一种用于检测在压力或真空下的气体网络中的泄漏的方法和气体网络与流程

本发明涉及一种用于检测在压力或真空下的气体网络中的泄漏的方法。

更具体地，本发明旨在能够量化发生在气体网络中的泄漏。

背景技术：

“气体”在此表示例如空气，但不是必须的。但氮气或天然气也是可能的。

用于监测或控制在压力下气体网络的方法是已知的，因此这些方法是为长而直的管道建立的，在这些管道中，由于所讨论的气体的可压缩性，流入的流量不一定等于流出的流量。

这些方法基于许多假设，例如很长的管道、直管道，这些假设不适用于复杂的在压力下的气体网络，其中一个或多个压缩机设备在压力下将气体供应给复杂的消耗器网络。

此外，如us7.031.850b2和us6.711.502b2中所述，方法已经到位，以检测最终消耗器自身的气动部件或工具中的泄漏。最终消耗器可以是单个最终消耗器或包括所谓的消耗器区域或一组单个最终消耗器。

用于估计源侧总泄漏率的方法也可从例如de20.2008.013.127u1和de20.2010.015.450u1得知。

这种已知方法的缺点是它们不允许检测源和消耗器或消耗器区域之间复杂的管道网络中的泄漏。此外，气体管道网络或真空网络是不可低估的泄漏源。

技术实现要素：

本发明的目的是提供对这个问题的解决方案。

本发明涉及一种用于检测和量化加压气体网络中的泄漏的方法；该气体网络包括：

-一个或多个压缩气体源或真空源；

-压缩气体或真空应用的一个或多个消耗器或消耗器区域；

-将气体或真空从源输送到消耗器、消耗器区域或应用的管道或管道网络；

-多个传感器，用于确定气体网络中不同时间和位置的一个或多个气体物理参数；

其特征在于，该气体网络还可以配备额外的传感器，这些传感器指示源、消耗器、消耗器区域或应用的状态(例如开/关)，并且该方法包括以下步骤：

-任何启动阶段，在此期间使用上述传感器；

-训练或估计阶段，其中使用估计算法基于物理定律确定第一组传感器和第二组传感器的测量值之间的物理模型或数学关系；

-操作阶段，其中在第一组传感器和第二组传感器的测量值之间建立的物理模型或数学关系被用于预测气体网络中的泄漏；

其中操作阶段包括以下步骤：

-读出第一组和第二组传感器；

-从第一组传感器的读出测量值，使用物理模型或数学关系计算或确定第二组传感器的值；

-将第二组传感器的计算值或某些值与第二组传感器的读取值进行比较并确定它们之间的差分；

-根据残值分析确定气体网络中是否存在泄漏；

-如果检测到泄漏，则生成警报和/或生成泄漏率和/或生成相应的泄漏成本。

优点是，这种方法将使得学习、检测和量化气体网络本身中的泄漏成为可能。

换句话说，通过该方法检测和量化的泄漏不仅限于压缩气体的源或消耗器，即压缩机设备和气动工具或组件中的泄漏，还可能涉及气体网络本身的管道中的泄漏.

需要注意的是，在压力下的气体网络情况下，会发生到外部的泄漏，且气体会逸出到周围区域。在真空下的气体网络中，泄漏将“向内”发生，即环境空气将进入气体网络。

在训练阶段，基于已知物理定律并使用各种传感器的测量结果在这组传感器之间建立数学关系。

因此使用估计算法。

首先，这是基于气体网络中不存在泄漏的假设，换言之，它基于气体网络的正常情况或所谓的“基线”。

通过这种方式，可以创建物理模型或数学模型来表示传感器测量的不同参数之间的关系。

然后该模型将用于通过比较模型的结果和传感器的测量结果,立即检测传感器的未来测量结果中的不规则性。

通过这种方式，可以非常快速地检测到泄漏，并且在检测到泄漏的情况下，可以采取措施并关闭泄漏。

优选地，在某些时刻，操作阶段被暂时中断或停止，此后在操作阶段重新开始之前恢复训练阶段以重新定义不同传感器的测量结果之间的物理模型或数学关系。

应该注意的是，过程，即具有源、管道和消耗器的气体网络，不是被关断，而只是方法被关断。换句话说，如果操作阶段暂时中断或停止，源仍将向消耗器供应气体或真空。

中断操作阶段和恢复训练阶段具有更新物理模型或数学关系的优点。

这将使考虑气体网络或系统随时间变化的行为成为可能，从而泄漏的检测不依赖于气体网络的变化行为。例如，当在能源审计、气体网络扩张和/或网络堵塞后已检测到泄漏并进行处理时，就会出现这种情况。在这种情况下，检测系统从新的“基线”或零开始。

