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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 PDF

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DE102023114025A1
DE102023114025A1 DE102023114025.6A DE102023114025A DE102023114025A1 DE 102023114025 A1 DE102023114025 A1 DE 102023114025A1 DE 102023114025 A DE102023114025 A DE 102023114025A DE 102023114025 A1 DE102023114025 A1 DE 102023114025A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
neural network
pressure
differential pressure
detecting
blocks
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
DE102023114025.6A
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German (de)
Inventor
Nils Ruf
Alexander Vogel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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 Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Priority to DE102023114025.6A priority Critical patent/DE102023114025A1/en
Priority to PCT/EP2024/062182 priority patent/WO2024245683A1/en
Publication of DE102023114025A1 publication Critical patent/DE102023114025A1/en
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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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 EP 1 840 549 B1 schützt eine Vorrichtung zum Erfassen einer Verstopfung von Wirkdruckleitungen, wobei die Vorrichtung zwei Drucksensoren zum Erfassen von Zeitreihen des statischen Drucks in jeweils einer Wirkdruckleitung und einen Differenzdrucksensor zum Erfassen von Zeitreihen der Differenz zwischen den Drücken in den beiden Wirkruckleitungen und drei Berechnungseinheiten zum Berechnen der Fluktuationen der beiden statischen Drücke und des Differenzdrucks anhand der Zeitreihen und der Quadratsummen der Fluktuationen; Korrelationskoeffizienten-Berechnungseinheiten zum Ermitteln der Korrelationskoeffizienten zwischen den Zeitreihen je eines statischen Drucks und des Differenzdrucks zu ermitteln und eine Auswertungseinheit, welche anhand der Korrelationen Verstopfungen der Wirkdruckleitungen erkennt, und identifiziert, welche der Wirkdruckleitungen verstopft ist bzw. sind.The European patent EP 1 840 549 B1 protects a device for detecting a blockage of differential pressure lines, the device comprising two pressure sensors for detecting time series of the static pressure in one differential pressure line each and a differential pressure sensor for detecting time series of the difference between the pressures in the two differential pressure lines and three calculation units for calculating the fluctuations of the two static pressures and the differential pressure based on the time series and the square sums of the fluctuations; correlation coefficient calculation units for determining the correlation coefficients between the time series of a static pressure and the differential pressure and an evaluation unit which detects blockages in the differential pressure lines based on the correlations and identifies which of the differential pressure lines is or are blocked.

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2013 110 059 A1 beschreibt eine Differenzdruckmessanordnung, die anhand einer Korrelation eines Differenzdrucksignals, welches eine Druckdifferenz zwischen einem ersten Mediendruck und einem zweiten Mediendruck repräsentiert, und eines Temperatursignals, welches mit einer Temperatur einer Wirkdruckleitung korreliert, verstopfte Wirkdruckleitungen erkennt.The German patent application DE 10 2013 110 059 A1 describes a differential pressure measuring arrangement which detects clogged differential pressure lines based on a correlation of a differential pressure signal, which represents a pressure difference between a first medium pressure and a second medium pressure, and a temperature signal, which correlates with a temperature of a differential pressure line.

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 patent claim 1, the method for training a neural network according to patent claim 2, the data processing device according to patent claim 14, the computer program according to patent claim 15, the computer-readable medium according to patent claim 16 and the pressure measuring arrangement according to patent claim 17.

Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung einer Druckmessanordnung umfasst die folgenden Schritte:

  • - Erfassen eines Druckmesssignals mittels der Druckmessanordnung, vorzugsweise für einen definierten Zeitraum;
  • - Zusammenfassen von, vorzugsweise aufeinanderfolgenden Messwerten des Druckmesssignals zu, vorzugsweise überlappenden Blöcken, die vorzugsweise jeweils die gleiche Länge aufweisen;
  • - Erzeugen von, insb. akustischen Frequenzspektren für jeden Block, wobei jedes Frequenzspektrum mehrere Frequenzkomponenten aufweist;
  • - 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.
The computer-implemented method according to the invention for detecting a clogged differential pressure line of a pressure measuring arrangement comprises the following steps:
  • - 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.
The invention further relates to a computer-implemented method for training a neural network for detecting a clogged differential pressure line of a pressure measuring arrangement, comprising the following steps:
  • - 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.
The invention further relates to a pressure measuring arrangement, at least comprising:
  • - 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.
The invention is explained in more detail with reference to the following drawings. It shows:
  • 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.

