技术领域
[0001] 本
发明涉及用于监控具有至少一个管道的引导液态介质的管道系统的方法和设备，其中通过求取在至少一个管道中的液态介质的流量（Fluss）和液态介质的压
力来计算针对至少一个管道的堵塞程度。所述堵塞程度被考虑为针对管道系统的故障的存在的指示。
背景技术
[0002] 因为引导液态介质的管道系统经常是安全相关的设备的中心组成部分，所以对所述管道系统提出关于可靠性的高的要求。在这样的情况下，作为冷却装置的组成部分所实施的管道系统必须持续地鉴于其高性能性被检验，因为在例如由
泄漏或者堵塞引起的管道系统出毛病的情况下可能引起高的损害。
[0003] 如果管道系统引导例如液态介质、例如
水，那么用于监控这样的管道系统的已知的方法在于：持续地作为参数检测管道系统中的液态介质的当前流量。借助于所谓的水压函数（Wasserdruckfunktion）从所检测的参数中求取液态介质的所谓的理论压力。液态介质的理论压力是这样的压力：即所述压力通过插入（Einsetzen）液态介质的当前流量由水压函数得出。在测量管道系统中的液态介质的当前压力之后，求取在液态介质的当前压力和液态介质的理论压力之间的差。所得到的差例如用作用于堵塞的尺度或者用作用于管道系统的泄漏的大小的尺度，并且持续地相对预先给定的公差被比较。如果在较长的时间间隔上公差被超过，那么警报作为对管道系统的故障的提示被触发。
[0004] 在此不利的是，所检测的参数通常加载有强的噪声，由此不必要的误警报被触发。为了避免这一点，相对大的公差被预先给定，其中这又消极地影响监控的可靠性。另一缺点在于，在液态介质的当前压力和液态介质的理论压力之间的所求取的差仅给出关于堵塞的尺度的符合发展趋势的消息。因此，一般地难以预先给定用于公差的合适的值，其中不仅触发少的误警报而且给出对监控的可靠性的一定的尺度。
[0005] 由DE 10 2009 051 931 A1已知用于在用于使技术设备冷却的冷却设备中的泄漏的早期识别的方法。在所述方法中，两个可控的
阀门以一定的间隔一个接一个地布置在管道中。两个压力
传感器布置在两个阀门之间。两个
压力传感器中的每一个均布置在两个阀门中的每一个的附近。实际的压力被检测，并且与所期望的压力比较。根据所述比较，推断出泄漏的存在。
[0006] 由AT 513 042 B1已知：在管道系统中重复地检测压力差和实际的流量，并且从中求取管道系统的液压阻力。所求取的液压阻力可视地被输出。此外可以自动化地检验，所求取的液压阻力是否处于允许的范围之内。在离开允许的范围时，警告信息可以被输出。
[0007] 由JP H01 149 109 A已知：在
输出侧借助于阀门封
锁管道系统的
片段，然后加载压力，并且最后也在
输入侧借助于另一阀门封锁。然后，在管道系统的片段中的压力被检测和分析。
发明内容
[0008] 本发明的任务在于，提供用于可靠地监控管道系统的可能性，所述可能性克服上述缺点。
[0009] 通过用于监控管道系统的方法解决所述任务。
[0010] 按照本发明，在按照本发明的方法的范围中规定，
[0011] a）在检测时间点分别检测在至少一个管道中的液态介质的当前压力和在至少一个管道中的分别所属的当前流量，
[0012] b）分别检测的当前压力和分别检测的当前流量由计算单元接受，
[0013] c）在考虑预先给定的流函数的情况下，由计算单元由相应的所检测的当前压力计算在至少一个管道中的液态介质的相应的理论流量，其中所述流函数描述在液态介质的理论流量和液态介质的相应的当前压力之间的物理关联，
[0014] d）由计算单元根据相应的当前流量和相应的理论流量求取相应的单独堵塞程度，[0015] e）在应用随机方法的情况下，由计算单元根据多个所求取的单独堵塞程度计算区间，其中管道系统的堵塞程度以要确定的概率处于所述区间之内，和