本发明还涉及在压力或真空下的气体网络；该气体网络至少配备：

-一个或多个压缩气体源或真空源；

-压缩气体或真空应用的一个或多个消耗器或消耗器区域；

-将气体或真空从源输送到消耗器、消耗器区域或应用的管道或管道网络；

-多个传感器，用于确定气体网络中不同时间和位置的一个或多个气体物理参数；

其特征在于该气体网络还配备：

-可能的一个或多个传感器，可以记录一个或多个源、消耗器、消耗器区域或应用的状态或状况；

-数据采集控制单元，用于从传感器收集数据；

-计算单元，用于执行根据本发明的方法。

这种布置可用于应用根据本发明的方法。

附图说明

为了更好地展示本发明的特征，参考附图，通过没有任何限制特性的示例的方式已经在下面描述了根据本发明的方法和气体网络的多个优选变体，附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的布置；

图2示出了根据本发明的方法的示意流程图。

具体实施方式

图1中的气体网络1主要包括源侧2、消耗器侧3和两者之间的管道5的网络4。

在这种情况下，气体网络1是处于压力下的气体网络1，即存在高于大气压的压力。

气体可以是空气、氧气或氮气或任何其他无毒和/或有害气体或气体混合物。

源侧2包括多个压缩机6，在这种情况下为三个，其产生压缩空气。

压缩机6包含压缩空气干燥器也是可能的。

消耗器侧3包含多个压缩空气的消耗器7，并且在这种情况下也是包含三个。

不排除压缩机6也可以位于气体网络1的下游。这被称为“增压压缩机”。

压缩空气通过管道5的网络4从压缩机6输送到消耗器7。

在大多数情况下，这个网络4是一个非常复杂的管道5的网络。

图1以非常示意和简化的方式显示了这个网络4。此外，为了保持图1中的简单性，气体网络1中的相关关断阀和旁通阀未明确标出。

在大多数实际情况下，管道5的网络4由大量的管道5组成，这些管道5将消耗器7彼此串联和并联并与压缩机6连接。不排除网络4的一部分采用或包含环状结构。

这是因为随着时间的推移，气体网络1通常会利用额外的消耗器7或压缩机6进行扩展，从而在现有管道5之间必须铺设新的管道5，这会导致管道5的混乱。

气体网络1还可以配备压力容器8，所有压缩机6都在该压力容器8的前面。

不排除在气体网络1的下游可以有一个或多个压力容器8。

此外，还可以在气体网络1中提供组件19，例如过滤器、分离器、雾化器和/或调节器。这些组件19可以以各种组合方式找到，并且可以在压力容器8附近和靠近各个消耗器7处找到。

在所示的示例中，这些部件19设置在缓冲容器8之后并靠近各个消耗器7。

网络4还包括多个传感器9a，9b，9c和9d，它们位于网络4中的不同位置。

在这种情况下，一个流量传感器9a就被正好放置在上述压力容器8之后，其将测量由所有压缩机6提供的总流量q。也可以由压缩机6自己测量压缩机6的各个流量。

此外，图中显示了四个压力传感器9b，它们测量网络4中不同位置处的压力。

还推荐用于测量压力容器8中的压力的压力传感器9b以校正大的、集中的体积的“质量输入-质量输出”原则。

显然，也可以提供多于或少于四个压力传感器9b。此外，流量传感器9a的数量并不对本发明进行限制。

除了流量传感器9a或压力传感器9b之外，附加地或替代地，传感器9a，9b可用于确定气体的以下物理参数中的一个或多个：压差、气体速度、温度或湿度。

除了上述测量气体物理参数的传感器9a和9b之外，还可能有多个传感器9c或“状态传感器9c”，它们位于靠近压缩机6、消耗器7或消耗器区域处。优选地，这些传感器9c是消耗器7本身的一部分，其被称为智能消耗器。

这些传感器9c然后确定压缩机6、消耗器7或消耗器区域的状态或状况，例如开启或关闭。如下文所述，通过使用这些状态传感器9c，可以降低估计算法的交叉敏感性，从而使这些估计算法变得更加可靠。

传感器9a，9b，9c中的至少一些与源6和/或消耗器7一起集成在一个模块中也是可能的。这被称为“智能连接气动设备”。

还可以使用传感器9a，9b，其测量消耗器7或消耗器区域处的气体的压力或流量。还可以使用传感器来测量消耗器7处或消耗器区域中的气体温度。

来自附加或替代传感器9a，9b组的前述压差传感器9d优选地放置在过滤器、分离器、雾化器和/或调节器部件19之上。不用说，压差传感器9d的数量可以不同于图1中所示。

