DE102016117733A1 - Messeinrichtung - Google Patents

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Joachim Albert
Ralf Steuerwald
Michael Hanko
Angela Eubisch
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Abstract

Eine Messeinrichtung zur Bestimmung mindestens einer Messgröße eines Messmediums, insbesondere einer Messflüssigkeit, umfasst: – ein erstes Messgerät, welches einen mit dem Messmedium zur Erfassung von Messwerten der mindestens einen Messgröße in Kontakt stehenden ersten Messaufnehmer aufweist, und welches dazu ausgestaltet ist, mittels des ersten Messaufnehmers einen von der mindestens einen Messgröße des in dem Prozessbehältnis enthaltenen Messmediums abhängigen ersten Messwert zu ermitteln; – eine Probennahmevorrichtung, welche dazu ausgestaltet ist, dem Messmedium eine Probe zu entnehmen; – ein zweites Messgerät, welches einen zweiten Messaufnehmer umfasst, und das dazu ausgestaltet ist, mittels des zweiten Messaufnehmers einen von der mindestens einen Messgröße der dem Messmedium entnommenen Probe abhängigen zweiten Messwert zu ermitteln; und – eine elektronische Kontrolleinrichtung, welche dazu ausgestaltet ist, den ersten und den zweiten Messwert zu empfangen und zu verarbeiten und anhand des zweiten Messwerts eine Verifizierung, Kalibrierung und/oder Justierung des ersten Messgeräts durchzuführen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines Messmediums, insbesondere einer Messflüssigkeit.
  • Zur Bestimmung der Zusammensetzung von Messmedien, insbesondere Flüssigkeiten, wie z. B. reinen Flüssigkeiten, Flüssigkeitsgemischen, Emulsionen oder Suspensionen, werden in der Prozessmesstechnik vielfältige Analyse-Messgeräte eingesetzt. Ein Analyse-Messgerät umfasst im Allgemeinen einen Messaufnehmer, welcher dazu ausgestaltet ist, ein von mindestens einer Analyse-Messgröße abhängiges Messsignal zu erzeugen, sowie eine Messelektronik, die aus dem Messsignal einen den aktuellen Wert der mindestens einen Analyse-Messgröße im Messmedium repräsentierenden Messwert ermittelt. Die Analyse-Messgröße kann beispielsweise eine Konzentration oder Aktivität eines Analyten oder eine von einer Konzentration oder Aktivität mindestens eines Analyten in dem Messmedium abhängiger Parameter sein. Unter einem Analyten versteht man eine oder mehrere in dem Messmedium enthaltene, insbesondere gelöste Substanz bzw. Substanzen, deren Konzentration in dem Messmedium mittels des Analysesensors ermittelt bzw. überwacht werden soll. Der Analyt kann in dem Messmedium auch ungelöst vorliegen, was häufig die Durchführung eines Aufschlusses vor der Messung der Analyse-Messgröße mittels des Messaufnehmers erfordert. Die Messelektronik kann mindestens teilweise in einen direkt an der Messstelle angeordneten Messumformer integriert sein, der über ein Gehäuse mit Anzeige- und Eingabemitteln verfügt.
  • Analyse-Messgeräte werden in vielfältigen Bereichen eingesetzt, z. B. zur Überwachung und Steuerung von Prozessen in der pharmazeutischen, chemischen, biotechnologischen oder biochemischen Produktion, aber auch in Prozessen der Wasseraufbereitung oder Abwasserreinigung, sowie in der Umweltanalytik. Soweit ein Analyse-Messgerät in einem Prozess eingesetzt wird, ist das Messmedium in der Regel in einem Prozessbehältnis enthalten. Im Bereich der Umweltanalytik kann das Messmedium auch ein offenes Gewässer sein.
  • Zur Messung einer bestimmten Analyse-Messgröße stehen häufig mehrere Analyse-Messgeräte zur Auswahl, die auf unterschiedlichen Messprinzipien beruhen. Jedes Messprinzip bringt spezifische Vor- und Nachteile mit sich.
  • Zur Messung der Konzentration eines Wasser-Inhaltsstoffs, z. B. einer speziellen Ionenkonzentration, sind beispielsweise automatische Analysegeräte bekannt, die eine zur Analyse aus dem Prozess entnommene Probe der zu analysierenden Flüssigkeit vorbehandeln, z. B. durch Zugabe von Reagenzien, und mittels eines Messaufnehmers in der vorbehandelten Probe eine von der Konzentration des Wasser-Inhaltsstoffes abhängige Messgröße erfassen. Häufig wird in Analysegeräten die zu analysierende Probe vorbehandelt, indem sie mit einem oder mehreren Reagenzien versetzt wird, so dass eine chemische Reaktion unter Beteiligung des Analyten in der Probe erfolgt. Vorzugsweise werden die Reagenzien so gewählt, dass die chemische Reaktion mittels eines optischen oder elektrochemischen Messprinzips, z. B. mittels eines fotometrischen Messaufnehmers, eines potentiometrischen oder eines amperometrischen Sensors oder eines Leitfähigkeitssensors, nachweisbar ist. Beispielsweise kann die chemische Reaktion eine Färbung der Probe oder eine Emission von Lumineszenzstrahlung bewirken. Die Farbintensität, die mittels Absorptions- bzw. Extinktionsmessung bestimmbar ist, bzw. die Intensität der Lumineszenzstrahlung ist in diesem Fall ein Maß für die zu bestimmende Analyse-Messgröße. Die Absorption oder Extinktion bei einer mit der Färbung der Probe korrelierenden Wellenlänge kann beispielsweise fotometrisch ermittelt werden, indem elektromagnetische Strahlung, beispielsweise sichtbares Licht, von einer Strahlungsquelle in die Flüssigkeitsprobe eingestrahlt wird und nach Transmission durch die Flüssigkeitsprobe von einem geeigneten Detektor empfangen wird. Der Detektor erzeugt ein von der Intensität der empfangenen Strahlung abhängiges elektrisches Messsignal, aus dem ein Messwert der Analyse-Messgröße abgeleitet werden kann.
  • Solche Analysegeräte sind beispielsweise aus DE 10 22 822 A1 , DE 10 2009 029 305 A1 oder DE 10 2011 075 762 A1 bekannt. Sie liefern einerseits sehr genaue Messwerte, andererseits wird für einen Messzyklus, der das Entnehmen der Probe, die Vorbehandlung der Probe und die Ermittlung eines Messwerts anhand einer fotometrischen Messung der vorbehandelten Probe umfasst, eine verhältnismäßig lange Zeitspanne benötigt, die, abhängig von der zu bestimmenden Analyse-Messgröße, zwischen 5 und 120 Minuten dauern kann. Zur Überwachung und/oder Kontrolle bzw. Regelung sehr dynamischer Prozesse sind derartige Analyse-Messgeräte daher nur mit Einschränkungen einsetzbar.
  • Andererseits sind zur Bestimmung der Konzentration von Wasserinhaltsstoffen auch sogenannte Inline-Messgeräte, insbesondere elektrochemische Sensoren wie potentiometrische ionenselektive Elektrode (ISEs) oder amperometrische Sensoren bekannt, die in nahezu Echtzeit auf Schwankungen der Messgröße reagieren. Ein Inline-Messgerät ist unmittelbar in ein Prozessbehältnis, in dem der zu überwachende Prozess durchgeführt wird, bzw. das ein in dem Prozess zur Verwendung kommendes Prozessmedium enthält, integriert und erfasst die Messgröße direkt in dem zu überwachenden Prozessmedium. Bei Inline-Messgeräten entfällt daher die Entnahme und Vorbehandlung einer Probe aus dem Prozess. Jedoch umfassen Inline-Messgeräte häufig einen amperometrischen, potentiometrischen, fotometrischen oder spektrometrischen Messaufnehmer, welcher eine nicht vernachlässigbare Querempfindlichkeit auf andere Parameter bzw. Messgrößen, insbesondere auf Änderungen der Wassermatrix, aufweist. Messwerte die mit solchen Messgeräten ermittelt werden, sind daher in der Regel mit einem höheren Messfehler behaftet als die von einem Analysegerät ermittelten Messwerte. Auch tritt bei einigen ionenselektive Elektroden eine altersbedingte Drift auf, die durch regelmäßige Kalibrierung bzw. Justierung der ionenselektiven Elektroden in einem gewissen Maße kompensiert werden kann.
  • Eine ganz ähnliche Problematik besteht auch im Bereich biologischer oder biotechnologischer Produktionsprozesse, in denen Mikroorganismen oder deren Bestandteile eingesetzt werden. In solchen Prozessen ist es wichtig, für die Prozessregelung relevante Messgrößen, sog. Prozessregelparameter und/oder produktqualitätsrelevante Parameter bzw. Messgrößen zeitnah zum Prozess mit geeigneter Prozessmesstechnik zu bestimmen, um eine hohe Produktivität durch Ausbeuteerhöhung bei minimierten Laufzeiten der Herstellung erzielen zu können.
  • Ein bekanntes Systemkonzept derartiger Prozessmesstechnik für biotechnologische Anwendungen basiert auf der Verwendung spektroskopischer Inline-Messgeräte. Dabei wird in den Prozess ein als Inline-Sonde ausgestalteter Messaufnehmer über einen geeigneten, in der Wandung eines Prozessbehältnis angeordneten Port, z. B. einen Standard-Ingold-Port, eingebracht. Die Inline-Sonde steht somit mit dem Prozess in direktem Kontakt. Die im Prozess befindlichen Systemkomponenten der Sonde müssen daher sterilisierbar sein, d. h. sie sollten vorteilhafterweise gegenüber CIP bzw. SIP-Prozessen (die Abkürzung CIP steht für „cleaning in process”, SIP steht für „sterilization in process”) und Autoklavierung stabil sein. Ein spektroskopischer Messaufnehmer umfasst eine Strahlungsquelle, welche elektromagnetische Messtrahlung emittiert, die mit dem Prozessmedium, wechselwirkt und anschließend wieder mittels eines Strahlungsdetektors des Messaufnehmers geeignet aufgenommen wird. Die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor können innerhalb des Gehäuses der Inline-Sonde oder innerhalb einer vom Prozess bzw. dem Gehäuse der Sonde beabstandeten Einheit, als Spektrometer bezeichnet, befinden. Im letzteren Fall wird die von der Strahlungsquelle kommende Messstrahlung über optische Fasern vom Spektrometer zum Sondengehäuse geleitet und vom Detektor zu erfassende Strahlung ebenfalls über optische Fasern vom Sondengehäuse zurück zum Spektrometer geleitet. Je nach Wellenlängenbereich bzw. Wellenzahl der Messstrahlung und der Art der Detektion bzw. Aufnahme (Transmission, Reflexion, Streuung) kann zwischen UV/Vis-, MIR-, NIR-, und Raman-Spektroskopie unterschieden werden.
  • Die Erfassung von Messwerten mittels eines spektroskopischen Inline-Messgeräts kann mit einem schnellen Messtakt und kurzer Verzögerung zwischen Messung und Ergebnis erfolgen, die vernachlässigbar gering gegenüber Prozessveränderungen ist. Dies führt dazu, dass der Prozess nahezu in Echtzeit überwacht werden kann, so dass die von dem Inline-Messgerät zur Verfügung gestellten Messwerte auch zur Steuerung bzw. Regelung des Prozesses dienen können.
