DE102013104203A1

DE102013104203A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Restbetriebsdauer eines Messaufnehmers

Info

Publication number: DE102013104203A1
Application number: DE201310104203
Authority: DE
Inventors: Thomas Steckenreiter
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
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: DE102013104203B4

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung einer Restbetriebsdauer eines Messaufnehmers (1), welcher dazu ausgestaltet ist, eine Messgröße, insbesondere einen pH-Wert, in ein Messsignal zu wandeln, umfassend: – zu verschiedenen Zeitpunkten über die Betriebsdauer des Messaufnehmers (1) Ermitteln jeweils mindestens eines Wertes eines Dynamikparameters des Messaufnehmers (1), wobei der Dynamikparameter einen sich in Reaktion auf eine sprunghafte Änderung der Messgröße ergebenden zeitlichen Messsignalverlauf repräsentiert; und – Ermitteln der Restbetriebsdauer des Messaufnehmers (1) unter Verwendung mindestens zweier der zu verschiedenen Zeitpunkten erfassten Werte des Dynamikparameters, wobei das Ermitteln eines Wertes des Dynamikparameters das Bestimmen eines Zeitintervalls zwischen einem ersten Punkt (P1(UpH1, t1)) des Messsignalverlaufs (UpH(t)) und einem von dem ersten Punkt (P1(UpH1, t1)) verschiedenen zweiten Punkt (P2(UpH2, t2)) des Messsignalverlaufs (UpH(t)) umfasst, wobei als zweiter Punkt (P2(UpH2, t2)) derjenige Punkt des Messsignalverlaufs (UpH(t)) bestimmt wird, der zu einem Zeitpunkt (t2) erfasst wird, an dem der Messsignalverlauf (UpH(t)) ein vorgegebenes Stabilitätskriterium erfüllt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Restbetriebsdauer eines Messaufnehmers und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der Prozessmesstechnik und im Bereich der Gas- und Flüssigkeitsanalyse werden zur Erfassung und Überwachung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen Messeinrichtungen eingesetzt. Messaufnehmer sind Bestandteile derartiger Messeinrichtungen. In der Prozessmesstechnik und in der Gas- bzw. Flüssigkeitsanalytik bedeutende Messgrößen sind Temperatur, Druck, Durchfluss und Füllstand, sowie insbesondere analytische Parameter von Messmedien, z.B. deren pH-Wert, ihre Leitfähigkeit, Konzentrationen bestimmter Ionen oder Konzentrationen anderer chemischer Substanzen, wie beispielsweise Sauerstoff, Kohlendioxid, organische Stoffe oder Nährstoffe. Die genannten analytischen Parameter spielen in vielfältigen Anwendungen eine Rolle, beispielsweise im Labor oder in der Prozess- bzw. Analysemesstechnik im Bereich der Chemie, Pharmazie, Biotechnologie, Lebensmitteltechnologie oder im Bereich der Umweltmesstechnik.
Grundsätzlich wandelt ein Messaufnehmer die zu erfassende Messgröße in ein elektrisches Signal, das über eine durch eine Sensorkennlinie repräsentierte Übertragungsfunktion des Sensors mit der Messgröße korreliert ist. Das zunächst als elektrisches Signal, beispielsweise als Messspannung, anfallende Messsignal kann mittels einer Auswertungsschaltung weiterverarbeitet, zum Beispiel digitalisiert, und in der physikalischen Einheit der zu ermittelnden Messgröße ausgegeben und zur Anzeige gebracht werden.
Messeinrichtungen, die in der Prozessmesstechnik oder in der Analysenmesstechnik zum Einsatz kommen, können ein Gehäuse umfassen, in dem der Messaufnehmer, die Auswertungsschaltung und eine Anzeigevorrichtung integriert sind. Für komplexere Auswertungen, insbesondere zur Speicherung und/oder Verarbeitung von Messwerten und/oder zur Steuerung oder Regelung von Prozessen unter Verwendung der von der Messeinrichtung erfassten Messwerte kann die Messeinrichtung Mittel zur Datenverarbeitung umfassen. Diese können beispielsweise in Form eines Messumformers, eines Computers oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ausgestaltet sein. In der Analysenmesstechnik werden in vielen Anwendungen Messaufnehmer eingesetzt, deren Lebensdauer erheblich kürzer ist als die der Auswertungsschaltung, der Anzeigevorrichtung oder der Mittel zur Datenverarbeitung. Dies gilt beispielsweise für pH-Sensoren, ionenselektive Elektroden sowie für optische oder amperometrische Sensoren zur Erfassung von Konzentrationen bestimmter Substanzen im Messmedium. Häufig sind in diesen Anwendungen die Messaufnehmer als austauschbare Einheiten, z.B. in Form von Messsonden, ausgestaltet, die von der Anzeigevorrichtung, der gesamten oder zumindest einem Teil der Auswertungsschaltung oder den Mitteln zur weitergehenden Datenverarbeitung abgesetzt sind, und die über eine Kabelverbindung oder drahtlos mit diesen kommunizieren. Dabei kann zumindest ein Teil der Auswertungsschaltung in Form einer Vor-Ort-Elektronik Bestandteil des austauschbaren Sensors sein.
Reale Messaufnehmer weichen aufgrund von Alterung durch den Einfluss äußerer, den Messaufnehmer belastender, Bedingungen wie auch aufgrund innerer Veränderungen mit der Zeit immer stärker vom Idealverhalten ab. Diese Abweichung vom Idealverhalten resultiert in einer Verschiebung der Messketten-Kennlinie. Es ist daher gängige Praxis, die Messaufnehmer von Zeit zu Zeit zu warten und gegebenenfalls eine Kompensation der Abweichung durchzuführen. Ganz üblich ist dies bei elektrochemischen Messaufnehmern wie pH-Elektroden, ionenselektiven Elektroden, amperometrischen Messaufnehmern, wie beispielsweise einer Clarke-Elektrode zur Gelöstsauerstoffmessung, und auch bei Leitfähigkeitsmessaufnehmern. Eine solche Kompensation, bei der der Anzeigewert des Sensors an den wahren Wert der Messgröße angeglichen wird, wird als Justage bezeichnet. Da in der Prozessmesstechnik jedoch für diesen Vorgang in der Regel der nicht ganz zutreffende Begriff "Kalibrierung" verwendet wird, wird diese Bezeichnung auch hier und im Folgenden beibehalten.
Bei der Kalibrierung beispielsweise eines pH-Messaufnehmers werden üblicherweise Standardlösungen mit definierten pH-Werten als Kalibriermedien verwendet. Je nach Anzahl der verwendeten pH-Puffer mit unterschiedlichen pH-Werten, mit denen der Messaufnehmer bei der Kalibrierung beaufschlagt wird, wird zwischen Einpunkt-, Zweipunkt- und Mehrpunktkalibrierung unterschieden.
Der zu kalibrierende Messaufnehmer wird zur Durchführung von Kalibriermessungen nacheinander mit den einzelnen Standardlösungen beaufschlagt und der in den Standardlösungen erfasste Messwert der Kalibriermessung erfasst und gegebenenfalls gespeichert. Bei einer Zweipunktkalibrierung können auf Basis der beiden so ermittelten Kalibriermesswerte die die Messaufnehmer-Kennlinie bestimmenden Parameter Nullpunkt und Steigung berechnet werden.
Mit zunehmender Alterung des Messaufnehmers ist eine Änderung seines dynamischen Verhaltens verbunden, was sich darin äußert, dass sich die Einstellzeit des Messsignals auf den korrekten Wert der Messgröße, insbesondere nach einer sprunghaften Änderung der Messgröße, verlangsamt. So kann es bei einer Kalibriermessung dazu kommen, dass das Messsignal auch nach einigen Minuten noch keinen stabilen Wert erreicht. Durch Wartungsmaßnahmen, die zur Regenerierung des Messaufnehmers dienen, kann die Verlässlichkeit bzw. die Dynamik des Messaufnehmers in gewissen Grenzen wieder verbessert werden.
