DE102016104922A1

DE102016104922A1 - Verfahren zur Vorhersage eines Messwerts und Leitfähigkeitssensor zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102016104922A1
Application number: DE102016104922.0A
Authority: DE
Inventors: Hermann Günther; Ronny Grosse-Uhlmann
Original assignee: Endress & Hauser Conducta & Co Kg GmbH; Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress & Hauser Conducta & Co Kg GmbH; Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-10-12
Also published as: US20170269015A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage eines Messwerts einer Messgröße eines Sensors (10) der Prozessautomatisierungstechnik, umfassend die Schritte: Erfassen eines ersten Messwerts zu einem ersten Zeitpunkt; Erfassen eines zweiten Messwerts zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt; Bilden eines Differenzwerts des zweiten und ersten Messwerts; Filtern des Differenzwerts mittels eines Filters mit unendlicher Impulsantwort; und Berechnen eines zukünftigen Messwerts anhand des Messwerts zum zweiten Zeitpunkt, des gefilterten Differenzwerts und eine den Sensor (10) kennzeichnenden Konstante (τ). Die Erfindung betrifft weiter einen Leitfähigkeitssensor (1) umfassend einen Temperatursensor (10) und eine Computereinheit zur Ausführung eines Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorhersage eines Messwerts einer Messgröße eines Sensors der Prozessautomatisierungstechnik und Leitfähigkeitssensor zur Ausführung des Verfahrens.
Im Bereich der Messtechnik ist es wünschenswert einen Messwert so schnell wie möglich zu erhalten. Dies soll im Folgenden exemplarisch anhand einer Temperaturmessung erläutert werden. Für ein hygienisches Design oder um den Sensor vor äußeren Einflüssen zu schützen, insbesondere auch um das Innere des Sensors vor etwaig schädlichen, giftigen oder in sonstiger Weise für den Sensor nachteiligen Eigenschaften zu schützen, befindet sich das eigentliche Messelement des Sensors geschützt in einem Gehäuse. Dieses Gehäuse wirkt allerdings als thermischer Isolator. Die Ansprechzeit des Sensors wird deswegen verlängert, da eine Temperaturänderung des zu messenden Mediums über das Gehäuse an den Sensor bzw. das Sensorelement weitergeleitet wird. Bei vielen Messprinzipien, beispielsweise der Leitfähigkeitsmessung, ist die Temperaturmessung eine Hilfsgröße und eine notwendige Voraussetzung zur Bestimmung der Hauptkenngröße, also etwa der Leitfähigkeit.
Die US 8,301,408 offenbart einen Sensor und ein Verfahren zur Bestimmung einer geschätzten Messgröße in Echtzeit. Diese Schrift offenbart die Verwendung eines Filters mit unendlicher Impulsantwort (IIR, englisch: infinite impulse response filter). In dieser Schrift wird offenbart, den Einstieg der Messgröße in Echtzeit zu bestimmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das einerseits robust und einfach gestaltet ist, andererseits aber auch spezifische Eigenschaften eines Sensors berücksichtigt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, umfassend die Schritte: Erfassen eines ersten Messwerts zu einem ersten Zeitpunkt; Erfassen eines zweiten Messwerts zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt; Bilden eines Differenzwerts des zweiten und ersten Messwerts; Filtern des Differenzwerts mittels eines Filters mit unendlicher Impulsantwort; und Berechnen eines zukünftigen Messwerts anhand des Messwerts zum zweiten Zeitpunkt, des gefilterten Differenzwerts und eine den Sensor kennzeichnenden Konstante.
In einer vorteilhaften Weiterbildung handelt es sich bei der Messgröße um die Temperatur.