[0016] f）通过关于堵塞程度的事先确定的第一极限考虑所计算的区间的
位置和/或所计算的区间的大小作为针对管道系统的故障的存在的指示来监控管道系统。
[0017] 液态介质位于管道系统的至少一个管道中。在检测时间点分别检测在管道系统的至少一个管道中的液态介质的当前压力或者实际压力以及液态介质的分别所属的当前流量或者实际流量。所求取的大小被递交给计算单元，并且由计算单元接受。在考虑所谓的流函数的情况下，在计算单元中根据相应的所检测的当前压力计算在至少一个管道中的液态介质的理论流量，其中所述流函数描述在液态介质的理论流量和液态介质的当前压力之间的物理关联。
[0018] 在管道系统是无故障的、也即不具有泄漏和/或堵塞的前提条件下，理论流函数例如如下被求取：
[0019] 对于液态介质的每个当前压力，在管道系统中或者在至少一个管道中的液态介质的当前流量被求取。在此生成的值元组根据经验地描述在管道系统中的液态介质的当前压力和液态介质的当前流量之间的关联。借助于适当的函数（流函数）对所生成的关联进行拟合。流函数被存放在计算单元中。
[0021] 根据帕斯卡定律，在管道系统或者在至少一个管道中的液态介质的压力差△pw为：
[0022]
[0023] 其中ρ作为液态介质的
密度，g作为重力
加速度并且△h作为在用于测量液态介质的压力的压力测量设备和管道系统或者至少一个管道的位置之间的高度差。
[0024] 在管道系统中或者在至少一个管道中的由摩擦决定的压力损失△pf通过达西魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）方程
[0025]
[0026] 给出，其中ρ作为液态介质的密度，v作为液态介质的特征速度，l和d作为至少一个管道的长度或者直径，并且λ作为达西摩擦因子。必要时由在管道中存在的装入件（Einbauten）得出的压力损失被忽略。
[0027] 达西摩擦因子λ与特征速度和至少一个管道的粗糙度有关。对于薄片状
流体（
雷诺数Re＜2050）适用的是：
[0028] ，其中
[0029] 其中η作为液态介质的动态粘性。
[0030] 科尔布鲁克方程适用于湍急的流体（雷诺数Re＞4000），从中数字地确定达西摩擦因子：
[0031]
[0032] 其中k作为至少一个管道的粗糙度。在实践中，至少一个管道的粗糙度近似为0.05mm。
[0033] 布拉修斯（Blasius）的公式适用于Re＞2010 和Re＜4000：
[0034]
[0035] 为了获得流函数，将函数与所生成的值元组拟合。流函数例如可以被写为[0036] ,
[0037] 其中wp作为液态介质的压力，f作为液态介质的流量，并且其中c、c1和c2作为系数。
[0038] 在第一步骤中，例如在测试装置中，针对在管道系统中的液态介质的当前流量和当前压力的所求取的值借助于函数
[0039]
[0040] 被拟合，其中实际的管道系统或者至少一个管道的物理情况（Verhältnisse）在所述测试装置中被再现。系数c1和c2≈2是恒定的。在另一步骤中，在实际的管道系统中求取的针对液态介质的当前流量和当前压力的数据借助于函数
[0041]
[0042] 被拟合，其中p1描述关于来自至少一个管道的液态介质的出口位置和压力测量的压力差，并且p2以及p3描述由于在液态介质和管道系统或者至少一个管道之间的摩擦而引起的在管道系统中或者在至少一个管道中的液态介质的压力损失。
[0043] 此外根据伯努利（Bernooulli）的方程，通过
[0044]