Das Ende der Betriebsdauer des Messaufnehmers ist jedoch erreicht, wenn seine Alterung so weit fortgeschritten ist, dass trotz Kalibrierung eine Verlässlichkeit der von dem Messaufnehmer gelieferten Messwerte nicht mehr gewährleistet ist. In diesem Fall wird – je nach Art der Messeinrichtung – entweder die gesamte Messeinrichtung außer Betrieb genommen und durch eine neue ersetzt oder es wird der Messaufnehmer ausgetauscht.
Die Messaufnehmerdynamik kann daher ein Maß für den aktuellen Zustand eines Messaufnehmers sein und als solches auch zur Vorhersage einer Restbetriebsdauer, d.h. einer verbleibenden Zeit bis zu einer erforderlichen Wartungsmaßnahme oder bis zum erforderlichen Austausch des Messaufnehmers, herangezogen werden.
In der internationalen Patentanmeldung WO 2004/025223 A2 ist ein Verfahren zur Funktionsüberwachung von Sensoren beschrieben, bei dem Prüfparameter erfasst und gespeichert werden und eine zeitliche Entwicklung der gespeicherten Prüfparameter ausgewertet wird, um daraus die zukünftig zu erwartende Entwicklung des Sensorverhaltens vorherzusagen und Informationen über die Dauer des verbleibenden störungsfreien Betriebs des Sensors zu gewinnen. Als Prüfparameter sind in der WO 2004/025223 A2 die Steilheit des Sensorsignals, der Nullpunkt eines Messkettensignals bei potentiometrischen Sensoren, der Innenwiderstand einer Elektrode und die Veränderung des dynamischen Verhaltens vom Sensor selbst erzeugter Signale, z.B. die Anstiegs-/bzw. Abfallzeit bei der Signalerfassung oder die Signaleinschwingzeit oder das dynamische Verhalten des Rauschens genannt. Es bleibt jedoch offen, welche konkreten, reproduzierbar ermittelbaren Parameter bei einer Erfassung und Auswertung des dynamischen Verhaltens herangezogen werden können.
In DE 10 2007 039 265 A1 ist ein Verfahren zur Abschätzung einer Reststandzeit oder einer verbleibenden Zeit bis zu einer Wartungsmaßnahme eines Messaufnehmers beschrieben, wobei der zeitliche Verlauf des Messsignals in Antwort auf die Beaufschlagung des Messaufnehmers mit dem Kalibriermedium erfasst wird, das Zeitverhalten des Messsignals anhand des zeitlichen Verlaufs des Messsignals bestimmt und die Reststandzeit des Messaufnehmers oder die verbleibende Zeit bis zu der Wartungsmaßnahme anhand des Zeitverhaltens des Messsignals während der Kalibrierung ermittelt wird. Zur Bestimmung des Zeitverhaltens wird in DE 10 2007 039 265 A1 vorgeschlagen, unter Annahme eines Modells einer exponentiellen Sprungantwort des Messaufnehmersignals auf das Inkontaktbringen des Messaufnehmers mit einem Kalibriermedium eine Zeitkonstante der Sprungantwort zu ermitteln. Die Annahme eines Modells für das Zeitverhalten des Messsignals hängt jedoch wesentlich von der Art und von konkret vorliegenden Gegebenheiten, auch der Belastungshistorie, des einzelnen Messaufnehmers ab und führt daher im konkreten Einzelfall gegebenenfalls zu ungenauen Ergebnissen. In DE 10 2007 039 265 A1 ist auch offen gelassen, welcher Teil des erfassten zeitlichen Messsignalverlaufs zur Auswertung herangezogen wird, insbesondere wie der Startzeitpunkt der Auswertung ermittelt werden könnte.
In EP 1936 367 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung und/oder zur Bestimmung des Zustandes eines elektrochemischen Messaufnehmers mit mindestens einer Elektrode angegeben, bei dem während des Betriebs mindestens eine Prüfphase vorgesehen ist, welche eine Ladungsphase und eine daran anschließende Testphase aufweist, wobei während der Ladungsphase ein der Elektrode zugehöriger Ladungsspeicher mittels eines, über eine Steuereinheit kontrollierbaren Ladungstransfers geladen wird, und während der Testphase die resultierende Elektrodenspannung mindestens einmal gemessen und das Messergebnis weiterverarbeitet wird. Dabei soll die Ladungsträgerbeweglichkeit der Elektrode durch Messung der Geschwindigkeit der Entladung des Ladungsspeichers über die Elektrode ermittelt werden und daraus auf den Verschleißzustand des elektrochemischen Messaufnehmers geschlossen werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass eine zusätzliche Schaltung zur Beaufschlagung der Elektrode des Messaufnehmers mit Ladung während der Prüfphase erforderlich ist. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, dass das Entladen des Ladungsspeichers über die Elektrode in den Messaufnehmer eingreift und dessen Charakteristik beeinflusst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Restbetriebsdauer eines Messaufnehmers der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das mit einfachen Mitteln, insbesondere ohne Beeinflussung des Messaufnehmers, eine Prognose der Restbetriebsdauer mit einer im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verbesserten Genauigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Restbetriebsdauer eines Messaufnehmers gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 17.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Restbetriebsdauer eines Messaufnehmers, welcher dazu ausgestaltet ist, eine Messgröße in ein Messsignal zu wandeln, umfasst:

– das Ermitteln jeweils mindestens eines Wertes eines Dynamikparameters des Messaufnehmers zu verschiedenen Zeitpunkten über dessen Betriebsdauer, wobei der Dynamikparameter einen sich in Reaktion auf eine sprunghafte Änderung der Messgröße ergebenden zeitlichen Messsignalverlauf repräsentiert; und
– das Ermitteln der Restbetriebsdauer des Messaufnehmers unter Verwendung mindestens zweier der zu verschiedenen Zeitpunkten erfassten Werte des Dynamikparameters, wobei das Ermitteln eines Wertes des Dynamikparameters das Bestimmen eines Zeitintervalls zwischen einem ersten Punkt des Messsignalverlaufs und einem von dem ersten Punkt verschiedenen zweiten Punkt des Messsignalverlaufs umfasst, wobei als zweiter Punkt derjenige Punkt des Messsignalverlaufs bestimmt wird, der zu einem Zeitpunkt erfasst wird, an dem der Messsignalverlauf ein vorgegebenes Stabilitätskriterium erfüllt.

Indem die Ermittlung des Dynamikparameters das Bestimmen eines Zeitintervalls zwischen zwei Punkten des Messsignalverlaufs umfasst, wobei als zweiter Punkt ein Punkt des Messsignalverlaufs dient, an dem ein bestimmtes Stabilitätskriterium erfüllt ist, werden drei Vorteile erreicht: Zum einen ist durch das Stabilitätskriterium der Endpunkt des Zeitintervalls reproduzierbar bestimmbar. Ausgehend von diesem Endpunkt des Zeitintervalls kann durch Zurückverfolgen des sich in Folge der sprunghaften Änderung der Messgröße ergebenden Messaufnehmersignals entlang der Zeit-Koordinate ein definierter Anfangszeitpunkt des Zeitintervalls aufgefunden werden. Auf diese Weise lässt sich reproduzierbar eine Einstellzeit des Messaufnehmersignals in Reaktion auf die Änderung der Messgröße ermitteln, so dass zu verschiedenen Zeiten über die Betriebsdauer des Messaufnehmers in dieser Weise bestimmte Zeitintervall-Werte untereinander vergleichbar sind. Dies ermöglicht es, eine zeitliche Entwicklung dieser Werte oder die Werte daraus abgeleiteter Parameter zu einer Vorhersage der Restbetriebsdauer zu verwenden.
