DE102013111416A1

DE102013111416A1 - Verfahren zum Bestimmen zumindest einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Messgröße mittels optischer Sensoren und Trübungssensoren

Info

Publication number: DE102013111416A1
Application number: DE201310111416
Authority: DE
Inventors: Matthias Großmann; Carsten Götz; Thilo KRÄTSCHMER
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: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2015-04-30
Also published as: US9310297B2; US20150103344A1; CN104568843B; CN104568843A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen zumindest einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Messgröße der Prozessautomatisierung in einem Medium mittels zumindest eines optischen Sensors, insbesondere unter Berücksichtigung von Wandeffekten in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen am Einbauort des Sensors, umfassend die Schritte: Senden von Sendesignalen in das Medium, wobei die Sendesignale durch Wechselwirkung, insbesondere durch Streuung, mit dem Medium in Abhängigkeit von der Messgröße in Empfangssignale gewandelt werden; Empfangen der Empfangssignalen aus den gewandelten Sendesignalen; und Wandeln der Empfangssignale in die Messgröße in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen am Einbauort, und wobei der Sensor anhand der Umgebungsbedingung am Einsatzort durch ein den Umgebungsbedingungen entsprechendes Kalibrierungsdiagramm justiert wird. Die Erfindung betrifft weiter einen Trübungssensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen zumindest einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Messgröße der Prozessautomatisierung in einem Medium mittels optischer Sensoren. Die Erfindung betrifft weiter einen Trübungssensor zur Ausführung des Verfahrens.
Eine optische Messgröße der Prozessautomatisierung ist beispielsweise die Trübung eines Mediums. Im Folgenden soll die Problemstellung ohne Einschränkung anhand dieser Messgröße erläutert werden.
Optische Trübungsbestimmung beruht auf Streulichtmessung an ungelösten, suspendierten Teilchen im zu messenden Medium. Beim Einbau von Trübungssensoren in Behältnissen, also zum Beispiel in Rohrleitungen oder Durchflusszellen führen Wandeffekte zu verfälschten Messwerten. Das an der Rohrinnenwand reflektierte oder gestreute Licht wird vom Sensor detektiert und fälschlicherweise als Trübungssignal interpretiert. Eine Möglichkeit, diese Wandeffekte in Rohrleitungen zu minimieren, ist ein optimiertes Sensordesign (siehe beispielswiese die noch unveröffentlichte Anmeldung DE 10 2013 103 735 ).
Um die unerwünschte Streuung an der Rohrwand zu minimieren, können schwarze, nicht reflektierende Oberflächen oder größere Dimensionen der Rohrleitung verwendet werden. Dies ist jedoch aufgrund von Kosten- oder Platzgründen nicht immer möglich. Auch muss häufig ein bestimmtes Material, etwa für hygienische Anwendungen, verwendet werden.
Selbst mit den oben genannten Verbesserungen kann man in der Regel den Einfluss von Wandeffekten auf den Messwert nicht vollständig beseitigen, vor allem bei kleinen Rohrdurchmessern bzw. geringem Wandabstand und/oder reflektierenden Materialien.
Da sich der Einfluss der Wandeffekte mit dem Trübungswert ändert (Wandeffekte haben in der Regel bei kleineren Trübungen größeren Einfluss; Wandeffekte haben in der Regel bei größeren Trübungen kleineren Einfluss) ist es für den Anwender sehr schwer und sehr aufwändig, diese Effekte mittels Kalibration auszugleichen. Er müsste bei mehreren Trübungswerten Vergleichsmessungen durchführen, die oft fehleranfällig, zeitintensiv und kostenaufwändig sind, oder einen Zustand erfordern, der in der Regel nicht künstlich generiert werden kann. So können in realen Systemen Trübungswerte nicht beliebig variiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Messverfahren eines optischen Sensors zu verbessern, wobei insbesondere der unbekannte Einfluss von Wandeffekten berücksichtigt wird. In anderen Worten sollen die Wandeffekte durch eine geeignete Justierung des Sensors kompensiert werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren umfassend die Schritte: Senden von Sendesignalen in das Medium, wobei die Sendesignale durch Wechselwirkung, insbesondere durch Streuung, mit dem Medium in Abhängigkeit von der Messgröße in Empfangssignale gewandelt werden; Empfangen der Empfangssignalen aus den gewandelten Sendesignalen; und Wandeln der Empfangssignale in die Messgröße in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen am Einbauort, und wobei der Sensor anhand der Umgebungsbedingung am Einsatzort durch ein den Umgebungsbedingungen entsprechendes Kalibrierungsdiagramm justiert wird. Als „Diagramm” im Sinne dieser Erfindung soll ein Tabelle, Funktion, Formel, tatsächliches Diagramm o. ä. verstanden werden.
