DE102004063469A1

DE102004063469A1 - Verfahren zur Funktionsüberwachung eines potentiometrischen Sensors und potentiometrischer Sensor mit Funktionsüberwachung

Info

Publication number: DE102004063469A1
Application number: DE102004063469A
Authority: DE
Inventors: Torsten Dr. Pechstein; Hermann Dr. Straub; Axel Tischendorf
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG; Endress and Hauser Group Services Deutschland AG and Co KG
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: DE102004063469B4

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Funktionsüberwachung eines potentiometrischen Sensors umfasst: Überwachen mindestens eines belastungsrelevanten Prozessparameters, dem der Sensor ausgesetzt ist; Bestimmen eines aktuellen Belastungswerts für den Sensor anhand des jeweils aktuellen Werts des belastungsrelevanten Prozessparameters und Erfassen des aktuellen Belastungswerts als Beitrag zur Gesamtbelastung. In einer Weiterleitung der Erfindung wird einem Sensor ein Gesamtbelastungsvorrat zugeordnet, wobei der Belastungsvorrat im Betrieb des Sensors durch die Belastungen verringert wird. DOLLAR A Sofern ein verbleibender Restbelastungsvorrat einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, kann gemäß einer Ausgestaltung der Weiterbildung ein Alarm, insbesondere eine Anforderung zum Austausch des Sensors, ausgegeben werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Sensors, insbesondere eines potentiometrischen Sensors.
Einfache Bedienung, Sicherheit und Zuverlässigkeit sind die wichtigsten Anforderungen an Messstellen zur Überwachung von Prozessen, sei es aus Gründen der Prozessoptimierung oder zur Überwachung und Einhaltung von Grenzwerten. Messstellen heute liefern dem Betreiber die Information des Messwertes und, in einigen wenigen Fällen, zusätzlich eine Information über den aktuellen Zustand des Systems. Hierbei wird z.B. überwacht, ob Grenzwerte aktuell überschritten sind oder ob und wie sensorspezifische Parameter, wie die Glasimpedanz eines pH-Sensors, erfüllt sind. Die Überwachung bezieht sich also im wesentlichen auf aktuelle Ereignisse. Insofern als ein Anlagenfehlverhalten oder gar ein Anlagenausfall im Vergleich zum Preis des Sensors sehr hohe Kosten verursacht, ist es wichtiger, ein solches Fehlverhalten der Messstelle im Vorfeld weitestgehend auszuschließen.

In der WO2004/025223 offenbaren Wittmer et.al. ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines Sensors, bei dem anhand der zeitlichen Entwicklung von Sensorparametern, beispielsweise periodisch erfassten Kalibrierdaten, eine Prognose zur verbleibenden Standzeit des Sensors bis zu einem erforderlichen Austausch gegeben wird.

Diese Vorgehensweise ist jedoch nicht geeignet, kurzfristigen Änderungen der Prozessbedingungen nach einer Kalibration zu berücksichtigen, welche einen Sensor schneller altern lassen oder die Lebensdauer verlängern können.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung eines potentiometrischen Sensors anzugeben, welches bei schwankenden Prozessbedingungen die Standzeit bzw. die verbleibende Lebensdauer des Sensors korrekt ermittelt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 und den Sensor gemäß des unabhängigen Anspruchs 9.

Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, dass alle Sensoren je nach Einsatzgebiet einem größeren oder kleineren Verschleiß unterliegen. Die den Verschleiß verursachenden Belastungen des Sensors werden erfindungsgemäß überwacht und quantitativ erfasst. Über die Lebensdauer des Sensors wird ein empirisch ermittelter Belastungsvorrat aufgebraucht, wobei sich zu einem gegebenen Zeitpunkt aus dem aktuellen Restbelastungsvorrat und der aktuellen Belastung ein Erwartungswert für die Restlebensdauer ermitteln lässt. Bei Unterschreitung eines Grenzwerts für die Restlebensdauer, kann ein Warnsignal ausgegeben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Funktionsüberwachung eines potentiometrischen Sensors umfasst:
Überwachen mindestens eines belastungsrelevanten Prozessparameters, dem der Sensor ausgesetzt ist;
Bestimmen eines aktuellen Belastungswerts für den Sensor anhand des jeweils aktuellen Werts des belastungsrelevanten Prozessparameters; und
Erfassen des aktuellen Belastungswerts als Beitrag zur Gesamtbelastung.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird einem Sensor ein Gesamtbelastungsvorrat zugeordnet, wobei der Belastungsvorrat im Betrieb des Sensors durch die Belastungen verringert wird.