Zum anderen kann das Zeitintervall zwischen zwei Punkten des Messsignalverlaufs im Gegensatz zu der in DE 10 2007 039 265 A1 verwendeten Zeitkonstanten ohne Annahme eines bestimmten Modells für den Messsignalverlauf bestimmt werden. Dieses Zeitintervall oder ein daraus abgeleiteter Parameter können daher als Dynamikparameter zu einer genaueren Vorhersage der Restbetriebsdauer dienen. Schließlich weist das erfindungsgemäße Verfahren den weiteren Vorteil auf, dass, anders als bei dem aus EP 1936 367 A1 bekannten Verfahren, die Messung nicht beeinflusst wird und keine zusätzlichen Schaltungsmittel benötigt werden.
Die Messgröße kann beispielsweise mit der Konzentration einer Substanz in einem, insbesondere flüssigen, Messmedium korreliert sein. Bei der Messgröße kann es sich zum Beispiel um einen pH-Wert, eine Ionenkonzentration, eine Leitfähigkeit, eine Gelöstsauerstoffkonzentration, eine Kohlendioxidkonzentration, ein Feststoff- oder Zellgehalt, oder eine Trübung des Messmediums handeln.
Unter einer sprunghaften Änderung der Messgröße wird beispielsweise eine Änderung des Messignals um mindestens eine Einheit innerhalb eines Zeitraums von weniger als 5 s, vorzugsweise weniger als 1 s, verstanden. Eine sprunghafte Änderung der Messgröße ergibt sich beispielsweise in Folge eines Wechsels des Messmediums, mit dem der Messaufnehmer beaufschlagt ist.
Die sprunghafte Änderung der Messgröße kann dadurch bewirkt werden, dass der Messaufnehmer mit einem, vorzugsweise einen definierten Wert der Messgröße aufweisenden, Messmedium, insbesondere während einer Kalibrierung des Messaufnehmers in Kontakt gebracht wird. Dies kann beispielsweise durch Eintauchen des Messaufnehmers in das Messmedium erreicht werden. Alternativ kann in dem Fall, dass der Messaufnehmer fest in einem Prozessbehälter installiert ist, das Messmedium dem Messaufnehmer zugeleitet werden. Dies kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung mittels einer Tauchwechselarmatur erfolgen.
Eine sprunghafte Änderung der Messgröße kann auch dadurch bewirkt werden, dass der Messaufnehmer zunächst mit einem ersten Medium beaufschlagt wird, das einen ersten vorgegebenen Wert der Messgröße aufweist, und unmittelbar anschließend mit einem zweiten Medium beaufschlagt wird, das einen zweiten, von dem ersten Wert der Messgröße verschiedenen Wert der Messgröße aufweist. Dies kann beispielsweise bei einer Kalibrierung des Messaufnehmers mit zwei verschiedenen Kalibriermedien (Zweipunktkalibration) auftreten. Auch bei einer Einpunktkalibrierung kann der Messaufnehmer zunächst mit einer Reinigungslösung beaufschlagt werden, die einen ersten Wert der Messgröße aufweist, und anschließend mit einem Kalibriermedium beaufschlagt werden, das einen zweiten Wert der Messgröße aufweist. Die beim Wechsel zwischen der Reinigungslösung und dem Kalibriermedium auftretende sprunghafte Änderung der Messgröße kann gleichermaßen wie die sprunghafte Änderung beim Wechsel zwischen zwei Kalibriermedien zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens verwendet werden.
Eine sprunghafte Änderung der Messgröße kann auch dadurch bewirkt werden, dass der Messaufnehmer im Betrieb zur Überwachung eines Prozesses eingesetzt wird und dabei verschiedenen Prozessstufen ausgesetzt ist, wobei sich die Messgröße von einer Prozessstufe zur unmittelbar darauf folgenden Prozessstufe sprunghaft ändert. Handelt es sich bei der Messgröße um einen pH-Wert, kann eine derartige Änderung beispielsweise auftreten, wenn der Messaufnehmer einen in einem Prozessbehälter durchgeführten Prozess überwacht, bei dem in einer ersten Prozessstufe ein Prozessmedium mit neutralem oder saurem pH-Wert hergestellt wird und in einer zweiten Prozessstufe der Prozessbehälter mit dem darin eingebauten Messaufnehmer durch Zuführung einer alkalischen Reinigungslösung gereinigt wird.
Das Stabilitätskriterium kann in der Weise vorgegeben sein, dass es als erfüllt gilt, wenn sich das Messsignal als Funktion der Zeit innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls um weniger als einen vorgegebenen Betrag ändert.
Bei einem potentiometrischen pH-Messaufnehmer kann das Stabilitätskriterium beispielsweise vorgeben, dass sich die als Messsignal des pH-Messaufnehmers dienende pH-Spannung innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls, das z.B. eine Länge von 20 bis 180 s haben kann, nicht mehr als um einen maximalen Spannungsbetrag, z.B. 2 mV, ändern darf. Der zeitliche Verlauf des Messsignals kann auf den Eintritt des vorgegebenen Stabilitätskriteriums überwacht werden und derjenige Zeitpunkt bestimmt werden, an dem das Stabilitätskriterium erfüllt ist.
Das für das hier beschriebene Verfahren herangezogene Stabilitätskriterium kann beispielsweise mit einem Stabilitätskriterium übereinstimmen das zur Bestimmung des Endpunkts einer Kalibriermessung herangezogen wird. Selbstverständlich kann auch ein von dem für die Kalibrierung verwendeten Stabilitätskriterium abweichendes Stabilitätskriterium vorgegeben werden.
In einer Ausgestaltung des hier beschriebenen Verfahrens kann als erster Punkt ein Punkt des Messsignalverlaufs bestimmt werden, dessen Messsignalwert sich um einen vorgegebenen Betrag oder Prozentsatz von dem Messsignalwert des zweiten Punkts unterscheidet. In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann als erster Punkt ein Wendepunkt des Messsignalverlaufs bestimmt werden.
Als Dynamikparameter kann das zwischen dem zum ersten Punkt gehörigen Zeitpunkt und dem zum zweiten Punkt gehörigen Zeitpunkt liegende Zeitintervall dienen. Alternativ kann als Dynamikparameter ein aus dem Zeitintervall abgeleiteter oder ein von dem Zeitintervall abhängiger Parameter dienen.
Die zu verschiedenen Zeitpunkten über die Betriebsdauer des Messaufnehmers ermittelten Werte des Dynamikparameters können in einem dem Messaufnehmer zugeordneten Datenspeicher abgelegt werden, wobei jedem in dem Datenspeicher abgelegten Wert ein Zeitwert zugeordnet und ebenfalls in dem Datenspeicher abgelegt wird, der dem Zeitpunkt der Ermittlung des zugeordneten Wertes entspricht.
Die Restbetriebsdauer des Messaufnehmers kann bestimmt werden, indem ein Verlauf, insbesondere ein Trend, mindestens zweier zu verschiedenen Zeitpunkten über die Betriebsdauer erfasster Werte des Dynamikparameters als Funktion der Zeit ausgewertet wird.
Zur Auswertung des Verlaufs der über die Betriebsdauer des Messaufnehmers erfassten Werte des Dynamikparameters kann eine Extrapolation der mindestens zwei Werte als Funktion der Zeit durchgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise anhand der mindestens zwei Werte des Dynamikparameters eine Extrapolationsfunktion ermittelt werden. Bei der Extrapolationsfunktion kann es sich beispielsweise um eine Gerade, ein Polynom, oder eine sonstige nicht-lineare Funktion handeln. Die Extrapolationsfunktion kann insbesondere mittels eines Regressionsverfahrens ermittelt werden.