Durch Anwendung des oben genannten Verfahrens wird die physikalisch begründete, langsame Ansprechzeit verkürzt. Damit wird vor allem bei Messverfahren bzw. Kennlinien mit hoher Temperaturabhängigkeit die Genauigkeit bei dynamischen Prozessen erhöht. Ein gutes Beispiel dafür sind Phasentrennprozesse, wie sie vor und nach Reinigungsprozessen in der Lebensmittelindustrie stattfinden. Durch die höhere Genauigkeit kann z. B. der Auswurf von Produkt, welches im Anschluss an einen Reinigungsvorgang die Leitungen füllt, vermindert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Sensor eine Computereinheit, und bei der den Sensor kennzeichnenden Konstante handelt es sich um Prozessorleistung, Speicher, Taktzeit und/oder Bauform. Somit sind die Eigenschaften des Sensors im genannten Verfahren umfasst, und der Messwert wird anhand sensorspezifischer Eigenschaften vorher berechnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die den Sensor kennzeichnende Konstante vor Einsatz des Sensors unter Laborbedingungen ermittelt und ist dauerhaft im Sensor gespeichert. Somit kann der Hersteller des Sensors die für den Sensor optimal Konstante ermitteln und der Nutzer braucht sich nicht darum zu kümmern. In einer ersten Variante ist die Konstante für jeden Sensortyp gleich, also z. B. für jeden pH- oder Leitfähigkeitssensor. In einer zweiten Variante wird die Konstante für jeden Sensor individuell festgestellt und entsprechend abgespeichert. Labor- oder Standardbedingungen im Sinne dieser Erfindung sind konstante Temperatur, konstanter Luftdruck, wohl definierte Menge an Medium und regelmäßiges Durchrühren des Mediums. Typische Werte hierfür sind Zimmertemperatur (22°C), normaler Luftdruck (1020 hPa), und ein Volumen von circa 20 l.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird ein minimaler Differenzwert verwendet, wenn die Differenz des zweiten und ersten Messwerts einen unteren Schwellenwert unterschreitet, und es wird ein maximaler Differenzwert verwendet, wenn die Differenz des zweiten und ersten Messwerts einen oberen Schwellenwert überschreitet. Somit kann die Vorhersage des Messwert noch genauer gemacht werden, da ein zu kleiner/zu großer Minimal- bzw. Maximalwert die Berechnung verfälschen würde.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Sensor als rekursives System ausgestaltbar, und in den Filter mit unendlicher Impulsantwort gehen ein Ergebnis der Filterung eines vorherigen Messwerts und der Differenzwert der Messwerte ein.
Besonders bevorzugt wird der Filter mittels δ_f(i) = d – 1 / d·δ_f(i – 1) + 1 / d·δ_c(i) berechnet, mit

δ_f(i): dem gefilterten Signal zum Zeitpunkt i,
d: der Filtertiefe und
δ_c: dem Differenzwert der Messwerte.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der zukünftige Wert aus der Summe von Messwert zum zweiten Zeitpunkt und dem Produkt des gefilterten Differenzwerts und der den Sensor kennzeichnenden Konstante berechnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren weiter den Schritt:
Filtern des zukünftigen Messwerts mittels eines zweiten Filters zur Glättung des Signalverlaufs.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung handelt es sich bei diesem Filter nicht um einen IIR-Filter. Es kann alternativ ein FIR-Filter verwendet werden.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen Leitfähigkeitssensor umfassend einen Temperatursensor und eine Computereinheit zur Ausführung eines oben genannten Verfahrens.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert. Es zeigt
1 den erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensor, und
2 eine schematische Abbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der erfindungsgemäße induktive Leitfähigkeitssensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt. Der Leitfähigkeitssensor 1 ist zur Anwendung in der Prozessautomatisierung ausgestaltet.
Der Leitfähigkeitssensor 1 ist an einem Behältnis 3, etwa über einen Flansch 4 (im Allgemeinen über einen Prozessanschluss), angeordnet, in dem sich das zu messende Medium 2 befindet. Bei dem Behältnis 3 handelt es sich etwa um ein Rohr, beispielsweise aus Kunststoff oder Metall.
Der Leitfähigkeitssensor 1 umfasst eine Sendespule 6 und eine Empfangsspule 7, die in einem Gehäuse 9 untergebracht sind. Das Gehäuse 9 umfasst eine Gehäusewandung 16. Das Gehäuse 9 ist aus einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast, gefertigt. Dieser Kunststoff ist zur Verwendung im Lebensmittel und Biotechnologiebereich zugelassen. Beispielsweise handelt es sich hierbei um ein Polyaryletherketon, etwa Polyetheretherketon (PEEK). Darauf soll später noch eingegangen werden.
Die Sendespule 6 und die Empfangsspule 7 sind beispielsweise einander gegenüberliegend auf voneinander abgewandten Seiten einer Leiterkarte (nicht abgebildet) angeordnet. Die als rotationssymmetrische Ringspulen („Toroide”) ausgestaltete Sende- und Empfangsspule 6 bzw. 7 sind auf diese Weise koaxial hintereinanderliegend angeordnet. Die Leiterkarte umfasst die Spulen kontaktierende Leiterbahnen, welche die Sendespule 6 mit einer Treiberschaltung und die Empfangsspule 7 mit einer Empfangsschaltung verbinden. Die Treiberschaltung und die Empfangsschaltung können Bestandteile einer auf der Leiterkarte angeordneten Sensorschaltung sein. Die Spulen 6, 7 sind mit einer Datenverarbeitungseinheit 5, in 1 mit einem Messumformer, verbunden. Die Datenverarbeitungseinheit 5 ist im Allgemeinen eine Computereinheit. Ein Teil der Funktionen der Computereinheit kann auch direkt im Sensor ausgeführt werden, der dazu eine entsprechende Datenverarbeitungseinheit seinerseits umfasst.