  • Die mit solchen spektrometrischen Inline-Messgeräten erhaltenen Messergebnisse stellen jedoch lediglich eine Vorhersage dar, welche auf Basis eines chemometrischen Modells aus den spektroskopischen Daten berechnet werden. Das chemometrische Modell wird in der Regel aus bei der Entwicklung des Prozesses oder aus in der Vergangenheit bei der Durchführung des Prozesses ermittelten Daten entwickelt. Hierzu ist es erforderlich, die spektroskopischen Daten mit Analysewerten einer Referenzanalytik zu korrelieren, welche zumeist nicht prozessangebunden und automatisiert erfolgt. Für die Messgrößen Glucosegehalt, Glutamingehalt, Glutamatgehalt, Lactatgehalt, Ammonium gehalt, Osmolalität, viable und totale Zelldichte sind quantitative Bestimmungen mittels Inline-Spektroskopie und anschließender chemometrischer Auswertung bekannt. Derartige kommerziell erhältliche Systeme werden beispielsweise von Kaiser Optical Systems Inc. unter dem Produktnamen RAMANRXN2 1000 oder der Bayer Technology Services GmbH unter dem Produktnamen SpectroBAY angeboten.
  • Neben dem dargelegten Nachteil einer aufwändigen Datengenerierung bzw. -auswertung und langwierigen Korrelationsanalysen ist die Adaptierbarkeit dieses Systemkonzepts auf prozessspezifische prozesskritische oder qualitätsrelevante Messgrößen stark begrenzt. Auch sind Nachweisgrenzen und Genauigkeiten der aus spektrometrischen Daten ermittelbaren Messgrößen zum Teil unzureichend. Häufig gehen diese mit einer niedrigen Messgenauigkeit vor allem bei geringer Konzentration und/oder hohen Konzentrationen an Störsubstanzen, d. h. einer nicht vernachlässigbaren Querempfindlichkeit des Inline-Messaufnehmers, einher. Dies ist beispielsweise für die genaue Nährstoffbestimmung (z. B. Glucose) mit hinreichend niedriger Nachweisgrenze für das Vermeiden von Stressbedingungen von großer Bedeutung. Stressbedingungen können zu einem verminderten Mikroorganismenwachstum, verminderter Produktexpression, unerwünschter Byproduktexpression und/oder zur Reduktion der Produktqualität führen. Für die Prozesskontrolle von Bioprozessen ist es daher bedeutsam, solche Stressbedingungen frühzeitig zu erkennen und zu ihrer Vermeidung oder Beseitigung steuernd in den Prozess einzugreifen.
  • Zur Bestimmung der oben genannten Prozessregelparameter und/oder der genannten produktqualitätsrelevanten Messgrößen sind als Alternative zu Inline-Messgeräten auch automatische Analysegeräte geeignet, die einen oder mehrere derartige Messgrößen unter Anwendung analytischer Verfahren ermitteln. Wie die weiter oben zur Bestimmung von Wasser-Inhaltsstoffen geeigneten Analysegeräte umfassen die zur Überwachung von Bioprozessen geeigneten automatischen Analysegeräte Mittel zur Probennahme aus dem Prozess, Mittel zur Vorbehandlung der zu analysierenden Probe, beispielsweise durch Zugabe von Reagenzien, die zu einer mit optischen oder elektrochemischen Sensoren erfassbaren Veränderung der Probe führt. Diese Veränderung kann, wie oben bereits erwähnt, beispielsweise eine Färbung oder die Emission von Lumineszenzstrahlung sein. Derartige Analysegeräte sind beispielsweise aus DE 10 2011 005 957 A1 und DE 10 2014 102 600 A1 bekannt. Diese Geräte ermöglichen eine vollautomatische Bestimmung von Messwerten relevanter Messgrößen. Dabei ist die Datenanalyse der Messdaten und die Berechnung der aktuellen Messwerte sehr viel weniger aufwändig als die Erstellung und Anwendung chemometrischer Modelle, wie sie bei spektrometrischen Inline-Messgeräten zur Anwendung kommen. Es können außerdem im Vergleich zu den oben genannten Inline-Messmethoden deutlich niedrigere Nachweis-/Bestimmungsgrenzen mit hoher Genauigkeit selektiv, also auch bei Vorhandensein von Störsubstanzen, erreicht werden.
  • Nachteilig an derartigen Analysemessgeräten ist jedoch die bedingt durch die Probennahme und -vorbehandlung erforderliche lange Messdauer bzw. geringe Messfrequenz.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines Messmediums, insbesondere einer Messflüssigkeit, anzugeben, welches einerseits für die Prozesskontrolle, insbesondere für Regelungsaufgaben, geeignet ist, und welches andererseits eine verbesserte Messgenauigkeit und hinreichend niedrige Nachweisgrenzen zur Verfügung stellt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben
  • Die erfindungsgemäße Messeinrichtung zur Bestimmung mindestens einer Messgröße eines Messmediums, insbesondere einer Messflüssigkeit, umfasst:
    • – ein erstes Messgerät, welches einen mit dem Messmedium zur Erfassung von Messwerten der mindestens einen Messgröße in Kontakt stehenden ersten Messaufnehmer aufweist, und welches dazu ausgestaltet ist, mittels des ersten Messaufnehmers einen von der mindestens einen Messgröße des in dem Prozessbehältnis enthaltenen Messmediums abhängigen ersten Messwert zu ermitteln;
    • – eine Probennahmevorrichtung, welche dazu ausgestaltet ist, dem Messmedium eine Probe zu entnehmen;
    • – ein zweites Messgerät, welches mindestens einen zweiten Messaufnehmer umfasst, und das dazu ausgestaltet ist, mittels des zweiten Messaufnehmers einen von der mindestens einen Messgröße der dem Messmedium entnommenen Probe abhängigen zweiten Messwert zu ermitteln; und
    • – eine elektronische Kontrolleinrichtung, welche dazu ausgestaltet ist, den ersten und den zweiten Messwert zu empfangen und zu verarbeiten und anhand des zweiten Messwerts eine Verifizierung, Kalibrierung und/oder Justierung des ersten Messgeräts durchzuführen.
  • Das Messmedium kann beispielsweise eine Messflüssigkeit sein. Die Messflüssigkeit kann z. B. eine reine Flüssigkeit oder eine Lösung, ein Flüssigkeitsgemisch, eine Emulsion oder eine Suspension sein.
  • In einer Ausgestaltung kann das Messmedium in einem Prozessbehältnis enthalten sein, wobei die Probennahmevorrichtung dazu ausgestaltet ist, die dem Messmedium entnommene Probe aus dem Prozessbehältnis zu entnehmen, und
    wobei das zweite Messgerät außerhalb des Prozessbehältnis angeordnet ist und dazu ausgestaltet ist, den zweiten Messwert der mindestens einen Messgröße der aus dem Prozessbehältnis entnommenen Probe zu ermitteln.
  • Alternativ kann das Messmedium als Messflüssigkeit in einem offenen Gewässer vorliegen. In diesem Fall ist die Probennahmevorrichtung dazu ausgestaltet, dem Gewässer eine Probe zu entnehmen und das zweite Messgerät ist außerhalb des Gewässers angeordnet und dazu ausgestaltet, den zweiten Messwert der mindestens einen Messgröße der aus dem Gewässer entnommenen Probe zu ermitteln.
  • Bei der mindestens einen Messgröße handelt es sich vorzugsweise um eine Analyse-Messgröße, beispielsweise um eine Konzentration oder Aktivität eines Analyten in dem Messmedium oder um eine von der Konzentration oder Aktivität eines oder mehrerer Analyte in dem Messmedium abhängige Messgröße.
  • Der mit dem in einem Prozessbehältnis enthaltenen Messmedium in Kontakt stehende Messaufnehmer des ersten Messgeräts, kann als Inline-Messaufnehmer in das Prozessbehältnis, z. B. in einer Wandung des Prozessbehältnis, integriert sein. Der erste Messaufnehmer kann beispielsweise ein optischer, insbesondere fotometrischer oder spektrometrischer, oder ein elektrochemischer Inline-Messaufnehmer, beispielsweise eine ionenselektive Elektrode, ein potentiometrischer pH-Sensor, oder ein Leitfähigkeitssensor, sein. Der erste Messaufnehmer kann mit dem Messmedium dadurch in Kontakt stehen, dass der Messaufnehmer, insbesondere ein Sensorelement wie z. B. eine analyt-sensitive Membran, oder ein Fenster bzw. optisches Element über das Messstrahlung in das Messmedium eingekoppelt oder aus diesem ausgekoppelt wird, das Messmedium unmittelbar berührt, z. B. in dieses eingetaucht wird. Falls es sich bei dem ersten Messaufnehmer um einen nach einem optischen Prinzip arbeitenden Messaufnehmer handelt, kann dieser auch dadurch mit dem Messmedium in Kontakt stehen, dass von dem Messmedium emittierte, durch das Messmedium transmittierte oder im Messmedium gestreute Strahlung auf einen Detektor des Messaufnehmers geführt wird, beispielsweise indem eine Strahlungsquelle des Messaufnehmers angeregt wird, Strahlung auf einem zwischen der Strahlungsquelle und einem Strahlungsdetektor des Messaufnehmers durch das Messmedium verlaufenden Strahlungspfad auszusenden.
  • Der erste Messaufnehmer weist die eingangs genannten Vorteile eines Inline-Messgeräts auf. So kann er beispielsweise mit einem schnellen Messtakt aktuelle Messwerte der zu überwachenden Messgröße zur Verfügung stellen, die für eine Steuerung und/oder Regelung des in dem Prozessbehältnis durchgeführten Prozesses oder eines in einer das Prozessbehältnis umfassenden Prozessanlage dienen können.
  • Das zweite Messgerät kann ein außerhalb des Prozessbehältnis angeordnetes Analysegerät sein, das mit der Probennahmevorrichtung zur Zuführung einer von der Probennahmevorrichtung aus dem Prozessbehältnis entnommenen Probe des Messmediums zum zweiten Messgerät verbunden ist. Vorzugsweise ist das zweite Messgerät, als sog. Nearline-Messgerät, in der Nähe der Messstelle, an der das erste Messgerät installiert ist, angeordnet, wobei die Probennahmevorrichtung dazu ausgestaltet ist, eine Probe des Messmediums im Bereich des Installationsorts des ersten Messgeräts aus dem Probenbehältnis zu entnehmen und über eine Flüssigkeitsleitung, die die Probennahmevorrichtung mit dem Analysegerät verbindet, dem Analysegerät die Probe zuzuführen. Die mittels der Probennahmevorrichtung aus dem Prozessbehältnis entnommene Probe kann auch zunächst mittels der Probennahmevorrichtung in ein Probengefäß gefüllt werden. Dieses kann transportabel ausgestaltet sein, so dass die Probe auch über eine weitere Strecke von dem Prozessbehälter zum zweiten Messgerät transportiert werden kann. Das zweite Messgerät kann dazu ausgestaltet sein, mindestens einen Teil der Probe, insbesondere automatisch, aus dem Probengefäß zu entnehmen. Hierzu kann es eine mit dem Probengefäß lösbar verbindbare Fluidleitung und eine mit der Fluidleitung zum Transport der Probe aus dem Probengefäß durch die Fluidleitung zusammenwirkende Pumpe umfassen.
  • Da das zweite Messgerät nicht als Inline-Messgerät ausgestaltet ist, besteht die Möglichkeit, die Probe außerhalb des Prozessbehältnis einem bezüglich der zu messenden Messgröße selektiven, d. h. nicht oder nur in geringem Maße durch Querempfindlichkeiten gestörten, analytischen Verfahren zu unterziehen, das genauere Messergebnisse und/oder eine niedrigere Nachweisgrenze der Messgröße zur Verfügung stellt als das erste Messgerät.