Zur Bestimmung der Restbetriebsdauer kann derjenige Zeitpunkt ermittelt werden, an dem die so ermittelte Extrapolationsfunktion einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Als Grenzwert kann beispielsweise ein Wert des Dynamikparameters vorgegeben werden, der eine für eine hinreichende Messgenauigkeit noch tolerable Messaufnehmerdynamik, beispielsweise eine noch tolerable Einstellzeit, repräsentiert.
Der durch Extrapolation ermittelte Zeitpunkt der Überschreitung des Grenzwerts bzw. die Zeitdifferenz zwischen dem ermittelten Zeitpunkt und einem aktuellen Zeitpunkt kann als prognostizierte Restbetriebsdauer des Messaufnehmers ausgegeben werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann ein, vorteilhafterweise von Null verschiedener, Warn-Grenzwert der Restbetriebsdauer vorgegeben sein. Unterschreitet die verbleibende Restbetriebsdauer diesen Warn-Grenzwert, kann eine Warnung ausgegeben werden. Dies erlaubt eine längerfristige Planung von Wartungsmaßnahmen bzw. eine längerfristige Planung eines gegebenenfalls erforderlichen Messaufnehmer-Austauschs.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens können der aktuell ermittelte und eine vorgegebene Anzahl zuletzt gespeicherter Werte des Dynamikparameters mit einer höheren Gewichtung in die Ermittlung der Extrapolationsfunktion eingehen als Werte des Dynamikparameters, deren Erfassung bzw. Speicherung zeitlich länger zurückliegt. Insbesondere ist es möglich, nur eine vorgegebene Anzahl zuletzt gespeicherter Werte bei der Ermittlung der Extrapolationsfunktion zu berücksichtigen. Beispielsweise können lediglich die letzten beiden oder die drei bis fünf vor Ermittlung des aktuellen Werts zuletzt gespeicherten Werte des Dynamikparameters bei der Ermittlung der Extrapolationsfunktion berücksichtigt werden, während Werte nicht mehr berücksichtigt werden, die zu länger zurückliegenden Zeitpunkten ermittelt und gespeichert wurden.
Zu jedem Zeitpunkt, an dem ein aktueller Wert des Dynamikparameters des Messaufnehmers ermittelt wird, also zu verschiedenen Zeitpunkten über die Betriebsdauer des Messaufnehmers, insbesondere in regelmäßigen Zeitabständen, kann die beschriebene Extrapolation des zeitlichen Verlaufs des aktuell ermittelten Werts des Dynamikparameters und weiterer im Datenspeicher zusammen mit dem Zeitpunkt ihrer Ermittlung hinterlegter Werte des Dynamikparameters durchgeführt werden und daraus eine aktuelle Prognose der Restbetriebsdauer des Messaufnehmers ermittelt werden.
Zusätzlich kann anhand einer Eigenschaft, insbesondere einer Steigung, der Extrapolationsfunktion ein aktueller Zustand des Messaufnehmers abgeleitet werden. Zum Beispiel kann die Steigung mit einem oberen und einem unteren vorgegebenen Schwellenwert verglichen und bei einer Schwellenwertüberschreitung des oberen Schwellenwertes oder bei einer Schwellenwertunterschreitung des unteren Schwellenwertes ein Alarm gegeben werden.
Es ist auch möglich, eine zeitliche Entwicklung der Eigenschaft, insbesondere der Steigung, der Extrapolationsfunktion auszuwerten. Hierzu kann zu jedem Zeitpunkt, an dem eine Extrapolation durchgeführt wird, die auszuwertende Eigenschaft der Extrapolationsfunktion in einem dem Messaufnehmer zugeordneten Datenspeicher zusammen mit einem Zeitstempel hinterlegt werden, der dem Zeitpunkt der Ermittlung desjenigen Wertes des Dynamikparameters entspricht, der von den in die Extrapolation eingehenden Werten zuletzt aufgenommen wurde.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann zu verschiedenen Zeitpunkten über die Betriebsdauer des Messaufnehmers, insbesondere wenn ein aktueller Wert des Dynamikparameters ermittelt wird, ein aktueller Zustand des Messaufnehmers bestimmt werden, indem anhand des aktuellen Wertes des Dynamikparameters und einer vorgegebenen Anzahl von vor dem aktuellen Wert zuletzt ermittelter und gespeicherter Werte des Dynamikparameters eine Ausgleichsfunktion, insbesondere eine Regressionsgerade oder eine nicht-lineare Regressionsfunktion, ermittelt wird, wobei der aktuelle Zustand des Messaufnehmers anhand einer Eigenschaft der Ausgleichsfunktion, insbesondere einer Steigung der Ausgleichsfunktion, ermittelt wird.
Zum Beispiel kann die Steigung mit einem oberen und einem unteren vorgegebenen Schwellenwert verglichen und bei einer Schwellenwertüberschreitung des oberen Schwellenwertes oder bei einer Schwellenwertunterschreitung des unteren Schwellenwertes eine Warnmeldung generiert und ausgegeben werden.
Es ist auch möglich, eine zeitliche Entwicklung der Eigenschaft der Ausgleichsfunktion auszuwerten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann zu verschiedenen Zeitpunkten, insbesondere zu Zeitpunkten, an denen ein aktueller Wert des Dynamik-Parameters ermittelt wird, unter Berücksichtigung des aktuellen Wertes und einer vorgegebenen Anzahl, z.B. zwei bis fünf, der vor dem aktuellen Wert zuletzt ermittelten Werte des Dynamikparameters eine als Ausgleichsfunktion dienende Regressionsgerade bestimmt werden. Die Steigung der jeweils aktuell ermittelten Regressionsgeraden, kann zusammen mit einem Zeitpunkt, der dem Zeitpunkt der Ermittlung des aktuellen Werts des Dynamik-Parameters entspricht, in einem dem Messaufnehmer zugeordneten Datenspeicher abgelegt werden.
Aus der zeitlichen Entwicklung der gespeicherten Steigungen kann ein aktueller Zustand des Messaufnehmers abgeleitet werden. Steigt die Steigung beispielweise abrupt an, kann dies auf einen Defekt des Messaufnehmers hinweisen. Sinkt die Steigung ab, weist dies auf eine Regenerierung des Messaufnehmers hin. Die Betrachtung der zeitlichen Entwicklung der Steigung kann daher wichtige Informationen über den Einfluss eines durch den Messaufnehmer überwachten Prozesses auf den Messaufnehmer liefern und dem Benutzer helfen, die Wartung der in dem speziellen Prozess eingesetzten Messaufnehmer im Hinblick auf die besonderen Eigenschaften des speziellen Prozesses zu optimieren.
Das Verfahren kann in besonders vorteilhafter Weise bei Messaufnehmern elektrochemischer Sensoren eingesetzt werden, z.B. bei potentiometrischen Sensoren, insbesondere pH-Sensoren oder eine ionenselektiven Elektroden, bei Redox-Sensoren, amperometrischen Sensor, Leitfähigkeitssensoren. Es kann aber für optische, insbesondere photometrische oder spektrophotometrische, Messaufnehmer vorteilhaft eingesetzt werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen umfasst:
einen Messaufnehmer zur Wandlung einer Messgröße in ein Messsignal, und
eine dem Messaufnehmer zugeordnete Auswertungsschaltung mindestens umfassend einen Prozessor, einen Datenspeicher und ein von dem Prozessor ausführbares, der Durchführung des Verfahrens dienendes Computerprogramm.