Das Gehäuse 9 bildet einen die Sendespule 6 und die Empfangsspule 7 entlang ihrer Rotationsachsen durchsetzenden Kanal 12. Wird das Gehäuse 9 in ein elektrisch leitfähiges Medium 2 eingetaucht, umgibt dieses das Gehäuse 9, bzw. einen zum Eintauchen in das Medium 2 bestimmten Gehäuseabschnitt 8, und dringt in den Kanal 12 ein, so dass sich im Medium ein beide Spulen 6, 7 durchsetzender, geschlossener Strompfad 13 ausbilden kann, wenn die Sendespule 6 mit einem Eingangssignal, also einer Wechselspannung erregt bzw. durchflossen wird.
Der Leitfähigkeitssensor funktioniert nach Art eines Doppeltransformators, wobei die Sende- und die Empfangsspule 6, 7 wie erwähnt mindestens so weit in das Medium 6 eingeführt werden, dass sich ein durch das Medium 6 verlaufender, die Sende- und die Empfangsspule 6, 7 durchsetzender, geschlossener Strompfad 13 ausbilden kann. Wenn die Sendespule 6 mit einem Wechselspannungssignal als Eingangssignal angeregt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das einen die Spulen 6 bzw. 7 durchsetzenden Strompfad 13 induziert, dessen Stärke von der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums 2 abhängt. Es ergibt sich also ein Strompfad mit einer Ionenleitung im Medium 2. Da dieser elektrische Wechselstrom im Medium wiederum ein ihn umgebendes veränderliches Magnetfeld hervorruft, wird ein Wechselstrom in der Empfangsspule 7 als Ausgangssignal induziert. Dieser von der Empfangsspule 7 als Ausgabesignal gelieferte Wechselstrom bzw. eine entsprechende Wechselspannung ist ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit des Mediums 2.
Der Leitfähigkeitssensor 1 umfasst einen Temperatursensor 10 zum Messen der Temperatur des Mediums 2. Die Datenverarbeitungseinheit 5 ermittelt die Leitfähigkeit des Mediums 2 anhand des Eingangssignals, des Ausgangssignals und der Temperatur des Mediums 2. Bei dem Temperatursensor 10 handelt es sich um ein elektrisches oder elektronisches Bauelement, das ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur liefert. Es handelt sich etwa um einen Heißleiter oder Kaltleiter als Bauteile, deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Beispiele sind hier Platin-Messwiderstände oder Keramik-Kaltleiter. Alternativ kann ein Bauteil verwendet werden, das direkt ein verarbeitbares elektrisches Signal liefert wie ein Halbleiter-Temperatursensor, der etwa einen zur Temperatur proportionalen Strom oder Spannung liefert. Als weitere Alternativen können ein Thermoelement oder ein anderes gängiges Temperaturmesselement verwendet werden.
Der Temperatursensor 10 umfasst ein Temperaturelement, das ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur liefert. Es handelt sich hierbei etwa um einen Thermistor, beispielsweise ein Pt100 oder Pt1000. Über Leitungen 17 wird dieses Signal, also etwa Widerstandswerte oder eine Spannung, an den Messumformer 5 weitergeleitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren, siehe 2, zum Berechnen eines zukünftigen Messwerts umfasst zwei Schritte, wobei ein erstes Filter zur Prädiktion verwendet wird, aus dem aus einem Messwert x(i) ein Prädiktionswert y(i) ermittelt wird, und anschließend mittels eines zweiten Filters eine Glättung erfolgt. Ausgegeben wird als Temperaturwert f(i). Das zweite Filter ist nicht zwingend erforderlich und dient der Glättung des Signals. Das Verfahren wird im Messumformer oder ganz oder teilweise einer entsprechenden Computereinheit im Sensor durchgeführt Zuerst wird eine Differenz δ(i) zwischen dem aktuellen Messwert (Eingangswert x(i)) und dem zuletzt gemessenen Messwert x(i – 1) ermittelt, mit i als den jeweiligen Zeitpunkt: δ(i) = x(i) – x(i – 1)
Ausreißer dieser Differenz werden zur Vermeidung zu großer Sprünge in folgender Weise ”abgeschnitten”:
Der so ermittelte Differenzwert δ_c(i) geht in einen einfachen IR-Filter (Infinite Impulse Response Filter) mit der Tiefe d ein: δ_f(i) = d – 1 / d·δ_f(i – 1) + 1 / d·δ_c(i)
Der Prädiktionswert y(i) wird aus dem aktuellen Messwert x(i), dem Ausgabewert des Filters δ_f(i) und der Konstante τ berechnet. y(i) = x(i) + δ_f(i)·τ
Die oben genannte Konstante „τ” ist für jeden Sensortyp spezifisch, beispielsweise haben Leitfähigkeitssensoren einen Wert η1 und pH-Sensoren haben einen Wert η2. Bei der Konstante handelt es sich also etwa um Prozessorleistung, Speicher, Taktzeit und/oder Bauform.