Sofern ein verbleibender Restbelastungsvorrat einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, kann gemäß einer Ausgestaltung der Weiterbildung ein Alarm, insbesondere eine Anforderung zum Austausch des Sensors, ausgegeben werden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann eine Prognose über die verbleibende Restlebensdauer eines Sensors anhand des Restbelastungsvorrats, der sich aus dem Gesamtbelastungsvorrat und der Gesamtbelastung ergibt, und einer aktuellen Belastung bzw. einer gemittelten aktuellen Belastung erstellt werden. Die Zeitskala der Mittlung der aktuellen Belastung ist vorzugsweise so gewählt dass die Prognose der Lebensdauer nicht durch kurzfristige Schwankungen beeinträchtigt wird, dass aber andererseits grundlegende Änderungen der Belastungen hinreichend schnell in die Prognose der Restlebensdauer eingehen. Die Mittlung der aktuellen Belastung kann beispielsweise je nach der Dynamik des Prozesses und der gewünschten Vorhersagereichweite über einen Zeitraum von nicht mehr als einer Stunde, nicht mehr als zehn Minuten, nicht mehr als einer Minute, nicht mehr als 10 Sekunden erfolgen.

Sofern eine verbleibende Restlebensdauer einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet, kann gemäß einer Ausgestaltung der Weiterbildung ein Alarm ausgegeben werden.

Es wird damit eine Beurteilungsmöglichkeit für einen Sensor vorgeschlagen, der es erlaubt, die Lebensdauer des Sensors in einer Prozessumgebung zu bestimmen und damit einen rechtzeitigen und sicheren, aber nicht unnötig frühen und damit kostenintensiven Austausch des Sensors durchzuführen.

In einer Weiterbildung der Erfindung geht in die Beurteilung der Belastung, dass Extremwerte einen Sensor stärker belasten als moderate Werte. Für einen pH-Sensor bedeutet dies beispielsweise, dass pH Werte um 0 bzw. 14 größere Auswirkungen haben als pH-Wert 7 und entsprechend als höhere Belastung bewertet werden, beispielsweise durch ein höheres Belastungsäquivalent. Hohe Temperaturen belasten ebenfalls höher als moderate Temperaturen, sodass folglich eine Kombination aus extremen pH-Werten und hohen Temperaturen den Sensor mehr belastet als nur hohe Temperatur bei pH 7 oder extreme pH-Werte bei Raumtemperatur. Weitere belastungsrelevante Parameter eines potentiometrischen Sensors sind die Verblockungsneigung des Diaphragmas, die über den Diaphragmenwiderstand messbar ist, die Abrasion am pH-sensitiven Glas, die über den Glaswiderstand erfasst werden kann, die pH-Änderungsrate oder die Temperaturänderungsrate, sowie die Anzahl an Sterilisationen.

Die belastungsrelevanten Parameter oder eine Auswahl davon werden hinsichtlich ihrer Auswirkung auf den Sensor quantitativ erfasst und bei der Ermittlung der Gesamtbelastung berücksichtigt. Dies kann im einfachsten Fall mit einem „Zähler" erfolgen. Je höher die Belastung, desto mehr Belastungsäquivalente werden addiert, und um so schneller wird der Belastungsvorrat aufgebraucht. Anstelle eines additiven Zählers können auch andere Methoden der Erfassung erfolgen, beispielsweise ein Teiler.

Einige Belastungsparameter können kontinuierlich überwacht werden, wobei pro Zeiteinheit die je nach Messstelle und der Dynamik der Messgrößen festgelegt werden kann das aktuelle Belastungsäquivalent des jeweiligen Parameters bestimmt und erfasst wird, beispielsweise durch Aufsummieren. Typische Zeiteinheiten sind beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 10 Sekunden, 10 bis 60 Sekunden, oder 1 Minute bis 10 Minuten.

