DE102017123499A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Sensorgüte eines Sensors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung einer Sensorgüte eines Sensors, der an einer Messstelle in einem Prozessbehälter angeordnet ist, wobei der Sensor mindestens einen physikalischen oder chemischen Prozessparameter innerhalb eines, in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses erfasst, umfassend Kalibrieren des Sensors, mittels mindestens eines, insbesondere zweier Kalibriermesswerte, Ermitteln einer aktuellen Steilheit (S) und eines aktuellen Nullpunkts (N) einer Kalibriergeraden anhand der Kalibriermesswerte, Ermitteln einer Steilheitsgüte (Stg) und einer Nullpunktgüte (Ng), wobei die Steilheitsgüte (Stg) aus der aktuellen Steilheit (S) und einem vorgegebenen Schwellenwert der Steilheit (S) ermittelt wird, und wobei die Nullpunktgüte (Ng) aus dem aktuellen Nullpunkt (N) und mindestens einem vorgegebenen Schwellenwert des Nullpunkts (N) ermittelt wird, Ermitteln einer Kalibriergüte (Kg) aus einem Mittelwert aus Steilheitsgüte (Stg) und Nullpunktgüte (Ng), Ermitteln der Sensorgüte (Seg) aus Kalibriergüte (Kg) und einer Restlaufzeit (T_rest) pro Kalibrierintervall (T_kal).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Sensorgüte eines Sensors und eine Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• In der Prozessmesstechnik und im Bereich der Gas- und Flüssigkeitsanalyse werden zur Erfassung und Überwachung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen Messeinrichtungen eingesetzt. Sensoren sind dabei Bestandteil 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, Konzentration bestimmter Ionen oder Konzentration 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. Das zunächst als elektrisches Signal, beispielsweise als Messspannung, anfallende Messsignal kann mittels einer Auswertungsschaltung weiterverarbeitet, beispielsweise digitalisiert, werden, und in der physikalischen Einheit der zu ermittelnden Messgröße ausgegeben und zur Anzeige gebracht werden.
• Für komplexere Auswertungen kann eine Messeinrichtung, wie beispielsweise in Form eines Messumformers, verwendet werden. In der Analysemesstechnik werden in vielen Anwendungen Sensoren eingesetzt, deren Lebensdauer erheblich kürzer ist als die des Messumformers. Dies gilt beispielsweise für pH-Sensoren. Deshalb sind in diesen Anwendungen die Sensoren als austauschbare Einheiten, z.B. in Form von Messsonden, ausgebildet.
• Die Sensoren weichen aufgrund von Alterung durch den Einfluss äußerer, den Sensor belastenden Bedingungen, wie auch aufgrund innerer Veränderungen mit der Zeit immer stärker vom Idealverhalten ab. Diese Abweichung vom Idealverhalten resultiert in einer Verschiebung der Sensorkennlinie. 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 werden kann.
• Daher besteht im Messumformer eine Funktion zur Ermittlung der Kalibriergültigkeit. Die Kalibriergültigkeit vergleicht das Datum der jüngsten Sensorkalibrierung mit einer vorgegebenen Restlaufzeit. Die Restlaufzeit kann individuell eingestellt werden. Nach Ablauf der Restlaufzeit wird eine Warnmeldung generiert. Während der Restlaufzeit liefert der Sensor stetig schlechtere Messwerte.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer Sensorgüte eines Sensors anzugeben, welche der sich während der Restlaufzeit bis zum Ende des Kalibrierintervalls verändernden Kalibriergültigkeit Rechnung trägt.
