DE102006040409A1

DE102006040409A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Kennlinie einer Fühleranordnung

Info

Publication number: DE102006040409A1
Application number: DE102006040409A
Authority: DE
Inventors: Harald U. Müller; Paul Dipl.-Ing. Szasz; Ralf Dr. Ing. Huck; Tilo Dipl.-Ing. Merlin; Steffen Dr. KELLER
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2008-03-13
Also published as: CN101135580A; US20080077345A1; CN101135580B; US7558691B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Kennlinie einer Fühleranordnung mit mindestens einem Messfühler und mindestens einem Vergleichsfühler zur Aufnahme derselben physikalischen Größe sowie einer damit elektrisch verbundenen Auswerteeinheit aus Messwerten des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers. Es wird vorgeschlagen, beginnend mit der erstmaligen Inbetriebnahme der Fühleranordnung, während des laufenden Messbetriebes bei erstmaligem prozessualen Erreichen eines vorgebbaren Messpunktes einen Kennlinienpunkt aufzunehmen, wenn die Messwertänderungen im Zeitverlauf (10) des mindestens einen Messfühlers und im Zeitverlauf (20) des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls (30) innerhalb eines vorgebbaren Grenzbereichs bleiben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Kennlinie einer Fühleranordnung mit mindestens einem Messfühler und mindestens einem Vergleichsfühler zur Aufnahme derselben physikalischen Größe sowie einer damit elektrisch verbundenen Auswerteeinheit.
In vielen Bereichen der industriellen Prozess- und Messtechnik wird für eine optimale Prozesssteuerung eine genaue Kenntnis einer vorgegebenen physikalischen Größe benötigt. Dabei sind an eine derartige Fühleranordnung hohe Anforderungen gestellt, wie robuster Aufbau, hohe Vibrations- und Temperaturschockbeständigkeit, Unempfindlichkeit gegen chemisch aggressive Medien sowie ggf. gegen radioaktive Bestrahlung. Je nach Einsatzort müssen diese Bedingungen kumulativ erfüllt sein. Darüber hinaus sollten die Fühler noch eine hohe Messgenauigkeit sowie eine hohe Reproduzierbarkeit über lange Zeitdauern aufweisen.
Es ist bekannt, dass sich die Kennlinie eines Messfühlers durch Ereignisse während des Gebrauchs sowie durch Alterung verändert. Mit zunehmender Abweichung von der bekannten Kennlinie des Messfühlers sinkt dessen Messgenauigkeit. Eine hohe Messgenauigkeit kann daher nur sichergestellt werden, wenn die Genauigkeit der Fühler von Zeit zu Zeit durch eine Kalibrierung überprüft wird. Zu diesem Zweck muss der Fühler aus der Anlage ausgebaut werden.
Aus der EP 1182 438 B1 ist eine Fühleranordnung bestehend zwei verschiedenen Fühlerbauarten bekannt, bei der während einer Initialisierungsphase, in der der interessierende Temperaturbereich durchfahren wird, aus der Differenz der ermittelten Messwerte des Fühlers erster Bauart und des Fühlers zweiter Bauart ein Korrekturwert für den Messwert der physikalischen Größe ermittelt und addiert wird, so dass die ermittelten resultierenden Messwerte für beide Fühler nahezugleich sind. In der nachfolgenden Mess- und Betriebsphase werden sowohl die jeweiligen resultierenden Messwerte als auch deren Abweichungen zur Erkennung alterungsabhängiger Drifterscheinungen überwacht und bei Überschreitung eines Grenzwertes alarmiert.
In Folge unterschiedlichen Ansprechverhaltens der einzelnen Fühler auf die Prozessdynamik kann es während der Initialisierungsphase zu einer dynamischen Fehlkalibrierung der Fühleranordnung kommen, die später zu einer Fehlalarmierung führt.
Dabei können sich Effekte durch die verschiedenen Messprinzipien, die Distanz jedes einzelnen Fühlers zur Quelle der physikalischen Größe, Hysterese sowie Exemplarstreuungen bei gleichartigen Fühlern überlagern.
Darüber hinaus ist die Initialisierungsphase des bekannten Verfahrens an einen quasikontinuierlichen Temperaturverlauf gebunden, der regelmäßig einen Eingriff in den Prozess darstellt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für die bekannte Fühleranordnung ein Verfahren zur Kennlinienbestimmung zur Drifterkennung anzugeben, bei dem prozessdynamische Fehlkalibrierungen vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung macht sich die Tatsache zu Nutze, dass eine Sensordrift ein sehr langsam ablaufender Prozess ist, der im wesentlichen auf Materialveränderungen in den sesitiven Elementen zurückzuführen ist, und dass ein Sensor bei der erstmaligen Inbetriebnahme driftfrei ist.
