DE102014118205B4 - Verfahren zur Bestimmung einer Trübung und Trübungssensor zur Ausführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Trübung eines Mediums in einem Behältnis mittels zumindest eines Trübungssensors zum Einsatz in der Prozessautomatisierung in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen am Einbauort des Trübungssensors, umfassend die Schritte- Senden von Sendestrahlung in das Medium, wobei die Sendestrahlung durch Wechselwirkung, insbesondere durch Streuung, mit dem Medium in Abhängigkeit von der Trübung in Empfangsstrahlung gewandelt wird,- Empfangen der Empfangsstrahlung,- Wandeln der Empfangsstrahlung in eine Streulichtintensität (RW), und- Bestimmen der Trübung (TU) aus der Streulichtintensität (RW), wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte- Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität (RW),- Ermitteln eines Mittelwerts (MW) auf Basis des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität (RW),- Ermitteln der Trübung (TU) aus dem Mittelwert (MW) über ein Kalibriermodell (KM), indem jedem Mittelwert (MW) eine Trübung (TU) zugeordnet ist,- Ermitteln eines korrigierten Mittelwerts (MWkor) auf Basis des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität (RW), indem aus der Streulichtintensität (RW) eine Rauschkenngröße (RK) ermittelt wird und der korrigierte Mittelwert (MWkor) über ein Rauschmodell (RM) aus der Rauschkenngröße (RK) ermittelt wird, und- Ermitteln einer korrigierten Trübung (TUkor) zumindest aus dem korrigierten Mittelwert (MWkor) über das Kalibriermodell (KM), indem jedem korrigierten Mittelwert (MWkor) eine korrigierte Trübung (TUkor) zugeordnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Trübung eines Mediums in einem Behältnis mittels zumindest eines Trübungssensors. Die Erfindung betrifft weiter einen Trübungssensor zur Ausführung des Verfahrens.
• Trifft Licht auf suspendierte Partikel in einer Flüssigkeit, so wird es gestreut. Die Intensität dieser Lichtstreuung wird bei der optischen Trübungsmessung als direktes Maß für die Trübungsbestimmung verwendet. In der Regel wird das Licht sowohl auf dem Weg von der Lichtquelle zum zu messenden Medium als auch nach der Lichtstreuung, z.B. an einem Partikel, vom Medium zum Photodetektor durch optische Fenster geführt.
• Die gemessene Streulichtintensität kann im Wesentlichen durch die folgenden zwei Störgrößen negativ beeinflusst werden:
• Erstens durch Reflexionen an Wänden und Objekten: Wird das vom Sensor ausgestrahlte Licht von Wänden oder andere Objekten reflektiert bzw. an Wänden oder anderen Objekten gestreut, und werden diese Reflexions- und/oder Streusignale, die nicht durch suspendierte Partikel entstanden sind, vom Sensor detektiert, so wird das Messsignal verfälscht. Dies kommt zum Beispiel bei beengten Einbaubedingungen wie der Messung in Rohrleitungen oder Armaturen, oder aber bei sehr kleinen Trübungen, d.h. bei einer geringen Extinktion vor.
• Zweitens durch Verschmutzungen der optischen Fenster: Bei Fensterverschmutzungen wie etwa Ablagerungen, Biofilmen, oder anhaftenden Luftblasen kann es vorkommen, dass Licht an der Verschmutzung gestreut wird und direkt auf den Photodetektor fällt, ohne dass das Licht an suspendierten Partikeln gestreut wurde. Es kann aber auch vorkommen, dass aufgrund der von Fensterverschmutzungen hervorgerufenen Lichtabsorption die empfangene Streulichtintensität am Photodetektor abnimmt. Beide Fälle haben eine Verfälschung des Messwerts zur Folge.