Der Messaufnehmer kann ein Messsondengehäuse aufweisen, in dem mindestens ein Teil der Auswertungsschaltung, insbesondere ein Teil des Datenspeichers, angeordnet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit einem Messaufnehmer und einer Auswertungsschaltung;
2 einen Verlauf eines Messsignals eines pH-Messaufnehmers in Folge einer sprunghaften Änderung des pH-Werts;
3 eine erste Auswertung der zeitlichen Entwicklung eines als Dynamikparameter über die Betriebsdauer des Sensors zu verschiedenen Zeitpunkten bestimmten Zeitintervalls zwischen zwei Punkten des Messsignalverlaufs in Folge einer sprunghaften Änderung des pH-Werts;
4 eine zweite Auswertung einer zeitlichen Entwicklung des Dynamikparameters.
In 1 ist schematisch eine Messanordnung mit einem Messaufnehmer und einer dem Messaufnehmer zugeordneten Auswertungsschaltung dargestellt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei dem Messaufnehmer um einen potentiometrischen pH-Messaufnehmer 1 mit einer Einstabmesskette 3, welche eine pH-Glaselektrode als Messhalbzelle und eine Silber/Silberchlorid-Elektrode als Referenzhalbzelle aufweist. Der pH-Messaufnehmer 1 umfasst ein Gehäuse 4, in dem eine Auswertungsschaltung 5 mit einem Mikroprozessor 6 zur Verarbeitung der Signale der Einstabmesskette vorgesehen ist. Die Verarbeitung umfasst eine Impedanzwandlung und eine A/D-Wandlung, um Messsignale UpH(t) sicher vom pH-Messaufnehmer zu einer übergeordneten Einheit übertragen zu können. Als übergeordnete Einheit dient im vorliegenden Beispiel ein Messumformer 2. Alternativ kann der pH-Messaufnehmer auch über einen Buskoppler oder direkt mit einer Prozessleitstelle, beispielsweise einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS), verbunden sein. Als übergeordnete Einheit kommt außerdem ein herkömmlicher PC, Laptop, Tablet-PC oder ein Smartphone in Frage, welche über eine Standardschnittstelle, beispielsweise eine USB-Schnittstelle, und einen geeigneten Adapter mit dem Messaufnehmer verbunden sein können, und ein von einem Prozessor des PCs oder Laptops ausführbares Bedienprogramm für den Messaufnehmer 1 aufweisen.
Der vorliegend als übergeordnete Einheit dienende Messumformer 2 enthält eine weitere Auswertungsschaltung 10 mit einem Mikroprozessor 8 und mindestens einem Datenspeicher 9, in dem eine vom Mikroprozessor 8 ausführbare Bediensoftware hinterlegt ist. Mittels der Bediensoftware lassen sich vom Messaufnehmer 1 empfangene Messsignale verarbeiten, Kalibrierungen durchführen und Daten an den Messaufnehmer 1 ausgeben. Der Messumformer 2 ist darüber hinaus dazu ausgestaltet, die Messsignale des Messaufnehmers 1 über eine Schnittstelle an eine weitere übergeordnete Einheit auszugeben oder über eine Anzeigeeinrichtung, z.B. ein Display, (hier nicht dargestellt) zur Anzeige zu bringen. Parametrierungen oder sonstige Befehle können am Messaufnehmer 1 über eine Eingabeeinrichtung (hier ebenfalls nicht dargestellt), z.B. Bedientasten oder Touch-Screen, von einer Bedienperson eingegeben werden.
Der Messumformer 2 kann ein von seinem Prozessor 8 ausführbares Computerprogramm umfassen, das zur Durchführung einer Kalibrierung des Messaufnehmers 1 ausgestaltet ist. Es ist in einer in 1 nicht dargestellten Variante auch möglich, dass der Messaufnehmer 1 zur Durchführung einer Kalibrierung von dem Messumformer 2 getrennt und mit einem anderen Messumformer oder einer anderen als übergeordneten Einheit ausgestalteten Datenverarbeitungseinrichtung, zum Beispiel einem herkömmlichen Computer oder Laptop, einem Tablet-PC oder einem Smartphone verbunden wird. Die Datenverarbeitungseinheit umfasst in diesem Fall ein von der Datenverarbeitungseinheit ausführbares Bedienprogramm, das zum Betreiben des pH-Messaufnehmers 1, insbesondere zur Durchführung der Kalibrierung, ausgestaltet ist. Der Messumformer 2 oder die zur Durchführung der Kalibrierung verwendete andere übergeordnete Einheit kann eine Datenbank umfassen oder mit einer Datenbank verbunden sein, in der Werte von Messaufnehmerparametern, insbesondere der Kalibrierparameter oder des später näher erläuterten Dynamikparameters mit einem Zeitstempel abgelegt werden können. Im Folgenden wird beispielhaft die Kalibrierung mittels des Messumformers 2 beschrieben.
Zur Kalibrierung des in 1 dargestellten pH-Messaufnehmers 1 wird die Einstabmesskette 3 in ein Kalibriermedium mit bekanntem pH-Wert, insbesondere eine Pufferlösung, oder, im Falle einer Mehrpunktkalibrierung, nacheinander in mehrere Kalibriermedien eingetaucht, die unterschiedliche pH-Werte aufweisen. Das dabei erfasste elektrische Messsignal UpH(t), im vorliegenden Fall die pH-Spannung des pH-Messaufnehmers 1, wird digitalisiert und an den Messumformer 2 übertragen, wo es zur Auswertung (zwischen-)gespeichert werden kann.
In 2 ist schematisch ein Verlauf des Messsignals UpH als Funktion der Zeit während einer Zweipunktkalibrierung des pH-Messaufnehmers 1 dargestellt. Beim Beaufschlagen des pH-Messaufnehmers 1 mit einem ersten Kalibriermedium (Zeitpunkt A) und auch beim Wechsel zwischen dem ersten Kalibriermedium, das einen ersten pH-Wert aufweist, und einem zweiten Kalibriermedium, das einen zweiten, von dem ersten pH-Wert verschiedenen, pH-Wert aufweist (Zeitpunkt B), erfährt der pH-Messaufnehmer 1 eine sprunghafte Änderung des pH-Werts. In Reaktion auf diese Änderungen stellt sich das Messsignal UpH(t) auf einen den pH-Wert repräsentierenden Messwert, hier eine den pH-Wert repräsentierende Messspannung, ein. Dabei ergibt sich ein zeitlicher Verlauf des Messsignals, der sich asymptotisch der den pH-Wert repräsentierenden Messspannung als Endwert annähert. Nach dem Eintauchen der Einstabmesskette 3 in das erste Kalibriermedium zum Zeitpunkt A nähert sich, wie in 2 zu sehen, der Messsignalverlauf asymptotisch dem Endwert UpH2 der Messspannung an.
Der zeitliche Verlauf des Messsignals UpH(t) wird vom Messumformer 2 erfasst und auf das Erreichen eines vorgegebenen Stabilitätskriteriums überwacht. Bei Erreichen des Stabilitätskriteriums ist die Kalbriermessung beendet. Das Stabilitätskriterium kann beispielsweise vorgeben, dass sich die erfasste pH-Spannung innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne nicht um mehr als einen vorgegebenen Betrag ändern darf. Eine derartige Zeitspanne kann bei einer pH-Einstabmesskette mit Glaselektrode beispielsweise zwischen 20 und 200 s betragen. Der Betrag, um den sich die pH-Spannung innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls nicht ändern darf, kann beispielsweise zwischen 1 bis 20 mV in liegen. Eine Bedienperson kann das Stabilitätskriterium durch Eingabe am Messumformer 2 je nach gewünschter Mess- bzw. Kalibriergüte vorgeben.