Dabei geht die Erfindung von einer Fühleranordnung mit mindestens einem Messfühler und mindestens einem Vergleichsfühler zur Aufnahme derselben physikalischen Größe sowie einer damit elektrisch verbundenen Auswerteeinheit aus, wobei aus Messwerten des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers eine Kennlinie der Fühleranordnung aufgenommen und zur späteren Drifterkennung vorgehalten wird.
Erfindungsgemäß wird die Kennlinie beginnend mit der erstmaligen Inbetriebnahme der Fühleranordnung während des laufenden Messbetriebes aufgenommen. Bei jeden erstmaligem prozessualen Erreichen eines vorgebbaren Messpunktes wird ein Kennlinienpunkt aufgenommen, wenn die Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls innerhalb eines vorgebbaren Grenzbereichs bleiben.
Dabei soll im Rahmen dieser Offenbarung die Messwertänderung innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls jeden beliebigen Zeitverlauf des Messwerts innerhalb des Zeitintervalls umfassen.
Vorteilhafterweise werden dadurch Fehlinitialisierungen in Folge fühlerindividuell gemessener Zeitverläufe einer physikalischen Größe mit großer Prozessdynamik vermieden.
Im Erfolg der Aufnahme der Kennlinie während des laufenden Messbetriebes ist eine dedizierte Initialisierungsphase verzichtbar. Dadurch sind Eingriffe in den Prozess nach dem bekannten Verfahren vermeidbar.
Darüber hinaus kommt die Erfindung im Falle der Temperaturmessung mit den Mitteln der bekannten Temperaturfühleranordnung aus. Vielmehr genügt zur Realisierung der Erfindung ein Vergleichsfühler zum Messfühler.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Grenzwert in Abhängigkeit von den Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls dynamisch an die Messwertänderungen angepasst. Dadurch gelingt es, auch bei hoher Prozessdynamik die Aufnahme fehlerhafte Kennlinienpunkte sicher zu vermeiden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das sich auf eine Temperaturfühleranordnung bezieht. Die dazu dienenden Figuren zeigen:
1: eine Prinzipdarstellung von Zeitverläufen von Messsignalen
2: eine Prinzipdarstellung zur Ermittlung von Kennlinienpunkten
Im einfachsten Fall besteht die Temperaturfühleranordnung aus einem Messfühler und einem Vergleichsfühler sowie einer damit elektrisch verbundenen Auswerteeinheit. Dabei können der Messfühler und der Vergleichsfühler sowohl von gleicher als auch von verschiedener Bauart sein.
In der 1 sind Zeitverläufe von Messsignalen als Temperaturwerte T über die Zeit t dargestellt. Der Zeitverlauf des Temperaturmesswerts des Messfühlers ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und der Zeitverlauf des Temperaturmesswerts des Vergleichsfühlers ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet.
Der Messfühler und der Vergleichsfühler sind vorzugsweise in einem zum Prozess hin abgeschlossenen Behälter untergebracht, der die Fühler gegenüber dem Prozessmedium schützt. Insbesondere kann hierzu ein für sich bekanntes Schutzrohr vorgesehen sein. Am dem Prozessmedium abgewandten Ende des Schutzrohres ist ein Gehäuse zur Aufnahme der Auswerteeinheit angeordnet.
Die Bestimmung der Kennlinie der Fühleranordnung erfolgt während des laufenden Messbetriebes und beginnt mit der erstmaligen Inbetriebnahme der Fühleranordnung. Bei der Inbetriebnahme wird zunächst in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Spanne und einer vorgebbaren Auflösung eine Anzahl von Messpunkten ermittelt. Aus der gemessenen physikalischen Prozessgröße wird für jeden erstmalig prozessual erreichten Messpunkt die Differenz aus den Messwerten des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers als Kennwert ermittelt und dem Messpunkt zugeordnet abgespeichert, wenn die Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls 30 innerhalb eines vorgebbaren Grenzbereichs bleiben.
