DE102013102721A1 - Method for determining a condition of a pH sensor comprising a glass membrane - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes eines eine Glasmembran umfassenden pH-Sensors, bei welchem zur Zustandsanalyse eine Temperatur (TProz) eines Prozesses gemessen wird, welchem der pH-Sensor (1) ausgesetzt ist, wobei in Abhängigkeit der Temperatur (TProz) der Zustand des Sensors (1) bestimmt wird. Bei einem Verfahren, welches trotz einfachen konstruktiven Aufbaus des pH-Sensors eine zuverlässige Diagnose über den Zustand des pH-Sensors ermöglicht, wird neben der Temperatur (TProz) ein elektrischer Prozesswiderstand (GProz) der Glasmembran (4) bestimmt, aus welchem auf den Zustand des pH-Sensors (1) geschlossen wird.The invention relates to a method for determining a state of a pH sensor comprising a glass membrane, in which a temperature (TProz) of a process is measured for the state analysis, to which the pH sensor (1) is exposed, depending on the temperature (TProz). the state of the sensor (1) is determined. In a method which, despite the simple design of the pH sensor, enables reliable diagnosis of the state of the pH sensor, in addition to the temperature (TProz), an electrical process resistance (GProz) of the glass membrane (4) is determined, from which the state of the pH sensor (1) is closed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes eines, eine Glasmembran umfassenden pH-Sensors, bei welchem zur Zustandsanalyse eine Temperatur eines Prozesses gemessen wird, welchem der Sensor ausgesetzt ist, wobei in Abhängigkeit der Temperatur der Zustand des Sensors bestimmt wird.The invention relates to a method for determining a state of a glass membrane comprising a pH sensor, wherein the state analysis, a temperature of a process is measured, to which the sensor is exposed, wherein the condition of the sensor is determined depending on the temperature.
In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Messsonden für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen dabei zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise einem pH-Wert eines Mediums. Durch Stellglieder kann der Prozessablauf in Abhängigkeit der erfassten Prozessvariablen entsprechend einer beispielsweise von einer Leitstation vorgegebenen Strategie beeinflusst werden. Als Beispiele für Stellglieder seien Regelventile, eine Heizung oder eine Pumpe genannt.In process engineering plants, a variety of probes for process instrumentation are used to control processes. Transmitters are used to record process variables, such as a pH of a medium. By means of actuators, the process flow can be influenced as a function of the detected process variables in accordance with a strategy predetermined, for example, by a control station. As examples of actuators are control valves, a heater or a pump called.
Durch eine langzeitliche Verwendung der in den Messsonden enthaltenen Sensoren, insbesondere des pH-Sensors, kann sich der Zustand des Sensors verändern, so dass er keine korrekten Messwerte mehr liefert. Aus der
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes eines, eine Glasmembran umfassenden pH-Sensors anzugeben, welches einen einfachen und zuverlässigen Rückschluss auf den Zustand des pH-Sensors zulässt.The invention is therefore based on the object to provide a method for determining a state of a glass membrane comprising a pH sensor, which allows a simple and reliable inference to the state of the pH sensor.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass neben der Temperatur ein elektrischer Prozesswiderstand der Glasmembran bestimmt wird, aus welchem auf den Zustand des pH-Sensors geschlossen wird. Dieses Verfahren wird eingesetzt, wenn die Messelektrode des ph-Sensors intakt ist. Dabei wird zusätzlich von der Erkenntnis ausgegangen, dass sich der elektrische Widerstand von Glaselektroden in Abhängigkeit der Temperatur ändert. Der spezifische Widerstand von Glas erhöht sich, wenn das Glas längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Diese Eigenschaft steht der reinen Temperaturabhängigkeit entgegen, so dass sich aufgrund der gegenläufigen Prozesse in Abhängigkeit des Glasmaterials unterschiedliche Widerstandsänderungen über die Zeit ergeben können. Diese Dynamik ist ein Zeichen für die Alterung der Glasmembran des pH-Sensors und stellt damit einen Parameter für die Sensoranalyse dar. Die Bestimmung des elektrischen Widerstandes erfolgt in dem ohnehin mit dem pH-Sensor verbundenen Messumformer, weshalb auf eine zusätzliche Auswerteelektronik verzichtet werden kann. Somit wird ein sehr preisgünstiges Verfahren zur Bestimmung des Zustandes eines pH-Sensors realisiert.According to the invention the object is achieved in that in addition to the temperature, an electrical process resistance of the glass membrane is determined, from which it is concluded that the state of the pH sensor. This procedure is used when the measuring electrode of the pH sensor is intact. In addition, it is assumed that the electrical resistance of glass electrodes changes as a function of the temperature. The specific resistance of glass increases when the glass is exposed to high temperatures for a long time. This property is contrary to the pure temperature dependence, so that due to the opposing processes depending on the glass material different resistance changes over time can arise. This dynamic is a sign of the aging of the glass membrane of the pH sensor and thus represents a parameter for the sensor analysis. The determination of the electrical resistance takes place in the already connected to the pH sensor transmitter, which is why it can be dispensed with an additional evaluation. Thus, a very inexpensive method for determining the condition of a pH sensor is realized.