• Eine Störgrößenerkennung und/oder -kompensation wird bis jetzt entweder durch modellbasierte Diagnoseverfahren (siehe dazu die DE 10 2009 001 929 A1 ) oder durch Mehrstrahlwechsellicht realisiert. Beide Verfahren benötigen mehrere Lichtquellen und/oder mehrere Photodetektoren. Dies ist jedoch für viele Anwendungen nicht möglich oder entspricht nicht den Regularien, z.B. DIN ISO 7027 oder EPA 180.1, die eine einzige Lichtquelle, einen einzigen Photodetektor und Lichtintensitätsmessung bei 90° zur Einstrahlrichtung vorschreiben.
• Die US 2006 / 0 061 765 A1 offenbart einen Trübungssensor mit einem Sensorkörper, einer primären Beleuchtungseinrichtung, einem Streulichtdetektor und einer Blasenbeleuchtungseinrichtung. Der Sensorkörper ist so angeordnet, dass er eine flüssige Probe berührt; die primäre Beleuchtungsquelle so, dass sie Licht auf die flüssige Probe richtet. Der Streulichtdetektor ist in der Nähe eines Teils des Sensorkörpers angeordnet, der in mindestens einer Richtung gerade ist, und der Detektor ist so konfiguriert, dass er Licht von der primären Beleuchtungsquelle erkennt, das in der Flüssigkeitsprobe gestreut wird. Ein Blasenbeleuchter ist so angeordnet, dass er die Beleuchtung entlang der mindestens einen Richtung lenkt. Streulicht, das von der Blasenbeleuchtung ausgeht, wird von dem Streulichtdetektor erfasst und liefert einen Hinweis auf Blasen in der Nähe des Streulichtdetektors.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen wartungsarmen optischen Sensor und ein entsprechendes Verfahren bereit zu stellen, die eine Störgrößenerkennung und -kompensation durchführen, wobei das Verfahren und der Sensor auch bei optischen Einstrahlsensoren einsetzbar sein sollen.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren umfassend die Schritte: Senden von Sendestrahlung in das Medium, wobei die Sendestrahlung durch Wechselwirkung, insbesondere durch Streuung, mit dem Medium in Abhängigkeit von der Trübung in Empfangsstrahlung gewandelt wird; Empfangen der Empfangsstrahlung; Wandeln der Empfangsstrahlung in eine Streulichtintensität; und Bestimmen der Trübung aus der Streulichtintensität. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität; Ermitteln eines Mittelwerts auf Basis des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität; Ermitteln der Trübung aus dem Mittelwert über ein Kalibriermodell, indem jedem Mittelwert eine Trübung zugeordnet ist; Ermitteln eines korrigierten Mittelwerts auf Basis des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität, indem aus der Streulichtintensität eine Rauschkenngröße ermittelt wird und der korrigierte Mittelwert über ein Rauschmodell aus der Rauschkenngröße ermittelt wird; und Ermitteln einer korrigierten Trübung zumindest aus dem korrigierten Mittelwert über das Kalibriermodell, indem jedem korrigierten Mittelwert eine korrigierte Trübung zugeordnet ist.
• Optische Trübungsmessung ist eine sehr rauschbehaftete Messung. Vor allem im sehr niedrigen Trübungsbereich ist dies verständlich: Wenn der Photodetektor kein lichtstreuendes Partikel „sieht“, ist das Messsignal sehr gering. Findet dagegen Lichtstreuung an einem suspendierten Partikel im Sichtbereich eines Photodetektors statt, steigt das detektierte Signal rapide an bevor das Partikel aus dem Sichtbereich des Photodetektors verschwindet und das Signal wieder abfällt. Statistische Fluktuationen der Anzahl der Partikel im Sichtbereich des Photodetektors erzeugen damit im Messsignal eine statistische Rauschkomponente, deren Rauschen mit der Bewegung der Partikel im Medium zusammenhängt. Störsignale, wie sie z.B. durch sich langsam bildende Verschmutzungen oder konstante Streulichtreflektionen in Armaturen erzeugt werden, weisen ein anderes Rauschen auf. Durch Auswertung des Rauschens lässt sich somit eine Unterscheidung zwischen mit der Trübung korrelierten Anteilen und den unerwünschten Störsignalanteilen der Streulichtintensität durchführen.
