DE102016118544A1

DE102016118544A1 - Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102016118544A1
Application number: DE102016118544.2A
Authority: DE
Inventors: Bo Ottersten; Martin FREUDENBERGER; Kazuhiko Yamamoto
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-03-29
Also published as: US20180088570A1; CN107885139A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Sensoranordnung mit mindestens zwei Messstellen (A, B, C ...), wobei an jeder Messstelle (A, B, C ...) ein Sensor (1, 2, 3 ...) zur Ermittlung von mindestens einer Prozessgröße eines Mediums angeordnet ist, umfassend die Schritte: – Kontaktieren des Mediums mit den Sensoren (1, 2, 3 ...), – Inbetriebnahme der Sensoranordnung, so dass die Sensoren (1, 2, 3 ...) die mindestens eine Prozessgröße des Mediums ermitteln, – Ermitteln eines zeitlichen Belastungswertes (B/t) für jede Messstelle (A, B, C ...) aus der mindestens einen Prozessgröße, die an dieser Messstelle (A, B, C ...) ermittelt wurde, – Ermitteln eines Gesamtbelastungswertes (GB) für jeden Sensor (1, 2, 3 ...) aus dem zeitlichen Belastungswert (B/t) der Messstelle (A, B, C ...), an dem der Sensor (1, 2, 3 ...) eingesetzt war und aus der Zeit, in dem der Sensor (1, 2, 3 ...) an dieser Messstelle (A, B, C ...) eingesetzt war, – Vorhersage einer Lebensdauer eines Sensors (1, 2, 3 ...) in einer bestimmten Messstelle (A, B, C ...) aufgrund des zeitlichen Belastungswertes (B/t) dieser Messstelle (A, B, C ...) und der Gesamtbelastungswert (GB) dieses Sensors (1, 2, 3 ...).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Sensoranordnung aus mehreren Sensoren zur Ermittlung von mindestens einer Prozessgröße eines Mediums.
In der Prozessmesstechnik und der Prozessautomatisierung kommen weltweit elektrochemische Sensoren zum Einsatz, z.B. zur Messung des pH-Werts, von gelöstem Sauerstoff oder der spezifischen Leitfähigkeit. Stand der Technik sind heute digitale Sensoren mit Speichermöglichkeit für Prozess- und Sensordaten. Diese sind während der Messung im Prozess an entsprechende Messumformer angeschlossen.
Elektrochemische Sensoren zeigen Alterung und Verschleiß, wodurch sich die Eigenschaften schleichend verändern. Wird ein elektrochemischer Sensor kalibriert und justiert, geschieht dies normalerweise mit einer geeigneten Software, die sämtliche im Sensor gespeicherten Daten ausliest und speichert. Dadurch wird der gesamte Lebenszyklus eines Sensors erfasst und kann durch die Software ausgewertet werden. Solange der Sensor mit dem Prozess verbunden ist, zählt und registriert er z.B. Zeit, pH-Wert, Temperatur und/oder andere Prozessparameter. Die so erfassten Daten können zur vorausschauenden Wartung genutzt werden, so auch zur Vorhersage, ob der Sensor noch für die künftig geforderte Zeit einsatzfähig ist.
Die vom Sensor gespeicherten Belastungsdaten werden nur integriert zur Gesamtbelastung erfasst. Wird ein Sensor immer wieder an derselben Messstelle eingesetzt, reichen diese Daten zur Vorhersage aus. In der Praxis werden aber häufig mehrere Sensoren aus einem Sensorpool genutzt, die an verschiedenen Messstellen in einem festen Wartungsintervall zum Einsatz kommen. Der Anwender entnimmt dabei z.B. zehn justierte Sensoren aus einem Sensorpool im Labor und tauscht diese an zehn verschiedenen Messstellen aus, ohne darauf zu achten, an welcher Messstelle der Sensor vorher eingesetzt war. Dabei können sich die Prozess- und damit die Sensorstressdaten von Einsatz zu Einsatz stark unterscheiden, was eine Vorhersage der künftigen Einsatzfähigkeit erschwert oder gar unmöglich macht. Im Extremfall kommen sogar pH-Sensoren mit unterschiedlichen Referenzsystemen zum Einsatz, die sich dann untereinander je nach Prozesseinsatz noch unterscheiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung eines potentiometrischen Sensors anzugeben, welches bei schwankenden Prozessbedingungen die Standzeit bzw. die verbleibende Lebensdauer des Sensors korrekt ermittelt.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Sensoranordnung mit mindestens zwei Messstellen A, B, C ..., wobei an jeder Messstelle A, B, C ... ein Sensor 1, 2, 3 ... zur Ermittlung von mindestens einer Prozessgröße eines Mediums angeordnet ist, umfassend die Schritte:

– Kontaktieren des Mediums mit den Sensoren,
– Inbetriebnahme der Sensoranordnung, so dass die Sensoren die mindestens eine Prozessgröße des Mediums ermitteln,
– Ermitteln eines zeitlichen Belastungswertes (B/t) für jede Messstelle aus der mindestens einen Prozessgröße, die an dieser Messstelle ermittelt wurde,
– Ermitteln eines Gesamtbelastungswertes (GB) für jeden Sensor aus dem zeitlichen Belastungswert (B/t) der Messstelle, an dem der Sensor eingesetzt war und aus der Zeit, in dem der Sensor an dieser Messstelle eingesetzt war, Vorhersage einer Lebensdauer eines Sensors in einer bestimmten Messstelle aufgrund des zeitlichen Belastungswertes (B/t) dieser Messstelle und der Gesamtbelastungswert (GB) dieses Sensors.

Die restliche Lebensdauer der Sensoren wird an verschiedenen Messstellen unterschiedlich schnell abgebaut. Daraus und aus dem Gesamtbelastungswert ergibt sich die messstellenspezifische Restlebensdauer. Alle Sensoren sind an einer zentralen Recheneinheit angeschlossen, auf die eine Laborsoftware installiert ist. Die Sensoren übertragen nicht nur die Gesamtbelastungswerte, sondern auch die Identitäten der Messstellen vom Messumformer und die letzten Belastungen (pH-Wert, Temperatur, Zeit) der entsprechenden Messstelle an die Recheneinheit, wo sie von der Laborsoftware gespeichert und verarbeitet werden können. Die Laborsoftware erfasst somit nicht nur die Gesamtbelastung, sondern zusätzlich die mittlere Last für jede Messstelle und den dort eingesetzten Sensortyp. Die Laborsoftware ist dadurch in der Lage Sensoren, abhängig von der bisherigen Belastung und dem geplanten Messstelle im Prozess, bis zum Ende der Sensorlebensdauer optimal vorhersagen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine Änderung der Kalibrierwerte und/oder der Justierwerte der Sensoren als ein Indiz für eine Änderung der Gesamtbelastungswerte (GB) der Sensoren betrachtet. Änderungen typischer Sensoreigenschaften wie Steilheit und Nullpunkt werden bei der Justierung ebenfalls erfasst. Dadurch ist die Software in der Lage, für jeden Sensortyp und für jede mögliche Messstelle eine durchschnittliche Sensorlebensdauer vorherzusagen, und bezieht dabei auch die bisherige Gesamtbelastung mit in die Berechnung ein. Abhängig von diesen Daten kann die Laborsoftware nach einer erfolgten Kalibrierung und Justierung im Labor beispielhaft folgende Empfehlungen aussprechen:
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels mit mehreren Messstellen A, B, C ... und Sensoren 1, 2, 3 ... beschrieben. Zur besseren Unterscheidbarkeit werden die Sensoren mit Buchstaben A, B, C ... und die Sensoren mit Ziffern 1, 2, 3 bezeichnet.

