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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Wartungsempfehlung für einen Sensor, welcher an einer Messstelle in einem Prozessbehälter angeordnet ist, wobei der Sensor mindestens einen physikalischen oder chemischen Prozessparameter innerhalb eines in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses erfasst.
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In der Prozessmesstechnik und im Bereich der Gas- und Flüssigkeitsanalyse werden zur Erfassung und Überwachung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen Messeinrichtungen eingesetzt. Sensoren sind dabei Bestandteil 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, Konzentration bestimmter Ionen oder Konzentration 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.
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Grundsätzlich wandelt ein Sensor die zu erfassende Messgröße in ein elektrisches Signal, das über eine durch eine Sensorkennlinie repräsentierte Übertragungsfunktion des Sensors mit der Messgröße korreliert. Das zunächst als elektrisches Signal, beispielsweise als Messspannung, anfallende Messsignal kann mittels einer Auswertungsschaltung weiterverarbeitet, beispielsweise digitalisiert, werden, und in der physikalischen Einheit der zu ermittelnden Messgröße ausgegeben und zur Anzeige gebracht werden.
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Messeinrichtungen, die in der Prozessmesstechnik zum Einsatz kommen, können ein Gehäuse umfassen, in dem der Sensor, die Auswerteschaltung und eine Anzeigevorrichtung integriert sind. Für komplexere Auswertungen kann eine Messeinrichtung, wie beispielsweise in Form eines Messumformers, verwendet werden. In der Analysemesstechnik werden in vielen Anwendungen Sensoren eingesetzt, deren Lebensdauer erheblich kürzer ist als die der Auswerteschaltung, der Anzeigevorrichtung oder des Messumformers. Dies gilt beispielsweise für pH-Sensoren. Deshalb sind in diesen Anwendungen die Sensoren als austauschbare Einheiten, z.B. in Form von Messsonden, ausgebildet.
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Die Sensoren weichen aufgrund von Alterung durch den Einfluss äußerer, den Sensor belastenden Bedingungen, wie auch aufgrund innerer Veränderungen mit der Zeit immer stärker vom Idealverhalten ab. Diese Abweichung vom Idealverhalten resultiert in einer Verschiebung der Messkettenkennlinie. Das Ende der Lebensdauer des Sensors ist erreicht, wenn seine Alterung so weit fortgeschritten ist, dass trotz Kalibrierung eine Verlässlichkeit der von dem Sensor gelieferten Messwerte nicht mehr gewährleistet werden kann.
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Aus der
DE 10 41 408 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Kalibrier-Intervallzeit, d.h. des zeitlichen Abstandes zwischen zwei Kalibrierungen von elektrochemischen Sensoren, beispielsweise eines pH-Sensors, bekannt. Dabei wird laufend mindestens einer für die Alterung des pH-Sensors relevanter Messparameter während des Betriebes des pH-Sensors erfasst. Als Beispiele für solche relevanten Messparameter werden die Temperatur und der pH-Wert genannt. Eine vorgegebene Basis-Kalibrier-Intervallzeit wird anhand der erfassten Messparameter laufend angepasst.