Als „Justierung” im Sinne dieser Erfindung soll das Zuweisen des wahren Messwerts zu der tatsächlichen Messung gemeint sein.
Die Kalibrierungsdiagramme der möglichen Umgebungsbedingungen werden vorab, beispielsweise durch den Anbieter oder Hersteller, festgestellt. Der Anwender wählt anschließend seine passende Umgebungsbedingung, meist direkt vor Ort, aus. Der Anwender muss somit keine umständliche Kalibrierung mit Justierung vornehmen, sondern kann auf die zu den an seiner Messstelle vorliegenden Umgebungsbedingungen passenden Kalibrierungsdiagramme zurückgreifen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Kalibrierungsdiagramm durch die folgenden Schritte erstellt: mehrmalige Kalibrierung des Sensors unter jeweils verschiedenen Umgebungsbedingungen, wobei es sich bei den Umgebungsbedingungen um zumindest verschiedene Materialien und verschiedene Durchmesser eines Kalibrierbehältnisses bzw. verschiedene Abstände zu einem Kalibrierbehältnis handelt, wobei die Kalibrierung bei verschiedenen Werten der Messgröße durchgeführt wird; und Aufnehmen der Kalibrierungsdiagrammen entsprechend den verschiedenen Umgebungsbedingungen, wobei die entsprechenden Umgebungsbedingungen des Einsatzorts ausgewählt werden, und wobei der Sensor anhand der Umgebungsbedingung am Einsatzort durch das entsprechende Kalibrierungsdiagramm justiert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei dem optischen Sensor um einen Trübungssensor und die Messgröße ist die Trübung. Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll hier ein Sensor zur Bestimmung einer Teilchen- oder Ionenkonzentration genannt werden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist ein Leifähigkeitssensor. Eine weitere vorteihafte Ausgestaltung ist ein Temperatursensor. In allen genannten Fällen stört eine Wand und kann die Messung negativ beeinflussen (Reflektionen führen zu falschen Messergebnissen, Teilchen oder Ionen haften an Wand, Leifähigkeit ist an der Wand anders, Temperatur des Mediums ist anders als Temperatur der Wand).
Bevorzugt und um den gängigen Trübungswertebereich abzudecken wird die Kalibrierung bei Trübungswerten von 0 FNU bis 500 FNU durchgeführt. Je nach Material und Durchmesser/Abstand werden unterschiedliche Inkremente gewählt. So wird bei kleineren Trübungswerten ein kleineres Inkrement gewählt, beispielsweise 0,5 FNU; bei größeren Trübungsswerten wird ein größeres Inkrement gewählt, beispielsweise 30 FNU.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Materialien zumindest um Edelstahl, Gusseisen, Kupfer, Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP), glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), Messing und Steinzeug aus mineralischen Stoffen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei den Umgebungsbedingungen weiter um Oberflächenrauigkeit, Oberflächenfarbe, Beschaffenheit der Oberfläche und/oder Anlagerungen.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Durchmesser um DN10 bis DN1000 bei einer Anwendung in Rohren. Bei eine Anwendung in einem Becken o. ä handelt es sich bei dem Abstand bevorzugt um Werte von 10 mm bis 1000 mm. Je nach Art des Sensors sind aber auch kleinere Durchmesser/Abstände denkbar.
Temperatursensoren sind beispielsweise in Behältnissen mit noch kleineren Durchmessern/Abständen anwendbar. Auch können biologische oder chemische Sensoren, so genannte lab-on-a-chip-Sensoren, in kleineren Durchmessern/mit kleinrem Abstand verwendet werden. Auch fasergekoppelte Sensoren kommen in Rohren mit kleineren Durchmessern zum Einsatz bzw. in Behältnissen mit geringerem Wandabstand. Es sind Trübungssensoren am Markt erhältlich, die das Licht mit Lichtleitern („Fasern”) ein- bzw. auskoppeln.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen Trübungssensor zur Ausführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorstehend beschriebenen Ausführungen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine übergeordnete Einheit vorgesehen, in der die Kalibrierungsdiagramme gespeichert sind, und wobei durch die übergeordnete Einheit die entsprechenden Umgebungsbedingungen ausgewählt werden, wobei die übergeordnete Einheit Teil des Sensors ist oder in einem externen Gerät, insbesondere in einen Transmitter, eingebaut ist. Es wird somit eine einfache Möglichkeit bereitgestellt, die entsprechenden Umgebungsbedingungen auszuwählen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Trübungssensor mit dem Transmitter über eine galvanisch getrennte, insbesondere induktive, Schnittstelle verbunden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näherer erläutert. Die Figur zeigt ein typisches Kalibrierungsdiagramm.
Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Trübungsmessung. Selbstredend ist das Verfahren auch auf andere optische Messverfahren, bei dem die genannten Probleme auftreten, anwendbar. Als Beispiele sollten hier Temperatusensoren, Leitfähigkeitssensoren, Sensoren zur Messung einer Teilchen- oder Ionenkonzentration und lab-on-a-chip-Sensoren (biologisch oder chemisch) genannt werden. Da die Trübungsmessung grundsätzlich bekannt ist, soll nur kurz auf diese Messprinzip eingegangen werden.
Zur Trübungsmessung wird ein Lichtstrahl durch das Medium gelenkt und dort durch optisch dichtere Bestandteile, z. B. durch Feststoffpartikel, von seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt. Dieser Vorgang wird als Streuung bezeichnet. Das auftreffende Licht wird in viele Richtungen, also unter verschiedenen Winkeln zur Ausbreitungsrichtung gestreut. Dabei sind zwei Winkelbereiche von großem Interesse: Das im Winkel von 90° gegenüber der Richtung des eingestrahlten Lichts erfasste Streulicht wird nur wenig von der Partikelgröße beeinflusst. Der weitere interessante Streuwinkel ist 135° gegenüber der Einstrahlichtung. Dieses Licht in 135°-Richtung gibt auch noch Informationen bei hohen Partikeldichten. Ist die Partikeldichte im Medium gering, wird viel Licht auf den 90°-Kanal gestreut und wenig Licht auf den 135°-Kanal. Steigt die Partikeldichte an, verschiebt sich dieses Verhältnis (mehr Licht auf den 135°-Kanal, weniger Licht auf den 90°-Kanal). Ein gängiger Trübungssensor verfügt über zwei voneinander unabhängige sensorische Einheiten, die parallel angeordnet sind. Die applikationsabhängige Bewertung beider Signale führt zu stabilen Messwerten. Damit wird die optimale Trübungs- und Feststoffmessung möglich: Bei niedrigen Trübungswerten wird vorzugsweise der 90°-Kanal benutzt. Bei mittleren und hohen Trübungswerten sowie Feststoffmessungen wird der 135°-Kanal benutzt.
Bei den Messverfahren gibt es im Wesentlichen vier Methoden. Die Mehrstrahl-Wechsellicht-, die 90°-Streulicht-, die Vorwärtsstreulicht- und die Rückstreulicht-Methode.
Das Vierstrahl-Wechsellicht-Verfahren, als eine Art des Mehrstrahl-Wechsellichtverfahrens, beruht auf zwei Lichtquellen und zwei Lichtempfängern. Als monochromatische Lichtquellen werden Leuchtdioden mit hoher Lebensdauer verwendet. Diese Leuchtdioden werden abwechselnd gepulst und erzeugen dann pro LED-Puls jeweils zwei Streulichtsignale an den Empfängern. Störeinflüsse wie Fremdlicht, Alterung der LEDs, Fensterverschmutzungen und Absorption im Medium werden auf diese Art kompensiert. Je nach gewähltem Modell werden unterschiedliche Streulichtsignale verrechnet, wobei die Art, Anzahl und Verrechnung der Signale im Sensor hinterlegt sind.
Bei der 90°-Streulicht-Methode erfolgt die Messung mit einer Wellenlänge von 860 nm wie in ISO 7027/EN 27027 beschrieben. Der ausgesendete Lichtstrahl wird durch die Feststoffpartikel im Medium gestreut. Die so erzeugte Streustrahlung wird über Streulichtempfänger, die im Winkel von 90° zu den Lichtquellen angeordnet sind, gemessen. Die Trübung des Mediums wird aus der Streulichtmenge ermittelt.
Bei der Rückstreulicht-Methode wird der ausgesendete Lichtstrahl durch die Feststoffpartikel im Medium gestreut. Die erzeugte Rückstreuung wird über Streulichtempfänger gemessen. Die Trübung des Mediums wird über die Rückstreulichtmenge ermittelt. Mit dieser Form der Streulichtmessung lassen sich sehr hohe Trübungswerte messen.