[0045] 给出在液态介质的压力wp和液态介质的流量f之间的关联。然而要注意的是，上面提及的关系仅对于单相流体是有效的。
[0046] 在生成流函数后，可以由液态介质的所求取的当前压力wp计算在管道系统中或者在至少一个管道中的液态介质的理论流量f。
[0047] 接着借助于计算单元，计算堵塞程度k的区间，其中堵塞程度k以要确定的概率处于所述区间之内。
[0048] 从在当前（测量的）流量fact和理论流量f之间的商中（如果通过将液态介质的当前压力wp插入到流函数中来计算流量f，那么将所述流量f称为理论流量f），由计算单元求取相应的单独堵塞程度verstopf：
[0049]
[0050] 对于在管道系统中由至少一个管道引导的液态介质在至少一个管道的末端处通过管道系统或者至少一个管道的
喷嘴流出的情况，例如-0.1（=-10%）的单独堵塞程度verstpof意味着，管道系统或者至少一个管道或者喷嘴堵塞了10%。+0.1（=+10%）的单独堵塞程度 verstopf意味着，在管道系统中引导的液态介质的10%通过泄漏从管道系统流出。
[0051] 在应用随机方法的情况下，根据多个所求取的单独堵塞程度通过计算单元计算区间，其中堵塞程度k以一定的事先要确定的概率位于所述区间之内。在此，在管道系统中或者在至少一个管道中的理论流量f（借助于流函数）以及当前流量fact持续地并且以周期性间隔作为数据流被求取或者被测量。不仅理论流量f而且当前流量fact被看作随机变量。借助于随机方法，以确定的错误概率确定：对于哪些值k（k对堵塞程度进行建模），数据流k·f和fact不能由相同的随机过程产生。管道系统或者至少一个管道具有位于所计算的区间中的堵塞程度k的概率为1减去错误概率。
[0052] 通过关于针对堵塞程度的事先确定的允许的第一极限考虑所述区间的位置在管道系统或者至少一个管道的故障的存在方面来监控管道系统或者至少一个管道。可替代地或者附加地，所述区间的大小可以被监控。
[0053] 按照本发明的方法的主要的优点在于，有噪声的
信号也不是问题，并且在监控管道系统或者至少一个管道时的误警报被避免。为了避免这样的误警报，在由
现有技术已知的方法中预先给定相对大的公差，其中所述公差作为在液态介质的当前压力和液态介质的理论压力之间的差被给出。而在按照本发明的方法中这样的大的公差是多余的。
[0054] 此外，在液态介质的当前压力和液态介质的理论压力之间的差仅给出关于堵塞的尺度的随着发展趋势的消息。与之不同，借助于按照本发明的方法计算具体的区间，堵塞程度以预先给定的概率处于所述区间之内。
[0055] 在按照本发明的方法的一种优选的实施方式中，管道系统被构造为
冶金成套设备的冷却系统、尤其为用于制造金属管线的连续
铸造设备的冷却系统，或者为用于制造金属带的轧
钢机的冷却系统，其中借助于至少一个管道被引导至喷嘴的液态介质借助于喷嘴被施加到金属管线上或者金属带上。
[0056] 液态介质被引导至喷嘴。在连续铸造设备中所制造的金属管线或者在轧钢机中所制造的金属带借助于从喷嘴流出的液态介质被冷却。因为在冷却系统出毛病的情况下，可能形成显著的损害，所以这样的冷却系统要求高的可用性以及高的运行安全性和可靠性。如果按照本发明的方法被应用用于监控冷却系统，那么由于冷却系统或者喷嘴的泄漏或堵塞引起的故障可以快速地和可靠地被识别，而在此不触发不必要的误警报。此外，在该情况下也在连续铸造设备或者轧钢机的静止状态期间执行管道系统的监控。这拥有以下优点：
在连续铸造设备处或者轧钢机处的维护工作期间，可以鉴于故障对管道系统进行检验，并且必要时可以还在连续铸造设备或者轧钢机投入运行之前，排除管道系统的泄漏或者堵塞。