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In der
EP 1 550 861 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Zustandes eines Sensors beschrieben, der in einem Behältnis integriert ist und der, ohne ausgebaut zu werden, von Zeit zu Zeit gereinigt wird. Das Verfahren umfasst die Überwachung des Temperaturverlaufs, wobei anhand des Temperaturverlaufs der Sensorzustand, insbesondere eine Restlebensdauer des Sensors, ermittelt wird. Nachteilig bei diesen Lösungen ist es aber, dass der Sensor immer nur einer bestimmten Wartungsmaßnahme ausgesetzt wird.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Wartungsempfehlung für einen Sensor anzugeben, bei welchem zwischen unterschiedlichen Wartungsmaßnahmen gewählt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens zwei aktuelle Zustandsparameter des Sensors erfasst werden, welche mittels eines fest als Datenbasis vorhandenen Expertenwissens auf eine Zulässigkeit jedes Zustandsparameters bewertet werden, wobei als Ergebnis dieser Bewertung eine Wartungsempfehlung für den Sensor ausgegeben wird. Dabei kann zwischen einer Vielzahl von unterschiedlichen Wartungsmaßnahmen unterschieden werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Messumformer, welcher anhand von Sensorinformationen den aktuellen Sensorzustand ermittelt, an ein Servicepersonal eine klare Anweisung geben kann, welche Wartungsmaßnahme, die im weiteren als Wartungsoption bezeichnet wird, bei dem aktuellen Sensorzustand notwendig ist. Dies ist insbesondere auf der Grundlage des als fixe Datenbasis vorhandenen Expertenwissens möglich, da aufgrund dieses Expertenwissens zuverlässig eingeschätzt wird, ob der aktuell bestimmten Zustandsparameter des Sensors in einen Bereich fällt, wo der Sensor als zufriedenstellend arbeitend klassifiziert werden kann. Da verschiedene Zustandsparameter bei diesem Verfahren betrachtet werden, ist eine zuverlässige Aussage über den tatsächlichen Zustand des Sensors gewährleistet.
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Vorteilhafterweise entspricht das Ergebnis der Bewertung der Zulässigkeit der Zustandsparameter des Sensors einer gewichteten Handlungsempfehlung aus zwei benachbarten Wartungsoptionen, deren Gewichtung durch je einen Gewichtungswert vorgegeben wird. Der Nutzer des Sensors kann dabei je nach Applikation und Bedarf in diese Handlungsempfehlungen eingreifen und diese auf den vorgegebenen Anwendungsfall abstimmen. Die Angabe von immer benachbarten Wartungsoptionen pro Handlungsempfehlung bildet dabei eine Schnittmenge aus der Vielzahl der ausgewerteten Daten der Datenbasis des Expertenwissens.
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In einer Ausgestaltung werden in einer Grenzwertbetrachtung die Gewichtungswerte der beiden Wartungsoptionen der Handlungsempfehlung mit Schwellwerten der Wartungsoptionen einer Wartungsoptionsübersicht verglichen, wobei die Wartungsoption mit der niedrigsten Priorität, deren Schwellwert von der Gewichtungswert der äquivalenten Wartungsoption der Handlungsempfehlung überschritten wird, als Wartungsempfehlung an das Servicepersonal ausgegeben wird. Die Schwellwerte der Wartungsoptionsübersicht können dabei benutzer- und applikationsspezifisch festgelegt werden. Anhand dieser Schwellwerte wird endgültig entschieden, welche der beiden Wartungsoptionen der Handlungsempfehlung, die aus der Datenbasis des Expertenwissens abgeleitet wurden, tatsächlich zutrifft.
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In einer Variante umfasst die Wartungsoptionsübersicht mehrere verschiedene Wartungsoptionen charakterisierende Schwellwerte, wobei die Wartungsoptionen unterschiedliche Prioritäten aufweisen. Dabei wird gewährleistet, dass aus der Schnittmenge der gewichteten Handlungsempfehlungen immer die Wartungsempfehlung ausgesprochen wird, die umfangreicheren Wartungsmaßnahmen entspricht und somit die höhere Priorität aufweist. Durch die Auswahl der jeweiligen Wartungsoption kann sichergestellt werden, dass der Sensor nicht ausgetauscht werden muss, sondern der Alterungsprozess des Sensors schon in einem Frühstadium erkannt und durch die entsprechenden Wartungsmaßnahmen eingedämmt wird.