• Die Sensoren 1, 3, 4 und 9 können uneingeschränkt an allen möglichen Messstellen bis zur nächsten Wartung eingesetzt werden.
• Die Sensoren 2, 5 und 6 können nur noch an den Messstellen A, C, D und F uneingeschränkt eingesetzt werden. An allen anderen Messstellen ist bis zu nächsten Wartung mit einem Sensorausfall zu rechnen.
• Die Sensoren 7, 8 und 10 sind am Ende der Sensorlebensdauer und können an keiner Messstelle mehr zuverlässig bis zur nächsten Wartung eingesetzt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Variante ist die mindestens eine Prozessgröße der pH-Wert und/oder die Temperatur.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Gesamtbelastungswert (GB) eines Sensors durch Multiplikation des zeitlichen Belastungswertes (B/t) der Messstelle, an dem der Sensor eingesetzt war mit der Zeit t, in dem der Sensor an dieser Messstelle eingesetzt war, ermittelt: GB = ( B / t)·t
War der Sensor bereits an mehreren Messstellen A, B, ... in Betrieb, wird der Gesamtbelastungswert (GB) durch Aufaddieren der einzelnen zeitlichen Belastungswerte (B/t)_A,B multipliziert mit der Zeit t_A,B, in dem der Sensor an dieser Messstelle eingesetzt war, ermittelt: GB = ( B / t)_A·t_A + ( B / t)_B·t_B + ...
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die restliche Lebensdauer T eines Sensors in einer bestimmten Messstelle folgendermaßen ermittelt:
wobei GBmax die maximale Gesamtbelastung eines Sensors ist, ab welcher der Sensor für nicht mehr funktionsfähig gilt.
Gemäß einer günstigen Weiterbildung geschieht die Vorhersage der Lebensdauer eines Sensors in allen Messstellen aufgrund des zeitlichen Belastungswertes (B/t) der jeweiligen Messstellen und der Gesamtbelastungswert (GB) dieses Sensors.
Bei der Berechnung der Restlebensdauer wird davon ausgegangen, dass ein Sensor einen maximalen Gesamtbelastungswert von z.B. 10.000 Stresspunkten hat und je nach Belastung werden stündlich die prozessspezifischen Belastungswerte in Form von Stresspunkten von dem maximalen Gesamtbelastungswert abgezogen. Dabei merkt sich der Sensor die Messstelle, an dem er der Belastung ausgesetzt war.
Bei einem chemischen Prozess zum Beispiel, in dem Edukte gemessen werden (z. B. starke Säure und starke Lauge) und das neutralisierte Endprodukt (z. B. bei 70°C) erfolgt der Austausch der Sensoren in der Anlage alle 3 Tage. Dabei werden die Sensoren aus dem Prozess im Labor gereinigt, kalibriert, justiert und gelagert. Nach drei Tagen beginnt der Vorgang erneut.
Beispiele zur Berechnung der Stresspunkte nach drei Tagen:
Sensor 1 in Säure (pH-Wert = 1): 32 Stresspunkte × 24 h × 3 Tage = 2304 Stresspunkte
Sensor 2 in Lauge (pH-Wert = 13): 48 Stresspunkte × 24 h × 3 Tage = 3456 Stresspunkte
Sensor 3 im neutralen Endprodukt (pH-Wert = 7): 8 Stresspunkte × 24 h × 3 Tage = 576 Stresspunkte.
Irgendwann hat der Sensor z. B. nur noch einen Belastungswert von 1800 Stresspunkten. Jetzt bekommt der Nutzer bei der Kalibrierung und Justage im Labor die Info, dass er diesen Sensor an einer Messstelle in Säure und Lauge nicht mehr einsetzen darf, aber an einer Messstelle im Endprodukt noch sicher für drei Intervalle bis zur nächsten Wartung.
Der Anwender hat also die Möglichkeit zu erkennen, welcher Sensor an welcher Messstelle eingesetzt werden kann. Auf diese Weise kann er die Sensoren optimal nutzen. Dies spart Kosten und stellt gleichzeitig sicher, dass der Sensor bis zur nächsten Wartung einsatzbereit ist (ready for next batch).
Es gibt Prozesse, bei denen die Steilheit eines pH-Sensors einen Minimalwert nicht unterschreiten darf. Beispielsweise beträgt der Minimalwert im industriellen Abwasser 53 mV/pH, in Säure und in Lauge 55 mV/pH. Der Anwender kann aber einen Sensor, der nicht mehr in solchen Prozessen eingesetzt werden kann, noch in "einfacheren" Prozessen bis zum Ende der Lebensdauer des Sensors einsetzen.