  • Unter einem analytischen Verfahren ist beispielsweise ein Verfahren zu verstehen, bei dem die Messgröße eine Analyse-Messgröße, also beispielsweise eine Konzentration eines Analyten in dem Messmedium oder eine mit der Konzentration eines oder mehrerer Analyte in dem Messmedium korrelierende Größe ist, und bei dem die Probe zunächst vorbehandelt wird, zum Beispiel durch Zugabe eines oder mehrerer Reagenzien und/oder durch einen oxidativen Aufschluss und/oder durch thermische Zersetzung in einem Gasstrom, so dass ein chemisches Reaktionsprodukt gebildet wird, dessen Konzentration oder eine davon abhängige Größe mittels eines optischen oder chemischen, beispielsweise elektrochemischen, Messprinzips quantitativ ermittelt wird. Aus der ermittelten Konzentration des Reaktionsprodukts oder der davon abhängigen Größe kann die zu überwachende Analyse-Messgröße berechnet werden. Das durch die Vorbehandlung gebildete Reaktionsprodukt kann beispielsweise ein charakteristisches Absorptions- oder Fluoreszenzspektrum, beispielsweise eine Färbung, aufweisen oder Lumineszenzstrahlung emittieren oder Strahlung charakteristisch reflektieren oder streuen. In diesem Fall ist die Konzentration des Reaktionsprodukts durch eine Absorptionsmessung photometrisch oder spektrometrisch bzw. durch Messung der Intensität der Lumineszenzstrahlung, reflektierter oder gestreuter Strahlung bestimmbar. Die Konzentration des Reaktionsprodukts kann auch durch eine Titration oder mittels eines elektrochemischen Messaufnehmers bestimmt werden.
  • Durch die regelmäßige Verifizierung, Kalibrierung und/oder Justierung des ersten Messgeräts anhand der von dem zweiten Messgerät gelieferten Messwerte hoher Selektivität bzw. Messgenauigkeit, kann somit eine wesentliche Verbesserung der Messwertgüte, insbesondere eine Verringerung der Messunsicherheit der von dem ersten Messgerät mit einem schnellen Messtakt gelieferten, einer Steuerung und/oder Regelung des Prozesses in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit zur Verfügung stehenden Messwerte erzielt werden.
  • In einer alternativen Ausgestaltung kann der zweite Messaufnehmer identisch ausgestaltet sein wie der erste Messaufnehmer. Da er außerhalb des Prozessbehältnis angeordnet ist, kann er regelmäßig ohne größeren Aufwand kalibriert, verifiziert oder justiert werden. Auf diese Weise ist es möglich zu gewährleisten, dass die vom zweiten Messaufnehmer zur Verfügung gestellten zweiten Messwerte eine höhere Messgüte aufweisen als die vom ersten Messaufnehmer gelieferten ersten Messwerte. Entsprechend kann der zweite Messwert zur Kalibrierung, Verifizierung oder Justierung des ersten Messgeräts herangezogen werden.
  • Das erste und/oder das zweite Messgerät können dazu ausgestaltet sein, Werte mehrerer Messgrößen zu erfassen. So können z. B. anhand eines von einem der Messaufnehmer erfassten Spektrums bzw. spektrometrischer Rohwerte Werte mehrerer verschiedener Analysemessgrößen abgeleitet bzw. vorhergesagt werden. Das erste, als in-line Messgerät ausgestalte Messgerät kann auch durch mehrere in-line Messaufnehmer gebildet sein, welche jeweils für unterschiedliche Messgröße/n sensitiv sind. Selbstverständlich können auch mehrere, für dieselbe Messgröße sensitive Messaufnehmer vorhanden sein. Diese können zum Beispiel an verschiedenen Stellen des Prozessbehältnisses angeordnet und/oder verschiedenartig sein, d. h. auf unterschiedlichen Messprinzipien basieren. Bei den Messgrößen kann es sich um Analysemessgrößen und/oder um weitere Messgrößen handeln. Beispiele für weitere Messgrößen sind: Temperatur des Messmediums, sowie Druck, Füllstand und Durchfluss des Messmediums in dem Prozessbehältnis.
  • Das zweite Messgerät kann dazu ausgestaltet sein, Messwerte mit einem langsameren Messtakt zu ermitteln und auszugeben als das erste Messgerät.
  • Das Prozessbehältnis kann beispielsweise ein Becken, ein Fermenter oder eine Rohrleitung bzw. ein Rohrsystem in einer Prozessanlage sein.
  • Das zweite Messgerät kann ein automatisches Analysegerät sein, welches dazu ausgestaltet ist, einen Messwert der Messgröße in einer aus dem Prozessbehältnis entnommene Probe nach einem analytischen Verfahren zu ermitteln. Insbesondere kann es dazu ausgestaltet sein, die aus dem Prozessbehältnis entnommene Probe vorzubehandeln, wobei der zweite Messaufnehmer dazu ausgestaltet ist, einen Messwert einer von der zu bestimmenden oder zu überwachenden Messgröße abhängigen weiteren Messgröße der vorbehandelten Probe zu erfassen. Durch die Vorbehandlung der Probe in einem analytischen Verfahren kann, wie beschrieben, ein chemisches Reaktionsprodukt gebildet werden. In diesem Fall ist die weitere Messgröße, deren Messwerte mittels des zweiten Messaufnehmers erfasst werden, die Konzentration des chemischen Reaktionsprodukts oder eine davon abhängige Größe. Das zweite Messgerät ist in dieser Ausgestaltung dazu eingerichtet, aus den Messwerten der weiteren Messgröße auf die zu überwachende Messgröße des Messmediums rückzuschließen.
  • Der zweite Messaufnehmer kann ein optischer, insbesondere spektrometrischer oder photometrischer, oder ein elektrochemischer Messaufnehmer sein. Zur Ermittlung des zweiten Messwerts der Messgröße kann das zweite Messgerät dazu ausgestaltet sein, den zweiten Messaufnehmer mit der aus dem Prozessbehältnis entnommenen und gegebenenfalls vorbehandelten Probe in Kontakt zu bringen. Dies kann erfolgen, indem der Messaufnehmer das Messmedium berührt, z. B. in dieses eingetaucht wird.
  • Ist der zweite Messaufnehmer als optischer Messaufnehmer ausgestaltet, kann er beispielsweise einen Strahlungsdetektor umfassen, der dazu ausgestaltet ist, durch eine infolge der Vorbehandlung der Probe von dem Analyten oder einem Reaktionsprodukt einer chemischen Reaktion des Analyten mit einem oder mehreren Reagenzien emittierte Lumineszenzstrahlung zu erfassen. Zusätzlich zu dem Strahlungsdetektor kann der zweite Messaufnehmer auch eine Strahlungsquelle umfassen, welche Messstrahlung emittiert, die nach Wechselwirkung mit der vorbehandelten Probe von dem Strahlungsdetektor des zweiten Messaufnehmers erfasst wird. Der Strahlungsdetektor ist dazu ausgestaltet einen oder mehrere von der Intensität einer von der vorbehandelten Probe emittierten Lumineszenzstrahlung oder einer durch die vorbehandelte Probe transmittierten Messstrahlung abgeleiteten Rohwerte zu ermitteln. Diese Ausgestaltung erlaubt auch, je nachdem wie breitbandig die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung ist, die Erfassung eines Spektrums oder von Absorptionswerten einzelner Wellenlängen.
  • Handelt es sich beim zweiten Messaufnehmer um einen optischen Messaufnehmer der voranstehend beschriebenen Art, kann das zweite Messgerät zum Inkontaktbringen des zweiten Messaufnehmers mit der vorbehandelten Probe eine Messzelle umfassen, welche eine mindestens teilweise für von der Probe emittierte Lumineszenzstrahlung, in der Probe gestreute oder reflektierte Messstrahlung oder von der Strahlungsquelle in die vorbehandelte Probe eingestrahlte Messstrahlung transparente Wandung aufweist. Die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor können dabei in der Weise angeordnet sein, dass von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung die in der Messzelle enthaltene, vorbehandelte Probe durchläuft und nach Durchlaufen und Wechselwirken mit der Probe auf den Strahlungsdetektor trifft. Alternativ kann der zweite Messaufnehmer auch ein in die Messzelle integriertes Sondengehäuse aufweisen, das eine für die Messstrahlung transparente Wandung oder eine, ggfs. dicht durch ein transparentes Fenster oder ein optisches Element abgeschlossene, Öffnung aufweist, durch die Strahlung in die Messzelle eingekoppelt oder aus der Messzelle ausgekoppelt werden kann.
  • Das zweite Messgerät kann dazu ausgestaltet sein, weitere Messgrößen zu erfassen. Zur Erfassung der weiteren Messgröße kann der zweite Messaufnehmer und/oder weitere Messaufnehmer des zweiten Messgeräts dienen. Das zweite Messgerät kann somit neben Messwerten der von dem ersten Messgerät, dem Inline-Messgerät, überwachten Messgröße auch Messwerte weiterer Messgrößen zur Verfügung stellen. Somit ist eine verbesserte Überwachung des Prozesses möglich.
  • Das zweite Messgerät kann ein oder mehrere Flüssigkeitsbehälter umfassen, welche ein Reagenz oder mehrere Reagenzien enthalten, die der Vorbehandlung der Probe dienen. Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Messgerät einen Aufschlussreaktor umfassen, in dem die Probe unter Zugabe eines oder mehrerer Reagenzien und/oder eines Gasstroms einem chemischen oder thermischen Aufschluss unterzogen werden kann. Das zweite Messgerät kann außerdem Flüssigkeitsleitungen und Pumpen umfassen, welche dazu dienen, die Reagenzien aus den Flüssigkeitsbehältern zu entnehmen, mit der Probe zu vermischen und die so vorbehandelte Probe mit dem zweiten Messaufnehmer in Kontakt zu bringen. Zur automatischen Durchführung des analytischen Verfahrens und zur Ermittlung des zweiten Messwerts kann das zweite Messgerät eine elektronische Steuerungseinrichtung umfassen.
  • Die Probennahmevorrichtung kann in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein, beispielsweise wie in DE 20 2012 104 908 U1 oder DE 10 2014 10 26 009 A1 beschrieben.
  • Die Kontrolleinrichtung kann eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung mit einem oder mehreren Prozessoren und einem oder mehreren Speichern sein. Sie kann mehrere Schnittstellen aufweisen, über die sie mit dem ersten und dem zweiten Messgerät sowie gegebenenfalls vorhandenen weiteren Messgeräten und/oder gegebenenfalls vorhandenen Aktoren (beispielweise eines oder mehrere Ventile, mit dem bzw. mit denen die Probennahme gesteuert wird) zur, insbesondere bidirektionalen, Kommunikation verbindbar ist. In einem oder mehreren Speichern der Kontrolleinrichtung können Computerprogramme abgelegt sein, die der Verarbeitung der von dem ersten und zweiten Messgerät und der automatischen Verifizierung und/oder Kalibrierung und/oder Justierung des ersten Messgeräts anhand der Messwerte des zweiten Messgeräts dienen, und die von einem Prozessor der Kontrolleinrichtung ausführbar sind. Die Kontrolleinrichtung kann beispielsweise durch einen herkömmlicher Computer, ein mobiles Gerät wie ein Laptop, ein Tablet oder ein Smartphone, einen Messumformer, oder eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gebildet sein.
