DE10141556B4

DE10141556B4 - Verfahren zur Überwachung der Messung von Prozessgrößen, insbesondere bei der pH-Messung

Info

Publication number: DE10141556B4
Application number: DE2001141556
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Feucht; Heinz Dipl.-Ing. Wohlrab; Burkhard Dipl.-Ing. Riese
Original assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: KNICK ELEKTRONISCHE MESSGERAETE GMBH & CO. KG, 1416
Priority date: 2001-08-24
Filing date: 2001-08-24
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2021-08-25
Also published as: DE10141556A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung der Messung von Prozessgrößen, insbesondere bei der pH-Messung, mit folgenden Verfahrensschritten:
– laufende Erfassung eines aktuellen Messwertes (M_W) der Prozessgröße (pH, T),
– laufende Bildung eines Grenzwertfensters (F) um den aktuellen Messwert (M_W) durch Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten (M_Wi),
– Vergleichen des jeweils aktuellen Messwertes (M_W) mit dem Grenzwertfenster (F), und
– Generieren einer Warnung, falls der jeweils aktuelle Messwert (M_W) außerhalb des Grenzwertfensters (F) liegt,
– wobei das Grenzwertfenster (F) durch einen Zentralwert (M) und eine Fensterbreite (ΔF_m) um den Zentralwert (M) definiert ist,
– wobei der Zentralwert (M) durch eine Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten (M_Wi), die nach der Beziehung

mit
K₁: prozessabhängige Konstante
K₂: Konstante zur Begrenzung der Maximalanzahl der vergangenen Messwerte
ΔM_Wi: Messwert-Schwankungen während der Zeit Δt
bestimmt wird, und
– wobei die Fensterbreite (ΔF_m) durch...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Messung von Prozessgrößen, insbesondere bei der pH-Messung, und eine entsprechende Messvorrichtung, bei der dieses Überwachungsverfahren implementiert ist.
Im Hintergrund der Erfindung steht die in der Technik zunehmend geforderte Sicherheit chemischer Prozesse, die durch ausgefeiltere Überwachungsverfahren zu gewährleisten ist. Eine Möglichkeit zur Überwachung von Prozessen besteht in der schlichten Verfolgung von Prozessgrößen und einem entsprechenden Vergleich mit festen Sollwerten. Dies ist jedoch nur für relativ statisch ablaufende Prozesse ein gangbarer Weg, um genügend Überwachungssicherheit zu erhalten. Bei dynamisch-stetigen Prozessen, bei der sich eine oder mehrere Prozessgrößen ändern, ist dieses Vorgehen eher ungeeignet.
Die DE 42 15 459 A1 offenbart eine sensorgesteuerte Raumbelüftung, bei der ein Grenzwertfenster auf der Basis eines dort so bezeichneten Lernwertes mit einer mitlaufenden Schaltschwelle gebildet wird. Diese mitlaufende Schaltschwelle, die die Breite des Grenzwertfensters definiert, liegt in einem fest definierten Abstand oberhalb des Lernwertes. Es ist also festzuhalten, dass sich die Lage des Grenzwertfensters zwar durch eine Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten ändert, nicht jedoch seine Breite.
Bei der DE 38 41 089 A1 werden wiederum eine Art Grenzwertfenster durch Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten und vorgebbaren Schwellwerten gebildet sowie ein Messwert mit diesem Grenzwertfenster verglichen.
Analog dem erstgenannte Dokument werden jedoch auch hier nur vorgegebene Schwellwerte verwendet, sodass auch bei diesem Stand der Technik lediglich die Lage des Grenzwertfensters, nicht jedoch dessen Breite variiert werden.
Weitere Druckschriften, wie die DE 39 05 735 A1 , DE 44 29 157 A1 , DE 43 23 780 A1 und DE 36 03 673 A1 zeigen ebenfalls lediglich Signalerfassungs- oder Überwachungsverfahren, bei denen zwar mit Grenzwertfenstern gearbeitet wird, diese beruhen jedoch analog den beiden oben genannten Druckschriften lediglich auf einer Adaption der Fensterlage durch eine Mittelwertbildung über vergangene Messwerte, zeigen jedoch keine variable Einstellung der Fensterbreite.
Ausgehend von der geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Überwachungsverfahren für die Messung von Prozessgrößen anzugeben, mit dem eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte wie folgt gelöst:

– laufende Erfassung eines aktuellen Messwertes der Prozessgröße,
– laufende Bildung eines Grenzwertfensters um den aktuellen Messwert durch Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten,
– Vergleichen des jeweils aktuellen Messwertes mit dem Grenzwertfenster, und
– Generieren einer Warnung, falls der jeweils aktuelle Messwert außerhalb des Grenzwertfensters liegt, wobei das Grenzwertfenster durch einen Zentralwert und eine Fensterbreite um den Zentralwert (M) definiert ist, wobei der Zentralwert durch eine Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten (M_Wi), die nach der Beziehung
mit K₁: prozessabhängige Konstante K₂: Konstante zur Begrenzung der Maximalanzahl der vergangenen Messwerte ΔM_Wi: Messwert-Schwankungen während der Zeit Δt bestimmt wird, und die Fensterbreite durch eine skalierte Mittelwertbildung aus Maximal- und Minimalwerten der vergangenen Messwerte ermittelt wird, indem die Fensterbreite des Grenzwertfensters nach der Beziehung ΔFm = (MWmax – MWmin)·K3 + K4 mit M_Wmax bzw. M_Wmin: maximaler bzw. minimaler Messwert M_Wi K₃: Sicherheitsfaktor und K₄: minimaler Sicherheitsabstand zum Zentralwert, also durch die Schwankungsbreite der vergangenen Messwerte bestimmt wird.

Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass in relativ stetigen Prozessen eine abrupte Änderung eines Messwertes, wie beispielsweise des pH-Wertes oder der Temperatur, auf eine Störung hinweist. Diese kann unterschiedlicher Qualität sein. Zum einen kann die abrupte Wertänderung auf einen defekten Messsensor im gesamten Überwachungs- und Messsystem des Prozesses hinweisen, so dass der eigentliche Prozess nach wie vor ordnungsgemäß abläuft. Nichtsdestotrotz ist ein defekter Sensor ein erhebliches Risikopotential, da die Überwachungs- und Messvorrichtung für den von diesem Sensor abgetasteten Parameter quasi „blind” ist. Zum anderen kann die abrupte Messwertänderung durch Fehlabläufe im Prozess entstehen, in welchem Falle es besonders wichtig ist, dass schnell und zweifelsfrei eine Erkennung des möglicherweise kritischen Zustands des Prozesses erfolgt. Dies ist durch das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet.
Das erwähnte Grenzwertfenster wird durch einen Zentralwert und eine Fensterbreite um diesen Zentralwert definiert. Der Zentralwert wird durch eine Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten ermittelt. Die Anzahl legt dabei die Zeitkonstante der Mittelwertbildung fest, wobei dieses statistische Verfahren praktisch einem Tiefpass mit großer Zeitkonstante entspricht. Um den Zentralwert wird das symmetrische Grenzwertfenster mit einer Fensterbreite gelegt, die durch eine