• In einer Ausgestaltung wird die korrigierte Trübung aus dem korrigierten Mittelwert und dem Mittelwert ermittelt.
• Bevorzugt umfasst das Verfahren weiter den Schritt: Vergleichen der Trübung mit der korrigierten Trübung, und daraus Treffen einer Aussage über die Zuverlässigkeit bzw. Unzuverlässigkeit der Trübung wenn die Trübung mit der korrigierten Trübung übereinstimmt bzw. nicht übereinstimmt. Somit kann eine Aussage über die Zuverlässigkeit der Messung getroffen werden.
• Für ein bestimmtes Medium kann jeder gemessenen Streulichtintensität, und damit auch jedem Mittelwert der Streulichtintensität, ein erwarteter Wert des Rauschens, also einem erwartetem Wert der Rauschkenngröße zugeordnet werden. Man spricht von einem für den Messwert charakteristischen Rauschen. Bei optischen Trübungsmessungen steigt diese Rauschkenngröße mit dem Messwert, an.
• Dieser Zusammenhang kann in einer ersten vorteilhaften Variante unter Standardbedingungen ermittelt werden. Als Standardbedingungen soll hierbei sowohl eine Messung im Labor mit konstanter Temperatur, konstantem Luftdruck, wohl definierte Menge an Medium und regelmäßiges Durchrühren des Mediums um die Trübung konstant zu halten verstanden werden. In einer weiteren vorteilhaften Variante wird dieser Zusammenhang direkt im Prozess ermittelt. Dabei muss durch eine geeignete Einbauart und Reinigung sichergestellt werden muss, dass die beiden Störgrößen Wandeffekte und Verschmutzung nicht vorhanden sind und somit den Messwert und die Rauschgröße nicht beeinflussen.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren weiter den Schritt: Kompensation der Trübung wenn die Trübung nicht mit der korrigierten Trübung übereinstimmt, indem mit Hilfe der korrigierten Trübung die tatsächliche Trübung bestimmt wird. In anderen Worten wird hier zur Ermittlung der tatsächlichen Trübung nicht der (direkt gemessene) Mittelwert der Trübung genommen, sondern da das Rauschen für die jeweilige Trübung (Streulichtintensität) charakteristisch ist, die ermittelte Rauschkenngröße in einen korrigierten Mittelwert umgerechnet und mit diesem die entsprechende Trübung bestimmt.
• Alternativ wird in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung die korrigierte Trübung mit dem (gemessenen) Mittelwert und dem korrigierten Mittelwert ermittelt.
• Beide Varianten können durch eine zweidimensionale Lookup-Tabelle umgesetzt werden, wobei aus zwei Eingangsgrößen (Mittelwert und korrigierter Mittelwert) eine Ausgangsgröße (korrigierte Trübung) ermittelt wird
• In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Rauschkenngröße durch eine Frequenzanalyse, insbesondere durch eine Fourier-Transformation, des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität ermittelt, oder die Rauschkenngröße wird mittels statistischer Verfahren, wie der Berechnung der Standardabweichung, der Streulichtintensität ermittelt. Beides sind mathematische Verfahren, die relativ einfach zu implementieren sind.
• Bevorzugt wird der korrigierte Mittelwert aus der Rauschkenngröße mittels eines Rauschmodells durch $$RK=\alpha \cdot \sqrt{M{W}_{kor}}+\beta$$