  • Wie weiter oben erwähnt, kann der erste Messaufnehmer des ersten, als Inline-Messgerät ausgestalteten Messgeräts, als optischer Messaufnehmer ausgestaltet sein. In einer vorteilhaften Ausgestaltung für die Anwendung in biologischen oder biochemischen Prozessen kann als erster Messaufnehmer beispielsweise eine spektrometrische Sonde dienen, welche über ein Sondengehäuse verfügt, das in dem Prozessbehältnis, beispielsweise mittels einer Armatur oder eines Ports in der Wandung des Prozessbehältnis, integriert ist. In dem Gehäuse können eine Strahlungsquelle, welche Messstrahlung einer vorgegebenen Wellenlänge oder eines vorgegebenen Wellenlängenbereiches emittiert und in das in dem Prozessbehältnis enthaltene Messmedium einstrahlt, und ein Strahlungsdetektor, welcher dazu ausgestaltet ist, die Messstrahlung nach Wechselwirkung mit dem im Prozessbehälter enthaltenen Messmedium zu erfassen und ein von einer Intensität der vom Strahlungsdetektor erfassten Messstrahlung abhängiges elektrisches Signal zu generieren, integriert sein. Die Strahlungsquelle und der Detektor können auch außerhalb des Sondengehäuses, insbesondere in einem von dem Sondengehäuse entfernt angeordneten weiteren Gehäuse, angeordnet sein. In diesem Fall sind die Strahlungsquelle und der Detektor mittels Lichtleitern, insbesondere Fasern, mit dem Sondengehäuse verbunden. Das Sondengehäuse kann eine Öffnung oder ein für Strahlung der verwendeten Messstrahlung transparentes Fenster und/oder ein sonstiges optisches Element zur Einkopplung von Messstrahlung in das Messmedium bzw. eine entsprechende Öffnung, Fenster oder ein optisches Element zur Auskopplung der Messstrahlung aus dem Messmedium aufweisen.
  • In einer anderen Ausgestaltung, in der der erste Messaufnehmer ein elektrochemischer Messaufnehmer ist, kann dieser beispielsweise ein potentiometrischer Sensor, insbesondere umfassend eine ionenselektive Elektrode oder eine pH-Glaselektrode, einen ISFET, einen ChemFET, oder ein amperometrischer Sensor, z. B. eine Sauerstoff-Clark-Elektrode, oder ein Leitfähigkeitssensor sein.
  • Das erste Messgerät kann neben dem ersten Messaufnehmer eine Messelektronik umfassen, welche dazu ausgestaltet ist, von dem Messaufnehmer bereitgestellte, von der Messgröße abhängige Rohwerte zu erfassen und aus diesen, anhand eines in der ersten Messelektronik hinterlegten Modells, den ersten Messwert zu bestimmen. Das hinterlegte Modell kann eine Kalibrierfunktion, insbesondere eine Kalibriergerade, sein, die jeweils einem Rohwert als Funktionswert einen Messwert zuordnet. Das hinterlegte Modell kann auch ein, insbesondere multivariates, chemometrisches Modell sein, welches Rohwerten, beispielsweise einem mittels des ersten Messaufnehmers erfassten optischen Spektrums des Messmediums oder aus dem Spektrum abgeleiteten oder das Spektrum repräsentierenden spektrometrischen Werten, einen Messwert der Messgröße zuordnet. Beispielsweise kann mittels des chemometrischen Modells ein Vorhersagewert der Messgröße als Messwert ermittelt werden.
  • Das zweite Messgerät kann neben dem zweiten Messaufnehmer eine Messelektronik umfassen, welche dazu ausgestaltet ist, von dem zweiten Messaufnehmer bereitgestellte, von der Messgröße abhängige Rohwerte zu erfassen und aus diesen, anhand eines in der zweiten Messelektronik hinterlegten Modells, den zweiten Messwert zu bestimmen. Das hinterlegte Modell kann eine Kalibrierfunktion, insbesondere eine Kalibriergerade sein, die jeweils einem Rohwert als Funktionswert einen zweiten Messwert zuordnet.
  • Die Kontrolleinrichtung kann mindestens Teile der ersten und/oder der zweiten Messelektronik mitumfassen. Beispielsweise können in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erste und der zweite Messaufnehmer mit einem Mehrkanaltransmitter verbunden sein, der die von beiden Messaufnehmern aufgenommenen Rohwerte oder daraus abgeleitete, insbesondere digitalisierte, Werte empfängt und verarbeitet und daraus den ersten und den zweiten Messwert ermittelt.
  • Die Kontrolleinrichtung kann außerdem dazu ausgestaltet sein, das erste Messgerät, das zweite Messgerät und/oder die Probennahmevorrichtung zu steuern.
  • In einer anderen Ausgestaltung können die Kontrolleinrichtung und die erste Messelektronik zusammen in einer elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung, z. B. einem Computer oder einem Mehrkanaltransmitter oder in einer SPS integriert sein. Über eine Schnittstelle kann die Kontrolleinrichtung bzw. die elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, in die die Kontrolleinrichtung integriert ist, mit der zweiten Messelektronik verbunden sein.
  • Die Kontrolleinrichtung kann dazu ausgestaltet sein, in regelmäßigen Abständen automatisch eine Kalibrierung, Verifizierung oder Justierung des ersten Messgeräts durchzuführen. Beispielsweise kann die Kontrolleinrichtung dazu ausgestaltet sein, bei Erfassung jedes Messwerts durch das zweite Messgerät eine Verifizierung und/oder Kalibrierung und/oder Justierung durchzuführen. Alternativ kann eine Verifizierung, Kalibrierung oder Justierung in längeren Zeitabständen, beispielsweise jeden Tag oder jede Woche, durchgeführt werden.
  • Unter dem Kalibrieren versteht man dabei üblicherweise das Feststellen einer Abweichung des von dem ersten Messgerät gemessenen ersten Messwerts von dem als korrekt angenommenen, von dem zweiten Messgerät zur Verfügung gestellten zweiten Messwert. Das Verifizieren umfasst zusätzlich das Ermitteln der Abweichung und deren Einschätzung bzw. Bewertung. Unter dem Justieren versteht man das Anpassen des ersten Messgeräts in der Weise, dass ein Modell anhand dessen das erste Messgerät aus einem von dem ersten Messaufnehmer gelieferten Rohwert einen Messwert ermittelt, derart angepasst wird, dass der mit dem von dem zweiten Messgerät zur Verfügung gestellten, als Referenzwert dienenden zweiten Messwert übereinstimmt.
  • Die Kontrolleinrichtung kann beispielsweise dazu ausgestaltet sein, eine Justierung in der Weise durchzuführen, dass ein in dem ersten Messgerät und/oder in der Kontrolleinrichtung hinterlegtes Modell, das dazu dient, den von dem ersten Messaufnehmer gelieferten Rohwerten einen als erster Messwert dienenden Messwert der Messgröße zuzuordnen, in der Weise angepasst wird, dass sich unter Verwendung des angepassten Modells aus den mittels des ersten Messaufnehmers erfassten Rohwerten ein dem mittels des zweiten Messgeräts bestimmten, zur Justierung verwendeten zweiten Messwert der Messgröße entsprechender, insbesondere diesem angenäherter oder mit diesem identischer, Wert als erster Messwert der Messgröße ergibt.
  • In einer vorteilhaften, speziellen Ausgestaltung kann der Messaufnehmer des ersten Messgeräts dazu ausgestaltet sein, ein Spektrum, insbesondere ein Lumineszenz- oder ein Absorptionsspektrum, des Messmediums in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich zu erfassen, wobei das erste Messgerät den ersten Messwert anhand des erfassten Spektrums mittels eines chemometrischen Modells ermittelt, insbesondere vorhergesagt. In dieser Ausgestaltung kann die Kontrolleinrichtung dazu ausgestaltet sein, zum Zwecke der Justierung des ersten Messgeräts das chemometrische Modell anhand des als Referenzwert dienenden zweiten Messwerts anzupassen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung kann die Kontrolleinrichtung auch dazu ausgestaltet sein, anhand von mittels des ersten Messgeräts erfassten Messdaten und mittels des zweiten Messgeräts bestimmten Messwerten einer oder mehrerer verschiedener Messgrößen ein chemometrisches Modell für die Überwachung eines speziellen Prozesses zu erstellen. Auf diese Weise kann bereits die Erstellung des voranstehend erwähnten chemometrischen Modells, das für die Prozessüberwachung und -steuerung anhand der von dem ersten Messgerät erfassten spektralen Daten verwendet wird, automatisiert von der Kontrolleinrichtung durchgeführt werden.
  • Zur Modellerstellung kann die Kontrolleinrichtung anhand der von dem ersten und dem zweiten Messgerät zur Verfügung gestellten Messdaten, insbesondere während der ersten Prozessläufe, eine Korrelationsanalyse durchführen. Anhand dieser Analyse kann die Kontrolleinrichtung ermitteln, welche Messgrößen bei der Prozessüberwachung und Regelung eine wesentliche Rolle spielen, insbesondere kann sie die mindestens erste Messgröße und gegebenenfalls weitere Messgrößen bestimmen, die anhand der von dem ersten Messgeräts ermittelten spektralen Daten überwacht werden sollen, sowie das chemometrische Modell erstellen, das zur Vorhersage von Messwerten dieser zu überwachenden Messgröße aus den spektralen Daten des ersten Messgeräts dient.
  • Der Messaufehmer des ersten Messgeräts kann in einer anderen vorteilhaften, speziellen Ausgestaltung eine Inline-Sonde zur Erfassung einer Ionenkonzentration oder eines Summenparameters des Messmediums als Messgröße, insbesondere eine SAK-Sonde oder eine ionenselektive Elektrode, sein. In dieser Ausgestaltung kann in der Messelektronik des ersten Messgeräts eine Kalibrierfunktion, beispielsweise eine Kalibriergerade hinterlegt sein, welche dazu dient, einem von dem ersten Messaufnehmer erfassten Rohmesswert als Funktionswert einen Messwert der Messgröße, in dieser Ausgestaltung also einen Messwert der Ionenkonzentration oder des Summenparameters, zuzuordnen. In dieser Ausgestaltung kann die Kontrolleinrichtung dazu eingerichtet sein, zum Zweck der Justierung des ersten Messgeräts die Kalibrierfunktion, insbesondere einen Nullpunkt und/oder eine Steigung der Kalibriergerade, anhand des als Referenzwert dienenden zweiten Messwerts anzupassen.
  • Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines Messmediums, insbesondere einer Messflüssigkeit, umfassend:
    • – Erfassen eines von der mindestens einen Messgröße des Messmediums abhängigen ersten Messwerts mittels eines ersten Messgeräts, welches einen mit dem Messmedium zur Erfassung von Messwerten der mindestens einen Messgröße in Kontakt stehenden ersten Messaufnehmer aufweist;
    • – Entnehmen einer Probe des Messmediums mittels einer Probennahmevorrichtung;
    • – Ermitteln eines von der mindestens einen Messgröße der aus dem Prozessbehältnis entnommenen Probe des Messmediums abhängigen zweiten Messwerts mittels eines zweiten Messgeräts, welches einen zweiten Messaufnehmer umfasst; und
    • – Kalibrieren und/oder Verifizieren und/oder Justieren des ersten Messgeräts anhand des zweiten Messwerts mittels einer zum Empfang und zur Verarbeitung des ersten und zweiten Messwerts ausgestalteten elektronischen Kontrolleinrichtung.
