DE102017109564A1

DE102017109564A1 - Verfahren zur Zustandsbestimmung von Sensoren

Info

Publication number: DE102017109564A1
Application number: DE102017109564.0A
Authority: DE
Inventors: Marco Bezzon; Günter Jahl; Ronny Grosse-Uhlmann
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2018-11-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsbestimmung von Sensoren zur Erfassung von n physikalischen oder chemischen Prozessparametern eines Mediums,
umfassend die Schritte:

a) Einteilen jeder der i = 1, 2, ... n Prozessparameter in m Parameterbereiche j = a, b...m, innerhalb derer der vom jeweiligen Sensor erfasste Prozessparameter i sich aufhalten kann;
b) Aufspannen eines Belastungstensors n-ter Stufe B_n, wobei jedes der Belastungstensorelemente B(j₁, j₂, ... j_n) eine Null ist,
c) Ermitteln einer Betriebsdauer T_B(j_i), während dessen der i-te Prozessparameter sich innerhalb des j-ten Parameterbereiches aufhält,
d) Addieren der jeweiligen Betriebsdauer T_B(j_i) zu dem korrespondierenden Belastungstensorelement B(j₁, j₂, ... j_n), gekennzeichnet durch,
e) Multiplizieren jeder der Belastungstensorelemente B(j₁, j₂, ... j_n) jeweils mit einem Gewichtungsfaktor g(j₁, j₂, ... j_n) eines Gewichtungstensors G(j₁, j₂, ... j_n) zu gewichteten Belastungstensorelementen B_G(j₁, j₂, ... j_n), wobei der Gewichtungstensor G(j₁, j₂, ... j_n) empirisch für einen bestimmten Sensor (S_x) ermittelt wird,
f) Aufaddieren aller gewichteten Belastungstensorelemente B_G(j₁, j₂, ... j_n) zu einem Gesamtbelastungswert (GBW),
g) Wiederholen der Schritte c) bis f) nach bestimmten Zeitintervallen, bis der Gesamtbelastungswert (GBW) einen Gesamtbelastungsgrenzwert (GBGW) überschreitet und ein Alarm (A) zum Austauschen des Sensors (S_x) ausgelöst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsbestimmung von Sensoren zur Erfassung von n physikalischen oder chemischen Prozessparametern eines Mediums.
In der Prozessmesstechnik und im Bereich der Gas- und Flüssigkeitsanalyse werden zur Erfassung und Überwachung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen Messeinrichtungen eingesetzt. Sensoren sind Bestandteile derartiger Messeinrichtungen. In der Prozessmesstechnik und in der Gas- bzw. Flüssigkeitsanalytik bedeutende Messgrößen sind Temperatur, Druck, Durchfluss und Füllstand, sowie insbesondere analytische Parameter von Messmedien, z.B. deren pH-Wert, ihre Leitfähigkeit, Konzentrationen bestimmter Ionen oder Konzentrationen anderer chemischer Substanzen, wie beispielsweise Sauerstoff, Kohlendioxid, organische Stoffe oder Nährstoffe. Die genannten analytischen Parameter spielen in vielfältigen Anwendungen eine Rolle, beispielsweise im Labor oder in der Prozess- bzw. Analysemesstechnik im Bereich der Chemie, Pharmazie, Biotechnologie, Lebensmitteltechnologie oder im Bereich der Umweltmesstechnik.
Grundsätzlich wandelt ein Sensor die zu erfassende Messgröße in ein elektrisches Signal, das über eine durch eine Sensorkennlinie repräsentierte Übertragungsfunktion des Sensors mit der Messgröße korreliert ist. Das zunächst als elektrisches Signal, beispielsweise als Messspannung, anfallende Messsignal kann mittels einer Auswertungsschaltung weiterverarbeitet, zum Beispiel digitalisiert und in der physikalischen Einheit der zu ermittelnden Messgröße ausgegeben und zur Anzeige gebracht werden.
Messeinrichtungen, die in der Prozessmesstechnik oder in der Analysemesstechnik zum Einsatz kommen, können ein Gehäuse umfassen, in dem der Sensor, die Auswertungsschaltung und eine Anzeigevorrichtung integriert sind. Für komplexere Auswertungen, insbesondere zur Speicherung und/oder Verarbeitung von Messwerten und/oder zur Steuerung oder Regelung von Prozessen unter Verwendung der von der Messeinrichtung erfassten Messwerte kann die Messeinrichtung Mittel zur Datenverarbeitung umfassen. Diese können beispielsweise in Form eines Messumformers, eines Computers oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) ausgestaltet sein. In der Analysemesstechnik werden in vielen Anwendungen Sensoren