In der untenstehenden Tabelle sind Beispiele für zeitliche Belastungswerte aufgeführt. Die Belastungswerte können jedoch je nach Sensortyp variieren.

Temperatur	pH-Wert < 2	pH-Wert 2–5	pH-Wert 5–9	pH-Wert 9–12	pH-Wert > 12
< 10°C	4	2	1	3	6
10–40°C	8	4	2	6	12
40–60°C	16	8	4	12	24
60–80°C	32	16	8	24	48
> 80°C	60	30	15	45	90

Claims

Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Sensoranordnung mit mindestens zwei Messstellen (A, B, C ...), wobei an jeder Messstelle (A, B, C ...) ein Sensor (1, 2, 3 ...) zur Ermittlung von mindestens einer Prozessgröße eines Mediums angeordnet ist, umfassend die Schritte: – Kontaktieren des Mediums mit den Sensoren (1, 2, 3 ...), – Inbetriebnahme der Sensoranordnung, so dass die Sensoren (1, 2, 3 ...) die mindestens eine Prozessgröße des Mediums ermitteln, – Ermitteln eines zeitlichen Belastungswertes (B/t) für jede Messstelle (A, B, C ...) aus der mindestens einen Prozessgröße, die an dieser Messstelle (A, B, C ...) ermittelt wurde, – Ermitteln eines Gesamtbelastungswertes (GB) für jeden Sensor (1, 2, 3 ...) aus dem zeitlichen Belastungswert (B/t) der Messstelle (A, B, C ...), an der der Sensor (1, 2, 3 ...) eingesetzt war und aus der Zeit, in der der Sensor (1, 2, 3 ...) an dieser Messstelle (A, B, C ...) eingesetzt war, – Vorhersage einer Lebensdauer eines Sensors (1, 2, 3 ...) in einer bestimmten Messstelle (A, B, C ...) aufgrund des zeitlichen Belastungswertes (B/t) dieser Messstelle (A, B, C ...) und des Gesamtbelastungswerts (GB) dieses Sensors (1, 2, 3 ...).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Änderung der Kalibrierungswerte und/oder der Justierungswerte der Sensoren (1, 2, 3 ...) als ein Indiz für eine Änderung der Gesamtbelastungswerte (GB) der Sensoren (1, 2, 3 ...) betrachtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Prozessgröße der pH-Wert und/oder die Temperatur ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche, wobei der Gesamtbelastungswert (GB) eines Sensors (1, 2, 3 ...) durch Multiplikation des zeitlichen Belastungswertes (B/t) der Messstelle (A, B, C ...), an dem der Sensor (1, 2, 3 ...) eingesetzt war mit der Zeit t, in dem der Sensor (1, 2, 3 ...) an dieser Messstelle (A, B, C ...) eingesetzt war, ermittelt wird: GB = ( B / t)·t
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die restliche Lebensdauer Teines Sensors (1, 2, 3 ...) in einer bestimmten Messstelle (A, B, C ...) folgendermaßen ermittelt wird:
wobei GB_max die maximale Gesamtbelastung eines Sensors (1, 2, 3 ...) ist, ab welcher der Sensor (1, 2, 3 ...) für nicht mehr funktionsfähig gilt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorhersage der Lebensdauer eines Sensors (1, 2, 3 ...) in allen Messstellen (A, B, C ...) aufgrund des zeitlichen Belastungswertes (B/t) der jeweiligen Messstellen (A, B, C ...) und der Gesamtbelastungswert (GB) dieses Sensors (1, 2, 3 ...), geschieht.