  • In einer Ausgestaltung kann das Messmedium, insbesondere die Messflüssigkeit, in einem Prozessbehältnis enthalten sein,
    wobei die Probe mittels der Probennahmevorrichtung aus dem Prozessbehältnis entnommen wird, und wobei das zweite Messgerät außerhalb des Prozessbehältnis angeordnet ist und den zweiten Messwert in der aus dem Prozessbehältnis entnommenen Probe bestimmt. Das Messmedium kann auch als Messflüssigkeit in einem Gewässer enthalten sein. In diesem Fall erfolgt die Probennahme aus dem Gewässer.
  • In einer Ausgestaltung des Verfahrens justiert die Kontrolleinrichtung das erste Messgerät durch
    Anpassen eines in dem ersten Messgerät und/oder in der Kontrolleinrichtung hinterlegten Modells, das dazu dient, von dem ersten Messaufnehmer erfassten Rohwerten einen als erster Messwert dienenden Messwert der mindestens einen Messgröße zuzuordnen in der Weise, dass sich unter Verwendung des angepassten Modells aus den mittels des ersten Messaufnehmers erfassten Rohwerten ein dem mittels des zweiten Messgeräts bestimmten, zur Justierung verwendeten zweiten Messwert der Messgröße entsprechender, insbesondere diesem angenäherter oder mit diesem identischer, Wert als erster Messwert der mindestens einen Messgröße ergibt.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mindestens ein gleichzeitig mit dem Entnehmen einer Probe oder innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters um den Zeitpunkt, zu dem eine Probe des Messmediums aus dem Prozessbehältnis entnommen wird, mittels des ersten Messaufnehmers erfasster erster Messwert und/oder zur Bestimmung dieses ersten Messwerts verwendete Rohwerte mindestens temporär gespeichert. Vorteilhaft wird der Messwert und/oder die Rohwerte zusammen mit einer den Zeitpunkt seiner/ihrer Erfassung repräsentierenden Information, z. B. einem Zeitstempel, abgespeichert. Die Länge des vorgegebenen Zeitfensters ist vorzugsweise so gewählt, dass sichergestellt ist, dass die Zusammensetzung der entnommenen Probe im Wesentlichen mit der Zusammensetzung des Messmediums zum Zeitpunkt der Erfassung des oder des gespeicherten ersten Messwerts bzw. der Rohwerte übereinstimmt. Die Länge des Zeitfensters hängt somit von der Dynamik des Prozesses ab. Selbstverständlich kann auch eine den Zeitpunkt der Probennahme repräsentierende Information abgespeichert werden. Der Zeitpunkt der Probennahme kann gegebenenfalls an der entnommenen Probe angebracht werden. Wird die Probe nach Entnahme aus dem Prozessbehältnis durch die Probennahmevorrichtung in einen, insbesondere transportablen, Probenbehälter gefüllt, wie weiter oben beschrieben, kann der Zeitpunkt der Probennahme an dem Probenbehälter angebracht werden. Möglichkeiten hierfür sind ein an der entnommenen Probe angebrachter RFID Tag und/oder ein optischer Code, beispielsweise ein Barcode oder QR-Code. Der optische Code kann dabei als gedruckter Code ausgestaltet sein, oder auch an einer Anzeigeeinheit wie ein Display, beispielsweise ein LCD-Display, angezeigt werden.
  • Der mindestens eine erste Messwert und/oder die entsprechenden Rohwerte können in einem Speicher des ersten Messgeräts und/oder in einem Speicher der Kontrolleinrichtung gespeichert werden.
  • Zur Verifizierung oder Kalibrierung anhand des zweiten Messwerts verwendet die Kontrolleinrichtung vorteilhaft den mindestens einen gespeicherten ersten Messwert, welcher gleichzeitig mit der oder innerhalb des erwähnten Zeitfensters um die Entnahme der Probe, mittels derer der zweite Messwert ermittelt wurde, erfasst wurde. Somit erfolgt die Verifizierung oder Kalibrierung des ersten Messgeräts anhand des zweiten Messwerts unter Berücksichtigung des Zeitpunktes der Erfassung des ersten Messwerts sowie des Zeitpunkts der Probennahme, zum Beispiel indem eine zeitliche Rückrechnung mittels der beiden Zeitstempel durchgeführt wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, falls während der Bestimmung des zweiten Messwertes eine bestimmte Zeitspanne vergeht.
  • Zur Justierung anhand des zweiten Messwerts verwendet die Kontrolleinrichtung vorteilhaft die zur Bestimmung mindestens eines ersten Messwerts verwendeten Rohwerte, welche gleichzeitig mit der oder innerhalb des erwähnten Zeitfensters um die Entnahme der Probe, mittels derer der zweite Messwert ermittelt wurde, erfasst wurden. Somit erfolgt auch die Justierung des ersten Messgeräts anhand des zweiten Messwerts unter Berücksichtigung der Zeitpunkte bzw. einer zeitlichen Rückrechnung.
  • Wie eingangs geschildert weisen die mit dem ersten, in-line Messgerät ermittelten Messwerte gegebenenfalls eine höhere Messfrequenz auf als jene, welche mit dem zweiten Messgerät ermittelt werden. In einer Weiterbildung wird von der Kontrollleinrichtung eine Interpolation mit den mit der geringeren Messfrequenz ermittelten und ausgegebenen Messwerten vorgenommen. Die Stützstellen der Interpolation sind die mit dem zweiten Messgerät ermittelten Messwerte. Die Interpolation kann dabei anhand einer linearen Funktion vorgenommen werden. Selbstverständlich kann die Interpolation auch mittels einer nicht-linearen Funktion vorgenommen werden, wobei die nicht-lineare Funktion die Dynamik der Messgröße in dem jeweiligen Prozess beschreibt. Anhand der Interpolation liegen interpolierte Messwerte des zweiten Messgeräts zu Zeitpunkten vor, an denen mit dem zweiten Messgerät kein Messwert ermittelt wurde. Anhand der Interpolation der zweiten Messwerte kann somit das Kalibrieren und/oder Verifizieren und/oder Justieren des ersten Messgeräts anhand des zweiten Messwerts mit einer Frequenz erfolgen, welche höher als die Messfrequenz des zweiten Messgeräts ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung näher anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine erste Messanordnung mit einem ersten und zweiten Messgerät und einer mit diesen verbundenen Kontrolleinrichtung;
  • 2 eine zweite Messanordnung mit einem ersten Messgerät und einem als Analyse-Messgerät ausgestalteten zweiten Messgerät mit einer in das Analyse-Messgerät integrierten Kontrolleinrichtung; und
  • 3 eine dritte Messanordnung mit einem Inline-Messgerät und einem Analyse-Messgerät und einer in das Inline-Messgerät integrierten Kontrolleinrichtung.
  • In 1 ist schematisch eine Messanordnung 10 dargestellt, welche ein erstes Messgerät 1, ein zweites Messgerät 2 und eine Kontrolleinrichtung 3 umfasst, welche beispielsweise als Mehrkanalmessumformer ausgestaltet sein kann. Das Messgerät 1 ist im vorliegenden Beispiel ein Inline-Messgerät, welches in einen Prozessbehälter integriert ist und dazu dient, eine Messgröße eines in dem Prozessbehälter zur Durchführung eines Prozesses enthaltenen Messmediums zu erfassen. Im vorliegenden Beispiel ist das Messmedium eine Messflüssigkeit. Das erste Messgerät 1 erfasst Messwerte der Messgröße mit einem schnellen Messtakt, beispielsweise von > 60 Messwerten pro Minute, zeigt jedoch eine starke Querempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen, wie Änderungen der Zusammensetzung des Prozessmediums. Das erste Messgerät 1 kann beispielsweise eine Inline-Sonde als Messaufnehmer umfassen. Im vorliegenden Beispiel ist die von der Messanordnung 10 zu überwachende Messgröße eine Ionenkonzentration in der Messflüssigkeit. Der Messaufnehmer des ersten Messgeräts 10 kann hierzu einen eine ionenselektive Elektrode umfassenden potentiometrischen Messaufnehmer und eine mit dem Messaufnehmer verbundene Messelektronik aufweisen, welche dazu ausgestaltet ist, von dem potentiometrischen Messaufnehmer erzeugte Rohwerte erfassen, zu digitalisieren und weiter zu verarbeiten, insbesondere aus den Rohwerten anhand einer in einem Speicher der Messelektronik gespeicherten Kalibrierfunktion, einen Messwert der zu überwachenden Ionenkonzentration zu bestimmen. Bei den Rohwerten eines potentiometrischen Messaufnehmers mit einer ionenselektiven Elektrode handelt es sich beispielsweise um Spannungswerte, denen mittels der Kalibrierfunktion Konzentrationswerte zugeordnet werden.
  • Das erste Messgerät 1 ist über eine Schnittstelle 5, 6 mit der Kontrolleinrichtung 3 verbunden, die dazu ausgestaltet ist, die von dem ersten Messgerät 1 gelieferten Messwerte zu empfangen und gegebenenfalls weiter zu verarbeiten.
  • Das zweite Messgerät 2 weist einen Messaufnehmer auf, der dazu ausgestaltet ist dieselbe Messgröße wie das erste Messgerät 1 oder eine Messgröße, die in die von dem ersten Messgerät ermittelte Messgröße umgerechnet werden kann, zu bestimmen. Im vorliegenden Beispiel ist das zweite Messgerät 2 zur Erfassung der Ionenkonzentration ausgestaltet, die auch mittels des ersten Messgeräts 1 bestimmbar ist. Hierzu wird dem zweiten Messgerät 2 eine aus dem Prozess entnommene Probe der Messflüssigkeit zugeführt. Das zweite Messgerät 2 kann dazu ausgestaltet sein, die Messgröße mittels eines analytischen Verfahrens zu bestimmen, beispielsweise indem es die Probe der Messflüssigkeit automatisiert mit einem oder mehreren Reagenzien vorbehandelt. Im vorliegenden Beispiel wird durch Zugabe eines oder mehrerer Reagenzien eine chemische Reaktion unter Beteiligung des Analyten in der Messflüssigkeit durchgeführt, welche ein farbiges Reaktionsprodukt erzeugt, so dass in Anwesenheit des Analyten, d. h. der Ionen, deren Konzentration zu bestimmen ist, in der Messflüssigkeit eine Färbung entsteht. Das zweite Messgerät 2 umfasst weiter einen fotometrischen Messaufnehmer, welcher die Intensität der Färbung mittels einer Absorptionsmessung erfasst. Das zweite Messgerät 2 umfasst weiter eine mit dem fotometrischen Messaufnehmer verbundene Messelektronik, welche dazu ausgestaltet ist, die von dem fotometrischen Messaufnehmer gelieferten, die Absorption der Probe in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich repräsentierenden Rohwerte weiter zu verarbeiten, insbesondere zu digitalisieren und aus diesen Werten Messwerte der zu überwachenden Messgröße, hier also der Ionenkonzentration, zu bestimmen. Hierzu ist in der Messelektronik eine Kalibriergerade hinterlegt, welche die Rohwerte auf Konzentrationswerte abbildet. Auch das zweite Messgerät 2 ist über eine Schnittstelle 4 mit der Kontrolleinrichtung 3 verbunden. Die Kontrolleinrichtung 3 ist dazu ausgestaltet, die von dem zweiten Messgerät 2 gelieferten Messwerte zu empfangen und gegebenenfalls weiter zu verarbeiten.