1 zeigt stark vereinfacht und schematisch eine Gesamtdarstellung einer Druckmessanordnung. In 1 ist eine Differenzdruckmessanordnung dargestellt. Wenn auch nachfolgenden anhand der Differenzdruckmessanordnung beschrieben, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt, sondern kann gleichfalls auf eine beliebig andere Druckmessanordnung, insb. eine Absolut- und/oder Relativdruckmessanordnungen übertragen werden. Die in 1 dargestellte Differenzdruckmessanordnung umfasst einen Differenzdruckmessumformer 10, welcher ein Sensormodul 11, das zwischen einem ersten, hochdruckseitigen Prozessanschlussflansch 12 und einem zweiten, niederdruckseitigen Prozessanschlussflansch 13 angeordnet ist, und ein Elektronikmodul 14 aufweist. Beide Module sind in einem Gehäuse des Differenzdruckmessumformers angeordnet. Das Elektronikmodul kann über eine Zweidrahtleitung 16 an ein Prozessleitsystem 18 angeschlossen sein, wobei das Elektronikmodul 14 über die Zweidrahtleitung kommunizieren und mit Energie versorgt werden kann. Die Zweidrahtleitung kann insbesondere als Feldbus nach dem Profibus- bzw. Foundation Fieldus-Standard oder nach dem HART-Standard betrieben werden. Derartige Differenzdruckmessumformer sind an sich bekannt und werden beispielsweise unter der Marke Deltabar von der Anmelderin hergestellt und in Verkehr gebracht. 1 shows a simplified and schematic overall view of a pressure measuring arrangement. In 1 a differential pressure measuring arrangement is shown. Although described below using the differential pressure measuring arrangement, the invention is not limited to this, but can also be transferred to any other pressure measuring arrangement, in particular an absolute and/or relative pressure measuring arrangement. The 1 The differential pressure measuring arrangement shown comprises a differential pressure transmitter 10, which has a sensor module 11, which is arranged between a first, high-pressure side process connection flange 12 and a second, low-pressure side process connection flange 13, and an electronic module 14. Both modules are arranged in a housing of the differential pressure transmitter. The electronic module can be connected to a process control system 18 via a two-wire line 16, wherein the electronic module 14 can communicate and be supplied with energy via the two-wire line. The two-wire line can be operated in particular as a field bus according to the Profibus or Foundation Fieldus standard or according to the HART standard. Such differential pressure transmitters are known per se and are manufactured and marketed by the applicant, for example, under the Deltabar brand.

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 differential pressure sensor 20 for installation in a pipeline 21. The differential pressure sensor comprises an orifice 22, a first pressure tap channel 23 on a high-pressure side of the orifice 22 and a second pressure tap channel 24 on a low-pressure side of the orifice 22. The high-pressure side process connection flange 12 is connected to the high-pressure side pressure tap channel 23 via a high-pressure side differential pressure line 25, and the low-pressure side process connection flange is connected to the low-pressure side pressure tap channel 24 via a low-pressure side differential pressure line 26. The terms “high-pressure side” and “low-pressure side” refer to a pressure difference generated by a flow (in the drawing from left to right), which is proportional to the square of the flow rate and is, for example, in the order of magnitude of a few 10 to 100 mbar. The static pressure on which this flow-dependent pressure difference is superimposed can, for example, range from 1 bar to several 100 bar.