eingesetzt, deren Lebensdauer erheblich kürzer ist als die der Auswertungsschaltung, der Anzeigevorrichtung oder der Mittel zur Datenverarbeitung. Dies gilt beispielsweise für pH-Sensoren, ionenselektive Elektroden sowie für optische oder amperometrische Sensoren zur Erfassung von Konzentrationen bestimmter Substanzen im Messmedium. Darüber hinaus umfassen manche dieser Sensoren auch Verbrauchsmaterialien, die eine wesentlich geringere Lebensdauer besitzen, als die der Sensoren. Häufig sind in diesen Anwendungen die Sensoren als austauschbare Einheiten, z.B. in Form von Messsonden, ausgestaltet, die von der Anzeigevorrichtung, der gesamten oder zumindest einem Teil der Auswertungsschaltung oder den Mitteln zur weitergehenden Datenverarbeitung abgesetzt sind, und die über eine Kabelverbindung oder drahtlos mit diesen kommunizieren. Dabei kann zumindest ein Teil der Auswertungsschaltung in Form einer Vor-Ort-Elektronik Bestandteil des austauschbaren Sensors sein.
Reale Sensoren weichen aufgrund von Alterung durch den Einfluss äußerer, den Sensor belastender, Bedingungen wie auch aufgrund innerer Veränderungen mit der Zeit immer stärker vom Idealverhalten ab. Diese Abweichung vom Idealverhalten resultiert in einer Verschiebung der Messketten-Kennlinie. Es ist daher gängige Praxis, die Sensoren von Zeit zu Zeit zu warten und gegebenenfalls eine Kompensation der Abweichung durchzuführen. Ganz üblich ist dies bei elektrochemischen Sensoren wie pH-Elektroden, ionenselektiven Elektroden, amperometrischen Sauerstoffsensoren, insbesondere Gelöstsauerstoffsensoren, sowie anderen amperometrischen Sensoren und auch bei Leitfähigkeitssensoren. Eine solche Kompensation, bei der der Anzeigewert des Sensors an den wahren Wert der Messgröße angeglichen wird, wird als Justage bezeichnet. Da in der Prozessmesstechnik jedoch für diesen Vorgang in der Regel der nicht ganz zutreffende Begriff „Kalibrierung“ verwendet wird, wird diese Bezeichnung auch hier und im Folgenden beibehalten.
Das Ende der Lebensdauer des Sensors ist erreicht, wenn seine Alterung so weit fortgeschritten ist, dass trotz Kalibrierung eine Verlässlichkeit der von dem Sensor gelieferten Messwerte nicht mehr gewährleistet ist. In diesem Fall wird -je nach Art der Messeinrichtung - entweder die gesamte Messeinrichtung außer Betrieb genommen und durch eine neue ersetzt oder es wird der Sensor oder die aufgebrauchten Verbrauchsmaterialien ausgetauscht.
Die Alterung eines Sensors, die zu einer Änderung der Übertragungsfunktion und damit der Sensorkennlinie führt, hängt auch von den Umgebungsbedingungen ab, denen der Sensor ausgesetzt ist. So ist es beispielsweise bekannt, dass hohe Temperaturen den Alterungsprozess beschleunigen. Auch Sensoren, die im Betrieb mit chemisch aggressiven Messmedien, beispielsweise starken Säuren oder Laugen, in Kontakt kommen oder die starken mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, z.B. Sensoren die im Betrieb von einem Medium mit hoher Schmutzfracht umströmt werden oder die hohen Drücken ausgesetzt sind, können überproportional schnell altern.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands eines von mehreren Sensoren anzugeben, wobei der Zustand eine Aussage über die Verlässlichkeit der von dem Sensor gelieferten Messwerte treffen soll.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Zustandsbestimmung von Sensoren zur Erfassung von n physikalischen oder chemischen Prozessparametern eines Mediums,
umfassend die Schritte:

a) Einteilen jeder der i = 1, 2, ... n Prozessparameter in m Parameterbereiche j = a, b...m, innerhalb derer der vom jeweiligen Sensor erfasste Prozessparameter i sich aufhalten kann;
b) Aufspannen eines Belastungstensors n-ter Stufe B_n, wobei jedes der Belastungstensorelemente B(j₁, j₂, ... j_n) eine Null ist,
c) Ermitteln einer Betriebsdauer T_B(j_i), während dessen der i-te Prozessparameter sich innerhalb des j-ten Parameterbereiches aufhält,
d) Addieren der jeweiligen Betriebsdauer T_B(j_i) zu dem korrespondierenden Belastungstensorelement B(j₁, j₂, ... j_n),