skalierte Mittelwertbildung aus Maximal- und Minimalwerten der vergangenen Messwerte ermittelt wird. Die Fensterbreite ist also im wesentlichen durch die Schwankungsbreite der vergangenen Messwerte bestimmt, wobei der Einfachheit halber lediglich auf den minimalen und maximalen Messwert und nicht auf die in der Statistik komplexer definierte Schwankungsbreite im Sinne einer Standardabweichung abgestellt wird.
Erfindungsgemäß wird ferner die Anzahl der für die Mittelwertbildung herangezogenen Messwerte zur Anpassung der Zeitkonstanten des Überwachungsverfahrens in Abhängigkeit der prozessbedingten, zeitlichen Messwert-Schwankungen bestimmt. Ein sehr stetiger Prozess mit geringen zeitlichen Änderungen kann folglich mit einer sehr langen Zeitkonstante erfasst, ein dynamisch sich ändernder Prozess muss – um ungerechtfertigte Warnungen zu vermeiden – mit einer kurzen Zeitkonstante verfolgt werden. Dabei kann die Fensterbreite des Grenzwertfensters an die Kurzzeit-Schwankungsbreite der Messwerte angepasst werden.
Für eine visuell einfach erfassbare Überwachung eines Prozesses kann es ferner von Vorteil sein, den laufend erfassten Messwert und das Grenzwertfenster graphisch auf einer laufenden Anzeige darzustellen, so dass mit einem Blick erkennbar ist, ob der Prozess sich innerhalb der gesteckten Grenzen befindet, eine Tendenz zeigt, aus diesen Grenzen hinaus zu laufen oder sich gar bereits außerhalb der Grenzen befindet, wobei dann eine Warnung abgegeben wurde.
Das erfindungsgemäße Überwachungsverfahren kann besonders einfach in übliche Messvorrichtungen für chemische Prozessgrößen eingesetzt werden. So können pH-Messvorrichtungen, die auf der Basis eines Mikroprozessor-gesteuerten Messgerätes arbeiten, das Überwachungsverfahren in der Gerätesteuerung implementiert haben. Dabei kann als primäre Messgröße der pH-Wert und als sekundäre Messgröße die Temperatur des Prozesses mit dem Überwachungsverfahren verfolgt werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfidung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. Es zeigen:
1 und 2 jeweils graphische Anzeigen des zeitlichen Verlaufs einer pH- und Temperatur-Messung mit Messwert und Grenzwertfenster.
Das nachfolgende Beispiel betrifft die Messung des pH-Wertes und der Temperatur mithilfe eines nicht näher dargestellten pH-Messgerätes, das die entsprechenden Werte in einem zeitlichen Raster von beispielsweise 1 sec abtastet.
Aus einer bestimmten Anzahl n der letzten Messwerte M_Wi von pH-Wert und Temperatur kann durch laufende Mittelung der Mittelwert gebildet werden, der den Zentralwert M des Grenzwertfensters F definiert. Dies erfolgt nach der Beziehung
mit