2 zeigt ein Sensormodul 11 und ein elektrisch mit dem Sensormodul 11 verbundenes Elektronikmodul 14 im Detail. Die Anordnung der beiden in 2 gezeigten Module ist hierbei, aus Gründen der Einfachheit, nebeneinander und insofern anders als in 1 angeordnet. Bei dem Sensormodul handelt es sich vorliegend um einen piezoresistiven Drucksensorelement 110 mit einer Messmembran 112, wobei das Drucksensorelement 110 Widerstandselemente in einer Brückenschaltung aufweist, um eine druckabhängige Verformung bzw. Auslenkung der Messmembran in ein elektrisches Sensormodulsignal zu wandeln. Anstelle des piezoresistiven Drucksensors kann auch ein kapazitiver Drucksensor vorgesehen sein, wobei in diesem Fall die Messmembran eine Elektrode aufweist, deren Kapazität gegenüber einer Elektrode an einem biegesteifen Gegenkörper ein Maß für die druckabhängige Verformung bzw. Auslenkung der Messmembran ist. Einzelheiten zu elektrischen Wandlern sind einem Fachmann auf dem Gebiet der Druckmesstechnik geläufig und brauchen hier nicht naher erläutert zu werden. Das Sensormodul gibt das von der erfassten Druckdifferenz abhängige Sensormodulsignal an das Elektronikmodul 14 aus, wobei eine Betriebs- und/oder Auswerteschaltung 160 des Elektronikmoduls 14 anhand des Sensormodulsignals ein die Druckdifferenz repräsentierendes Differenzdruckmesssignal generiert und bspw. über die Zweidrahtleitung 16 insb. an das Prozessleitsystem 18 ausgeben kann. Hierzu kann die Betriebs- und/oder Auswerteschaltung eine Recheneinheit, bspw. in Form eines Mikroprozessor 162 zum Verarbeiten von mittels eines ADC 164 digitalisierten Sensormodulsignalen des Drucksensors 110 aufweisen. 2 shows a sensor module 11 and a Electronic module 14 in detail. The arrangement of the two 2 For reasons of simplicity, the modules shown are arranged side by side and in this respect different from 1 The sensor module in this case is a piezoresistive pressure sensor element 110 with a measuring membrane 112, wherein the pressure sensor element 110 has resistance elements in a bridge circuit in order to convert a pressure-dependent deformation or deflection of the measuring membrane into an electrical sensor module signal. Instead of the piezoresistive pressure sensor, a capacitive pressure sensor can also be provided, in which case the measuring membrane has an electrode whose capacitance compared to an electrode on a rigid counter body is a measure of the pressure-dependent deformation or deflection of the measuring membrane. Details of electrical converters are familiar to a person skilled in the field of pressure measurement technology and do not need to be explained in more detail here. The sensor module outputs the sensor module signal, which depends on the detected pressure difference, to the electronic module 14, wherein an operating and/or evaluation circuit 160 of the electronic module 14 generates a differential pressure measurement signal representing the pressure difference based on the sensor module signal and can output it, for example, via the two-wire line 16, in particular to the process control system 18. For this purpose, the operating and/or evaluation circuit can have a computing unit, for example in the form of a microprocessor 162 for processing sensor module signals of the pressure sensor 110 digitized by means of an ADC 164.

Die Druckmessanordnung weist weiterhin eine Detektionseinheit 150 auf, die dazu eingerichtet ist, das nachfolgend beschriebene computerimplementierte Verfahren auszuführen. Die Detektionseinheit 150 kann, wie in 2 dargestellt, Teil der Betriebs- und/oder Auswerteschaltung 160 sein oder alternativ davon abgesetzt als separate Einheit, bspw. in einer Cloud, realisiert sein.The pressure measuring arrangement further comprises a detection unit 150 which is designed to carry out the computer-implemented method described below. The detection unit 150 can, as in 2 shown, be part of the operating and/or evaluation circuit 160 or alternatively be implemented separately as a separate unit, e.g. in a cloud.

Das computerimplementierte Verfahren unterteilt sich dabei in mehrere Verfahrensschritte, einen in einem Präprozessor 152 ausgeführten Präprozessor-Schritt (vgl. 3), bei dem das Druckmesssignal bzw. Differenzdruckmesssignal in ein Frequenzspektrum transformiert wird, einen in einem Feature Extractor 154 (vgl. 4) ausgeführten Feature Extractor-Schritt, bei dem aus dem Frequenzspektrum Merkmale mittels eines neuronalen Netzwerkes abgeleitet werden. Ferner kann ein optionaler Klassifikator Schritt in einem Klassifikator 156 ausgeführt werden, bei dem anhand der zuvor abgeleiteten Merkmale entschieden wird, ob die Wirkdruckleitung 25, 26 verstopft ist oder nicht. Die Verfahrensschritte werden dabei nacheinander ausgeführt. 3 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm des computer-implementierten Verfahrens zum Erkennen von verstopften Wirkdruckleitungen 25, 26 einer Druckmessanordnung 1.The computer-implemented method is divided into several method steps, a preprocessor step executed in a preprocessor 152 (cf. 3 ), in which the pressure measurement signal or differential pressure measurement signal is transformed into a frequency spectrum, a feature extractor 154 (cf. 4 ) in which features are derived from the frequency spectrum using a neural network. Furthermore, an optional classifier step can be carried out in a classifier 156 in which a decision is made on the basis of the previously derived features as to whether the differential pressure line 25, 26 is blocked or not. The method steps are carried out one after the other. 3 shows a general block diagram of the computer-implemented method for detecting clogged differential pressure lines 25, 26 of a pressure measuring arrangement 1.