e) Multiplizieren jeder der Belastungstensorelemente B(j₁, j₂, ... j_n) jeweils mit einem Gewichtungsfaktor g(j₁, j₂, ... j_n) eines Gewichtungstensors G(j₁, j_2, ... j_n) zu gewichteten Belastungstensorelementen B_G(j₁, j₂, ... j_n), wobei der Gewichtungstensor G(j_i, j₂, ... j_n) empirisch für einen bestimmten Sensor (S_x) ermittelt wird,
f) Aufaddieren aller gewichteten Belastungstensorelemente B_G(j₁, j₂, ... j_n) zu einem Gesamtbelastungswert (GBW),
g) Wiederholen der Schritte c) bis f) nach bestimmten Zeitintervallen, bis der Gesamtbelastungswert (GBW) einen Gesamtbelastungsgrenzwert (GBGW) überschreitet und ein Alarm (A) zum Austauschen des Sensors (S_x) ausgelöst wird.

Gemäß einer günstigen Variante wird ein Gradient des Gesamtbelastungswerts (GBW) nach jedem Zeitintervall ermittelt, wobei ein Alarm ausgelöst wird, sobald der Gradient des Gesamtbelastungswerts (GBW) einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird ein Differenz-Tensor DT(j₁, j₂, ... j_n) ermittelt, der sich aus der Differenz zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Belastungstensoren B_G(j₁, j₂, ... j_n) ergibt, wobei die Differenz-Tensorelemente DT(j₁, j₂, ... j_n) zur Überprüfung der Prozessstabilität herangezogen werden können. Sind die jeweiligen Differenz-Tensorelemente DT(j₁, j₂, ... j_n) relativ klein, dann deutet dies auf einen stabilen Prozess hin. Sind die jeweiligen Differenz-Tensorelemente DT(j₁, j₂, ... j_n) dagegen relativ groß, dann deutet dies auf einen instabilen Prozess hin.
Gemäß einer günstigen Weiterbildung handelt es sich bei den Prozessparametern um Temperatur, pH-Wert, Chlorkonzentration, Leitfähigkeit, Trübung, gelöster Sauerstoff oder Redoxgehalt.
Gemäß einer günstigen Variante werden die bestimmten Zeitintervalle durch Trigger-Ereignisse definiert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Überschreitung des Gradienten des Gesamtbelastungswerts über einen Grenzwert ein Trigger-Ereignis.
Gemäß einer vorteilhaften Variante ist ein Wechsel des Parameterbereichs ein Trigger-Ereignis.
Im Folgenden wird die Erfindung näher anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

1: einen Längsschnitt eines mit einem Medium gefüllten Prozessbehälters mit drei Sensoren,
2: ein Belastungstensor dritter Stufe,
3: ein Gewichtungstensor dritter Stufe,
4: Verlauf des Gesamtbelastungswerts im Laufe der Zeit,
5: Verlauf des Gradienten des Gesamtbelastungswerts,
6: ein Differenz-Tensor dritter Stufe.

1 zeigt einen Prozessbehälter 2 in dem ein Medium 3 angeordnet ist. In dem Prozessbehälter 2 sind drei verschiedene Sensoren S₁ bis S₃ integriert. Der Sensor S₁ ist ein Chlor-Sensor und ermittelt den Chlor-Gehalt des Mediums 3. Der Sensor S₂ ist ein pH-Sensor und ermittelt den pH-Wert des Mediums 3. Der Sensor S₃ ist ein Temperatursensor und ermittelt die Temperatur des Mediums 3. Die Sensoren S₁ bis S₃ erfassen also insgesamt n = 3 Prozessparameter.
Die Temperatur T (i = 1) kann beispielsweise in vier verschiedene Temperaturbereiche (j = a₁, b₁, c₁, d₁) eingeteilt werden:

a₁:T<20°C
b₁: 20°C ≤ T ≤ 40°C
c₁: 40°C≤T≤60°C
d₁: 60°C < T

Der pH-Wert (i = 2) kann in drei verschiedene pH-Wert-Bereiche (j = a₂, b₂, c₂) eingeteilt werden:

a₂: pH < 6
b₂: 6 ≤ pH ≤ 8
c₂: pH > 8

Die Chlorkonzentration C wird in vier verschiedene Chlorkonzentrationsbereiche (j = a₃, b₃, c₃, d₃) eingeteilt:

a₃: C < 5 mg/l
b₃: 5 mg/l ≤ C < 10 mg/l
c₃: 10 mg/l ≤ C ≤ 15 mg/l
d₃: 15 mg/l < C