  • Ein Messzyklus des zweiten Messgeräts 2 umfasst also die Entnahme der Probe aus dem Prozessbehältnis, die Vorbehandlung der Probe und die Erfassung des Messwerts der Messgröße, sowie gegebenenfalls einen oder mehrere Reinigungs- bzw. Spülzyklen, die der Reinigung der flüssigkeitsberührenden Teile des Messgeräts 2 dienen, um so Querkontaminationen zu verhindern. Die typische Dauer eines solchen Messzyklus beträgt, je nach zu bestimmender Messgröße und dazu verwendetem Analyseverfahren, etwa 5 bis 60 min. Das zweite Messgerät 2 erfasst Messwerte somit mit einer wesentlich geringeren Messfrequenz als das erste Messgerät 1. Andererseits sind die Messwerte des zweiten Messgeräts 2 auch mit einem wesentlich geringeren Messfehler belastet als die Messwerte des ersten Messgeräts 1. Insbesondere weist das analytische Verfahren des zweiten Messgeräts 2 eine deutlich geringere Querempfindlichkeit hinsichtlich Matrixänderungen auf als das erste Messgerät 1, weil die chemischen Prozesse, die die zu erfassende Färbung der Probe bewirken, in der Regel wesentlich selektiver sind als die in einer Membran einer ionenselektiven Elektrode ablaufenden, zur Erzeugung des potentiometrischen Messsignals dienenden Prozesse.
  • Die Kontrolleinrichtung 3 ist im vorliegenden Beispiel als Mehrkanalmessumformer oder als SPS ausgestaltet. Sie ist dazu ausgestaltet, über die Schnittstellen 4 und 5 die von dem ersten und dem zweiten Messgerät 1, 2 erfassten Messwerte zu empfangen und anhand eines Messwerts des zweiten Messgeräts 2 eine Kalibrierung oder Verifizierung oder Justierung des ersten Messgeräts 1 durchzuführen. Die Kontrolleinrichtung 3 umfasst einen Speicher, in dem ein von der Kontrolleinrichtung 3 ausführbares Computerprogramm abgelegt ist, welches der Kalibrierung, Verifizierung und/oder Justierung des ersten Messgeräts 1 dient. Die Kontrolleinrichtung 3 kann auch teilweise als Mehrkanaltransmitter und teilweise als SPS ausgeführt sein, wobei der Mehrkanaltransmitter mit dem ersten und zweiten Messgerät 1, 2 verbunden ist und die Verifizierung, Kalibrierung und/oder Justierung durchführt, wohingegen die SPS zu einer Prozessteuerung und/oder Prozessregelung eingesetzt wird.
  • Die Kalibrierung und/oder Verifizierung des ersten Messgeräts 1 kann dabei auch folgendes umfassen:
    • – Die Erstellung einer Bewertung für die mit dem ersten Messgerät 1 erfassten Messwerte;
    • – Die Erstellung einer Empfehlung für den nächsten Zeitpunkt einer nicht-inline durchzuführenden Verifizierung, Kalibrierung und/oder Justierung des ersten Messgeräts 1. Bei der nicht-inline durchzuführenden Verifizierung, Kalibrierung und/oder Justierung des ersten Messgeräts 1 wird das als in-line Messgerät ausgestaltete erste Messgerät 1 dem Messmedium entnommen; dies wird üblicherweise im Rahmen einer Wartungsmaßnahme oder beim Stillstand der Prozessanlage vorgenommen.
  • Eine Kalibrierung oder Verifizierung führt die Kontrolleinrichtung 3 anhand eines Vergleichs eines oder mehrerer Messwerte des ersten Messgeräts 1 mit einem aktuellen Messwert des zweiten Messgeräts 2 durch. Vorteilhaft ist ein Vergleich eines Messwerts des zweiten Messgeräts 2 mit einem oder mehreren Messwerten des ersten Messgeräts 1, die zum Zeitpunkt der Entnahme der für die Erzeugung des Messwerts des zweiten Messgeräts 2 verwendeten Probe vom ersten Messgerät 1 erfasst wurden. Hierzu speichert die Kontrolleinrichtung 3 mindestens einen zum Zeitpunkt der Probennahme vom ersten Messgerät 1 gelieferten Messwert und vergleicht den mittels des zweiten Messgeräts 2 anhand der entnommenen Probe ermittelten Messwert mit dem gespeicherten Messwert des ersten Messgeräts 1. Die Kontrolleinrichtung 3 ist vorzugsweise dazu ausgestaltet, die Messwerterfassung, Speicherung und den Vergleich der Messwerte automatisch mittels des erwähnten Computerprogramms durchzuführen.
  • Zur Justierung des ersten Messgeräts 1 werden von dem Messaufnehmer des ersten Messgeräts 1 die zum Zeitpunkt einer Probennahme erfassten Rohwerte, welche zur Bestimmung mindestens eines Messwerts des ersten Messgeräts dienen, gespeichert. Die von der Messelektronik des ersten Messgeräts 1 zur Ermittlung von Messwerten aus den Rohwerten verwendete Kalibrierfunktion wird unter Verwendung des anhand der durch dieselbe Probennahme gewonnenen Probe ermittelten Messwerts des zweiten Messgeräts 2 in der Weise angepasst, dass die gespeicherten Rohwerte durch die angepasste Kalibrierfunktion auf einen Messwert abgebildet werden, der dem Messwert des zweiten Messgeräts 2 entspricht, insbesondere gleich ist. Die Kontrolleinrichtung 3 ist vorzugsweise dazu ausgestaltet, die Speicherung der Rohwerte und die Justierung automatisch mittels des erwähnten Computerprogramms durchzuführen. Die Kontrolleinrichtung 3 kann auch dazu ausgestaltet sein, anhand der Messwerte des zweiten Messgeräts 2 Messwerte des ersten Messgeräts 1 zu simulieren, und/oder anhand der Messwerte des ersten Messgeräts 1 Messwerte des zweiten Messgeräts 2 zu simulieren.
  • Die Kalibrierung und Justierung kann von der Kontrolleinrichtung 3 in regelmäßigen Abständen, beispielsweise bei jeder Messung des zweiten Messgeräts 2, durchgeführt werden.
  • 2 zeigt ein zweites Beispiel einer Messeinrichtung 100 mit einem ersten Messgerät und einem zweiten Messgerät. Im vorliegenden Beispiel umfasst das erste Messgerät eine optische SAK-Sonde 7. Die Abkürzung SAK steht für die Messgröße „spektraler Absorptionskoeffizient”, die die Absorption bzw. Extinktion von Strahlung einer oder mehrerer Wellenlängen, insbesondere die Extinktion von Strahlung der Wellenlänge 254 nm bezogen auf 1 m durchstrahlter Flüssigkeit, angibt, und der als Summenparameter ein Maß für die Konzentration organischer Verbindungen in Wasser ist. Die SAK-Sonde 7 ist mithin eine optische Sonde, die zur Messung einer Extinktion eine oder mehrere Strahlungsquellen und einen oder mehrere Strahlungsdetektoren umfasst, welche so in einem Sondengehäuse angeordnet sind, dass von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung aus dem Sondengehäuse in die Messflüssigkeit 12 eingekoppelt wird und nach Wechselwirkung mit der Messflüssigkeit 12 aus dieser ausgekoppelt und auf den im Sondengehäuse angeordneten Strahlungsdetektor geleitet wird. Die SAK-Sonde 7 weist eine relativ starke Querempfindlichkeit gegenüber Änderungen der Zusammensetzung der Wassermatrix auf. Sie liefert SAK-Messwerte mit einer relativ hohen Messfrequenz, im vorliegenden Beispiel 2 Werte pro Sekunde. Der Strahlungsdetektor der SAK-Sonde 7 kann ein oder mehrere Fotodioden umfassen, welche Rohwerte in Form einer Spannung oder einer Stromstärke ausgibt. Die Strahlungsquelle der SAK-Sonde 7 kann beispielsweise eine oder mehrere LEDs umfassen. Die SAK-Sonde 7 umfasst weiter eine Messelektronik, welche dazu ausgestaltet ist, die von dem Strahlungsdetektor zur Verfügung gestellten Rohwerte zu verarbeiten, insbesondere zu digitalisieren und anhand einer in einem Speicher der SAK-Sonde 7 hinterlegten Kalibrierfunktion einen Messwert der SAK-Sonde 7 zu berechnen. Die von der SAK-Sonde 7 ermittelten Messwerte können in Echtzeit einer (nicht in 2 dargestellten) Prozesssteuerung, beispielsweise einer Steuerung in einer Kläranlage, zur Verfügung gestellt werden.
  • Das zweite Messgerät ist im vorliegenden Beispiel ein automatisches COD-Analysegerät 8, das dazu ausgestaltet ist, den Summenparameter COD einer aus dem Prozessbehältnis 14 entnommenen Probe der Messflüssigkeit 12 zu bestimmen. Die Abkürzung COD steht für den englischen Fachausdruck Chemical Oxygen Demand und ist die als Sauerstoffäquivalent ausgedrückte Menge eines starken Oxidationsmittels, wie z. B. Kaliumpermanganat oder Kaliumdichromat, die von den in einem bestimmten Volumen einer Flüssigkeitsprobe enthaltenen oxidierbaren Inhaltsstoffen unter den Reaktionsbedingungen einer vorgeschriebenen Methode verbraucht wird. Der COD-Wert ist wie der SAK-Wert als Summenparameter ein Maß für die Konzentration organischer Inhaltsstoffe in Wasser. Der COD-Wert und der SAK-Wert lassen sich ineinander umrechnen.
  • Das Analysegerät 8 umfasst eine Steuereinrichtung 9, die die automatische Probennahme aus dem Prozessbehältnis 14 und die automatische Durchführung eines analytischen Verfahrens zur COD-Bestimmung durch das Analysegerät 8 steuert. Das COD-Analysegerät 8 ist mit einer Probennahmevorrichtung 10 verbunden, welche eine Pumpe 11 und eine Flüssigkeitsleitung 13 umfasst. Die Pumpe 11 ist dazu ausgestaltet, eine Probe der Messflüssigkeit 12 durch die Flüssigkeitsleitung 13 aus dem Prozessbehältnis 14 zu entnehmen und einer Messzelle 15 des Analysegeräts 8 zuzuführen. Das Analysegerät 8 umfasst weiter ein oder mehrere, in 2 nur schematisch angedeutete, Vorratsbehälter 16, in dem bzw. in denen ein oder mehrere der Probe zur Vorbehandlung zuzuführende Reagenzien enthalten sind. Mittels einer weiteren Pumpe 17 können diese Reagenzien in die Messzelle 15 transportiert und dort der Probe zugesetzt werden. Zur Bestimmung eines COD-Messwerts wird der Probe unter anderem ein starkes Oxidationsmittel, z. B. Kaliumdichromat, aus einem der Vorratsbehälter 16 zugesetzt. Die reduzierte Form des Oxidationsmittels weist ein von der oxidierten Form verschiedene Farbe bzw. ein von der oxidierten Form verschiedenes Absorptionsspektrum im sichtbaren Spektralbereich auf.