Grundlage ist dabei, dass ein Prozesswiderstand der Glasmembran mit einem Ausgangswert des Glasmembranwiderstandes bei einer definierten Temperatur verglichen wird. Unter dem Prozesswiderstand der Glasmembran wird hier ein Widerstand der einem, insbesondere durch den pH-Sensor zu überwachenden, Prozess ausgesetzten Glasmembran verstanden.The basis for this is that a process resistance of the glass membrane is compared with an initial value of the glass membrane resistance at a defined temperature. The process resistance of the glass membrane is understood here to mean a resistance of a glass membrane exposed to the process to be monitored in particular by the pH sensor.
Vorteilhafterweise wird dazu in einem ersten Schritt während einer Endprüfung bei der Herstellung des pH-Sensors der elektrische Widerstand der Glasmembran bei unterschiedlichen Temperaturen ermittelt, wobei aus dem Verlauf eines Widerstands-Temperatur-Wertepaares ein funktionaler Zusammenhang ermittelt wird.Advantageously, the electrical resistance of the glass membrane is determined at different temperatures in a first step during a final test in the production of the pH sensor, wherein a functional relationship is determined from the course of a resistance-temperature value pair.
In einer Ausgestaltung wird der funktionale Zusammenhang mittels einer mathematischen Regression bestimmt. Diese mathematische Regression basiert auf endlich vielen Widerstands-Temperatur-Wertepaaren. Bei der Regressionsmethode handelt es sich um ein statistisches Auswerteverfahren, welches eine mögliche Korrelation zwischen Datenpunkten mit einem angenommenen inneren Zusammenhang untersucht. Sie stellt somit eine mögliche Korrelation zwischen Datenpunkten mit dem angenommenen inneren Zusammenhang dar. Der ermittelte funktionale Zusammenhang kann dann im pH-Sensor oder einem mit dem pH-Sensor verbundenen Messumformer abgelegt werden.In one embodiment, the functional relationship is determined by means of a mathematical regression. This mathematical regression is based on finitely many resistance-temperature value pairs. The regression method is a statistical evaluation method that investigates a possible correlation between data points with an assumed inner relationship. It thus represents a possible correlation between data points with the assumed internal relationship. The determined functional relationship can then be stored in the pH sensor or a transmitter connected to the pH sensor.