• Die Aufgabe der Erfindung wird mittels des Gegenstands der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Sensorgüte eines Sensors, der an einer Messstelle in einem Prozessbehälter angeordnet ist, wobei der Sensor mindestens einen physikalischen oder chemischen Prozessparameter innerhalb eines, in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses erfasst, umfassend Kalibrieren des Sensors, mittels mindestens eines, insbesondere zweier Kalibriermesswerte, Ermitteln einer aktuellen Steilheit und eines aktuellen Nullpunkts einer Kalibriergeraden anhand der Kalibriermesswerte, Ermitteln einer Steilheitsgüte und einer Nullpunktgüte, wobei die Steilheitsgüte aus der aktuellen Steilheit und einem vorgegebenen Schwellenwert der Steilheit ermittelt wird, und wobei die Nullpunktgüte aus dem aktuellen Nullpunkt und mindestens einem vorgegebenen Schwellenwert des Nullpunkts ermittelt wird, Ermitteln einer Kalibriergüte aus einem Mittelwert aus Steilheitsgüte und Nullpunktgüte, Ermitteln der Sensorgüte (Seg) aus Kalibriergüte und einer Restlaufzeit pro Kalibrierintervall.
• Die Sensorgüte wird also durch die Kalibriergüte und der Restlaufzeit pro Kalibrierintervall ermittelt. Die Sensorgüte ist also ein sich kontinuierlich verändernder Wert zwischen 0% und 100%, der die Güte der ermittelten Messwerte angibt. Hat der Anwender beispielsweise bei einem Sensor ein Kalibrierintervall von 12 Monaten eingestellt, dann ist seine Sensorgüte zu Beginn am höchsten, nämlich 100%, sinkt jedoch im Laufe der Zeit ab.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Kalibriergüte aus einem gewichteten Mittelwert aus Steilheitsgüte und Nullpunktgüte ermittelt.
• Gemäß einer vorteilhaften Variante wird die Sensorgüte aus der gewichteten Kalibriergüte und der Restlaufzeit pro Kalibrierintervall ermittelt.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird als Sensor ein pH Sensor verwendet.
• Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls durch eine Messeinrichtung gelöst. Die Messeinrichtung, umfassend eine Messstelle und einen in einem Prozessbehälter integrierten Sensor mit einer Auswerteschaltung, welche dazu ausgestaltet ist, ein Sensormesssignal zu erzeugen und eine mit dem Sensor verbundene übergeordnete Einheit, welche dazu ausgestaltet ist, das Sensormesssignal zu empfangen und gegebenenfalls weiterzuverarbeiten, wobei in der Auswerteschaltung und/oder in der übergeordneten Einheit eine der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Auswerteeinheit vorgesehen ist.
• Das Verfahren zur Bestimmung einer Sensorgüte eines pH-Sensors läuft folgendermaßen ab. Der Sensor wird an einer Messstelle in einem Prozessbehälter angeordnet. Der Sensor erfasst mindestens einen physikalischen oder chemischen Prozessparameter innerhalb eines in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses.
• Der Sensor wird in bestimmten Zeitintervallen anhand mindestens zweier Kalibrierflüssigkeiten kalibriert, die jeweils voneinander abweichende Werte der mittels des Sensors zu bestimmenden Messgröße, hier unterschiedliche pH-Werte, aufweisen. Aus der Kalibrierung wird eine Kalibriergerade ermittelt, die eine durch Steilheit S und einen Nullpunkt N definiert ist. Mittels der Steilheit S und dem Nullpunkt N wird eine Steilheitsgüte Stg entsprechend folgender Formel ermittelt. $$Stg=1-\frac{Abs\left(S_0-S_{akt}\right)}{S_0-S_{unter}}$$