  

  ermittelt, mit RK der Rauschkenngröße, α einem Skalierungsfaktor für die Umrechnung einer elektrischen Größe in die Trübung, MW_kor dem Mittelwert der Streulichtintensität und β einer Konstante für den Trübungssensor, wobei die oben genannten Formel dafür nach dem korrigierten Mittelwert aufgelöst werden sollte. Die Konstante α ist für verschiedene Messwinkel (z.B. Trübung gemessen bei 90° oder bei 135°) und gegebenenfalls für verschiedene Messmedien unterschiedlich. Die Konstante β beschreibt das Geräterauschen und hängt von der jeweiligen Hardware, also dem entsprechenden Trübungssensor samt Elektronik etc., ab. Beide Parameter können entweder theoretisch (α: Streulichtanalyse mit Empfangs- und Detektionseigenschaften des Sensors und Streueigenschaften des Mediums; β: Rauschanalyse des Sensors) oder praktisch mit einer Zweipunktkalibrierung bestimmt werden.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung hängt die Rauschkenngröße von Umgebungsbedingungen und/oder vom Zustand des Trübungssensors ab.
• Bevorzugt handelt es sich bei den Umgebungsbedingungen zumindest um Materialien, Durchmesser, Oberflächenrauigkeit, Oberflächenfarbe, Beschaffenheit der Oberfläche und/oder Anlagerungen des/am Behältnisses, und/oder Abstand von Trübungssensor zu Behältnis.
• Weiter bevorzugt handelt es sich bei dem Zustand des Trübungssensors um Beschaffenheit der Oberfläche, Anlagerungen, Verschleiß eines optischen Fensters, und/oder Verschmutzung am Trübungssensor.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Verfahren weiter den Schritt: Anzeigen der Rauschkenngröße und/oder einer Meldung um was für eine (störende) Umgebungsbedingung und/oder um welchen (störenden) Zustand des Trübungssensors es sich handelt.
• Anhand der angesprochenen Zuordnung von Rauschkenngröße zu Trübung und dadurch, dass die Rauschkenngröße von Umgebungsbedingungen und vom Zustand des Trübungssensors abhängt, kann anhand einer ermittelten Rauschkenngröße, auf eine konkrete Störquelle in der Umgebung und/oder am Sensor selbst geschlossen werden.
• Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen Trübungssensor zur Ausführung eines wie oben beschriebenen Verfahrens.
• In einer Weiterbildung umfasst der Trübungssensor eine übergeordnete Einheit, welche die Rauschkenngröße, den Mittelwert, den korrigierten Mittelwert, die Trübung und/oder die korrigierte Trübung ermittelt und einen Vergleich der Trübung mit der korrigierten Trübung durchführt, wobei die übergeordnete Einheit Teil des Trübungssensors ist oder in einem externen Gerät, insbesondere in einen Transmitter, eingebaut ist.
• Bevorzugt ist der Trübungssensor mit dem externen Gerät, insbesondere dem Transmitter, über eine galvanisch getrennte, insbesondere induktive, Schnittstelle verbunden, oder wobei der Trübungssensor ist mit dem externen Gerät, insbesondere dem Transmitter, über eine drahtlose, insbesondere über eine Bluetooth-, Schnittstelle verbunden.
• Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
• 1 eine Übersicht über das erfindungsgemäße Verfahren,
• 2 ein Zuordnungsdiagramm von Mittelwert der Streulichtintensität zu Rauschkenngröße,
• 3 einen zeitlichen Verlauf der ermittelten und erwarteten Rauschkenngröße bei Änderung von Umgebungsbedingungen, und
• 4 einen zeitlichen Verlauf der ermittelten und erwarteten Rauschkenngröße bei einem verschmutzten Fenster eines Trübungssensors.
• In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
• Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Trübungsmessung. Da die Trübungsmessung grundsätzlich bekannt ist, wird nur kurz auf darauf eingegangen.
• 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 mehrere Winkelbereiche von großem Interesse, wobei hier zwei explizit näher erklärt werden: Das im Winkel von 90° gegenüber der Richtung des eingestrahlten Lichts erfasste Streulicht, bzw. die von Detektoren, etwa Fotodioden, erfasste Streulichtintensität RW, wird nur wenig von der Partikelgröße beeinflusst. Ein weiterer interessanter 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 MehrstrahlWechsellicht-, 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.
• 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 11° wird seltener angewendet.
• Bei allen beschrieben Methoden tritt jedoch das bereits beschriebene Problem auf, dass Störgrößen, also beispielsweise Reflektionen am Einbauort oder Verschmutzungen der optischen Fenster, das Messergebnis verfälschen. Der Anwender muss versuchen diese ungewünschten Reflektionen „wegzukalibrieren“, jedoch sind diese Tests wie erwähnt zeit- und kostenintensiv sowie fehleranfällig.
• 1 zeigt eine Übersicht über das erfindungsgemäße Verfahren. Aus der gemessenen Streulichtintensität RW (der „Rohwert“, siehe oben) wird sowohl eine Rauschkenngröße RK als auch der Mittelwert bestimmt. Genauer gesagt wird die Rauschkenngröße RK und der Mittelwert MW durch eine übergeordnete Einheit (nicht abgebildet), beispielsweise in einem Mikrocontroller, bestimmt (siehe unten). 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. Dann erfolgt die Kommunikation üblicherweise drahtlos, etwa durch eine Bluetooth-Verbindung. Alle Rechnungen, Regelungen, Steuerung etc. wird durch die übergeordnete Einheit durchgeführt.
• Die Rauschkenngröße RK kann auf verschiedene Arten bestimmt werden. Die Rauschkenngröße RK wird etwa durch eine Frequenzanalyse, insbesondere durch eine Fourier-Transformation, des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität RW ermittelt. Alternativ kann die Rauschkenngröße RK mittels statistischer Verfahren, wie der Berechnung der Standardabweichung, bestimmt werden. Die Streulichtintensität RW wird über ihren zeitlichen Verlauf erfasst. Aus diesem zeitlichen Verlauf wird mittels eines Algorithmus, z.B. das arithmetische Mittel aus zehn aufeinanderfolgenden Werten, ebenfalls ein Mittelwert MW gebildet.
• Anschließend wird mittels eines Rauschmodells RM aus der Rauschkenngröße RK ein korrigierter Mittelwert MW_kor bestimmt. Das Rauschmodell RM wird im Folgenden kurz beschrieben. Mittels der Formel $$RK=\alpha \cdot \sqrt{M{W}_{kor}}+\beta$$