In einer Variante wird der mathematischen Regression ein exponentieller Verlauf der in der Endprüfung gemessenen elektrischen Widerstände der Glasmembran über der Temperatur zugrunde gelegt, wobei der exponentielle Verlauf des elektrischen Widerstandes linearisiert wird und ein geschätzter Widerstandswert als Funktion unterschiedlicher Prozesstemperaturen ermittelt wird. Zusätzlich zur wiederholten Messung der tatsächlichen Temperaturen des Prozesses und der Ermittlung des elektrischen Widerstandes der Glasmembran des pH-Sensors wird somit eine Schätzung des Glasmembranwiderstandes vorgenommen. Über diese Funktion ist es möglich, kontinuierlich über den Temperaturbereich des pH-Sensors einen Schätzwert des elektrischen Widerstandes der Glasmembran zu berechnen. Somit ist eine lineare Abschätzung vorhanden, welche einen Zusammenhang zwischen der Prozesstemperatur und einem zugehörigen logarithmierten elektrischen Widerstand der Glasmembran aufzeigt. Ein solcher Zusammenhang dient als Grundlage zur Sensoranalyse mit unterschiedlichen Methoden. Im Zusammenhang mit dem jeweiligen Temperaturmesswert sind einerseits Aussagen über den Zustand des pH-Sensors möglich und andererseits werden Voraussetzungen für die Nutzung des Glasmembranwiderstandes als Temperaturabbild geschaffen.In one variant, the mathematical regression is based on an exponential curve of the electrical resistances of the glass membrane over the temperature measured in the final test, wherein the exponential profile of the electrical resistance is linearized and an estimated resistance value is determined as a function of different process temperatures. In addition to repeatedly measuring the actual temperatures of the process and determining the electrical resistance of the glass membrane of the pH sensor, an estimate of the glass membrane resistance is thus made. This function makes it possible to continuously calculate an estimate of the electrical resistance of the glass membrane over the temperature range of the pH sensor. Thus, there is a linear estimation which shows a relationship between the Process temperature and an associated logarithmic electrical resistance of the glass membrane shows. Such a connection serves as a basis for sensor analysis with different methods. On the one hand, statements about the state of the pH sensor are possible in connection with the respective temperature measurement, and on the other hand conditions are created for the use of the glass membrane resistance as a temperature image.
In einer Ausführungsform wird auf einen funktionsfähigen pH-Sensor geschlossen, wenn der bei einer Prozesstemperatur bestimmte elektrische Widerstand der Glasmembran innerhalb eines Widerstandsintervalls liegt. Aufgrund dieser einfachen Methode lässt sich die Zustandsanalyse sehr schnell und zuverlässig durchführen. Im einfachsten Fall reichen hier im Voraus definierte Intervallgrenzen aus. Diese Zustandsanalyse kann somit während des Einsatzes des Sensors im Feld beliebig wiederholt werden.In one embodiment, a functional pH sensor is concluded when the electrical resistance of the glass membrane, determined at a process temperature, is within a resistance interval. Due to this simple method, the state analysis can be carried out very quickly and reliably. In the simplest case, predefined interval limits are sufficient here. This state analysis can thus be repeated in the field during the use of the sensor.
Vorzugsweise werden beim Einsatz des pH-Sensors in dem Prozess eine Prozesstemperatur gemessen und ein elektrischer Prozesswiderstand der Glasmembran ermittelt und eine Differenz des ermittelten, logarithmierten elektrischen Prozesswiderstandes der Glasmembran und des für die gemessenen Prozesstemperatur geschätzten, logarithmierten Widerstandswert gebildet und mit einem Widerstandsgrenzwert bzw. einem Widerstandsintervall verglichen. Für diese Methode ist neben der Berechnung des Schätzwertes des elektrischen Widerstandes der Glasmembran lediglich ein im Voraus definierter Grenzwert notwendig. Diese Bestimmung stellt eine robuste Methode dar.When using the pH sensor in the process, a process temperature is preferably measured and an electrical process resistance of the glass membrane is determined and a difference between the determined, logarithmic electrical process resistance of the glass membrane and the logarithmic resistance value estimated for the measured process temperature is formed and with a resistance limit value or a resistance limit Resistance interval compared. For this method, besides the calculation of the estimated value of the electrical resistance of the glass membrane, only a limit defined in advance is necessary. This provision is a robust method.
Alternativ wird ein Widerstandsintervall mittels statistischer Methoden rechnerisch bestimmt. Mittels solcher statistischen Methoden lässt sich eine fundierte Auswertung darüber erlangen, ob der gemessene Prozesswiderstand dem ursprünglich ermittelten funktionalen Zusammenhang zwischen dem geschätzten Glasmembranwiderstand und der jeweiligen Temperatur entspricht.Alternatively, a resistance interval is determined by calculation using statistical methods. By means of such statistical methods it is possible to obtain a well-founded evaluation of whether the measured process resistance corresponds to the originally determined functional relationship between the estimated glass membrane resistance and the respective temperature.