  
• Dabei ist S₀ die Steilheit eines frisch kalibrierten pH-Sensors, nämlich z. B. 59,15 mV/pH, S_akt die aktuelle Steilheit und S_unter eine untere Grenze für die Steilheit, wobei S_unter typischerweise 50 mV/pH beträgt. Die Nullpunktgüte wird entsprechend folgender Formel berechnet. $$Ng=Max\left(1-\frac{Abs\left(N_0-N_{akt}\right)}{N_0-N_{br}};0\right)$$

  
• Dabei ist N₀ der Nullpunkt eines frisch kalibrierten pH-Sensors, nämlich z. B. 7, N_akt der aktuelle Nullpunkt und N_gr eine Grenze für den Nullpunkt, der typischerweise +/- 2 pH beträgt. Eine Kalibriergüte Kg kann nun aus einem Mittelwert aus Steilheitsgüte Stg und Nullpunktgüte Ng ermittelt werden. $$Kg=\frac{G\ast Stg+ng}{G+1}$$

  
• Dabei ist G ein Gewichtungsfaktor, der auch 1 sein kann.
• Aus Formel 1 ergibt sich bei einer aktuellen Steilheit von 59,15 mV/pH, eine Steilheitsgüte von 1. Aus Formel 2 ergibt sich bei einem aktuellen Nullpunkt von pH = 7, eine Nullpunktgüte von 1. Somit beträgt entsprechend Formel 3 die Kalibriergüte Kg= 1.
• Erreicht die aktuelle Steilheit dagegen ihren unteren Grenzwert von 50 mV/pH, dann ergibt sich entsprechend Formel 1 eine Steilheitsgüte Stg von 0. Ist der Nullpunkt der Kalibriergeraden bei einem pH-Wert von 5, dann beträgt die Nullpunktgüte Ng = 0. Daraus ergibt sich entsprechend Formel 3 eine Kalibriergüte Kg = 0. Bei wiederholter Kalibrierung mit dem gleichen Messergebnis ist die Elektrode außer Betrieb zu nehmen. Die Kalibriergüte Kg bewegt sich zwischen 0 und 1 bzw. 0 - 100 %.
• Die Sensorgüte Seg ergibt sich aus Kalibriergüte Kg und die Restlaufzeit des Kalibrierintervalls. $$Seg=\frac{\frac{T_{rest}}{T_{kal}}+G\ast Kg}{G+1}$$

  
• Dabei sind T_kal das Kalibrierintervall, T_rest eine Restlaufzeit des Kalibrierintervalls T_kal und G ein Gewichtungsfaktor der Kalibriergüte Kg.
• Zu diesen Berechnungen werden nun vier Beispielrechnungen durchgeführt.
• Beispiel
• Ein alter Sensor mit neuer Kalibrierung hat eine Restlaufzeit T_rest, die gleich dem Kalibrierintervall T_kal ist (T_rest = T_kal). Solch ein Sensor unterschreitet jedoch die unteren Grenzen für die Steilheit S (S_unter = 50 mV/pH) oder den Nullpunkt (N = 5 pH) und hat deshalb eine Kalibriergüte von Kg = 0. Daraus folgt bei einem Gewichtungsfaktor von G = 9 eine Sensorgüte von 10 %: $$Seg=\frac{1+9\ast 0}{9+1}=\mathrm{0,1}$$

  
• Bespiel
• Ein Sensor mit abgelaufener Restlaufzeit T_rest = 0 und einer Kalibriergüte Kg = 0,95, weist eine Sensorgüte Seg von 85,5 % auf: $$Seg=\frac{0+9\ast \mathrm{0,95}}{9+1}=\mathrm{0,855}$$

  
• Beispiel
• Wird der Sensor aus dem 2. Beispiel erneut kalibriert, dann springt die Sensorgüte Seg auf 95,5%: $$Seg=\frac{1+9\ast \mathrm{0,95}}{9+1}=\mathrm{0,95}$$

  
• Beispiel
• Ein im Prozess befindlicher Sensor wurde zuletzt vor einem Monat kalibriert und wies eine Kalibriergerade mit einer Steilheit S = 55 mV/pH und einen Nullpunkt N = 6,5 pH auf. Der Gewichtungsfaktor der Kalibriergüte Kg und der Sensorgüte Seg wird mit G = 9 angenommen. Der Kalibrierintervall T_kal soll 3 Monate betragen.
• Daraus ergibt sich für die Steilheitsgüte Stg = 54,6 %, Nullpunktsgüte Ng = 75 %, Kalibriergüte Kg = 56,6 % und Sensorgüte Seg = 54,3 % entsprechend folgender Berechnungen: $$Stg=1-\frac{Abs\left(\mathrm{59,15}-55\right)}{\mathrm{59,15}-50}=\mathrm{0,546}$$