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 ADC 164. The sampling rate is preferably selected such that it is at least a few 10 Hz, preferably at least 50 Hz, particularly preferably at least 100 Hz.

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 pressure measuring arrangement 1, from making it difficult to detect a blocked effective pressure line 25, 26, it is necessary to detect and filter out these idle phases as quickly as possible. This can basically be done in different ways. A simple subsequent method can provide for the preferably consecutive measured values to be combined in the preprocessor step into preferably overlapping blocks B t-1 , B t (hereinafter also referred to as chunks), preferably of the same length. Chunks B t-1 , B t each form inseparable units and all measured values of a chunk B t-1 , B t are each processed together. Then, in the preprocessor step, a variance and optionally a mean value are calculated for each chunk B t-1 , B t . The variance is then compared with a configurable or adjustable threshold value. If the variance of the chunk B t-1 or B t is below the threshold value, the chunk B t-1 or B t is ignored because it is highly likely that it is a rest phase in the process. The threshold value depends on the process and can vary from process to process. For example, the threshold value for a level process in which a level is determined using a pressure measuring arrangement can be different than for a flow process in which a flow is determined using a differential pressure measuring arrangement. However, the threshold value is usually in a range ≤ -70 dB, preferably ≤ -80 dB, particularly preferably in the range of - 80 to -90 dB.

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. 6 zeigt exemplarisch ein solches Spektrogramm. Nach der Fourier Transformation kann optional in dem Präprozessor-Schritt vorgesehen sein, dass ein Hochpassfilter 158 angewandt wird, der auf einer vorgebbaren Grenzfrequenz arbeitet, um so den eigentlichen Druckwert herauszufiltern. Die vorgebbare Grenzfrequenz kann bspw. so gewählt sein, dass sie im Bereich einiger Hz, vorzugsweise kleiner 5 Hz, besonders bevorzugt im Bereich von 1-5 Hz liegt. Die Ausgabe des Präprozessors nach der Verarbeitung besteht aus den (ggfl. hochpassgefilterten) Fourier-Koeffizienten eines Chunks.The remaining chunks B t-1 , B t are then mean-corrected in the preprocessor step and transformed into the frequency domain using a discrete Fourier transformation, e.g. a Fast Fourier Transformation (FFT), in order to obtain the Fourier coefficients for each chunk B t-1 , B t required for the subsequent feature extractor step. 6 shows an example of such a spectrogram. After the Fourier transformation, optionally in the preprocessor step before It can be seen that a high-pass filter 158 is used, which operates at a predeterminable cutoff frequency in order to filter out the actual pressure value. The predeterminable cutoff frequency can, for example, be selected so that it is in the range of a few Hz, preferably less than 5 Hz, particularly preferably in the range of 1-5 Hz. The output of the preprocessor after processing consists of the (possibly high-pass filtered) Fourier coefficients of a chunk.

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 3 und 4 dargestellt ist.In the feature extractor step following the preprocessor step, the features required to detect a clogged differential pressure line 25, 26 are determined. For this purpose, a variant is proposed here which is essentially based on the application of neural networks, in particular convolutional networks (hereinafter also referred to as convolutional neural networks or “CNN” for short) from the field of machine learning and which are essentially used in the 3 and 4 is shown.

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 microprocessor 162 may not be sufficient for training CNNs.