Der bei Erreichen des vorgegebenen Stabilitätskriteriums zum Zeitpunkt t2 vorliegende Wert des Messsignals wird als Kalibriermesswert erfasst. Der Kalibriermesswert entspricht dem Punkt P2 (UpH2, t2) des Messsignalverlaufs UpH(t). Der zweite Kalibriermesswert wird in gleicher Weise anhand des nach dem zum Zeitpunkt B erfolgenden Wechsels des Kalibriermediums sich ergebenden Messsignalverlaufs UpH(t) ermittelt.
Je nach Anzahl der Kalibriermessungen in verschiedenen Pufferlösungen werden so ein, wie hier zwei, oder noch mehr Kalibriermesspunkte erhalten. Der Messumformer 2 enthält einen zweiten Mikroprozessor 8, welcher anhand dieser Kalibriermesspunkte und der durch die bekannten pH-Werte der Kalibriermedien vorgegebenen entsprechenden Sollwerte den Nullpunkt N und die Steilheit S der Messketten-Kennlinie bestimmt. Die Werte N und S werden zum pH-Messaufnehmer 1 übertragen, und dort gemeinsam mit dem Zeitpunkt der Kalibrierung in dem Datenspeicher 7 der Auswertungsschaltung 5 gespeichert. Möglich ist auch eine Speicherung des Messsignals UpH(t) in dem Datenspeicher 7 der Auswertungsschaltung 5. Die Werte N und S sowie das Messsignal UpH(t) können außerdem in der bereits erwähnten Datenbank unter einer Kennung des pH-Messaufnehmers 1 abgelegt werden.
Der Messumformer 2 oder die weiter oben erwähnte, mit dem Messaufnehmer 1 zur Kalibrierung verbindbare übergeordnete Einheit können darüber hinaus ein von seinem Prozessor 8 ausführbares Computerprogramm umfassen, das zur Bestimmung einer Restbetriebsdauer des Messaufnehmers 1 und gegebenenfalls zur Bestimmung eines aktuellen Zustands des Messaufnehmers 1 dient. Zusätzlich oder alternativ kann auch der Datenspeicher 7 der Auswertungsschaltung 5 des Messaufnehmers 1 ein von dem Prozessor 6 des Messaufnehmers 1 ausführbares Computerprogramm enthalten, das der Bestimmung der Restbetriebsdauer oder eines aktuellen Zustands des Messaufnehmers 1 dient, z.B. indem es dem Messumformer 2 zur Analyse der für die Restbetriebsdauerbestimmtung oder Zustandsbestimmung erforderlichen Messsignale und/oder sonstige Daten zur Verfügung stellt oder die Restbetriebsdauer- und/oder Zustandsbestimmung selbst durchführt.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Bestimmung der verbleibenden Restbetriebsdauer des Messaufnehmers 1 näher beschrieben. Obwohl sich das hier dargestellte Beispiel auf die Bestimmung einer Restbetriebsdauer eines pH-Messaufnehmers bezieht, kann das Verfahren ganz analog auch auf Messaufnehmer zur Erfassung anderer Messgrößen von Messmedien, beispielsweise Ionenkonzentrationen, Sauerstoffkonzentration, Kohlendioxidkonzentration, Leitfähigkeit oder andere Messgrößen, übertragen werden.
Zur Bestimmung der Restbetriebsdauer wird der pH-Messaufnehmer 1 von Zeit zu Zeit im Laufe seiner Betriebsdauer einer sprunghaften Änderung der Messgröße, hier also des pH-Werts, ausgesetzt, und anhand des sich in Reaktion auf die Änderung der Messgröße ergebenden, vom Messaufnehmer ausgegebenen Messsignalverlauf ein Wert eines vorgegebenen Dynamikparameters ermittelt. Aus der Entwicklung der zu verschiedenen Zeiten ermittelten Dynamikparameter-Werte kann eine Restbetriebsdauer des Messaufnehmers abgeleitet werden, wie weiter unten im Detail noch erläutert wird.
Vorzugsweise wird zur Ermittlung des Dynamikparameters eine sprunghafte Änderung der Messgröße ausgenutzt, der der pH-Messaufnehmer 1 regelmäßig und unter reproduzierbaren Randbedingungen mehrfach im Laufe seiner Betriebsdauer ausgesetzt ist. In Frage kommen hierzu beispielsweise während einer Kalibrierung des pH-Messaufnehmers 1 auftretende sprunghafte Änderungen der Messgröße.
Es ist jedoch auch denkbar, definierte sprunghafte Änderungen des pH-Werts während des Einsatzes des pH-Messaufnehmers 1 im Prozess zu nutzen. Beispielsweise kann ein von dem Messaufnehmer überwachter Prozess einzelne Prozessstufen umfassen, bei denen wesentlich unterschiedliche Werte der pH-Wertes und somit auch sprunghafte Änderungen des pH-Werts auftreten. Die entsprechende Sprungantwort des den Prozess überwachenden pH-Messaufnehmers 1 kann daher ebenfalls überwacht und zu Diagnosezwecken ausgewertet werden. Beispielsweise gibt es Prozesse, die regelmäßig durch Reinigungs- und Sterilisationsverfahren unterbrochen werden, die häufig als CIP (cleaning in place) oder SIP (sterilisation in place) durchgeführt werden. Bei diesen Verfahren werden die Prozessbehälter und Rohrleitungen einschließlich der darin integrierten Messaufnehmer von einem Reinigungsmedium mit bekanntem pH-Wert, z.B. konzentrierter Natronlauge, durchströmt. Die Sprungantwort des Messsignals des in den Prozessbehälter integrierten pH-Messaufnehmers 1 auf die Änderung der Messgrößen beim Einleiten der entsprechenden Reinigungsmedien kann daher grundsätzlich ebenfalls zur Zustandsbestimmung eingesetzt werden. Im Folgenden wird das Verfahren jedoch beispielhaft anhand eines Messsignalverlaufs während der Kalibrierung des Messaufnehmers beschrieben.
Als Dynamikparameter zur Bestimmung der Restlebensdauer dient im hier beschriebenen Beispiel das Zeitintervall ∆t zwischen dem Zeitpunkt t2, an dem das für die Kalibriermessung vorgegebene Stabilitätskriterium erfüllt ist, und einem zu einem Wendepunkt P1(UpH1, t1) des Messsignalverlaufs gehörenden Zeitpunkt t1. Zur Bestimmung des Zeitintervalls ∆t wird der, beispielsweise im Datenspeicher 7 des Messaufnehmers oder in einem dem Messaufnehmer zugeordneten Speicher des Messumformers 2 oder einer anderen, mindestens zeitweise während der Kalibrierung mit dem Messaufnehmer verbundenen übergeordneten Einheit, abgelegte Messsignalverlauf UpH (t) ausgehend von dem Kalibriermessunkt P2(UpH2, t2) zurückverfolgt, bis ein Wendepunkt P1(UpH1, t1) aufgefunden wird. Die zu diesem Wendepunkt gehörige Zeitkoordinate t1 entspricht dem Anfangszeitpunkt des als Dynamikparameter dienenden Zeitintervalls ∆t. Soweit der Messsignalverlauf UpH(t) als Folge von mit Zeitstempeln versehenen Einzelmesswerten abgelegt ist, kann zunächst eine Interpolation der Einzelmesswerte durchgeführt werden und der Wendepunkt der Interpolationsfunktion ermittelt werden.