Kontinuierlich überwachte Parameter sind beispielsweise für einen pH-Sensor der pH-Wert und die Temperatur.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden Wertebereichen eines belastungsrelevanten Parameters, oder Kombinationen von Wertebereichen mehrerer belastungsrelevanter Parameter Belastungsäquivalente zugeordnet. Zum Erfassen der Gesamtbelastung wird dann pro Zeitinkrement das aktuelle Belastungsäquivalent registriert.

In einer Weiterbildung der Erfindung können neben den kontinuierlich überwachten Belastungen auch Ereignis bezogene Belastungen erfasst werden. Beispielsweise kann eine Sterilisationsbehandlung erfasst werden, für die auf ein bestimmtes Signal hin ein entsprechendes Belastungsäquivalent bilanziert wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Sensor einen dem Sensor zugeordneten bzw. mit dem Sensor verbundenen Datenspeicher auf, in welchem belastungsrelevante Daten gespeichert werden können. Hierzu können beispielsweise der Gesamtbelastungsvorrat, der verbleibende Restbelastungsvorrat, die kumulierte bisherige Belastung, Historiendaten der Belastung, und/oder die quantitativen Bewertungskriterien belastungsrelevanter Parameter gehören. Die belastungsrelevanten Daten werden dabei vorzugsweise quantifiziert als Belastungsäquivalente abgespeichert. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die belastungsrelevanten Parameter in Datensätzen abzuspeichern, beispielsweise Historiendaten zu Temperatur und pH-Wert.

Bei einem Sensorwechsel bzw. dem Wechsel des Einsatzorts kann ein Sensor auf diese Weise seine Belastungshistorie zum neuen Einsatzort „mitnehmen". Sodass am neuen Einsatzort eine geringere (Rest-)Lebensdauer als bei einem neuen Sensor im gleichen Prozess prognostiziert wird. Andererseits wird natürlich die errechnete Gesamtlebensdauer wieder erhöht sein gegenüber der Berechnung im stark belasteten Prozess. Gleiches gilt sinngemäß beim Wechsel von wenig in stark belastende Prozesse.

In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung wird ein Signal ausgegeben, wenn der Restbelastungsvorrat und/oder die Restlebensdauer des Sensors einen Kritischen Wert unterschreitet und damit die Lebensdauer begrenzt ist. Ein zeitgerechter Austausch des Sensors ist damit auch durch ungeschultes Personal möglich, ebenso ist die Planung von Wartungsarbeiten an dieser speziellen Messstelle zur Vorbeugung eines unvorgesehenen Ausfalls gegeben.

Der erfindungsgemäße potentiometrischer Sensor, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfasst: einen Primärsensor zum Erfassen einer potentiometrischen Messgröße, und zur Ausgabe eines messgrößenabhängigen Primärsignals; Schaltungsmittel zum Verarbeiten des Primärsignals oder eines davon abgeleiteten Signal, wobei die Schaltungsmittel einen Datenspeicher für mindestens einen belastungsrelevanten Parameter umfassen und Mittel zur quantitativen Bewertung und/oder Verarbeitung des belastungsrelevanten Parameters.

Der potentiometrische Sensor kann weiterhin mindestens einen Hilfssensor zur Ermittlung einer belastungsrelevanten Größe, insbesondere einen Temperatursensor umfassen.

Der potentiometrische Sensor kann insbesondere ein in einem Programmspeicher abgelegtes Programm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweisen.

Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1: einen simulierten Temperaturverlauf über die Zeit T.
2: einen simulierten pH-Verlauf über die Zeit T.
3: den Verlauf der Summe der Belastungsäquivalente zu den Temperaturen und pH-Werten aus 1 und 2;
4: einen Verlauf einer Restlebensdauerprognose für einen Sensor bei der Belastung gemäß 3; und
5: einen geglätteten Verlauf einer Restlebensdauerprognose für einen Sensor bei der Belastung gemäß 3.
Zur Erläuterung der Erfindung sind Temperatur und pH-Wert die im Ausführungsbeispiel berücksichtigten belastungsrelevanten Parameter, wobei deren Wertekombinationen Belastungsäquivalente gemäß Tabelle I zugeordnet sind. Die Tabelle kann beispielsweise im Speicher eines Mikrocontrollers eines pH-Messumformers abgelegt sein.
Tabelle I
Es seien an einer Messstelle die in 1 und 2 gezeigten Verläufe von pH-Wert und Temperatur über einen Zeitraum von 100 Tagen angenommen.
Gemäß dem Prozessverlauf aus 1 und 2 ergeben sich zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Belastungsäquivalente. Über der Zeitdauer von 100 Tagen werden diese fortlaufend mit einem gewissen Zeitintervall (z.B. ein Tag) multipliziert und aufsummiert. 3 zeigt nun den Verlauf der aufsummierten Belastungsäquivalente, die sich aus den Kombinationen von pH-Wert und Temperatur aus 1 bzw. 2 anhand von Tabelle 2 ergeben.
Für einen bestimmten Sensortyp wurde zuvor empirisch ein Gesamtbelastungsvorrat von 1000 ermittelt, was bedeutet, dass der Sensor nach dem Erreichen von einer Geamtbelastung von 1000 Belastungsäquivalenten verschlissen ist.
Über der Lebensdauer des Sensors wird der Restbelastungsvorrat immer kleiner.
Der Quotient aus dem aktuellen Restbelastungsvorrat und dem aktuellen Wert der Belastungsäquivalente ergibt eine Prognose zur Restlebensdauer. Diese ist in 4 dargestellt.
Um sprunghafte Änderungen in der Prognose der Restlebensdauer zu vermeiden. Kann der ermittelte Wert mit Hilfe eines Filters geglättet werden und man gelangt zu dem geglätteten Verlauf der Prognose der Restlebensdauer in 5.
Diese Information kann ein Nutzer für eine vorausschauende Wartung seiner Messstelle nutzen.

Claims

Verfahren zur Funktionsüberwachung eines potentiometrischen Sensors umfassend: Überwachen mindestens eines belastungsrelevanten Prozessparameters, dem der Sensor ausgesetzt ist; Bestimmen eines aktuellen Belastungswerts für den Sensor anhand des jeweils aktuellen Werts des belastungsrelevanten Prozessparameters; und Registrieren des aktuellen Belastungswerts als Beitrag zur Gesamtbelastung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei einem Sensor ein Gesamtbelastungsvorrat zugeordnet ist, wobei der Belastungsvorrat im Betrieb des Sensors durch die Belastungen verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Weiterbildung ein Alarm ausgegeben wird, wenn ein verbleibender Restbelastungsvorrat einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansrüche 1 bis 3, weiterhin umfassend: Erstellen einer Prognose über die verbleibende Restlebensdauer eines Sensors anhand des Restbelastungsvorrats der sich aus dem Gesamtbelastungsvorrat und der Gesamtbelastung ergibt, und einer aktuellen Belastung bzw. einer gemittelten aktuellen Belastung.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Alarm ausgegeben wird, sofern eine verbleibende Restlebensdauer einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Registrieren des aktuellen Belastungswerts als Beitrag zur Gesamtbelastung über einen Addierer, einen Subtrahierer, einen Multiplizierer, oder einen Dividierer erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Wertebereichen eines belastungsrelevanten Parameters, oder Kombinationen von Wertebereichen mehrerer belastungsrelevanter Parameter Belastungsäquivalente zugeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Erfassen der Gesamtbelastung pro Zeitinkrement das aktuelle Belastungsäquivalent registriert wird.
Potentiometrischer Sensor, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: einen Primärsensor zum Erfassen einer potentiometrischen Messgröße, und zur Ausgabe eines messgrößenabhängigen Primärsignals; Schaltungsmittel zum Verarbeiten des Primärsignals oder eines davon abgeleiteten Signal, wobei die Schaltungsmittel einen Datenspeicher für mindestens einen belastungsrelevanten Parameter umfassen und Mittel zur quantitativen Bewertung und/oder Verarbeitung des belastungsrelevanten Parameters.
Potentiometrischer Sensor nach Anspruch 9, welcher weiterhin mindestens einen Hilfssensors zur Ermittlung einer belastungsrelevanten Größe, insbesondere einen Temperatursensor aufweist.
Potentiometrischer Sensor, welcher weiterhin ein in einem Programmspeicher und Datenspeicher abgelegtes Programm zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.