[0057] 在按照本发明的方法的另一优选的实施方式中，引导至至少一个喷嘴的液态介质是水。水是以足够的量存在并且便宜地可用的环境中性的介质，所述介质例如可以有效地被使用用于冷却。
[0058] 优选地，检测时间点彼此具有时间间隔，所述时间间隔处于2秒和5秒之间。时间间隔例如可以为3秒。这样的时间间隔表示在所求取的参数的积累的数据量和按照本发明的方法的
精度或者可靠性之间的最优比例。
[0059] 因此，当前压力和当前流量一再重新地被测量，并且由计算单元从中求取相应的单独堵塞程度。所述单独堵塞程度扩大至今求取的单独堵塞程度的数量。此外，通常从确定的数量的单独堵塞程度起，最旧的单独堵塞程度不再被考虑用于计算区间。确定的数量可以（例如）处于20至50之间、尤其30至40之间。可能的是，数量由系统的操作者预先给定给自动化地实施求取方法的系统。
[0060] 在按照本发明的方法的另一实施方式中，随机方法包括单样本t测试（Einstichproben-t-Test）。
[0061] t测试是统计假设测试，所述统计假设测试可以在正态分布的前提条件下被应用于数据样品（=多个样本）。在本
申请的范围内，优选地应用单样本t测试。每个单个样本对应于当前压力wp或者从中求取的理论流量f和当前流量fact的相应的值对。
[0062] 在当前（测量的）流量fact以值k围绕理论流量f
波动的假定下，单样本t测试可以以经
修改的形式被写为
[0063] 。在此，E(fact)是当前（测量的）流量的期望值，E(f)是理论流量的期望值、var是方差、cov是协方差、t是α分位数（例如0.05）的t分布并且n是
自由度以及n是值的数量（样本规模）。期望值、方差、协方差、t分布和分位数是在概率计算的领域上具有固定的含义的术语。
[0064] 在上述的方程中，仅仅堵塞程度k是未知的。所有其他的参量要么原则上是恒定的，要么通过先前的随机分析被确定。期望值E(fact)和E(f)、方差var(fact)和var(f)以及协方差cov(fact,f)尤其通过所测量的当前流量fact或者所求取的流量f来确定。此外，所使用的样本的数量n是已知的。概率可以被预先给定。所述概率与所使用的样本的数量n一起确定值t。
[0065] 因此可以将上述的方程
变形为二次方程。所述方程的内容是
[0066]
[0067] 值t的自变量在上述方程中已被忽略，以便不使所述方程不必要地超载。
[0068] 因此，上述方程的解k1和k2可以容易地被求取，其中（在不限制一般性的情况下）k1是较小的解并且k2是较大的解。借助于关系式verstopf=k-1从k1和k2中计算verstopf1和verstopf2。这意味着，堵塞程度以（1-α）的概率处于区间[verstopf1;verstopf2]之内。
[0069] 要确定的概率可以由操作者预先给定给计算单元。因此，要确定的概率是可自由选择的。通常，概率被确定为90%、优选地95%。在关键系统的情况下，概率被确定为99%。
[0070] 在按照本发明的方法的一种优选的实施方式中，如果针对堵塞程度的所计算的区间处于针对堵塞程度的所确定的极限之外，那么警报作为针对管道系统的故障的指示被触发。如果verstopf1和verstopf2是负的并且小于所确定的第一极限，那么警报作为针对至少一个管道的堵塞的指示被触发。如果verstopf1和verstopf2是正的并且大于所确定的第一极限，那么警报作为针对至少一个管道的破裂的指示被触发。
[0071] 如果verstopf2减去verstopf1的差大于所确定的第二极限，那么警报被触发，所述警报表明：管道系统是不能确定的。
[0072] 对于verstopf1和verstopf2的所有其他的值，管道系统被分类为无
缺陷的。可能的已经识别的警报被消除。