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In einer Weiterbildung werden als Wartungsoptionen Tauschen, Kalibrieren, Regenerieren, Reinigen und in Ordnung betrachtet, wobei die Priorität dieser Wartungsoptionen in der vorgegebenen Reihenfolge, ausgehend von der Wartungsoption Tauschen mit der höchsten Priorität, bis zur Wartungsoption in Ordnung mit der niedrigsten Priorität abnimmt. Dabei beinhaltet beispielsweise die Wartungsoption Regenerieren gleichzeitig das Reinigen des Sensors, während die Wartungsoption Kalibrieren zusätzlich die Wartungsoptionen Reinigen und Regenerieren umfasst. Somit wird sichergestellt, dass je kleiner der durch die Wartungsoptionen der Handlungsempfehlung überschrittene Schwellwert der Wartungsoptionen der Wartungsoptionsübersicht ist, ein umso größerer Umfang der Wartungsmaßnahmen am Sensor durchgeführt wird, um einen vollständigen Austausch des Sensors so lange wie möglich zu unterbinden.
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In einer besonders einfachen Variante liegen die Schwellwerte der Wartungsoptionen der Wartungsoptionsübersicht und die Gewichtungswerte der Wartungsoptionen der Handlungsempfehlung in einem vorgegebenen Bereich, vorzugsweise in einem prozentualen Bereich von 0 bis 100 %.
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In einer weiteren Ausführungsform wird als Sensor ein pH-Sensor verwendet, wobei als Zustandsparameter ein Nullpunkt des Sensors und/oder eine Steigung der Sensorkennlinie und/oder ein Delta des Nullpunktes und/oder ein Delta der Steigung herangezogen werden. Anhand der Verwendung der Sensorkennlinie lässt sich ein zunehmender Alterungsprozess des pH-Sensors einfach erkennen, indem einzelnen Zustandsparameter dem Expertenwissen unterworfen werden. Somit lässt sich besonders einfach feststellen, durch welche Wartungsempfehlung der Sensor in seinem augenblicklichen Zustand verbessert werden kann.
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Vorteilhafterweise wird in der Datenbasis des Expertenwissens die Zulässigkeit des Zustandsparameters in den jeweiligen Zustand des Sensors bezeichnende Kategorien, vorzugsweise „zu niedrig“ oder „in Ordnung“ oder „zu hoch“ eingeordnet. Daraus ergibt sich eine Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Einzeleinschätzungen, die in ihrem Gesamtbild zu den beiden Wartungsoptionen der Handlungsempfehlung führen, die mit Hilfe der Datenbasis ausgewählt werden. Dadurch wird eine genaue Bewertung des aktuellen Zustandes des Sensors gewährleistet.
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In einer Ausgestaltung werden die Zulässigkeit des Zustandsparameters mittels eines Klassifikators, vorzugsweise einer Fuzzy Logik eingeschätzt. Ein solcher Klassifikator hat den Vorteil, anhand einer Vielzahl von vorliegenden Einzelparametern den tatsächlichen Zustand des Sensors feststellen zu können.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Messeinrichtung, umfassend einen einer Messstelle in einem Prozessbehälter integrierten Sensor mit einer Auswerteschaltung, welche dazu ausgestaltet ist, ein Sensormesssignal zu erzeugen und eine mit dem Sensor verbundene übergeordnete Einheit, welche dazu ausgestaltet ist, das Sensormesssignal zu empfangen und gegebenenfalls weiterzuverarbeiten. Bei einer Messanordnung, welche zwischen verschiedenen Wartungsmaßnahmen unterscheiden kann, ist in der Auswerteschaltung und/oder in der übergeordneten Einheit eine Durchführung des in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verfahrens vorgesehen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine Messeinrichtung mit einem an einer Messstelle in einem Prozessbehälter integrierten Sensor;
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2 eine schematische Darstellung einzelner Komponenten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist schematisch eine Messeinrichtung 1 dargestellt, die einen an einer Messstelle 2 in einem Prozessbehälter 3 mittels einer Armatur 4 integrierten pH-Sensor 5 sowie einen mit dem Sensor 5 lösbar verbundenen Messumformer 6 umfasst. Der pH-Sensor 5 wird im Messbetrieb mit einem in den Prozessbehälter 3 strömenden flüssigen Prozessmedium 7 beaufschlagt und erfasst als Messgröße den pH-Wert des Prozessmediums 7. Der pH-Sensor 5 umfasst weiterhin eine, in einem als Sensorsteckkopf 8 ausgestalteten Gehäuse untergebrachte Auswerteschaltung, die dazu dient, eine sich zwischen einer Mess- und Referenzhalbzelle des pH-Sensors 5 einstellende Potentialdifferenz zu verstärken, in digitale Messsignale zu wandeln und über eine Schnittstelle an ein Sensorkopfgegenstück 9 auszugeben, das über eine Kabelverbindung mit dem Messumformer 6 verbunden ist. Die Auswerteschaltung kann insbesondere einen Mikrocontroller und einen Datenspeicher umfassen, so dass die Auswerteschaltung dazu ausgestaltet ist, ein oder mehrere Betriebsprogramme auszuführen.