Zu Beginn des Verfahrens wird ein Belastungstensor dritter Stufe B₃ mit Nullen als Belastungstensorelemente B(j₁, j₂, j₃) aufgespannt. Der Belastungstensor B₃ wird durch die Vektoren j₁, j₂ und j₃ aufgespannt, wobei j₁ die Temperaturbereiche, j₂ die pH-Wert-Bereiche und j₃ die Chlorkonzentrationsbereiche (siehe oben) definiert wird.
Dann ermitteln die Sensoren S₁ bis S₃ beispielsweise einmal in jeder Stunde alle Prozessparameter. Tabelle 1 zeigt für die Sensoren S₁ bis S₃ (siehe 1) beispielhaft ermittelte Prozessparameter. Tabelle 1: Erfasste Prozessparameter zu jeder Stunde

Stunde S₁ Temperatur [°C] S₂ pH S₃ Chlorgehalt [mg/L]

0 35 5,2 12,5

1 20 5,5 15,0

··· ··· ··· ···

19 40 5,5 13,9
Nach einer Stunde befand sich die Temperatur zwischen 20 und 40 °C, der pH-Wert war kleiner als 6 und das Chlorgehalt betrug zwischen 10 und 15 mg/L. Also wird die Betriebsdauer T_B = 1 Stunde zu dem Belastungstensorelement B(b₁, a₂, c₃) hinzugefügt. Diese Schritte werden während des gesamten Prozesses wiederholt und die ermittelten Betriebsdauer T_B in die entsprechenden Belastungstensorelemente eingefügt. 2 zeigt ein Beispiel eines Belastungstensors dritter Stufe B₃ mit den oben definierten Parameterbereichen (siehe 1). Der Belastungstensor B₃ hat insgesamt $\prod_{i = 1}^{n = 3} j_{i} = 4 \cdot 3 \cdot 4 = 48$
Belastungstensorelemente.
Ferner existiert zu jedem der Sensoren S₁ bis S₃ jeweils ein Gewichtungstensor G₁ bis G₃ mit Gewichtungstensorelementen G(j₁, j₂, j₃), die Gewichtungsfaktoren darstellen. Die Gewichtungsfaktoren G(j₁, j₂, j₃) werden für jeden der Sensoren S₁ bis S₃ empirisch ermittelt.
3 zeigt einen empirisch ermittelten Gewichtungstensor G₃ des Chlor-Sensors. Der Gewichtungstensor G₃ weist exakt die gleiche Anzahl an Gewichtungstensorelementen auf wie der Belastungstensortensor (siehe 2), nämlich 48.
Die Gesamtbelastung wird nun folgendermaßen ermittelt. Jedes der Belastungstensorelemente B(j₁, j₂, j₃) wird mit dem korrespondierenden Gewichtungstensorelement G(j₁, j₂, j₃) multipliziert, um einen gewichteten Belastungstensor B_G(j₁, j₂, j₃) mit gewichteten Belastungstensorelementen B_G(j₁, j₂, j₃) zu erhalten. Werden sämtliche gewichtete Belastungstensorelemente B_G(j₁, j₂, j₃) addiert, erhält man einen Gesamtbelastungswert GBW. Der Gesamtbelastungswert GBW wird während des gesamten Prozesses ermittelt.
4 zeigt einen Verlauf des Gesamtbelastungswerts GBW im Laufe von 10 Stunden. Nach 9,5 Stunden erreicht der Gesamtbelastungswert GBW einen Gesamtbelastungsgrenzwert GBGW. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Alarm A ausgelöst, der dem Anwender sagt, dass der Chlor-Sensor ausgetauscht werden muss.
5 zeigt einen Gradienten des Gesamtbelastungswerts GBW. Zwischen der ersten und zweiten Stunde und zwischen der siebten und achten Stunde und ab der neunten Stunde erreicht der Gradient einen Grenzwert bei 20. Daraufhin wird ein Alarm A erzeugt, der den Anwender darauf aufmerksam macht, dass im Prozess Bedingungen auftraten, die eine erhebliche Zunahme der Belastung für den Sensor bedeuteten.
6 zeigt ein Differenz-Tensor DT(j₁, j₂) dritter Stufe, der sich aus der Differenz zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Belastungstensoren B_G(j₁, j₂) ergibt. Die jeweiligen Differenz-Tensorelemente DT(j₁, j₂) eines älteren Differenz-Tensors DT(j₁, j₂) werden von den entsprechenden Differenz-Tensorelemente DT(j₁, j₂) eines jüngeren Differenz-Tensors DT(j₁, j₂, ... j_n) abgezogen. Die Differenz-Tensorelemente DT(j₁, j₂) werden zur Überprüfung der Prozessstabilität herangezogen werden. Beträgt ein Differenz-Tensorelement DT(j₁, j₂) 25 Stunden, dann kann von einem stabilen Prozess ausgegangen werden. Beträgt ein Differenz-Tensorelement DT(j₁, j₂) 50 Stunden, dann wird von einem mittelstabilen Prozess ausgegangen. Beträgt ein Differenz-Tensorelement DT(j₁, j₂) 100 Stunden, dann wird der Prozess als instabil eingestuft.
Bezugszeichenliste