[0073] 在按照本发明的方法的另一实施方式中，金属管线是钢管线。除了钢之外，金属的尤其也可以被理解为
铁、
铜、
铝或者其混合物。例如也可以铝管线。
[0074] 在按照本发明的方法的另一实施方式中，金属带是钢扁平带产品（Stahlflachbandprodukt）。例如，钢扁平带产品借助于在轧钢机的热
轧机机列中的
热轧过程被生产。
[0075] 也可设想的是：除了液态介质外，气态介质也在管道系统的另一管道中被引导。在此，液态介质和气态介质至少部分地在分离的管道中引导，并且在喷嘴的区域中被混合成混合料。混合料于是例如被施加到金属管线上或者金属带上。
[0076] 在此，除了液态介质外，气态介质在推导流函数时相应地被考虑。
[0077] 此外，所述任务通过
计算机程序解决，其中计算机程序包括机器代码，所述机器代码可以由计算单元执行。机器代码通过计算单元的执行引起，所述计算单元实施具有按照本发明的方法的步骤b）至e）的方法。优选地，基于机械代码的执行，计算单元也实现按照本发明的方法的有利的扩展方案。
[0078] 此外，通过计算机可读的存储介质解决所述任务，按照本发明的计算机程序被存储在所述存储介质上。
[0079] 此外，通过计算装置解决所述任务，其中计算装置利用按照本发明的计算机程序被编程。
[0080] 此外，通过用于执行按照本发明的方法的设备解决所述任务，
[0081] a) 其中所述设备包括具有至少一个管道的管道系统，其中液态介质可以在至少一个管道中被引导，
[0082] b) 其中所述设备至少分别包括用于求取在至少一个管道中的液态介质的当前压力和在至少一个管道中的液态介质的当前流量的装置，
[0083] c) 其中所述设备包括与所述装置耦合的按照本发明的计算单元。
[0084] 优选地，所述设备此外包括用于通过关于堵塞程度的事先确定的第一极限考虑所计算的区间的位置和/或所计算的区间的大小作为针对管道系统的故障的存在的指示来监控管道系统的监控单元。所述监控装置可以是计算单元的组成部分。
[0085] 此外，按照本发明的设备的一种特别优选的实施方式包括装备有作为冷却系统的管路系统的冶金成套设备、尤其用于制造金属管线的连续铸造设备或者用于制造金属带的轧钢机和至少一个喷嘴，管道系统的至少一个管道通向喷嘴并且借助于所述喷嘴能够将液态介质施加到金属管线或者金属带上。
[0086] 在按照本发明的设备的一种优选的实施方式中，所述设备包括用于触发作为针对管道系统的故障的指示的警报的警报装置，所述警报装置与计算单元耦合。
[0087] 警报装置与计算单元耦合。如果管道系统的故障被识别，那么借助于警报装置通知接收装置、尤其声学的和/或光学的信号装置。接收装置例如也可以被实施为
移动电话、
平板电脑或者计算机。
附图说明
[0088] 本发明的上面描述的特性、特征和优点以及如何实现这些的类型和方式与
实施例的以下描述相关联地变得更清楚和更明白地可理解的，所述实施例与附图相结合地被进一步阐述。在此情况下，以示意性图：
[0089] 图1示出用于监控管道系统的按照本发明的方法和按照本发明的设备，和[0090] 图2示出在管道系统的液态介质的当前流量和当前压力之间的关联和数据拟合（Datenfit）。
具体实施方式
[0091] 按照图1，在管道系统1的管道2中引导液态介质3，其中液态介质是水。
[0092] 在第一步骤中，借助于用于求取管道2中的液态介质3的当前压力的装置8和借助于用于求取在管道2中的液态介质3的当前流量的装置9来作为参数求取在管道2中的液态介质3的当前压力和液态介质3的当前流量。