  

  $$Ng=Max\left(1-\frac{Abs\left(7-\mathrm{6,5}\right)}{7-5};0\right)=\mathrm{0,75}$$

  

  $$Kg=\frac{9\ast \mathrm{0,546}+\mathrm{0,75}}{9+1}=\mathrm{0,566}$$

  

  $$Seg=\frac{1\text{/}3+9\ast \mathrm{0,566}}{9+1}=\mathrm{0,543}$$

  
• Bei abgelaufenem Kalibrierintervall wäre die Seg bei 50,9 %.
• Bei einem Gewichtungsfaktor von G = 1 würde sich für die Sensorgüte Seg folgender Wert ergeben: $$Seg=\frac{1\text{/}3+1\ast \mathrm{0,566}}{1+1}=\mathrm{0,283}$$

  
• Mit dem Gewichtungsfaktor G lässt sich die Stärke des Einflusses der Restlaufzeit auf die Sensorgüte Seg bestimmen; Je nachdem wie deutlich eine Neukalibrierung forciert werden soll. Ist das Kalibrierintervall abgelaufen, dann wird die Restlaufzeit T_rest = 0 und die Sensorgüte Seg minimal. In diesem Fall ist die Unsicherheit über die Verlässlichkeit des Messwerts am Größten. Ist der Sensor noch in Ordnung, kann seine Sensorgüte Seg mit einer neuen Kalibrierung wieder auf ein Maximum erhöht werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Sensorgüte eines Sensors, der an einer Messstelle in einem Prozessbehälter angeordnet ist, wobei der Sensor mindestens einen physikalischen oder chemischen Prozessparameter innerhalb eines, in dem Prozessbehälter durchgeführten Prozesses erfasst, umfassend Kalibrieren des Sensors, mittels mindestens eines, insbesondere zweier Kalibriermesswerte, Ermitteln einer aktuellen Steilheit (S) und eines aktuellen Nullpunkts (N) einer Kalibriergeraden anhand der Kalibriermesswerte, Ermitteln einer Steilheitsgüte (Stg) und einer Nullpunktgüte (Ng), wobei die Steilheitsgüte (Stg) aus der aktuellen Steilheit (S) und einem vorgegebenen Schwellenwert der Steilheit (S) ermittelt wird, und wobei die Nullpunktgüte (Ng) aus dem aktuellen Nullpunkt (N) und mindestens einem vorgegebenen Schwellenwert des Nullpunkts (N) ermittelt wird, Ermitteln einer Kalibriergüte (Kg) aus einem Mittelwert aus Steilheitsgüte (Stg) und Nullpunktgüte (Ng), Ermitteln der Sensorgüte (Seg) aus Kalibriergüte (Kg) und einer Restlaufzeit (T_rest) pro Kalibrierintervall (T_kal).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kalibriergüte (Kg) aus einem gewichteten Mittelwert aus Steilheitsgüte (Stg) und Nullpunktgüte (Ng) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensorgüte (Seg) aus der gewichteten Kalibriergüte (Kg) und dem Quotienten aus der Restlaufzeit (T_rest) und dem Kalibrierintervalls (T_kal).
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Sensor ein pH-Sensor verwendet wird.
5. Messeinrichtung, umfassend eine Messstelle und einen in einem Prozessbehälter integrierten Sensor mit einer Auswerteschaltung, welche dazu ausgestaltet ist, ein Sensormesssignal zu erzeugen und eine mit dem Sensor verbundene übergeordnete Einheit, welche dazu ausgestaltet ist, das Sensormesssignal zu empfangen und gegebenenfalls weiterzuverarbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteschaltung und/oder in der übergeordneten Einheit eine der Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche dienende Auswerteeinheit vorgesehen ist.