  • Das COD-Analysegerät 8 umfasst zur Erfassung eines die Menge des zur Oxidation der in der Probe vorliegenden organischen Verbindungen verbrauchten Oxidationsmittels einen fotometrischen Messaufnehmer, welcher eine Strahlungsquelle 18 und einen Strahlungsdetektor 19 umfasst. Die Strahlungsquelle 18 und der Strahlungsdetektor 19 sind bezüglich der Messzelle 15 derart angeordnet, dass von der Strahlungsquelle 18 emittierte Messstrahlung durch die transparente Wandung der Messzelle 15 in diese eintritt, die in der Messzelle 15 vorliegende, vorbehandelte Probe durchläuft, durch die transparente Wandung der Messzelle 15 wieder aus dieser austritt und auf den Strahlungsdetektor 19 trifft. Die Strahlungsquelle 18 kann beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden umfassen, der Strahlungsdetektor 19 kann eine oder mehrere Fotodioden umfassen. Der Strahlungsdetektor 19 ist dazu ausgestaltet, ein von der empfangenen Strahlungsintensität abhängiges elektrisches Messsignal zu erzeugen und, ggfs. bereits in Form eines digitalen Rohmesswerts, an die Steuereinrichtung 9 auszugeben.
  • Die Steuereinrichtung 9 umfasst Mittel zur elektronischen Datenverarbeitung, insbesondere einen Prozessor und einen oder mehrere Speicher, in denen mindestens ein der Steuerung des COD-Analysegeräts 8 und der Probennahmevorrichtung 10 dienendes Betriebsprogramm abgelegt ist. Die Steuereinrichtung 9 ist mit der Pumpe 11 der Probennahmevorrichtung 10, einer der Förderung und Dosierung der Reagenzien aus den Vorratsbehältern 16 dienenden Pumpe 17, sowie dem fotometrischen Messaufnehmer zur, insbesondere bidirektionalen, Kommunikation verbunden. Die Steuereinrichtung 9 ist dazu ausgestaltet, die Pumpe 11 zu steuern, um in vorgegebenen Zeitabständen oder bei Bedarf eine Probe der Messflüssigkeit 12 zu entnehmen und dem Analysegerät 8 zuzuführen. Weiter ist die Steuereinrichtung 9 dazu ausgestaltet, eine vorgegebene Menge des bzw. der zur Vorbehandlung der Probe erforderliche Reagenzien in die Messzelle 15 zu transportieren und der darin enthaltenen Probe zuzusetzen. Die Steuereinrichtung 9 kann weiter dazu ausgestaltet sein, zwischen den Messzyklen Reinigungszyklen durchzuführen, bei denen die flüssigkeitsberührenden Teile des Analyseräts 8 mit einer Spülflüssigkeit gespült werden. Darüber hinaus ist die Steuereinrichtung 9 dazu ausgestaltet, den fotometrischen Messaufnehmer zur Erfassung eines Messwerts zu steuern und diesen als Rohwert von dem Strahlungsdetektor 19 zu empfangen und weiterzuverarbeiten.
  • Die Steuereinrichtung 9 verfügt weiter über ein in einem Speicher der Steuereinrichtung 9 abgelegtes und von der Steuereinrichtung 9 ausführbares Auswertungsprogramm, welches zur Ermittlung eines COD-Messwerts aus einem oder mehreren Rohwerten dient. Die Steuereinrichtung 9 ist insbesondere dazu ausgestaltet, anhand einer in einem Speicher der Steuereinrichtung 9 vorliegenden Kalibrierfunktion, einen COD-Messwert der Probe zu ermitteln.
  • Die Steuereinrichtung 9 umfasst mithin die Funktion einer Messelektronik des COD-Analysegeräts 8. Gleichzeitig umfasst die Steuereinrichtung 9 auch die Funktion einer Kontrolleinrichtung der Messeinrichtung 100. Hierzu ist die Steuereinrichtung 9 zur bidirektionalen Kommunikation mit der SAK-Sonde 7 verbunden, um Messwerte der SAK-Sonde 7 zu empfangen. Die Steuereinrichtung 9 ist dazu ausgestaltet, in ganz analoger Weise wie anhand von 1 beschrieben, eine Verifizierung, Kalibrierung oder Justierung der SAK-Sonde 7 durchzuführen. Sie kann auch im Übrigen ausgestaltet sein wie die anhand von 1 beschriebene Kontrolleinrichtung 3.
  • In 3 ist ein drittes Beispiel einer Messeinrichtung 200 mit einem eine spektroskopische Sonde 20 umfassenden ersten Messgerät und einem als zweites Messgerät dienenden Analysegerät 21 schematisch dargestellt. Die Messeinrichtung 200 kann vorteilhaft zur Überwachung einer Messgröße eines biologischen oder biotechnologischen Prozesses eingesetzt werden, der in einem steril zu haltenden, beispielsweise als Fermenter ausgestalteten Prozessbehältnis 22 durchgeführt wird.
  • Die spektroskopische Sonde 20 ist derart in dem Prozessbehältnis 22 integriert, dass sie in Kontakt mit der in dem Prozessbehältnis 22 enthaltenen Messflüssigkeit 23 steht. Der Kontakt mit der Messflüssigkeit 23 kann beispielsweise darin bestehen, dass die Sonde 20 die Messflüssigkeit 23 berührt, beispielsweise in dieses eintaucht. Alternativ kann der Kontakt auch dadurch hergestellt werden, dass die Sonde 20 Messstrahlung in die Messflüssigkeit 23 einstrahlt und diese nach Wechselwirkung mit der Messflüssigkeit 23 wieder mittels eines Strahlungsdetektors erfasst. Als Strahlungsquelle der spektroskopischen Sonde können beispielsweise ein oder mehrere Leuchtdioden, Halbleiterdioden, Laserdioden, oder ein Laser dienen. Der Strahlungsdetektor kann eine oder mehrere Fotodioden, ein Fotodiodenarray oder eine CCD-Zeile bzw. ein CCD-Array umfassen. Die spektroskopische Sonde 20 kann weiter einen Monochromator umfassen.
  • Die Strahlungsquelle, Strahlungsdetektor und Monochromator können in dem Gehäuse der Sonde 20 oder in einem von der Sonde entfernten Gehäuse 24 angeordnet sein, wobei in letzterem Fall die Sonde 20 über Lichtleitfasern mit der Strahlungsquelle und dem Strahlungsdetektor verbunden ist.
  • Der Strahlungsdetektor ist dazu ausgestaltet, die von ihm erfasste Strahlungsintensität in spektrometrische Rohwerte umzuwandeln und diese an eine, im vorliegenden Beispiel in dem von der Sonde 20 beabstandeten Gehäuse 24 angeordnete Messelektronik 25 auszugeben. Die Messelektronik 25 ist dazu ausgestaltet, die spektrometrischen Rohwerte zu empfangen und weiter zu verarbeiten. Insbesondere ist die Messelektronik 25 dazu ausgestaltet, die Rohwerte auszuwerten, um daraus einen Messwert der zu überwachenden Messgröße zu ermitteln. Die Messelektronik 25 umfasst einen Prozessor und einen oder mehrere Speicher, in denen ein von der Messelektronik 25 ausführbares Betriebsprogramm, welches der Steuerung der spektroskopischen Sonde 20 dient, sowie ein oder mehrere der Auswertung der von der spektroskopischen Sonde 20 erfassten, als spektrometrischen Rohwerte dienende Auswertungsprogramme gespeichert ist.
  • Die Auswertung der von der Sonde erfassten spektrometrischen Rohwerte erfolgt mittels eines in der Messelektronik 25 hinterlegten chemometrischen Modells 26. Dieses chemometrische Modell basiert auf in früheren Prozessdurchläufen, auch als Chargen („Batches”) bezeichnet, des zu überwachenden Prozesses über die gesamte Prozessdauer hinweg erfassten, historischen Messdaten 27. Zur Erstellung des chemometrischen Modells werden – häufig bereits bei der Prozessentwicklung – anhand während eines oder mehrerer durchgeführter Prozesse, sog. Batches, erfasste spektrale Rohdaten einer spektrometrischen Sonde mit anhand von, in der Regel manuell aus dem Prozess entnommen, Proben ermittelter Analysemesswerten korreliert. Die Analysemesswerte werden dabei mittels eines analytischen Verfahrens, z. B. mittels eines Immunassays, bestimmt. Das so basierend auf früheren Batches des Prozesses entwickelte chemometrische Modell 26 ist in dem Messgerät 25 hinterlegt und steht zur Auswertung aktueller spektraler Rohdaten zur Verfügung.
  • Anhand des chemometrischen Modells 26 wird von der Messelektronik 25 aus dem jeweils aktuell von der Sonde 20 erfassten spektralen Rohdaten ein Vorhersagewert 28 der zu überwachenden Messgröße abgeleitet. Dieser Wert wird über den Datenausgang 29 der Messelektronik 25 einer übergeordneten elektronischen Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt, die der Steuerung des in dem Prozessbehältnis 22 durchgeführten Prozesses dient. Die Vorhersagewerte stehen der Steuereinrichtung in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit zur Verfügung.
  • Als zweites Messgerät dient der Messeinrichtung 200 ein Analysegerät 21, welches dazu ausgestaltet ist, einen Wert der zu überwachenden Messgröße anhand einer aus dem Prozessbehältnis 22 entnommenen Probe der Messflüssigkeit 23 mittels eines analytischen Verfahrens, welches beispielsweise einen Immunassay umfassen kann, zu bestimmen.
  • Das Analysegerät 21 ist mit einer automatischen Probennahmevorrichtung 30 verbunden, welche dazu ausgestaltet ist, unter sterilen Bedingungen eine Probe der Messflüssigkeit 23 aus dem Prozessbehältnis 22 zu entnehmen. Eine solche Probennahmevorrichtung ist beispielsweise in DE 10 2014 10 26 009 A1 beschrieben. Das Analysegerät 21 umfasst eine Verfahrens- und Messtechnik-Einheit 31, welche mit der Probennahmevorrichtung 30 verbunden ist, so dass die von der Probennahmevorrichtung 30 entnommene Probe der Verfahrens- und Messtechnik-Einheit 31 zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Die Verfahrens- und Messtechnik-Einheit 31 umfasst Mittel zur Vorbehandlung der Probe, welche beispielsweise die Durchführung eines Immunassays umfassen kann. Die Vorbehandlung dient zur Erzeugung einer von der zu erfassenden Messgröße, beispielsweise einer Analytkonzentration, abhängigen, mit physikalischen Mitteln detektierbaren Eigenschaft der Probe, beispielsweise einer Lumineszenzstrahlung oder einer Färbung. Diese kann mittels eines in die Verfahrens- und Messtechnik-Einheit 31 des Analysemessgeräts 21 integrierten Messaufnehmers erfasst werden. Das Analysegerät 21 umfasst weiter eine Messelektronik 32, welche zur Steuerung der Verfahrens- und Messtechnik dient, und welche dazu ausgestaltet ist, aus von dem Messaufnehmer zur Verfügung gestellten Rohmesswerten Messwerte der Messgröße zu ermitteln, insbesondere anhand einer in der Messelektronik 32 hinterlegten Kalibrierfunktion. Die so ermittelten Werte der Messgröße werden über die Datenausgabe 33 der Steuereinheit 24 des Inline-Messgeräts zur Verfügung gestellt.
  • Die Steuereinheit 24 ist dazu ausgestaltet, anhand der von dem Analysegerät 21 gelieferten Messwerte eine Verifizierung, Kalibrierung oder Justierung des spektrometrischen Messgeräts durchzuführen. Zur Justierung wird das chemometrische Modell basierend auf den von dem Analysegerät 21 zur Verfügung gestellten Messwerten angepasst.