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.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines sowohl für das Training als auch in der Inferenzphase verwendbaren neuronalen Netzes. Bei dem Netz kann es sich vorzugsweise um ein Faltungsnetz handeln. Als Eingabe kann das Netz bspw. einen Ausschnitt des Spektrogramms der Dimension T × K × 1 erhalten, wobei mit T die Anzahl aufeinanderfolgender Zeitschritte (abgebildet durch unterschiedliche Chunks) und mit K die Anzahl der nach der Hochpassfilterung übrig gebliebenen Fourier-Koeffizienten beschrieben wird. Der Spektrogrammausschnitt kann dann durch zwei Faltungsschichten verarbeitet und durch Max-Pooling-Schichten in der Dimension reduziert werden. Nach einem Flattening, bei dem die mehrdimensionale Datenstruktur in eine eindimensionale Datenstruktur überführt wird, kann ein dreistufiger Klassifikator aus Fully-Connected-Schichten geringer werdender Größe erfolgen. Dieser mündet schließlich in einer skalaren Ausgabe, die durch eine Sigmoid-Aktivierungsfunktion in einen Wertebereich (0; 1) abgebildet wird. Über einen vorgebbaren Schwellwert η aus diesem Intervall kann dann eine Grenze für die Zuordnung eines Samples zur Positiv- oder Negativklasse gesetzt werden, so dass eine binäre Ausgabe erzeugt werden kann, die angibt, ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt oder nicht. 5 shows an embodiment of a neural network that can be used both for training and in the inference phase. The network can preferably be a convolutional network. The network can receive as input, for example, a section of the spectrogram of dimension T × K × 1, where T describes the number of consecutive time steps (represented by different chunks) and K the number of Fourier coefficients remaining after high-pass filtering. The spectrogram section can then be processed by two convolution layers and reduced in dimension by max-pooling layers. After flattening, in which the multidimensional data structure is converted into a one-dimensional data structure, a three-stage classifier made up of fully connected layers of decreasing size can be used. This ultimately leads to a scalar output that is mapped into a value range (0; 1) by a sigmoid activation function. A limit for the assignment of a sample to the positive or negative class can then be set via a predeterminable threshold value η from this interval, so that a binary output can be generated that indicates whether a clogged differential pressure line is present or not.

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 „ MobileNets: Efficient Convolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications“ von Andrew G. Howard, et al. oder in der Veröffentlichung „ Rigid Motion Scattering for Texture Classification“ von Laurent Slfre, Stéphane Mallat beschrieben. Hierfür wird zunächst jeder der N Eingabekanäle durch eine separate Convolution mit Kernelgröße W × H × 1 transformiert, wobei mit W und H Breite und Höhe der Kernels bezeichnet wird. Die daraus entstehenden Ergebnisse können anschließend zu einem Tensor der Dimension T' × K' × N' zusammengefasst werden, bevor M Convolutions mit einer Kernelgröße 1 × 1 × N auf den Tensor angewandt werden können. Das Resultat ist letztlich ein Tensor der Dimension T' × K' × M mit M Feature Maps der Größe T' × K', wie es auch bei der Anwendung einer klassiscihen (W × H × M)-Convolution der Fall gewesen wäre. Beide Faltungsschichten können bspw. Kernels der Größe 3 × 3 besitzen, wobei Padding und Stride jeweils eins sind. In der ersten Faltungsschicht können acht Feature Maps erzeugt werden, die durch die zweite Faltung auf zwölf erweitert werden können. Nach jeder Schicht kann ein (2 × 2)-Max-Pooling für eine Halbierung von Breite und Höhe der Feature Maps sorgen. In allen Convolution- und Fully-Connected-Schichten wird vorzugsweise ReLu als Aktivierungsfunktion verwendet. Ausgenommen ist hierbei die letzte Schicht, in der, wie zuvor beschrieben, die Sigmoid-Funktion benutzt wird. For the convolution, classic convolutions (convolutional layers) are preferably not used. Instead, convolutional layers, especially so-called depthwise separable convolutions, are used. Depthwise Sepa rable convolutions are described, for example, in the publication “ MobileNets: Efficient Convolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications” by Andrew G. Howard, et al. or in the publication “ Rigid Motion Scattering for Texture Classification” by Laurent Slfre, Stéphane Mallat described. To do this, each of the N input channels is first transformed by a separate convolution with kernel size W × H × 1, where W and H denote the width and height of the kernels. The resulting results can then be combined to form a tensor of dimension T' × K' × N' before M convolutions with a kernel size 1 × 1 × N can be applied to the tensor. The result is ultimately a tensor of dimension T' × K' × M with M feature maps of size T' × K', as would have been the case when applying a classic (W × H × M) convolution. Both convolution layers can, for example, have kernels of size 3 × 3, with padding and stride each being one. In the first convolution layer, eight feature maps can be generated, which can be expanded to twelve by the second convolution. After each layer, a (2 × 2) max pooling can halve the width and height of the feature maps. In all convolution and fully connected layers, ReLu is preferably used as the activation function. This is excepted in the last layer, where the sigmoid function is used, as described above.