来自附加或替代传感器9a，9b组的前述湿度和温度传感器优选地安装在压缩机6和消耗器7的入口和/或出口处。

在所示的示例中，上述附加或替代传感器9a，9b并未全部包括在气体网络1中，但不言而喻这也是可能的。当然，在更广泛和复杂的气体网络1中，可以使用这样的传感器9a，9b，以及在仅测量体积流率而不是质量流率的网络1中。

根据本发明，气体网络1还配备数据采集控制单元10以从上述传感器9a，9b，9c，9d采集数据。

换言之，传感器9a，9b，9c，9d确定或测量气体的物理参数以及压缩机6、消耗器7和/或消耗器区域的状态，并将该数据发送到数据采集控制单元10。

根据本发明，气体网络1还配备用于处理来自传感器9a，9b，9c，9d的数据的计算单元11，由此计算单元11将能够执行根据本发明的用于检测和量化气体网络1中的泄漏12的方法，如下所述。

上述计算单元11可以是物理模块，是气体网络1的物理部分。不排除计算单元11不是物理模块，而是所谓的基于云的计算单元11，其可以被无线连接到气体网络1或者可以被非无线连接到气体网络1。这意味着计算单元11或计算单元11的软件位于“云”中。

在这种情况下，气体网络1还配备监视器13以显示或用信号通知使用该方法检测到的泄漏12。

根据本发明的气体网络1和方法的操作非常简单并且如下。

图2示意性地示出了用于检测和量化图1的气体网络1中的泄漏12的方法。

在第一阶段14，启动阶段14，如有必要，在使用前校准传感器9a，9b，9c，9d。不用说，如果有其他传感器，也可以在使用前进行校准。

这在传感器9a，9b，9c，9d被放置在气体网络1中时发生一次。当然，传感器9a，9b，9c，9d可以随着时间被重新校准是可能的。

优选地，传感器9a，9b，9c，9d在操作中被校准或通过原位自校准被校准。这意味着在气体网络1中的传感器9a，9b，9c，9d被校准，即在它们被安装之后被校准。“在操作中”或“原位”是指无需从气体网络1中移除传感器9a，9b，9c，9d的校准。

以这种方式可以确保传感器9a，9b，9c，9d的放置不会影响它们的测量，因为校准将仅在传感器9a，9b，9c，9d的放置之后进行。

然后第二阶段15或训练阶段15开始。

在该阶段，使用估计算法基于物理定律确定第一组传感器9a，9b，9c，9d和第二组传感器9a，9b，9c，9d的测量值之间的物理模型或数学关系。通过添加来自压缩机6、消耗器7或消耗器区域的额外状态传感器9c(例如开/关)，可以降低估计算法的噪声敏感性，使得估计算法更可靠。

基于已知的物理定律，可以在第一组传感器9a，9b，9c，9d和第二组传感器9a，9b，9c，9d之间建立模型。

该第一组传感器9a，9b，9c，9d优选地都测量气体网络1中不同位置处的相同的气体物理参数，例如压力p和/或压力差dp。第二组传感器9a，9b，9c，9d优选地都测量相同的气体物理参数，例如流率q。

例如，模型由诸如矩阵等数学关系组成，其中仍然有许多参数或常数。

这些参数或常数可以通过读出相应的传感器9a，9b，9c，9d并使用估计算法来确定。

这是基于没有泄漏12的气体网络1的一种基线情况或正常情况。

该数学模型还基于管道5的电阻不变并且网络4的拓扑结构固定的假设。

数据采集控制单元10将读出传感器9a，9b，9c，9d并将这些数据发送到计算单元11，在那里进行必要的计算以确定上述参数或常数。

一旦已经确定了参数或常数，就以两组传感器9a，9b，9c，9d之间的数学关系的形式确定物理模型。

在所示示例中，第一种情况16显示在图2的右侧，由此第二组包括如图1所示的一个流量传感器9a，以及图2的左侧的第二种情况17，由此第二组可以包括多个流量传感器9a。

对于第二种情况17，几个流量传感器9a将被放置在网络4中，例如靠近消耗器7或消耗器区域，它们形成第二组传感器9a。

在这两种情况下，第一组传感器9a，9b，9c，9d包括在气体网络1中不同位置处的不同压力传感器9b和/或压差传感器9d，并且可能包括一个或多个流量传感器9a。重要的是要注意第二组的流量传感器9a与第一组的流量传感器9a不同。因此唯一的条件是两组传感器9a，9b，9c，9d的截面(cross-section)必须是未占用的。

在这两种情况16、17中，用于确定物理模型的方法几乎相同。

第一组和第二组传感器9a，9b，9c，9d的测量值之间的数学关系形式的物理模型可以被用在操作阶段18中以便检测和量化气体网络1中的泄漏12。

操作阶段18在气体网络1的操作期间进行，即当压缩机6通过管道5的网络4向不同的消耗器7供应压缩气体时。正是在气体网络1的操作期间，重要的会是能够检测和量化泄漏12.