Das Zeitintervall ∆t repräsentiert die Einstellzeit des Messaufnehmersignals und ist somit ein Maß für die Sensordynamik. Indem als Endpunkt des Zeitintervalls ∆t der Zeitpunkt t2 des Erreichens eines vorgegebenen Stabilitätskriteriums gewählt und der Anfangspunkt des Zeitintervalls ∆t durch Rückwärtsverfolgen des Messsignalverlaufs ausgehend von diesem Endpunkt aufgefunden wird, ist das Zeitintervall ∆t reproduzierbar ermittelbar. Ein Vergleich zwischen den zu verschiedenen Zeiten während der Betriebsdauer des Messaufnehmers ermittelten Werten des Zeitintervalls ∆t ist daher möglich und zulässig.
Die über die Betriebsdauer des Messaufnehmers 1 erfassten Werte des Zeitintervalls ∆t werden in einem dem Messaufnehmer 1 zugeordneten Speicher, z.B. in dem Datenspeicher 7, einem Datenspeicher des Messumformers oder in der erwähnten Datenbank unter einer Kennung des Messaufnehmers 1 abgelegt. Gleichzeitig mit den Werten des Dynamikparameters ∆t wird in dem Datenspeicher auch zu jedem dieser Werte ein zugehöriger Zeitpunkt abgelegt, der dem Zeitpunkt der Bestimmung des Dynamikparameters entspricht. Dieser Zeitpunkt kann beispielsweise der Endpunkt t2 des Zeitintervalls ∆t sein.
In 3 sind sechs zu verschiedenen Zeitpunkten erfasste und gespeicherte Werte (Kreuze) des Dynamikparameters ∆t als Funktion der Zeit aufgetragen. Zur Bestimmung des voraussichtlichen Endes der Betriebsdauer des pH-Messaufnehmers wird anhand dieser Werte eine Extrapolationsfunktion ermittelt. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich bei der Extrapolationsfunktion um eine durch lineare Regression ermittelte lineare Funktion. Als Zeitpunkt des voraussichtlichen Endes der Betriebsdauer wird ein in der Zukunft liegender Zeitpunkt tm ermittelt, an dem die Extrapolationsfunktion einen Grenzwert ∆tm überschreitet. Der Grenzwert ∆tm entspricht einem Wert des Dynamikparameters ∆t, welcher eine Einstellzeit repräsentiert, die gerade noch tolerabel ist. Eine Einstellzeit ist in diesem Zusammenhang nicht mehr tolerabel, wenn sich der Messsignalverlauf des Messaufnehmers nur noch so langsam an die den Messwert repräsentierende pH-Spannung annähert, dass eine korrekte Messsung nicht mehr gewährleistet ist.
Als Restbetriebsdauer des pH-Messaufnehmers 1 wird die zwischen einem dem aktuell ermittelten Wert des Dynamikparameters ∆t zugeordneten Zeitpunkt ta und dem durch Extrapolation bestimmten Zeitpunkt tm des vorraussichtlichen Endes der Betriebsdauer des pH-Messaufnehmers 1 liegende Zeitspanne tp bestimmt. Sie kann ebenfalls in einem dem pH-Messaufnehmer 1 zugeordneten Datenspeicher, beispielsweise dem in dem Gehäuse 4 des Messaufnehmers angeordneten Datenspeicher 7, in einem Datenspeicher des Messumformers 2oder in der erwähnten Datenbank abgelegt werden.
4 illustriert ein weiteres Verfahren zur Auswertung der Entwicklung des Dynamikparameters ∆t als Funktion der Zeit zur Bestimmung eines aktuellen Zustands des pH-Messaufnehmers 1.
Wie zuvor beschrieben, wird in regelmäßigen Zeitabständen, insbesondere bei Durchführung einer Kalibrierung, über die Betriebsdauer des pH-Messaufnehmers 1 ein aktueller Wert des Dynamikparameters ∆t bestimmt und in einem dem Messaufnehmer 1 zugeordneten Datenspeicher zusammen mit einem dem Wert zugeordneten Zeitpunkt, der beispielsweise dem Endpunkt des Zeitintervalls ∆t entsprechen kann, abgespeichert. Die im Datenspeicher 7 abgelegten, über die bisherige Betriebsdauer des pH-Messaufnehmers 1 erfassten Werte des Dynamikparameters ∆t sind in dem in 4 dargestellten Diagramm als Kreuze aufgetragen. Die im Folgenden verwendete Nummerierung der Werte entspricht ihrer zeitlichen Reihenfolge, d.h. der erste Wert entspricht dem ältesten und der sechste Wert dem letzten der gespeicherten Werte.
Zu einem ersten Zeitpunkt, an dem der vierte der in 4 aufgetragenen Werte des Dynamikparameters ∆t erfasst wird, wird anhand der ersten vier Werte des Dynamikparameters ∆t, also anhand des aktuell erfassten Wertes und der drei zuletzt gespeicherten Werte des Dynamikparameters ∆t, eine erste Ausgleichsfunktion (gestrichelt dargestellt) berechnet. Die Ausgleichsfunktion ist im hier beschriebenen Beispiel eine mittels linearer Regression ermittelte lineare Funktion der Steigung m1. Die Ausgleichsfunktion kann als Maß für den aktuellen Zustand des Messaufnehmers herangezogen werden.
Zum einen kann ein oberer Grenzwert für die Steigung der Ausgleichsfunktion vorgegeben sein. Dieser Grenzwert kann als Maß für eine durchschnittliche oder noch tolerable Alterungsgeschwindigkeit des pH-Messaufnehmers 1 festgelegt werden. Erreicht oder überschreitet die Steigung der anhand des aktuellen und der drei zuletzt gespeicherten Werte des Dynamikparameters ermittelten Ausgleichsfunktion den oberen Grenzwert, altert der pH-Messaufnehmer 1 überdurchschnittlich schnell, d.h. das Ende der Betriebsdauer des pH-Messaufnehmers 1 wird voraussichtlich überdurchschnittlich früh erreicht werden. Bei Grenzwertüberschreitung kann daher eine Warnung ausgegeben werden, die dem Betreiber des pH-Messaufnehmers 1 ermöglicht, eine Wartungsmaßnahme durchzuführen oder einen baldigen Austausch des pH-Messaufnehmers 1 vorzubereiten. Gleichermaßen kann ein unterer Grenzwert für die Steigung der Ausgleichsfunktion vorgegeben sein, wobei eine Unterschreitung des unteren Grenzwertes eine Warnung auslöst.
Zum anderen kann eine zeitliche Entwicklung der Steigung der anhand der jeweils vier zuletzt bestimmten Werte des Dynamikparameters ermittelten Ausgleichsfunktion analysiert werden. Vorteilhafterweise wird dazu zu jedem Zeitpunkt, an dem ein neuer Wert des Dynamikparameters ermittelt wird, auch eine entsprechende Ausgleichsfunktion anhand der jeweils vier zuletzt ermittelten Werte des Dynamikparameters bestimmt und deren Steigung in einem dem pH-Messaufnehmer 1 zugeordneten Datenspeicher, z.B. dem Datenspeicher 7 des Messaufnehmers 1, mit einem Zeitstempel abgelegt.
In dem in 4 beispielhaft veranschaulichten Verfahren wird bei der nachfolgenden Bestimmung eines Werts des Dynamikparameters ∆t zu einem zweiten Zeitpunkt, also im hier beschriebenen Beispiel des fünften Wertes, eine zweite Ausgleichsfunktion (punktiert dargestellt) mittels linearer Regression unter Verwendung des fünften sowie der drei zuletzt gespeicherten Werte des Dynamikparameters ∆t, also des zweiten, des dritten und des vierten Wertes, berechnet. Die Steigung m2 der Ausgleichsfunktion wird ebenfalls im Datenspeicher 7 abgelegt.