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 differential pressure line 25, 26 is present, can be sufficient for detecting a clogged differential pressure line 25, 26. However, this can produce incorrect results. For this reason, it can optionally be provided that in the classifier step following the feature extractor step, an additional smoothing of the output of the feature extractor is carried out using a mean value filter. The mean value filter aggregates the last M outputs that result from the feature extractor step and decides, depending on the threshold value, based on the mean value, whether a clogged differential pressure line is actually present or not.

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]

Claims (17)

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, 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.A computer-implemented method for detecting a blocked differential pressure line of a pressure measuring arrangement, comprising the following steps: - detecting a pressure measuring signal by means of the pressure measuring arrangement (1), preferably for a defined period of time; - combining, preferably successive measured values of the pressure measuring signal into, preferably overlapping blocks (B t-1 , B t ), 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 (c 1,t-1 ; c n,t ); - entering 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; - generating an output which indicates whether or not a blocked differential pressure line is present. Ein computerimplementiertes Verfahren zum Trainieren eines neuronalen Netzwerkes 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 zum Trainieren des neuronalen Netzwerkes anhand der erzeugten Frequenzspektren der Blöcke.A computer-implemented method for training a neural network 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 (B t-1 , B t ), 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 (c 1,t-1 ; c n,t ); - entering the, in particular acoustic frequency spectra of the blocks into a neural network for training the neural network based on the generated frequency spectra of the blocks. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei 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.procedure according to claim 1 or 2 , wherein 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. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei für die Spektrogramme eine Leistung für jede Frequenzkomponente berechnet wird.Method according to the preceding claim, wherein a power for each frequency component is calculated for the spectrograms. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei für das Training des neuronalen Netzwerkes jedem Spektrogramm ein binäres Label zugeordnet wird, welches angibt, ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt oder nicht.Method according to one or more of the preceding claims, wherein for training the neural network, each spectrogram is assigned a binary label which indicates whether a clogged differential pressure line is present or not. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Spektrogramm durch das neuronale Netzwerk durch mehrere, vorzugsweise zwei Faltungsschichten verarbeitet und/oder durch eine Max-Pooling-Schicht in der Dimension reduziert wird.Method according to one or more of the preceding claims, wherein each spectrogram is processed by the neural network through several, preferably two, convolution layers and/or reduced in dimension by a max-pooling layer. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das neuronale Netzwerk ein Faltungsnetzwerk ist, welches dazu eingerichtet ist, Convolutional Layers, insb. Dephtwise Separable Convolutions zu nutzen.Method according to one or more of the preceding claims, wherein the neural network is a convolutional network which is configured to use convolutional layers, in particular depth-separable convolutions. Verfahren nach einem dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Faltungsnetzwerk ein Flattening durchgeführt wird, bei dem eine mehrdimensionale Ausgabedatenstruktur einer jeweiligen Faltungsschicht des Faltungsnetzwerkes in eine eindimensionale Ausgabedatenstruktur überführt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein flattening is carried out in the convolutional network, in which a multi-dimensional output data structure of a respective convolutional layer of the convolutional network is converted into a one-dimensional output data structure. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch einen mehrstufigen, vorzugsweise einen dreistufigen Klassifikator aus Fully-Connected-Schichten geringer werdender Größe, eine skalare Ausgabe, insb. aus der Ausgabedatenstrukutur erzeugt wird, die, vorzugsweise durch eine Sigmoid-Aktivierungsfunktion, in einen Wertebereich [0; 1] abgebildet wird, umso die Ausgabe zu erzeugen, die angibt, ob eine verstopfte Wirkdruckleitung vorliegt oder nicht.Method according to one or more of the preceding claims, wherein 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 which indicates whether a clogged differential pressure line is present or not. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenzspektren mittels einer diskreten Fourier Transformation, insb. einer Fast-Fourier-Transformation erzeugt werden.Method according to one or more of the preceding claims, wherein the frequency spectra are generated by means of a discrete Fourier transformation, in particular a fast Fourier transformation. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenzspektren der jeweiligen Blöcke (Bt-1, Bt) hochpassgefiltert werden, sodass Frequenzanteile, die unterhalb einer vorgebbaren Grenzfrequenz liegen, im Wesentlichen herausgefiltert bzw. gedämpft werden.Method according to one or more of the preceding claims, wherein the frequency spectra of the respective blocks (B t-1 , B t ) are high-pass filtered so that frequency components which are below a predefinable cut-off frequency are essentially filtered out or attenuated. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zum Herausfiltern der Ruhephasen des Prozesses für die Blöcke (Bt-1, Bt) zumindest jeweils eine Varianz berechnet wird, und anhand der Varianz entschieden wird, ob es sich um eine Ruhephase des Prozesses handelt.Method according to the preceding claim, wherein in order to filter out the idle phases of the process for the blocks (B t-1 , B t ) at least one variance is calculated in each case, and a decision is made on the basis of the variance as to whether it is an idle phase of the process. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Varianz mit einem konfigurier- bzw. einstellbaren Schwellwert verglichen wird, um zu entscheiden, ob es sich um eine Ruhephase des Prozesses handelt, wobei der Schwellwert vorzugsweise in einem Bereich ≤ -70 dB, besonders bevorzugt ≤ -80 dB, ganz besonders bevorzugt im Bereich von -80 bis -90 dB liegt.Method according to the preceding claim, wherein the variance is determined with a configurable or adjustable threshold value in order to decide whether it is a rest phase of the process, wherein the threshold value is preferably in a range ≤ -70 dB, particularly preferably ≤ -80 dB, most preferably in the range from -80 to -90 dB. Datenverarbeitungsgerät mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung nach Anspruch 1 und/oder zur Durchführung des Verfahrens zum Trainieren eines neuronalen Netzwerkes nach Anspruch 2.Data processing device with means for carrying out the method Method for detecting a clogged differential pressure line according to claim 1 and/or for carrying out the method for training a neural network according to claim 2 . Computerprogramm mit Anweisungen, die, wenn das Programm von einem Computer ausgeführt wird, den Computer veranlassen, das Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung nach Anspruch 1 und/oder das Verfahren zur Durchführung des Verfahrens zum Trainieren eines neuronalen Netzwerkes nach Anspruch 2 durchzuführen.Computer program with instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out the process for detecting a clogged differential pressure line according to claim 1 and/or the method for carrying out the method for training a neural network according to claim 2 to carry out. Computerlesbares Medium, das Anweisungen enthält, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung nach Anspruch 1 und/oder das Verfahren zur Durchführung des Verfahrens zum Trainieren eines neuronalen Netzwerkes nach Anspruch 2 auszuführen.A computer-readable medium containing instructions that, when executed by a computer, cause the computer to perform the method for detecting a clogged differential pressure line according to claim 1 and/or the method for carrying out the method for training a neural network according to claim 2 to execute. Druckmessanordnung, wenigstens umfassend: - einen Druckmessumformer (10) zum Erfassen zumindest eines Mediendrucks eines Mediums; - eine Betriebs- und/oder Auswerteschaltung (14) zum Bereitstellen eines Druckmesssignals, welches von dem zumindest einen Mediendruck abhängt; - zumindest eine Wirkdruckleitung (25), welche an einen Druckeingang (12) des Druckmessumformers (10) angeschlossen ist, um dem Druckmessumformer (10) mit dem zumindest einen Mediendruck zu beaufschlagen; - eine Detektionseinheit (150), welche vorzugsweise als Teil der Betriebs- und/oder Auswerteschaltung ausgebildet und dazu eingerichtet ist, das Verfahren zur Erkennung einer verstopften Wirkdruckleitung nach Anspruch 1 und/oder das Verfahren zur Durchführung des Verfahrens zum Trainieren eines neuronalen Netzwerkes nach Anspruch 2 auszuführen.Pressure measuring arrangement, at least comprising: - a pressure transducer (10) for detecting at least one media pressure of a medium; - an operating and/or evaluation circuit (14) for providing a pressure measurement signal which depends on the at least one media pressure; - at least one effective pressure line (25) which is connected to a pressure input (12) of the pressure transducer (10) in order to apply the at least one media pressure to the pressure transducer (10); - a detection unit (150) 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 effective pressure line according to claim 1 and/or the method for carrying out the method for training a neural network according to claim 2 to execute.
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