Dazu werden die gemessenen Temperaturen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers aufgezeichnet und fühlerindividuell die Temperaturänderung innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls 30 bestimmt.
Ein Kennlinienpunkt der Fühleranordnung wird nur dann aufgezeichnet, wenn die Messwertänderungen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls innerhalb eines vorgebbaren Grenzbereichs bleiben.
Die Messwertänderung jedes Fühlers umfasst dabei jeden beliebigen Zeitverlauf 10 und 20 des Messwerts innerhalb des Zeitintervalls 30. Im einfachsten Fall ist die Messwertänderung die Differenz zwischen dem Messwert am Ende des Zeitintervalls und dem Messwert am Beginn des Zeitintervalls 30.
In weiterer Ausgestaltung der Erindung kann vorgesehen sein, den Grenzwert in Abhängigkeit von den Messwertänderungen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls dynamisch an die Messwertänderungen anzupassen. Insbesondere kann vorgesehen sein, den Grenzwert proportional zu den Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls 30 anzupassen. Dadurch wird bei hoher Prozessdynamik und dementsprechend großen Messwertänderungen, bei der auch die Differenzen der Messwertänderungen der Fühler beispielsweise infolge baulich bedingter unterschiedlicher Beabstandung anwachsen, der Grenzwert dynamisch erhöht und im quasistationären Prozess dynamisch vermindert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, einen neuen Kennlinienwert aufzunehmen, wenn die fühlerindividuellen Temperaturänderungen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls 30 einen vorgebbaren Grenzwert unterschreiten und sich die Temperaturfühleranordnung im thermischen Gleichgewicht befindet. Der neue Kennlinienwert ist die Differenz zwischen dem Temperaturmesswert des Messfühlers und dem Temperaturmesswert des Vergleichsfühlers.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Grenzwert in Abhängigkeit vom Messwert der physikalischen Größe dynamisch angepasst wird. In einfachster Ausgestaltung dieses Merkmals ist der Grenzwert als Bruchteil des Messwerts der physikalischen Größe ausgeführt. So kann bei hohen Temperaturmesswerten ein höherer absoluter Grenzwert zugelassen werden als bei niedrigen Temperaturmesswerten.
In der 1 sind Zeitverläufe 10 und 20 der gemessenen Temperaturen des Messfühlers und des Vergleichsfühlers dargestellt, denen Toleranzbänder 11 und 21 überlagert sind. Von einem thermischen Gleichgewicht wird ausgegangen, wenn innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls 30 sowohl der Zeitverlauf 10 des Temperaturmesswertes des Messfühlers innerhalb des Toleranzbandes 11 bleibt als auch der Zeitverlauf 20 des Temperaturmesswertes des Vergleichsfühlers innerhalb des Toleranzbandes 21 bleibt.
Bei großen absoluten Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls 30 und geringen Differenzen zwischen den Messwertänderungen des Messfühlers und den Messwertänderungen des Vergleichsfühlers kann vorgesehen sein, die Kennlinie mit statistischen Methoden aus einer Mehrzahl von Vergleichswerten zu ermittelt. In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, die Kennlinie mit analytischen Methoden aus einer Mehrzahl von Vergleichswerten zu ermitteln. Beiden Ausführungsformen ist gemein, zunächst eine Mehrzahl von Datenpunkten im Arbeitsbereich der Fühleranordnung aufzunehmen, die in einer nachfolgenden Schrittfolge einer statistischen oder analytischen Methode unterworfen werden.
Dazu ist in 2 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der Ermittlung von Kennlinienpunkten aus einer Mehrzahl von Messpunkten gezeigt. Dabei ist die Kennlinie 40 als Differenz der Messwerte des Messfühlers T_S1 und des Vergleichsfühlers T_S2 über der Temperatur T unter Berücksichtigung des Temperatugradienten dT/dt im betrachteten Zeitintervall aufgetragen.
Eine Fühleranordnung bestehend aus einem Messfühler und einem Vergleichsfühler lässt sich dynamisch mittels zweier Verzögerungsglieder erster Ordnung, sogenannter PT1-Glieder, beschreiben. Die Abweichung ist als Differenz der Messwerte des Messfühlers T_S1 und des Vergleichsfühlers T_S2 gegeben durch die folgende Gleichung: TS1 – TS2 = TS2·dTS2/dt – τS1·dTS1/dt + f(TS1).
Dabei sind:

T_S1, T_S2: die Messwerte der beiden Fühler,
τ_S1, τ_S1: ihre Zeitkonstanten und
f: die statische Kennlinie 40.

Für eingeschwungene lineare Temperaturverläufe sind die Messwertänderungen des Messfühlers und den Messwertänderungen des Vergleichsfühlers gleich.
Liegen die Temperaturdifferenzwerte der beiden Fühler für zwei unterschiedliche Messwertänderungen bei gleicher Temperatur T = T_S1 vor, so ist aus der obigen Gleichung der dynamische Anteil bestimmbar. Der statische Teil wird als Punkt der Kennlinie abgespeichert.
Unter Bezug auf die 2 ist aus den Messpunkten 51 und 52 für dieselbe Temperatur T und verschiedene Temperatugradienten dT/dt ein Kennlinienpunkt 41 der Kennlinie 40 ableitbar. In gleicher Weise ist aus den Messpunkten 53 und 54 für eine andere Temperatur T und verschiedene Temperatugradienten dT/dt ein weiterer Kennlinienpunkt 42 der Kennlinie 40 ableitbar.
Der Übersicht halber sind in 2 für jeden Kennlinienpunkt 41 und 42 jeweils nur zwei Messpunkte 51 und 52 sowie 53 und 54 dargestellt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, aus einer Vielzahl aufgenommener Messpunkte mit für sich bekannten analytischen oder statischen Methoden Kennlinienpunkte abzuleiten.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, fehlende Kennlinienpunkte der Kennlinie durch Interpolation und/oder Extrapolation aus messbasierten Kennlinienpunkten zu ermitteln.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass noch während der Bestimmung der Kennlinie für bereits vorhandene Kennlinienpunkte die Abweichung der Fühleranordnung von der aufgenommenen Kennlinie, also deren Drift, ermittelt wird. Dabei finden die Messung der physikalischen Größe, die Aufnahme der Kennlinie der Fühleranordnung und die Drifterkennung gleichzeitig statt.

10, 20: Zeitverlauf
11, 21: Toleranzband
30: Zeitintervall
40: Kennlinie
41, 42: Kennlinienpunkt
51 ... 54: Messpunkt

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Kennlinie einer Fühleranordnung mit mindestens einem Messfühler und mindestens einem Vergleichsfühler zur Aufnahme derselben physikalischen Größe sowie einer damit elektrisch verbundenen Auswerteeinheit, aus Messwerten des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers, dadurch gekennzeichnet, dass beginnend mit der erstmaligen Inbetriebnahme der Fühleranordnung während des laufenden Messbetriebes bei erstmaligem prozessualen Erreichen eines vorgebbaren Messpunktes ein Kennlinienpunkt aufgenommen wird, wenn die Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls (30) innerhalb eines vorgebbaren Grenzbereichs bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert in Abhängigkeit von den Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls (30) dynamisch an die Messwertänderungen angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert proportional zu den Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls (30) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass bei geringen Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls (30) ein Kennlinienpunkt aus der Differenz der Messwerte des mindestens einen Messfühlers und des mindestens einen Vergleichsfühlers ermittelt und dem zugehörigen Messpunkt der Fühleranordnung zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei großen absoluten Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls (30) und geringen Differenzen zwischen den Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und den Messwertänderungen des mindestens einen Vergleichsfühlers ein Kennlinienpunkt mit statistischen Methoden aus einer Mehrzahl von Vergleichswerten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei großen absoluten Messwertänderungen innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls (30) und geringen Differenzen zwischen den Messwertänderungen des mindestens einen Messfühlers und den Messwertänderungen des mindestens einen Vergleichsfühlers ein Kennlinienpunkt mit analytischen Methoden aus einer Mehrzahl von Vergleichswerten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass fehlende Kennlinienpunkte der Kennlinie durch Interpolation und/oder Extrapolation aus messbasierten Kennlinienpunkten ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass während der Bestimmung der Kennlinie für bereits vorhandene Kennlinienpunkte die Abweichung der Fühleranordnung von der aufgenommenen Kennlinie ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert in Abhängigkeit vom Messwert der physikalischen Größe dynamisch angepasst wird.