  

  wird der korrigierte Mittelwert MW_kor ermittelt (Formel entsprechend auflösen). Dabei ist α ein Skalierungsfaktor für die Umrechnung einer elektrischen Größe in die Trübung und β eine spezifische Konstante für den Trübungssensor. Die Konstante α ist für verschiedene Messwinkel (z.B. Trübung gemessen bei 90° oder bei 135°) unterschiedlich. Die Konstante β beschreibt das Geräterauschen und hängt von der jeweiligen Hardware, also dem entsprechenden Trübungssensor samt Elektronik etc., ab. Über eine Zweipunktkalibrierung können beide Parameter auf praktischem Weg bestimmt werden. Auf theoretischem Weg kann α mittels Streulichtanalyse mit Empfangs- und Detektionseigenschaften des Sensors sowie Streueigenschaften des Mediums und β mittels Rauschanalyse des Sensors bestimmt werden.
• Im nächsten Schritt, siehe 2, wird durch ein Kalibriermodell KM sowohl aus dem Mittelwert MW als auch dem korrigierten Mittelwert MW_kor eine (nicht korrigierte) Trübung TU und eine korrigierte Trübung TU_kor ermittelt. Über das Kalibriermodell KM ist jedem Mittelwert MW bzw. jedem korrigierten Mittelwert MW_kor eine Trübung TU bzw. eine korrigierte Trübung TU_kor eindeutig zugeordnet. Eine mögliche Implementierung des Kalibriermodells KM ist eine zweidimensionale Lookup Tabelle, die mittels Kalibrierpunkten den beiden Eingangssignalen Mittelwert MW und korrigiertem Mittelwert MW_kor einen Trübungswert zuordnet. Die korrigierte Trübung TU_kor kann aus dem (gemessenen) Mittelwert MW und dem korrigierten Mittelwert MW_kor ermittelt werden. Alternativ wird die korrigierte Trübung TU_kor nur aus dem korrigierten Mittelwert MW_kor bestimmt. Die Trübung TU wird ausschließlich aus dem Mittelwert MW bestimmt.
• Anschließend werden die Trübung TU und die korrigierte Trübung TU_kor miteinander verglichen. Aus diesen Vergleich, im einfachsten Fall durch Subtraktion voneinander (es ergibt sich ein Offset der Trübung TU offset), kann eine Aussage über die Zuverlässigkeit bzw. Unzuverlässigkeit der Trübung getroffen werden, wenn die Trübung TU mit der korrigierten Trübung TU_kor übereinstimmt bzw. nicht übereinstimmt. Ist beispielsweise die Abweichung TU_offset kleiner als 1 % liegt eine hohe Zuverlässigkeit vor. Ist die Abweichung TU_offset etwa mehr als 100 % liegt eine sehr niedrige Zuverlässigkeit vor. Gibt es keine Übereinstimmung, d.h. eine Abweichung von einem gewissen Toleranzbereich, liegt Störung durch eine Störgröße oder Störquellevor.
• In einem weiteren Schritt kann die Trübung wenn die ermittelte Trübung TU nicht mit der korrigierten Trübung TU_kor übereinstimmt, d.h. wenn die Abweichung TU_offset einen bestimmten Wert überschreitet, korrigiert werden. Dies geschieht indem mit Hilfe der korrigierten Trübung TU_kor, d.h. letztlich anhand der Rauschkenngröße RK und damit anhand des Rauschens, die tatsächliche Trübung bestimmt wird.