上述两种情况的操作阶段18是类似的，并且是如下列：

-读出第一组传感器9a，9b，9c；

-根据来自第一组传感器9a，9b，9c的读数，使用物理模型或数学关系计算或确定第二组传感器9a，9b，9c的值；

-将第二组传感器9a，9b，9c，9d的确定值或计算值与第二组传感器9a，9b，9c，9d的读取值进行比较并确定它们之间的差分；

-基于残值分析和可能的状态传感器9c，计算系统中是否存在泄漏12；

-如果检测到泄漏12，则产生警报，以及可能的相应泄漏流量和/或泄漏成本。

同样在这里，数据采集控制单元10将从传感器9a，9b，9c收集不同的数据，并且计算单元11将使用在前一阶段15中建立的物理模型执行必要的计算。

操作阶段18的这些步骤优选地以一定时间间隔顺序地重复。

因此，在气体网络1的整个操作时段期间，可以检测和追踪泄漏12，而不是仅仅一次，例如在气体网络1启动期间或启动后不久。

上述时间间隔可以根据气体网络1进行选择和设置。

在上述第一种情况16中，如图2的右侧所示，操作阶段18包括以下步骤：

-读出第一组传感器9a，9b，9c，9d；

-根据第一组传感器9a，9b，9c，9d的读数，使用物理模型或数学关系计算或确定第二组传感器9a，9b，9c，9d的前述流量传感器9a的值；

-将该流量传感器9a的计算值或确定值与该流量传感器9a的读取值进行比较，并使用残值分析来确定在气体网络1中是否存在泄漏12。

这种方法具有的优点是在训练阶段15中和在操作阶段18中都只需要一个流量传感器9a。

流量传感器9a在技术上通常比压力传感器9b和/或压差传感器9d更难以实现、更复杂且更昂贵。通过将流量传感器9a的数量减少到一个，该系统更便宜。

为了确定在气体网络1中的泄漏12，在最后的步骤中，考虑来自状态传感器9c的任何信息，将流量q的确定值或计算值与流量传感器9a的读取值进行比较。

如果两者之间的差分超过一定阈值，则表明在气体网络1中存在泄漏12。

该阈值可以预先设置或选择。

当检测到泄漏12时，将产生警报。在这种情况下，这是在显示警报的监视器13的帮助下完成的。

气体网络1的用户将注意到该警报并且能够采取适当的步骤。

在上述第二种情况17中，如图2的右侧所示，操作阶段18包括以下步骤：

-读出第一组传感器9a，9b，9c，9d；

-根据第一组传感器9a，9b，9c，9d的读数，使用物理模型或数学关系计算或确定第二组传感器9a，9b，9c，9d的前述流量传感器9a的值；

-将这些流量传感器9a的计算值或确定值与流量传感器9a的读取值进行比较，并根据残值分析确定在气体网络1中是否存在泄漏12。

如果差分或其导数之一，例如(加权)和，超过一定阈值，则这将指示在气体网络1中存在泄漏12，并且将以与第一种情况类似的方式产生警报。

在这种情况下，也可以预先设置或选择一个或多个阈值。

从多个流量传感器9a开始，第二种情况17中的方法具有泄漏12更容易定位的优点。

如前所述，操作阶段的这些步骤将被顺序地和循环地重复。

在本发明的优选变体中，在某些时刻，操作阶段18将被暂时中断或停止，之后在操作阶段18重新开始之前将恢复训练阶段15以重新定义不同传感器的测量值之间的物理模型或数学关系。

“在某些时刻”应该被解释为预设的时刻，例如每周一次、每月或每年一次，或者用户可以选择适合用户的时刻。

物理模型会被更新以考虑系统的可能的随时间变化的行为。

这可能包括，例如，通过更换相关部件或密封件而封闭的网络4中的泄漏12、网络4中的额外堵塞或网络4拓扑结构中的变化。

尽管在图1的示例中，它涉及处于压力下的气体网络1，但它也可以是处于真空下的气体网络1。

源侧2则包括多个真空源，即真空泵或类似物。

在这种情况下，消耗器7已被需要真空的应用所取代。

此外，该方法是相同的，当然考虑到泄漏现在将环境空气引入进气体网络1中。优选地，将设置其他合适的阈值以产生警报。

本发明决不限于通过示例和附图所示的实施例，而是可以在不超出本发明的范围的情况下以不同的变型实施如本发明所要求保护的这种方法和气体网络。