1: Feldgerät
2: Prozessbehälter
3: Medium
S₁: Temperatursensor
S₂: pH-Sensor
S₃: Chlor-Sensor
GBW: Gesamtbelastungswert
GBGW: Gesamtbelastungsgrenzwert
A: Alarm
4: Gradient des Gesamtbelastungswerts
5: Grenzwert für den Gradienten des Gesamtbelastungswerts

Claims

Verfahren zur Zustandsbestimmung von Sensoren zur Erfassung von n physikalischen oder chemischen Prozessparametern eines Mediums (3), umfassend die Schritte: a) Einteilen jeder der i = 1, 2, ... n Prozessparameter in m Parameterbereiche j = a, b...m, innerhalb derer der vom jeweiligen Sensor erfasste Prozessparameter i sich aufhalten kann; b) Aufspannen eines Belastungstensors n-ter Stufe B_n, wobei jedes der Belastungstensorelemente B(j₁, j₂, ... j_n) eine Null ist, c) Ermitteln einer Betriebsdauer T_B(j_i), während dessen der i-te Prozessparameter sich innerhalb des j-ten Parameterbereiches aufhält, d) Addieren der jeweiligen Betriebsdauer T_B(j_i) zu dem korrespondierenden Belastungstensorelement B(j₁, j₂, ... j_n), gekennzeichnet durch, e) Multiplizieren jeder der Belastungstensorelemente B(j₁, j₂, ... j_n) jeweils mit einem Gewichtungsfaktor g(j₁, j₂, ... j_n) eines Gewichtungstensors G(j₁, j₂, ... j_n) zu gewichteten Belastungstensorelementen B_G(j₁, j₂, ... j_n) eines gewichteten Belastungstensors B_G(j₁, j₂, ... j_n), wobei der Gewichtungstensor G(j₁, j₂, ... j_n) empirisch für einen bestimmten Sensor (S_x) ermittelt wird, f) Aufaddieren aller gewichteten Belastungstensorelemente B_G(j₁, j₂, ... j_n) zu einem Gesamtbelastungswert (GBW), g) Wiederholen der Schritte c) bis f) nach bestimmten Zeitintervallen, bis der Gesamtbelastungswert (GBW) einen Gesamtbelastungsgrenzwert (GBGW) überschreitet und ein Alarm (A) zum Austauschen des Sensors (S_x) ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Gradient des Gesamtbelastungswerts (GBW) nach jedem Zeitintervall ermittelt wird, und wobei ein Alarm ausgelöst wird, sobald der Gradient des Gesamtbelastungswerts (GBW) einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Differenz-Tensor DT(j₁, j₂, ... j_n) ermittelt wird, der sich aus der Differenz zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Belastungstensoren B_G(j₁, j₂, ... j_n) ergibt, und wobei die Differenz-Tensorelemente DT(j₁, j₂, ... j_n) zur Überprüfung der Prozessstabilität herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei den Prozessparametern um Temperatur, pH-Wert, Chlorkonzentration, Leitfähigkeit, Trübung, gelöster Sauerstoff oder Redoxgehalt handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die bestimmten Zeitintervalle durch Trigger-Ereignisse definiert werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Überschreitung des Gradienten des Gesamtbelastungswerts (GBW) über einen Grenzwert (5) ein Trigger-Ereignis ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Wechsel des Parameterbereichs ein Trigger-Ereignis ist.