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Der Messumformer 6 ist dabei so ausgestaltet, dass die über die aus Sensorsteckkopf 8 und Sensorkopfgegenstück 9 gebildete Steckverbinderkupplung empfangene Messsignale gegebenenfalls weiterverarbeitet und über das Display 10 zur Anzeige gebracht werden können. Darüber hinaus können Parameter und gegebene Befehle an die Auswerteschaltung des pH-Sensors 5 übertragen werden. Über die Steckverbindungskupplung wird der pH-Sensor 5 vom Messumformer 6 gleichzeitig mit Energie versorgt. Der Messumformer 6 ist ausgestaltet, eine Betriebssoftware auszuführen, welche neben der Verarbeitung der Messsignale zusätzlich eine Bestimmung einer Wartungsempfehlung für einen Sensor umfasst.
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Diesem Betriebsprogramm liegt eine Bewertung von aktuellen Zustandsgrößen des pH-Sensors
5 zugrunde. Bei pH-Sensoren gibt es vier Zustandsgrößen, wie Nullpunkt, Steigung der Sensorkennlinie, Delta-Nullpunkt und Delta-Steigung der Sensorkennlinie, anhand welcher ein Experte den Zustand des Sensors beurteilen kann. Um den aktuellen Zustand des pH-Sensors
5 bestimmen zu können, werden diese Zustandsgrößen durch den Messumformer
6 ermittelt und bewertet. Ein solcher Zusammenhang ist beispielhaft in der Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
| | zu niedrig | o.k. | zu hoch |
| Nullpunkt | < 6,5 pH | 7 pH | > 7,5 pH |
| Steigung | < 57,16 mV/pH | 59,16 mV/pH | > 61,16 mV/pH |
| Delta-Nullpunkt | –0,3 pH | 0 pH | 0,3 pH |
| Delta-Steigung | –0,75 mV/pH | 0 mV/pH | 0,75 mV/pH |
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Diese so bewerteten Zustandsgrößen werden fünf Wartungsoptionen zugeordnet, wobei eine erste Wartungsoption „o.k.“, eine zweite Wartungsoption „Reinigen“, eine dritte Wartungsoption „Regenerieren“ (beinhaltet Reinigen), eine vierte Wartungsoption „Kalibrieren“ (beinhaltet Regenerieren und Reinigen) und eine fünfte Wartungsoption „Tauschen“ entspricht. Die Zuordnung zwischen den Ergebnissen der Bewertung der Zustandsgrößen des Sensors zu den Wartungsoptionen ist beispielhaft in Tabelle 2 dargestellt, welche einen Auszug aus einer umfangreichen Matrix darstellt. Tabelle 2
| Delta-Nullpunkt | Delta-Steigung | Nullpunkt | Steigung | Empfehlung |
| niedrig | niedrig | niedrig | niedrig | Tauschen |
| niedrig | niedrig | niedrig | o.k. | Reinigen |
| niedrig | niedrig | o.k. | niedrig | Regenerieren |
| niedrig | niedrig | o.k. | o.k. | o.k. |
| niedrig | niedrig | hoch | niedrig | Kalibrieren |
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Bei dieser Matrix handelt es sich um ein Expertenwissen, welches fest in einem Datenfile in einem Datenspeicher des Messumformers 6 abgespeichert ist.