In einer Ausgestaltung wird bei einmaliger Unter- bzw. Überschreitung des Widerstandsintervalls durch den ermittelten elektrischen Prozesswiderstand der Glasmembran ein Warnsignal ausgegeben. Dies soll das Servicepersonal darauf aufmerksam machen, dass ein Anfangsverdacht für eine Fehlfunktion des pH-Sensors vorliegt.In one embodiment, a warning signal is emitted by the determined electrical process resistance of the glass membrane once the resistance interval has been undershot or exceeded. This should alert the service personnel that there is an initial suspicion of malfunction of the pH sensor.
In einer Alternative wird bei mehrmaliger Über- bzw. Unterschreitung des Widerstandsintervalls durch den ermittelten elektrischen Widerstand der Glasmembran der pH-Sensor ausgewechselt. Die mehrmalige Über- bzw. Unterschreitung der Intervallgrenzen des Widerstandsintervalls durch den ermittelten Prozesswiderstand lässt zuverlässig darauf schließen, dass der pH-Sensor defekt ist und durch einen neuen pH-Sensor ersetzt werden muss.In an alternative, when the resistance interval is exceeded or fallen short of several times, the pH value of the sensor is changed by the electrical resistance of the glass membrane. The repeated exceeding or falling below the interval limits of the resistance interval by the determined process resistance can reliably conclude that the pH sensor is defective and must be replaced by a new pH sensor.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.The invention allows numerous embodiments. One of them will be explained in more detail with reference to the figures shown in the drawing.
Es zeigt:It shows:
In
Wie aus
Neben dieser eigentlichen Messfunktion übernimmt der Messumformer
Dieser Zusammenhang wird mittels einer mathematischen Regression behandelt. Damit die mathematische Regression mit weniger Aufwand in den Messumformer
Aus dieser Formel (2) ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen einem geschätzten logarithmierten Widerstandswert GSchätz und der Messtemperatur TMess.
Ein solcher Zusammenhang ist in
Während des Einsatzes des pH-Sensors
Alternativ dazu lässt sich über entsprechende Software im Messumformer
- G’Schätz = b1·t + b2
- lineare Regression (Methode kleinster Fehlerquadrate)
- sF
- Standardfehler des individuellen Prognosewertes
- tv,α/2
- Testgröße nach Student-Verteilung für definierte Irrtumswahrscheinlichkeit 1 – α und Freiheitsgrad ν
- ν = n – 2
- Freiheitsgrad
- n
- Anzahl der Messpunkte
- G ' estimate = b1 * t + b2
- linear regression (least squares method)
- s F
- Standard error of the individual forecast value
- t v, α / 2
- Test size according to student distribution for defined error probability 1 - α and degree of freedom ν
- ν = n - 2
- degree of freedom
- n
- Number of measuring points
Beispiel für die Bestimmung eines Prognoseintervalls:Example for determining a forecast interval:
Ausgehend von den in einer Produktionsendprüfung für verschiedene Temperaturen ermittelten Widerstandswerten, wie sie in der
Nimmt man z. B. 16 Widerstandswerte bei unterschiedlichen Temperaturen (
Diese ausführliche statistische Methode stellt dabei nur eine Option der Sensordiagnose dar. Die bereits erläuterte, sehr robuste Möglichkeit für den direkten Vergleich von geschätztem Widerstandswertes GSchätz sowie des ermittelten Prozesswiderstandes GProz bei der Temperatur TProz ist gleichberechtigt möglich. Weiterhin stellt der Umweg über eine Linearisierung der Temperaturabhängigkeit des Glasmembranwiderstandes ebenfalls nur eine Option dar.This detailed statistical method in this case represents only one option, the sensor diagnostics. The above-explained, very robust way for direct comparison of estimated resistance value G estimated and the determined process resistance G per cent at temperature T per cent is equally possible. Furthermore, the detour via a linearization of the temperature dependence of the glass membrane resistance also represents only one option.
Das erläuterte statistische Verfahren dient einerseits zur Analyse des aktuellen Zustands eines pH-Sensors
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