M:: Zentralwert
M_Wi:: vergangene Messwerte und
n:: definierte Anzahl von vergangenen Messwerten

Die Anzahl n der zur Mittelwertbildung herangezogenen vergangenen Messwerte M_Wi wird dabei aus der folgenden Beziehung ermittelt
mit

K_l:: prozessabhängige Konstante
K₂:: Konstante zur Begrenzung der Maximalanzahl der vergangenen Messwerte M_Wi
ΔM_Wi:: Messwert-Schwankungen während der Zeit Δt

Die Anzahl n richtet sich also nach der Zeitkonstanten der prozessabhängigen, zeitlichen Messwertschwankungen ΔM_Wi/Δt und ist umso kleiner, je größer der Betrag dieser Messwertschwankungen ist. Sofern keine Schwankungen vorliegen, bildet die Konstante K₂ eine Obergrenze für die Anzahl n.
Die Fensterbreite ΔF_m des Grenzwertfensters schließlich wird nach der Beziehung ΔFm = (MWmax – MWmin)·K3 + K4 mit

M_Wmax bzw. M_Wmin:: maximaler bzw. minimaler Messwert M_Wi
K₃:: Sicherheitsfaktor und
K₄:: minimaler Sicherheitsabstand zum Zentralwert

Bei Anwendung der vorstehenden Beziehungen und deren Umsetzung in eine graphische Anzeige ergeben sich die in den 1 und 2 zeitlichen Verlaufsbilder der Prozessgrößen pH-Wert und Temperatur T. Dort ist das Grenzwertfenster F ohne den Zentralwert M in seinem zeitlichen Verlauf durch die beiden dünnen, synchron laufenden Linien dargestellt. Die jewei ligen Messwerte M_W sind durch die dicker ausgezeichnete Linie repräsentiert und bewegen sich über weite Teile des Verlaufs innerhalb des Grenzwertfensters F. Lediglich in der durch einen Pfeil P gekennzeichneten Passage laufen die Messwerte von pH und Temperatur aus dem Grenzwertfenster heraus, wobei die Temperaturstörung – beispielsweise ein fehlerhafter Heizer in einem Prozess – zu einem Zeitpunkt t1 auftritt, der vor dem entsprechenden „Ausreißer” beim pH-Wert zum Zeitpunkt t2 liegt. Insoweit kann daraus geschlossen werden, dass die unzulässige Änderung im pH-Wert bei dem dargestellten Prozessverlauf eine Reaktion auf die falsche Temperaturführung im Prozess war. Ab den Zeitpunkten t₃ und t₄ mit t₃ < t₄ befinden sich die Meßgrößen Temperatur T und pH-Wert wieder in den erlaubten Grenzen.
Die Aufzeichnungsgeschwindigkeit, also die zeitliche Streckung der t-Achse in den beiden Diagrammen gemäß 1 und 2, kann im übrigen automatisch aus der Änderungsgeschwindigkeit des überwachten Prozesses generiert werden, die ja ohnehin zur Berechnung des Grenzwertfensters als statistische Eingangsgröße erfasst wird.

Claims

Verfahren zur Überwachung der Messung von Prozessgrößen, insbesondere bei der pH-Messung, mit folgenden Verfahrensschritten: – laufende Erfassung eines aktuellen Messwertes (M_W) der Prozessgröße (pH, T), – laufende Bildung eines Grenzwertfensters (F) um den aktuellen Messwert (M_W) durch Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten (M_Wi), – Vergleichen des jeweils aktuellen Messwertes (M_W) mit dem Grenzwertfenster (F), und – Generieren einer Warnung, falls der jeweils aktuelle Messwert (M_W) außerhalb des Grenzwertfensters (F) liegt, – wobei das Grenzwertfenster (F) durch einen Zentralwert (M) und eine Fensterbreite (ΔF_m) um den Zentralwert (M) definiert ist, – wobei der Zentralwert (M) durch eine Mittelwertbildung aus einer definierten Anzahl von vergangenen Messwerten (M_Wi), die nach der Beziehung
mit K₁: prozessabhängige Konstante K₂: Konstante zur Begrenzung der Maximalanzahl der vergangenen Messwerte ΔM_Wi: Messwert-Schwankungen während der Zeit Δt bestimmt wird, und – wobei die Fensterbreite (ΔF_m) durch eine skalierte Mittelwertbildung aus Maximal- und Minimalwerten (M_Wmax, M_Wmin) der vergangenen Messwerte (M_Wi) ermittelt wird, indem die Fensterbreite (ΔF_m) des Grenzwertfensters (F) nach der Beziehung ΔFm = (MWmax – MWmin)·K3 + K4 mit M_Wmax bzw. M_Wmin _: maximaler bzw. minimaler Messwert M_Wi K₃: Sicherheitsfaktor und K₄: minimaler Sicherheitsabstand zum Zentralwert, also durch die Schwankungsbreite der vergangenen Messwerte bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralwert (M) des Grenzwertfensters (F) nach der Beziehung
mit M: Zentralwert M_Wi: vergangene Messwerte und n: definierte Anzahl von vergangenen Messwerten M_Wi gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der laufend erfasste Messwert (M_W) und das Grenzwertfenster (F) graphisch auf einer laufenden Anzeige dargestellt werden.
Messvorrichtung für Prozessgrößen, insbesondere pH-Messvorrichtung, auf der Basis eines Mikroprozessor-gesteuerten Messgerätes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überwachungsver fahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in der Gerätesteuerung implementiert ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 4 für den pH-Wert und die Temperatur eines chemischen Prozesses, dadurch gekennzeichnet, dass als primäre Messgröße der pH-Wert (pH) und als sekundäre Messgröße die Temperatur (T) des Prozesses mit dem Überwachungsverfahren überwacht werden.