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Wie aus 2 hervorgeht, ist das aus der Matrix, die die Datenbasis des Expertenwissens darstellt, entnommene Ergebnis eine, zwei Wartungsoptionen enthaltende gewichtete Handlungsempfehlung, welche mittels einer Fuzzy Logik kategorisiert wird. Diese gewichtete Handlungsempfehlung wird auf der Grundlage der Vielzahl der in der Datenbasis abgelegten Einzeldaten getroffen, weshalb diese immer zwei benachbarte Wartungsoptionen umfasst, die durch jeweils einen Gewichtungswert gekennzeichnet sind. Beispielsweise wird die erste Wartungsoption „Regenerieren“ mit einem Gewichtungswert von 60 %, und die zweite Wartungsoption „Kalibrieren“ mit einem Gewichtungswert von 42 % empfohlen.
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Über eine benutzer- bzw. applikationsspezifische Wartungsoptionsübersicht soll nun festgestellt werden, welche der beiden Wartungsoptionen der gewichteten Handlungsempfehlung nun wirklich realisiert werden soll. Zu diesem Zweck sind in der Wartungsoptionsübersicht die Wartungsoptionen „o.k.“, „Reinigen“, „Regenerieren“, „Kalibrieren“ und „Tauschen“ in dieser Reihenfolge fest vorgegeben, wobei die Wartungsoption o.k. die niedrigste Priorität aufweist, während die Wartungsoption Tauschen die höchste Priorität aufweist. Die dazwischen liegenden Wartungsoptionen Reinigen, Regenerieren und Kalibrieren nehmen ausgehend von der Wartungsoption „Tauschen“ in ihrer Priorität ab, wobei die Wartungsoption „o.k.“ die niedrigste Priorität darstellt.
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Jede dieser Wartungsoptionen ist durch einen Schwellwert charakterisiert, welcher vom Benutzer der Messstelle prozessspezifisch eingestellt werden kann. Beispielsweise beträgt der erste Schwellwert der Wartungsoption „o.k.“ 70%, der zweite Schwellwert der Wartungsoption „Reinigen“ 50%, der dritte Schwellwert der Wartungsoption „Regenerieren“ 50%, der vierte Schwellwert der Wartungsoption „Kalibrieren“ 30% und der fünfte Schwellwert der Wartungsoption „Tauschen“ 50%.
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Auf Grund der Ergebnisse der gewichteten Handlungsempfehlung werden im Weiteren nur die Wartungsoptionen „Regenerieren“ und „Kalibrieren“ betrachtet. In einer Grenzwertbetrachtung werden die Gewichtungswerte der Wartungsoptionen der Handlungsempfehlung „Regenerieren“ und „Kalibrieren“ mit den Schwellwerten der Wartungsoptionen „Regenerieren“ und „Kalibrieren“ der Wartungsoptionsübersicht verglichen. In beiden Fällen übersteigen die Gewichtungswerte der Handlungsempfehlung die Schwellwerte der Wartungsoptionsübersicht. („Regenerieren“ 50% < 60%; „Kalibrieren“ 30% < 42 %). Um sicherzustellen, dass der pH-Sensor 5 durch die Wartungsmaßnahmen auch immer in den bestmöglichen Zustand versetzt wird, leitet sich eine Wartungsempfehlung immer aus der Wartungsoption mit der höchsten Priorität ab, deren Grenzwert überschritten wurde. Im vorliegenden Fall lautet die Wartungsempfehlung „Kalibrieren“. Auf der Anzeige 10 des Messumformers 6 wird dem Servicepersonal angezeigt, dass der pH-Sensor 5 neu zu kalibrieren ist.
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Durch dieses Vorgehen wird mehr Flexibilität bei der Auswahl der möglichen Wartungsmaßnahmen erreicht, wobei man sich besser auf den jeweiligen Prozess und auf den verwendeten Sensor einstellen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1041408 A1 [0006]
- EP 1550861 B1 [0007]