• Wie erwähnt wird mittels des Kalibriermodells KM jedem Mittelwert MW bzw. jedem korrigiertem Mittelwert MW_kor eine Trübung TU und eine korrigierte Trübung TU_kor eindeutig zugeordnet. Auch wird der korrigierte Mittelwert MW_kor mittels des Rauschmodells RM eindeutig aus der Rauschkenngröße RK bestimmt. Trübung TU und korrigierte Trübung TU_kor verhalten sich also gleich wie Rauschkenngröße RK und Mittelwert MW.
• 2 zeigt ein Zuordnungsdiagramm 1 von (gemessenem) Mittelwert MW zu Rauschkenngröße RK. Der Mittelwert MW entspricht der Trübung TU (siehe oben), d.h. in 2 ist jedem bestimmten Trübungswert ein bestimmter Wert der Rauschkenngröße RK eindeutig zugeordnet. In anderen Worten ist jeder Mittelwert MW äquivalent zu einer Rauschkenngröße RK und umgekehrt. Diese Zuordnung ist im Trübungssensor hinterlegt, beispielsweise in einem Speicher in der übergeordneten Einheit. In 2 und auch in den folgenden Figuren sind die Einheiten und die entsprechenden Zahlenwerte exemplarisch und willkürlich gewählt.
• Der Wert der Rauschkenngröße RK bildet für den jeweiligen Wert ein charakteristisches Rauschen. Dieses charakteristische Rauschen kann unter Standardbedingungen, beispielsweise vorab und nicht am Einbauort des Trübungssensors, ermittelt werden. Als Standardbedingungen soll hierbei eine Messung im Labor mit konstanter Temperatur, konstantem Luftdruck, wohl definierte Menge an Medium und regelmäßiges Durchrühren des Mediums um die Trübung konstant zu halten verstanden werden. Im Allgemeinen muss der Zusammenhang von Mittelwert MW zu Rauschen RK unter Bedingungen bestimmt werden, bei denen keine Störeinflüsse wie Verschmutzung oder Wandeffekte auftreten. Das kann wie erwähnt im Labor sein, aber auch direkt vor Ort beim Anwender. Das gleiche gilt ebenfalls für die bereits erwähnten Parameter α und β. Wie erwähnt wird die Trübung TU mit der korrigierten Trübung TU_kor verglichen. Gibt es dabei eine Übereinstimmung scheint die Messung in Ordnung zu sein. Gibt es keine Übereinstimmung, d.h. eine Abweichung von einem gewissen Toleranzbereich, liegt Störung durch eine Störgröße oder Störquellevor. Im Idealfall wird diese erkannt und der Trübungssensor entsprechend kompensiert. Darauf soll im Folgenden näher eingegangen werden.
• Tritt eine Störgröße auf, z.B. Sensor „sieht“ eine Wand, so steigt die gemessene Streulichtintensität RW an, der daraus ermittelte korrigierte Mittelwert MW_kor bleibt jedoch annähernd konstant (siehe 3), da die Wand eher wie ein Spiegel wirkt. Durch die gemessene Streulichtintensität RW wird durch das Diagramm in 2 eine bestimmte Rauschkenngröße bzw. ein bestimmter korrigierter Mittelwert erwartet, tatsächlich aber ein anderer korrigierte Mittelwert ermittelt. Somit kann eine Störung detektiert werden. Darüber hinaus kann sogar eine Kompensation durchgeführt werden. Dies ist in 3 dargestellt.