Die drei genannten Messmethoden sind die Häufigsten und teilweise durch Normen vorgeschrieben. Je nach Land können jedoch andere Methoden und Messwinkel vorgeschrieben werden.
Die Vorwärtsstreulicht-Methode, beispielsweise in einem Winkel von 12° wird seltener angewendet.
Bei allen beschrieben Methoden tritt jedoch das bereits beschriebene Problem auf, dass Reflektionen am Einbauort, also zum Beispiel durch eine Rohrwand, das Messergebnis verfälschen. Der Anwender muss versuchen diese ungewünschten Reflektionen „wegzukalibrieren”, jedoch sind diese Tests zeit- und kostenintensiv sowie fehleranfällig. Der Einfluss der Reflektionen ist abhängig von der Trübung. Üblicherweise kann in realen Systemen der Trübungswert nicht beliebig variiert werden.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen den Sensor vor dem eigentlichen Einbau am Einbauort zu kalibrieren und ein oder mehrere Kalibrierungsdiagramme 1 aufzunehmen.
Dazu wird der Sensor mehrmalig unter jeweils verschiedenen Umgebungsbedingungen kalibriert. Bei den Umgebungsbedingungen handelt es sich beispielsweise um verschiedene Materialien und verschiedene Durchmesser bzw. verschiedene Wandabstände. Meist werden die genannten Sensoren in Rohren eingesetzt, typische Durchmesser sind von DN10 bis DN1000. Die Sensoren können jedoch auch in Becken o. ä. eingesetzt werden; entsprechend ist dabei der Wandabstand 10 mm bis 1000 mm. Je nach Anwendung und Sensor können auch kleinere Durchmesser oder Abstände gewählt werden.
Typische Materialien sind Edelstahl, Gusseisen, Kupfer, Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP), Messing, glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) und Steinzeug aus mineralischen Stoffen. Andere Umgebungsbedingungen sind beispielsweise Oberflächenrauigkeit, Oberflächenfarbe, Beschaffenheit der Oberfläche und/oder Anlagerungen.
Die Kalibrierung mit jeweils verschiedenen Umgebungsbedingungen wird nun bei verschiedenen Trübungswerten durchgeführt, etwa von 0 FNU bis 500 FNU. Beispielsweise wird bei einem ersten Trübungswert, 0 FNU, bei einem ersten Material und einem ersten Durchmesser der Trübungswert des Sensors aufgenommen. Dann wird bei dem gleichen Material und gleichem Durchmesser der Trübungswert erhöht, z. B. auf 10 FNU, und wiederum der Messwert aufgenommen. Dies wird entsprechend für den genannten Trübungsbereich sowie die verschiedenen Umgebungsbedingungen durchgeführt.
In der Figur ist ein dadurch erhaltenes Kalibrierungsdiagramm 1 gezeigt. Der Anwender wählt dann vor Ort seine entsprechenden Umgebungsbedingungen aus, und die entsprechende Kalibrierkurve passend zu seinen Umgebungsbedingungen justiert den Sensor (der durch die Reflektionen einen falschen Wert misst) auf den tatsächlichen (wahren) Trübungswert.
Das Kalibrierungsdiagramm 1 ist in einer übergeordneten Einheit, beispielsweise in einem Mikrocontroller, etwa in Tabellenform, Funktion, Formel, Diagramm ö. ä. gespeichert. Die entsprechenden Umgebungsbedingungen werden durch den Anwender beispielsweise über die übergeordnete Einheit ausgewählt. Die übergeordnete Einheit kann Teil des Trübungssensors sein oder in einem externen Gerät, insbesondere in einen Transmitter, eingebaut sein. Ist die übergeordnete Einheit in einem Transmitter eingebaut, ist der Trübungssensor mit dem Transmitter über eine galvanisch getrennte, insbesondere induktive, Schnittstelle verbunden. Ist die übergeordnete Einheit in einer externen Einheit, kann die externe Einheit etwa als Mobiltelefon, Tablet etc. ausgestaltet sein.
Auf der x-Achse des Kalibrierungsdiagramms 1 ist der Trübungswert ohne Justierung T_ohne, auf der y-Achse mit Justierung T_mit gezeigt.
Treten keine Wandeffekte auf, also etwa in einem fiktiven unendlich großen Behältnis, ergibt sich die ideale Kurve 2, die gestrichelt eingezeichnet ist.