[0093] 在第二步骤中，所检测的值被递交给与装置8、9耦合的计算单元5。所述计算单元5接受所检测的值。在第三步骤中，在考虑预先给定的流函数的情况下根据所检测的压力借助于计算单元5 计算在至少一个管道2中的液态介质3的理论流量。流函数描述在液态介质3的理论流量和液态介质3的当前压力之间的物理关联。此外，在第四步骤中，根据理论流量和当前流量求取单独堵塞程度。在此情况下，尤其求取在当前流量和理论流量之间的商。
[0094] 然后，在第五步骤中，在应用随机方法的情况下，根据多个所求取的单独堵塞程度借助于计算单元5计算区间，其中管道系统的堵塞程度以要确定的概率处于所述区间之内。随机方法尤其可以包括单样本t测试。要确定的概率可以由操作者预先给定给计算单元5。
概率是可以自由选择的。通常，概率被确定为至少90%、优选地为至少95%。
[0095] 在第六和最后的步骤中，通过关于针对堵塞程度的事先确定的第一极限考虑所计算的区间的位置来监控管道系统1。所计算的区间的位置用作针对管道系统1的故障的存在的指示。相同的情况适用于所计算的区间的大小。
[0096] 步骤1至6以周期性时间间隔被执行，其中时间间隔为2秒和5秒之间、优选地为3秒。
[0097] 如果针对堵塞程度的所计算的区间处于针对堵塞程度的所确定的第一极限之外，那么借助于与计算单元5耦合的警报装置13将作为针对管道系统1的故障的指示的警报触发。
[0098] 在图1中，管道系统1被构造为用于制造金属管线6的连续铸造设备的冷却系统。在此，借助于管道2被引导至喷嘴7的液态介质3借助于喷嘴7被施加到金属管线6上、尤其钢管线上。管道系统1的监控也在连续铸造设备的静止状态期间被执行。
[0099] 计算单元5的作用方式通过计算机程序14确定，所述计算机程序14在计算单元5中运行。计算机程序14位于计算机可读的存储介质15上。
[0100] 图2示出在管道系统1的液态介质3的当前流量fact和当前压力wp之间的关联和数据拟合16。液态介质3的当前压力w（p 具体地水压）被描绘在横坐标上。
[0101] 在纵坐标上，根据当前压力wp示出：
[0102] -通过小点4示出的在实际的管道系统1的管道2中所求取的液态介质3的当前流量fact、具体地为当前水流，
[0103] -通过大点10示出的在测试装置的管道系统1的管道2中所求取的液态介质3的当前流量fact、具体地为当前水流，其中实际的管道系统1或者至少一个管道2的物理情况在所述测试装置中被再现，和
[0104] -液态介质3的理论流量f、具体地为理论水流，所述理论流量f在图2中已经被求取为实际的管道系统1的管道2中的液态介质3的当前流量fact的值的数据拟合16。数据拟合16也能够以相同的方式从测试装置中被求取。理论流量f是流函数，也即在液态介质3的当前压力wp和液态介质3的当前流量fact之间的关联。流函数被存放在计算单元5中。
[0105] 本发明具有许多优点。尤其可以高度精确地和以可靠的方式求取堵塞程度。
[0106] 尽管已经通过优选的实施例详细地进一步阐明和描述了本发明，但是本发明不从而受所公开的示例限制，并且其他的变体可以由专业人员从中推导，而不偏离本发明的保护范围。
[0107] 附图标记列表
[0108] 1 管道系统
[0109] 2 管道
[0110] 3 液态介质
[0111] 4 小点
[0112] 5 计算单元
[0113] 6 金属管线
[0114] 7 喷嘴
[0115] 8 用于求取液态介质的当前压力的装置
[0116] 9 用于求取液态介质的当前流量的装置
[0117] 10 大点
[0118] 11 流函数
[0119] 12 监控单元
[0120] 13 警报装置
[0121] 14 计算机程序
[0122] 15 计算机可读的存储介质
[0123] 16 数据拟合。