Diese Konstante wird vorab im Labor mit Tests bestimmt. Dabei wird diese für den jeweiligen Sensortyp solange variiert, bis der beste Wert ermittelt ist und sich eine genaue und ausreichende Vorhersage des Messwerts, also etwa der Temperatur, treffen lässt. Anschließend wird dieser Wert fest in den Sensor gespeichert. Ein Anwender hat keinen Zugriff darauf und kann diesen auch nicht ändern.
Bezugszeichenliste

1: Leitfähigkeitssensor
2: Medium
3: Behältnis
4: Flansch
5: Datenverarbeitungseinheit
6: Sendespule
7: Empfangsspule
8: zum Eintauchen in 2 bestimmter Gehäuseabschnitt von 1
9: Gehäuse
10: Temperatursensor
11: Platine
12: Kanal
13: Strompfad
14: Deckel
15: Ring
16: Gehäusewandung
17: Leitungen
x(i): Messwert
y(i): Prädiktionswert
f(i): Temperaturwert Zeitpunkt Differenz
δ_c: Differenz, geg. Abgeschnitten
δ_f: gefilterte Differenz
d: Filtertiefe
τ: Konstante

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8301408 [0003]

Claims

Verfahren zur Vorhersage eines Messwerts einer Messgröße eines Sensors (10) der Prozessautomatisierungstechnik, umfassend die Schritte – Erfassen eines ersten Messwerts zu einem ersten Zeitpunkt, – Erfassen eines zweiten Messwerts zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt, – Bilden eines Differenzwerts des zweiten und ersten Messwerts, – Filtern des Differenzwerts mittels eines Filters mit unendlicher Impulsantwort, und – Berechnen eines zukünftigen Messwerts anhand des Messwerts zum zweiten Zeitpunkt, des gefilterten Differenzwerts und eine den Sensor (10) kennzeichnenden Konstante (τ).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Messgröße um die Temperatur handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor eine Computereinheit (5) umfasst und es sich bei der den Sensor (10) kennzeichnenden Konstante (τ) um Prozessorleistung, Speicher, Taktzeit und/oder Bauform handelt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die den Sensor (10) kennzeichnende Konstante (τ) vor Einsatz des Sensors (10) unter Laborbedingungen ermittelt wird, und dauerhaft im Sensor (10) gespeichert ist.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein minimaler Differenzwert verwendet wird, wenn die Differenz des zweiten und ersten Messwerts einen unteren Schwellenwert unterschreitet, und wobei ein maximaler Differenzwert verwendet wird, wenn die Differenz des zweiten und ersten Messwerts einen oberen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sensor (10) als rekursives System ausgestaltbar ist, und wobei in den Filter mit unendlicher Impulsantwort ein Ergebnis der Filterung eines vorherigen Messwerts und der Differenzwert der Messwerte eingeht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Filter mittels δ_f(i) = d – 1 / d·δ_f(i – 1) + 1 / d·δ_c(i) berechnet wird, mit δ_f(i) dem gefilterten Signal zum Zeitpunkt i, d der Filtertiefe, und δ_c dem Differenzwert der Messwerte.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der zukünftige Wert aus der Summe von Messwert zum zweiten Zeitpunkt und dem Produkt des gefilterten Differenzwerts und der den Sensor kennzeichnenden Konstante berechnet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren weiter den Schritt umfasst – Filtern des zukünftigen Messwerts mittels eines zweiten Filters zur Glättung des Signalverlaufs.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei es sich bei dem Filter nicht um ein IR-Filter handelt.
Leitfähigkeitssensor (1) umfassend einen Temperatursensor (10) und eine Computereinheit zur Ausführung eines Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10.