Mit der Kurve 3 (grau gezeichnet) ist die Anpassung für ein Behältnis aus Edelstahl gezeigt. Man erkennt, dass die Anpassung über einen weiten Trübungsbereich konstant ist und bei sich erst bei einem hohen Trübungswert der Idealkurve anpasst, d. h. bei Edelstahlrohren ist der Einfluss auch bei hohen Trübungswerten nicht zu vernachlässigen. Die Kurve 6 ist ebenfalls für ein Behältnis aus Edelstahl, allerdings ist hierbei die Oberfläche poliert. Man erkennt, dass der Einfluss größer als bei unpoliertem Edelstahl ist.
Die Kurven 4 und 5 (schwarz gezeichnet) sind für ein Kunststoffrohr mit unterschiedlichen Durchmessern, wobei der Durchmesser des Rohres der Kurve 4 kleiner ist. Man erkennt, dass bei größeren Rohren (also Kurve 5) der Trübungswert schon bei mittleren Werten der Trübung keinen Einfluss mehr hat, wobei naturgemäß kleinere Rohre größeren Einfluss haben als größere Rohre.
Bezugszeichenliste

1: Kalibrierungsdiagramm
2: Ideale Kurve ohne Wandeffekte
3: Kurve mit Anpassung für Edelstahl
4: Kurve mit Anpassung für Kunststoff mit einem ersten Durchmesser
5: Kurve mit Anpassung für Kunststoff mit einem zweiten Durchmesser
6: Kurve mit Anpassung für Edelstahl mit polierter Oberfläche
T_mit: Trübungswert mit Justierung
T_ohne: Trübungswert ohne Justierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013103735 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 7027/EN 27027 [0026]

Claims

Verfahren zum Bestimmen zumindest einer physikalischen, chemischen und/oder biologischen Messgröße der Prozessautomatisierung in einem Medium mittels zumindest eines optischen Sensors, insbesondere unter Berücksichtigung von Wandeffekten in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen am Einbauort des Sensors, umfassend die Schritte – Senden von Sendesignalen in das Medium, wobei die Sendesignale durch Wechselwirkung, insbesondere durch Streuung, mit dem Medium in Abhängigkeit von der Messgröße in Empfangssignale gewandelt werden, – Empfangen der Empfangssignalen aus den gewandelten Sendesignalen, und – Wandeln der Empfangssignale in die Messgröße in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen am Einbauort, und wobei der Sensor anhand der Umgebungsbedingung am Einsatzort durch ein den Umgebungsbedingungen entsprechendes Kalibrierungsdiagramm justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kalibrierungsdiagramm durch die folgenden Schritte erstellt wird: – mehrmalige Kalibrierung des Sensors unter jeweils verschiedenen Umgebungsbedingungen, wobei es sich bei den Umgebungsbedingungen um zumindest verschiedene Materialien und verschiedene Durchmesser eines Kalibrierbehältnisses bzw. verschiedene Abstände zu einem Kalibrierbehältnis handelt, wobei die Kalibrierung bei verschiedenen Werten der Messgröße durchgeführt wird, und – Aufnehmen der Kalibrierungsdiagrammen entsprechend den verschiedenen Umgebungsbedingungen, wobei die entsprechenden Umgebungsbedingungen des Einsatzorts ausgewählt werden, und wobei der Sensor anhand der Umgebungsbedingung am Einsatzort durch das entsprechende Kalibrierungsdiagramm justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem optischen Sensor um einen Trübungssensor handelt und die Messgröße die Trübung ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Kalibrierung bei Trübungswerten von 0 FNU bis 500 FNU durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei es sich bei den Materialien zumindest um Edelstahl, Gusseisen, Kupfer, Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP), glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK), Messing und Steinzeug aus mineralischen Stoffen handelt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei es sich bei den Umgebungsbedingungen weiter um Oberflächenrauigkeit, Oberflächenfarbe, Beschaffenheit der Oberfläche und/oder Anlagerungen handelt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei es sich bei dem Durchmesser um DN10 bis DN1000 handelt bzw. wobei es sich bei dem Abstand um 10 mm bis 1000 mm.
Trübungssensor zur Ausführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7.
Trübungssensor nach Anspruch 8, wobei eine übergeordnete Einheit vorgesehen ist, in der die Kalibrierungsdiagramme gespeichert sind, und wobei durch die übergeordnete Einheit die entsprechenden Umgebungsbedingungen ausgewählt werden, wobei die übergeordnete Einheit Teil des Trübungssensors ist oder in einem externen Gerät, insbesondere in einen Transmitter, eingebaut ist.
Trübungssensor nach Anspruch 9, wobei der Trübungssensor mit dem Transmitter über eine galvanisch getrennte, insbesondere induktive, Schnittstelle verbunden ist.