
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| MobileNets: Efficient Convolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications" von Andrew G. Howard, |
| Rigid Motion Scattering for Texture Classification" von Laurent Slfre, Stéphane Mallat |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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