• 3 zeigt Trübungsmessungen in einem Becken mit Leitungswasser. Nacheinander, d.h. die x-Achse zeigt die Zeit t, wurden dem Trübungssensor verschiedene Störquellen zugeführt. Auf der y-Achse sind Mittelwerte ave aufgetragen. Im Zusammenhang mit dieser Erfindung wird von zwei verschiedenen Mittelwerten ave gesprochen. Zum einen der korrigierte Mittelwert MW_kor, und zum anderen gemessene Mittelwerte, in 2 mit den Bezugszeichen 3.1, 3.2, 4.1 und 4.2 gekennzeichnet. Konkret wurden verschiedene Wandeffekte durch Vorhalten einer Edelstahlplatte (Bezugszeichen 3.1 und 3.2) bzw. einer schwarzen Kunststoffplatte (Bezugszeichen 4.1 und 4.2) nachgebildet. Zusätzlich wurde eine Messung ohne Nachbildung eines Wandeffekts durchgeführt, siehe dazu das Bezugszeichen 2. Diese Messung ohne Nachbildung eines Wandeffekts (Bezugszeichen 2) hat den gleichen Wert auf der y-Achse wie der korrigierte Mittelwert MW_kor. Die Edelstahlplatte 3.1 und 3.2 bzw. die schwarze Kunststoffplatte 4.1 und 4.2 wurden in verschiedenen Abständen vor den Trübungssensor gehalten, weswegen sich jeweils zwei verschiedene Werte ergeben.
• Auf der y-Achse ist also auch der Mittelwert MW aufgetragen, oder in anderen Worten das für die jeweilige Umgebungsbedingung erwartete charakteristische Rauchen. Der tatsächlich gemessene Wert der Rauschkenngröße RK bzw. des korrigierten Mittelwerts MW_kor ist jedoch annähernd konstant. Es liegt also ein Unterschied zwischen Mittelwert MW und korrigiertem Mittelwert MW_kor, in 2 die Bezugszeichen 3.1, 3.2, 4.1 und 4.2, vor.
• Ein Anwender kann eine entsprechende Umgebungsbedingung, wie etwa Material, Durchmesser, Oberflächenrauigkeit, Oberflächenfarbe, Beschaffenheit der Oberfläche und/oder Anlagerungen des/am Behältnisses, und/oder Abstand von Sensor zu Behältnis, erkennen und es ist möglich eine entsprechende Kompensation durchzuführen. Somit können Fehlmessungen vermieden werden. Die entsprechenden Zuordnungen von Art der Störung zu erwartetem Wert der Rauschkenngröße sind etwa in Tabellenform, als Funktion, Formel, Diagramm ö.ä. beispielsweise auf einem Speicher in der übergeordneten Einheit gespeichert. Die entsprechenden Umgebungsbedingungen werden durch den Anwender beispielsweise über die übergeordnete Einheit ausgewählt.
• Alternativ oder zusätzlich kann auch eine automatische Erkennung der entsprechenden Störung durchgeführt werden. Wie in 3 und 4 gezeigt und oben bereits erwähnt hat jede Störung ein erwartetes, ein charakteristisches Rauschen, so dass anhand der Messung der Rauschkenngröße die Art der Störung erkannt werden kann. Dem Nutzer kann die Rauschkenngröße über eine Anzeige, beispielsweise am Transmitter angezeigt werden. Dazu kann auch eine Meldung über die Art der Störung, also die entsprechenden Umgebungsbedingung oder der Sensorzustand, angezeigt werden.
• 4 zeigt die Situation wie die Verschmutzung eines Fensters erkannt und kompensiert werden kann. Dabei wurde auf ein optisches Fenster eine Fettschicht aufgebracht, die sich im Laufe der Messung langsam, aber nicht vollständig löste, was man in 4, welche den Mittelwert MW und den korrigierten Mittelwert MW_kor zeigt, sehen kann.
• Es kann somit auch der Sensorzustand, also die Beschaffenheit der Oberfläche, Anlagerungen, Verschmutzung am Sensor, erkannt und gegebenenfalls kompensiert und justiert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Diagramm: Trübung - erwartete Rauschkenngröße