  • Die Messeinrichtung 200 ermöglicht somit, biologische und biotechnologische Herstellungsprozesse nahezu kontinuierlich und in Echtzeit hinsichtlich der Einhaltung der Prozessspezifikationen zu überwachen. Das gekoppelte Analysegerät 21 gestattet die automatisierte Kalibrierung, Verifizierung, Justierung des Spektroskopie-basierten Inline-Messsystems zur Erhöhung der Messgenauigkeit der kontinuierlich erhaltenen, auf den spektroskopischen Messungen basierenden Vorhersagewerte. Die mit dem Analysegerät 21 durchgeführten Messungen dienen daher dazu, die mittels des Inline-Messgeräts 20 ermittelte Vorhersage zu verifizieren und bei Bedarf das Inline-Messgerät zu justieren.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, mit dem Analysegerät 21 weitere Analysen durchzuführen, um zusätzliche, nicht mit dem Inline-Messgerät 20 bestimmbare Messgrößen zu ermitteln. Hierzu kann das Analysegerät 21 weitere Messaufnehmer umfassen.
  • Vorteilhaft kann die Messeinrichtung 200 auch zur Erstellung des chemometrischen Modells 26 dienen. In diesem Fall wird das Modell während der ersten in dem Prozessbehältnis 22 durchgeführten Prozessdurchläufen, ggfs. selbstlernend, erstellt. Hierzu kann die Messelektronik 25 mit den von der Sonde 20 erfassten spektralen Daten und Analysemesswerten einer oder mehrerer Messgrößen, die von dem Analysegerät 21 ermittelt werden, eine Korrelationsanalyse durchführen. Anhand dieser Analyse kann die Steuereinheit 24 ermitteln, welche Messgrößen bei der Prozessüberwachung und -regelung eine wesentliche Rolle spielen. Insbesondere kann sie diejenigen Messgrößen bestimmen, die anhand der von der Sonde 20 ermittelten spektralen Daten überwacht werden sollen, sowie das chemometrische Modell erstellen, das zur Vorhersage von Messwerten dieser zu überwachenden Messgrößen aus den spektralen Daten dient.
  • Die Korrelationsanalyse kann in Form einer Hauptkomponentenanalyse (englisch: „Principal Component Analysis”, PCA) erfolgen. Anhand der PCA wird der Einfluss der Messgrößen (d. h. Analysemessgrößen und/oder weiterer Messgrößen) auf einen oder mehrere Parameter bestimmt, welche/r für die Qualität der Chargen oder Batches relevant ist/sind. Typische derartige qualitätsrelevante Parameter sind beispielsweise der Glukosegehalt und/oder die Ausbeute (englisch: „Yield”) bei der Herstellung eines Stoffes. Es ist auch möglich, die Korrelationsanalyse wiederkehrend durchzuführen und den zeitlichen Verlauf der Korrelationsanalyse zu speichern und auszuwerten. Das Ergebnis dieser Auswertung kann bei der Verifizierung, Kalibrierung und/oder Justierung des ersten Messgeräts 1 herangezogen werden und gegebenenfalls auch zur Prozessbeobachtung selbst verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (23)

  1. Messeinrichtung zur Bestimmung mindestens einer Messgröße eines Messmediums, insbesondere einer Messflüssigkeit, umfassend: – ein erstes Messgerät, welches einen mit dem Messmedium zur Erfassung von Messwerten der mindestens einen Messgröße in Kontakt stehenden ersten Messaufnehmer aufweist, und welches dazu ausgestaltet ist, mittels des ersten Messaufnehmers einen von der mindestens einen Messgröße des in dem Prozessbehältnis enthaltenen Messmediums abhängigen ersten Messwert zu ermitteln; – eine Probennahmevorrichtung, welche dazu ausgestaltet ist, dem Messmedium eine Probe zu entnehmen; – ein zweites Messgerät, welches einen zweiten Messaufnehmer umfasst, und das dazu ausgestaltet ist, mittels des zweiten Messaufnehmers einen von der mindestens einen Messgröße der dem Messmedium entnommenen Probe abhängigen zweiten Messwert zu ermitteln; und – eine elektronische Kontrolleinrichtung, welche dazu ausgestaltet ist, den ersten und den zweiten Messwert zu empfangen und zu verarbeiten und anhand des zweiten Messwerts eine Verifizierung, Kalibrierung und/oder Justierung des ersten Messgeräts durchzuführen.
  2. Messeinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Messmedium in einem Prozessbehältnis enthalten ist, wobei die Probennahmevorrichtung dazu ausgestaltet ist, die dem Messmedium entnommene Probe aus dem Prozessbehältnis zu entnehmen, und wobei das zweite Messgerät außerhalb des Prozessbehältnis angeordnet ist und dazu ausgestaltet ist, den zweiten Messwert der mindestens einen Messgröße der aus dem Prozessbehältnis entnommenen Probe zu ermitteln.
  3. Messeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Messgröße eine Analyse-Messgröße, insbesondere eine Konzentration oder Aktivität eines Analyten in dem Messmedium oder eine von der Konzentration oder der Aktivität eines oder mehrerer Analyten in dem Messmedium abhängige Messgröße, ist.
  4. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der erste Messaufnehmer ein in das Prozessbehältnis integrierter Inline-Messaufnehmer ist.
  5. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Messaufnehmer ein optischer, insbesondere fotometrischer oder spektrometrischer, oder ein elektrochemischer Inline-Messaufnehmer ist.
  6. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Messgerät eine Schnittstelle umfasst, über die es mit einer elektronischen Prozessteuerung verbindbar ist, welche dazu ausgestaltet ist, anhand der von dem ersten Messgerät gelieferten ersten Messwerte der mindestens einen Messgröße einen Prozess zu steuern, welcher in dem Prozessbehältnis durchgeführt wird, oder welcher in einer das Prozessbehältnis umfassenden Prozessanlage durchgeführt wird.
  7. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite Messgerät ein automatisches Analysegerät ist, welches dazu ausgestaltet ist, die aus dem Prozessbehältnis entnommene Probe vorzugsweise vorzubehandeln und wobei der zweite Messaufnehmer dazu ausgestaltet ist, einen Messwert einer von der zu bestimmenden oder zu überwachenden mindestens einen Messgröße abhängigen weiteren Messgröße der vorzugsweise vorbehandelten Probe zu erfassen.
  8. Messeinrichtung nach Anspruch 7, wobei durch die Vorbehandlung der Probe ein chemisches Reaktionsprodukt gebildet wird, und wobei die weitere Messgröße die Konzentration des chemischen Reaktionsprodukts oder eine davon abhängige Größe ist.
  9. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Messaufnehmer einen Strahlungsdetektor, insbesondere umfassend mindestens einen Fotodetektor, aufweist, welcher dazu ausgestaltet ist, mindestens einen von der Intensität einer von der, insbesondere vorbehandelten, Probe emittierten Lumineszenzstrahlung oder einer durch die, insbesondere vorbehandelte, Probe transmittierten Messstrahlung abgeleiteten Rohwert zu ermitteln.
  10. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das zweite Messgerät dazu ausgestaltet ist, Messwerte mit einer geringeren Messfrequenz zu ermitteln und auszugeben als das erste Messgerät.
  11. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Kontrolleinrichtung dazu ausgestaltet ist, das erste Messgerät, das zweite Messgerät und die Probennahmevorrichtung zu steuern.
  12. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das erste Messgerät eine Messelektronik umfasst, welche dazu ausgestaltet ist, von dem Messaufnehmer bereitgestellte, von der Messgröße abhängige Rohwerte zu erfassen und aus diesen, anhand eines in der ersten Messelektronik hinterlegten Modells, den ersten Messwert zu bestimmen.
  13. Messeinrichtung nach Anspruch 12, wobei das hinterlegte Modell eine Kalibrierfunktion, insbesondere eine Kalibriergerade, ist, welche jeweils einem Rohwert als Funktionswert einen Messwert zuordnet.
  14. Messeinrichtung nach Anspruch 13, wobei der Messaufnehmer des ersten Messgeräts ein Inline-Sensor zur Erfassung einer Ionenkonzentration oder eines Summenparameters des Messmediums, insbesondere eine SAK-Sonde oder eine ionenselektive Elektrode, ist.
  15. Messeinrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Kontrolleinrichtung dazu ausgestaltet ist, anhand des zweiten Messwerts die Kalibrierfunktion anzupassen.
  16. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Messaufnehmer des ersten Messgeräts dazu ausgestaltet ist, ein Spektrum, insbesondere ein Lumineszenz- oder ein Absorptionsspektrum, repräsentierende spektrometrische Rohwerte, des Messmediums in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich zu erfassen, und wobei das erste Messgerät dazu ausgestaltet ist, den ersten Messwert anhand der erfassten spektrometrischen Rohwerte mittels eines chemometrischen Modells zu ermitteln, insbesondere vorherzusagen.
  17. Messeinrichtung nach Anspruch 16, wobei die Kontrolleinrichtung dazu ausgestaltet ist, anhand des zweiten Messwerts das chemometrische Modell anzupassen.
  18. Messeinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Kontrolleinrichtung zusätzlich dazu ausgestaltet ist, anhand von mittels des ersten Messgeräts erfassten spektraler Messdaten und mittels des zweiten Messgeräts bestimmten Messwerten einer oder mehrerer verschiedener Messgrößen ein chemometrisches Modell zu erstellen.
  19. Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Messgröße eines Messmediums, insbesondere mittels einer Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, umfassend: – Erfassen eines von der mindestens einen Messgröße des Messmediums abhängigen ersten Messwerts mittels eines ersten Messgeräts, welches einen mit dem Messmedium zur Erfassung von Messwerten der mindestens einen Messgröße in Kontakt stehenden ersten Messaufnehmer aufweist; – Entnehmen einer Probe des Messmediums mittels einer Probennahmevorrichtung; – Ermitteln eines von der mindestens einen Messgröße der Probe des Messmediums abhängigen zweiten Messwerts mittels eines zweiten Messgeräts, welches einen zweiten Messaufnehmer umfasst; und – Kalibrieren und/oder Verifizieren und/oder Justieren des ersten Messgeräts anhand des zweiten Messwerts mittels einer zum Empfang und zur Verarbeitung des ersten und zweiten Messwerts ausgestalteten elektronischen Kontrolleinrichtung.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Messmedium, insbesondere die Messflüssigkeit, in einem Prozessbehältnis enthalten ist, wobei die Probe mittels der Probennahmevorrichtung aus dem Prozessbehältnis entnommen wird, und wobei das zweite Messgerät außerhalb des Prozessbehältnis angeordnet ist und den zweiten Messwert in der aus dem Prozessbehältnis entnommenen Probe bestimmt.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei mindestens ein gleichzeitig mit dem Entnehmen einer Probe oder innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters um den Zeitpunkt, zu dem eine Probe des Messmediums aus dem Prozessbehältnis entnommen wird, mittels des ersten Messaufnehmers erfasster erster Messwert und/oder zur Bestimmung dieses mindestens einen Messwerts verwendete Rohwerte mindestens temporär gespeichert werden.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Kontrolleinrichtung zur Verifizierung und/oder Kalibrierung anhand des zweiten Messwerts den mindestens einen gespeicherten ersten Messwert verwendet, welcher gleichzeitig mit dem Entnehmen der Probe oder innerhalb des Zeitfensters um den Zeitpunkt der Entnahme der Probe, mittels derer der zweite Messwert ermittelt wurde, erfasst wurde.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Kontrolleinrichtung zur Justierung anhand des zweiten Messwerts die zur Bestimmung mindestens eines ersten Messwerts verwendeten Rohwerte verwendet, welche gleichzeitig mit dem Entnehmen der Probe oder innerhalb des Zeitfensters um den Zeitpunkt der Entnahme der Probe, mittels derer der zweite Messwert ermittelt wurde, erfasst wurden.
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