Zu einem dritten Zeitpunkt, an dem ein neuer (sechster) Wert des Dynamikparameters ∆t bestimmt wird, wird eine dritte Ausgleichsfunktion (als durchgezogene Linie dargestellt), diesmal anhand des aktuellen Werts des Dynamikparameters ∆t und der drei zuletzt gespeicherten Werte, also des dritten, vierten und fünften Werts, berechnet. Die Steigung m3 der dritten Ausgleichsfunktion wird im Datenspeicher 7 abgelegt.
Der Messumformer 2 kann dazu ausgestaltet sein, die zeitliche Entwicklung der Steigungen der Ausgleichsfunktion durch eine Bildschirmausgabe zu veranschaulichen. Aus 4 ist ersichtlich, dass die Steigung m3 der dritten Ausgleichsfunktion deutlich größer ist als die Steigung m1 der ersten Ausgleichsfunktion. Dies ist insbesondere durch den überproportionalen Anstieg des aktuellen, sechsten, Werts des Dynamikparameters ∆t bedingt. Ein, insbesondere abrupter, Anstieg der Steigung der Ausgleichsfunktion kann daher als Hinweis auf einen plötzlich aufgetretenen Defekt des pH-Messaufnehmers 1 zur Generierung einer Warnmeldung verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/025223 A2 [0011, 0011]
DE 102007039265 A1 [0012, 0012, 0012, 0018]
EP 1936367 A1 [0013, 0018]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Restbetriebsdauer eines Messaufnehmers (1), welcher dazu ausgestaltet ist, eine Messgröße, insbesondere einen pH-Wert, in ein Messsignal zu wandeln, umfassend: – zu verschiedenen Zeitpunkten über die Betriebsdauer des Messaufnehmers (1) Ermitteln jeweils mindestens eines Wertes eines Dynamikparameters des Messaufnehmers (1), wobei der Dynamikparameter einen sich in Reaktion auf eine sprunghafte Änderung der Messgröße ergebenden zeitlichen Messsignalverlauf repräsentiert; und – Ermitteln der Restbetriebsdauer des Messaufnehmers (1) unter Verwendung mindestens zweier der zu verschiedenen Zeitpunkten erfassten Werte des Dynamikparameters, wobei das Ermitteln eines Wertes des Dynamikparameters das Bestimmen eines Zeitintervalls zwischen einem ersten Punkt (P1(UpH1, t1)) des Messsignalverlaufs (UpH(t)) und einem von dem ersten Punkt (P1(UpH1, t1)) verschiedenen zweiten Punkt (P2(UpH2, t2)) des Messsignalverlaufs (UpH(t)) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Punkt (P2(UpH2, t2)) derjenige Punkt des Messsignalverlaufs (UpH(t)) bestimmt wird, der zu einem Zeitpunkt (t2) erfasst wird, an dem der Messsignalverlauf (UpH(t)) ein vorgegebenes Stabilitätskriterium erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die sprunghafte Änderung der Messgröße dadurch bewirkt wird, dass der Messaufnehmer (1) mit einem, vorzugsweise einen definierten Wert der Messgröße aufweisenden, Messmedium, insbesondere während einer Kalibrierung des Messaufnehmers (1), in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das vorgegebene Stabilitätskriterium erfüllt ist, wenn sich das Messsignal (UpH(t)) als Funktion der Zeit innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls um weniger als einen vorgegebenen Betrag ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als erster Punkt (P1(UpH1, t1)) ein Punkt des Messsignalverlaufs (UpH(t)) bestimmt wird, dessen Messsignalwert sich um einen vorgegebenen Betrag oder einen vorgegebenen Prozentsatz von dem Messsignalwert der zweiten Punkts (P2(UpH2, t2)) unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als erster Punkt (P1(UpH1, t1)) ein Wendepunkt des Messsignalverlaufs (UpH(t)) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Dynamikparameter (∆t ) das zwischen dem zum ersten Punkt (P1(UpH1, t1)) gehörigen Zeitpunkt (t1) und dem zum zweiten Punkt (P2(UpH2, t2)) gehörigen Zeitpunkt (t2) liegende Zeitintervall bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zu verschiedenen Zeitpunkten über die Betriebsdauer des Messaufnehmers (1) ermittelten Werte des Dynamikparameters (∆t ) in einem dem Messaufnehmer (1) zugeordneten Datenspeicher (7) abgelegt werden, wobei jedem in dem Datenspeicher abgelegten Wert ein Zeitwert zugeordnet und ebenfalls in dem Datenspeicher (7) abgelegt wird, der dem Zeitpunkt der Ermittlung des zugeordneten Wertes entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Restbetriebsdauer des Messaufnehmers (1) bestimmt wird, indem ein Verlauf, insbesondere ein Trend, mindestens zweier zu verschiedenen Zeitpunkten über die Betriebsdauer erfassten Werte des Dynamikparameters (∆t ) als Funktion der Zeit ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei zur Auswertung des Verlaufs eine Extrapolation der mindestens zwei Werte als Funktion der Zeit durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei zur Bestimmung der Restbetriebsdauer ein Zeitpunkt ermittelt wird, an dem eine anhand der mindestens zwei Werte ermittelte Extrapolationsfunktion einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei anhand einer Steigung der Extrapolationsfunktion ein aktueller Zustand des Messaufnehmers ermittelt wird, insbesondere durch Vergleich der Steigung mit einem vorgegebenen Grenzwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei nach Ermitteln eines aktuellen Werts des Dynamikparameters (∆t) anhand des aktuellen Wertes des Dynamikparameters und einer vorgegebenen Anzahl von vor dem aktuellen Wert zuletzt ermittelten und gespeicherten Werten des Dynamikparameters eine Ausgleichsfunktion, insbesondere eine Regressionsgerade, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei anhand einer Eigenschaft der Ausgleichsfunktion, insbesondere anhand einer Steigung der Ausgleichsfunktion, ein aktueller Zustand des Messaufnehmers (1) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei zu jedem Zeitpunkt, an dem ein aktueller Wert des Dynamikparameters ermittelt wird, eine Ausgleichsfunktion anhand des aktuellen Wertes und einer vorgegebenen Anzahl der vor dem aktuellen Wert zuletzt ermittelten Werte des Dynamikparameters bestimmt wird, und wobei ein aktueller Zustand des Messaufnehmers (1) anhand einer zeitlichen Entwicklung einer Eigenschaft, insbesondere einer Steigung, der Ausgleichsfunktion ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Messaufnehmer (1) ein potentiometrischer Sensor, insbesondere ein pH-Sensor oder eine ionenselektive Elektrode, ein Redox-Sensor, ein amperometrischer Sensor, ein Leitfähigkeitssensor, oder ein optischer, insbesondere ein photometrischer oder spektrophotometrischer, Sensor ist.
Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 15, wobei die Messgröße ein pH-Wert, eine Ionenkonzentration, eine Leitfähigkeit, eine Gelöstsauerstoffkonzentration, eine Kohlendioxidkonzentration, ein Feststoff- oder Zellgehalt, oder eine Trübung ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend: einen Messaufnehmer (1) zur Wandlung einer, insbesondere mit der Konzentration einer Substanz in einem Messmedium korrelierten, Messgröße in ein Messsignal, und eine dem Messaufnehmer (1) zugeordnete Auswertungsschaltung (5, 10) mindestens umfassend einen Prozessor (6, 8), einen Datenspeicher (7, 9) und ein von dem Prozessor (6, 8) ausführbares, der Durchführung des Verfahrens dienendes Computerprogramm.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Messaufnehmer (1) ein Messsondengehäuse (4) aufweist, in dem mindestens ein Teil der Auswertungsschaltung (5), insbesondere ein Teil des Datenspeichers (7), angeordnet ist.