2

Keine Wand

3.1

Wand aus Stahl, 1. Fall

3.2

Wand aus Stahl, 2. Fall

4.1

Wand aus schwarzem PVC, 1. Fall

4.2

Wand aus schwarzem PVC, 2. Fall

a.u.

willkürliche Einheiten

ave

Mittelwerte

t

Zeit

KM

Kalibriermodell

MW

Mittelwert

MWkor

korrigierter Mittelwert

RK

Rauschkenngröße

RM

Rauschmodell

RW

Streulichtintensität

TU

Trübung

TUkor

korrigierte Trübung

TUoffset

Vergleich von TU und TU_kor

Claims (13)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Trübung eines Mediums in einem Behältnis mittels zumindest eines Trübungssensors zum Einsatz in der Prozessautomatisierung in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen am Einbauort des Trübungssensors, umfassend die Schritte - Senden von Sendestrahlung in das Medium, wobei die Sendestrahlung durch Wechselwirkung, insbesondere durch Streuung, mit dem Medium in Abhängigkeit von der Trübung in Empfangsstrahlung gewandelt wird, - Empfangen der Empfangsstrahlung, - Wandeln der Empfangsstrahlung in eine Streulichtintensität (RW), und - Bestimmen der Trübung (TU) aus der Streulichtintensität (RW), wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte - Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität (RW), - Ermitteln eines Mittelwerts (MW) auf Basis des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität (RW), - Ermitteln der Trübung (TU) aus dem Mittelwert (MW) über ein Kalibriermodell (KM), indem jedem Mittelwert (MW) eine Trübung (TU) zugeordnet ist, - Ermitteln eines korrigierten Mittelwerts (MW_kor) auf Basis des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität (RW), indem aus der Streulichtintensität (RW) eine Rauschkenngröße (RK) ermittelt wird und der korrigierte Mittelwert (MW_kor) über ein Rauschmodell (RM) aus der Rauschkenngröße (RK) ermittelt wird, und - Ermitteln einer korrigierten Trübung (TU_kor) zumindest aus dem korrigierten Mittelwert (MW_kor) über das Kalibriermodell (KM), indem jedem korrigierten Mittelwert (MW_kor) eine korrigierte Trübung (TU_kor) zugeordnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die korrigierte Trübung (TU_kor) aus dem korrigierten Mittelwert (MW_kor) und dem Mittelwert (MW) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend den Schritt - Vergleichen der Trübung (TU) mit der korrigierten Trübung (TU_kor), und daraus Treffen einer Aussage über die Zuverlässigkeit oder Unzuverlässigkeit der Trübung wenn die Trübung (TU) mit der korrigierten Trübung (TU_kor) übereinstimmt oder nicht übereinstimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend den Schritt - Kompensation der Trübung wenn die Trübung (TU) nicht mit der korrigierten Trübung (TU_kor) übereinstimmt, indem mit Hilfe der korrigierten Trübung (TU_kor) die tatsächliche Trübung bestimmt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Rauschkenngröße (RK) durch eine Frequenzanalyse, insbesondere durch eine Fourier-Transformation, des zeitlichen Verlaufs der Streulichtintensität (RW) ermittelt wird, oder wobei die Rauschkenngröße (RK) mittels statistischer Verfahren, wie der Berechnung der Standardabweichung, der Streulichtintensität (RW) ermittelt wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der korrigierte Mittelwert (MW_kor) aus der Rauschkenngröße (RK) mittels eines Rauschmodells (RM) durch $$RK=\alpha \cdot \sqrt{M{W}_{kor}}+\beta$$

   

   ermittelt wird, mit α einem Skalierungsfaktor für die Umrechnung einer elektrischen Größe in die Trübung und β einer Konstante für den Trübungssensor.
7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Rauschkenngröße (RK) von Umgebungsbedingungen und/oder vom Zustand des Trübungssensors abhängig ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei es sich bei den Umgebungsbedingungen zumindest um Materialen, Durchmesser, Oberflächenrauigkeit, Oberflächenfarbe, Beschaffenheit der Oberfläche und/oder Anlagerungen des/am Behältnisses, und/oder Abstand von Trübungssensor zu Behältnis handelt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei es sich bei dem Zustand des Trübungssensors um Beschaffenheit der Oberfläche, Anlagerungen, Verschleiß eines optischen Fensters, und/oder Verschmutzung am Trübungssensor handelt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, weiter umfassend den Schritt - Anzeigen der Rauschkenngröße (RK) und/oder einer Meldung um was für eine Umgebungsbedingung und/oder Zustand des Trübungssensors es sich handelt.
11. Trübungssensor zur Ausführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, zumindest umfassend - eine Lichtquelle, die dazu ausgestaltet ist, Sendestrahlung zu senden, - ein Empfänger, der dazu ausgestaltet ist, Empfangsstrahlung zu empfangen, und - eine übergeordnete Einheit, die dazu ausgestaltet ist, die Trübung zu ermitteln.
12. Trübungssensor nach Anspruch 11, wobei die übergeordnete Einheit die Rauschkenngröße (RK), den Mittelwert (MW), den korrigierten Mittelwert (MW_kor), die Trübung (TU) und/oder die korrigierte Trübung (TU_kor) ermittelt und einen Vergleich der Trübung (TU) mit der korrigierten Trübung (TU_kor) durchführt, wobei die übergeordnete Einheit Teil des Trübungssensors ist oder in einem externen Gerät, insbesondere in einen Transmitter, eingebaut ist.
13. Trübungssensor nach Anspruch 12, wobei der Trübungssensor mit dem externen Gerät, insbesondere dem Transmitter, über eine galvanisch getrennte, insbesondere induktive, Schnittstelle verbunden ist, oder wobei der Trübungssensor mit dem externen Gerät, insbesondere dem Transmitter, über eine drahtlose, insbesondere über eine Bluetooth-, Schnittstelle verbunden ist.

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