DE10209318A1

DE10209318A1 - Verfahren zur Ermittlung der verschleißabhängigen Reststandzeit eines elektrochemischen Messsensors

Info

Publication number: DE10209318A1
Application number: DE2002109318
Authority: DE
Inventors: Heinz Wohlrab; Burkhard Riese; Dirk Schwarzhans
Original assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: KNICK ELEKTRONISCHE MESSGERAETE GMBH & CO. KG, 1416
Priority date: 2002-03-02
Filing date: 2002-03-02
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2022-03-03
Also published as: DE10209318B4

Abstract

Ein Verfahren zur Ermittlung der verschleißabhängigen Reststandzeit eines elektrochemischen Messsensors weist folgende Verfahrensschritte auf: DOLLAR A - Festlegung eines für die Funktion oder den Verschleiß des Sensors relevanten Parameters als Basis für die Reststandzeit-Ermittlung, DOLLAR A - Festlegung mindestens eines Grenzwertes für diesen Parameter, DOLLAR A - wiederholte Ermittlung des Wertes dieses Parameters, DOLLAR A - Extrapolation der Wertentwicklung dieses Parameters aus diesen vorher ermittelten Parameter-Werten, DOLLAR A - Ermittlung des die Reststandzeit darstellenden Zeitintervalls zwischen Extrapolation und Überschreiten des Grenzwertes durch den extrapolierten Parameter-Wert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der verschleißabhängigen Reststandzeit eines elektrochemischen Messsensors.
Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass insbesondere bei in der Analysenmesstechnik eingesetzten Sensoren, wie beispielsweise pH- oder Sauerstoffsensoren, ein ständiger Verschleiß durch Wechselwirkung mit dem Messmedium festzustellen ist. Wie schnell dieser Verschleiß vonstatten geht, hängt dabei von verschiedenen Faktoren, wie der stofflichen Zusammensetzung, der Temperatur und der Konzentration des Messmediums ab.
Aufgrund des erörterten Verschleißes sind die Sensoren in mehr oder weniger regelmäßigen Intervallen zu warten oder auszutauschen. Dies bedingt insbesondere bei industriellen Anlagen, in denen eine Vielzahl solcher Sensoren zum Einsatz kommt, einen hohen logistischen Aufwand bei der Planung der Wartungsarbeiten und insbesondere -intervalle. Um hier eine Vereinfachung und Reduzierung des entsprechenden Aufwandes zu erreichen, wäre es wünschenswert, den Verschleiß der Sensoren zu überwachen und daraus einen voraussichtlichen Ausfallzeitpunkt zu ermitteln.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die verschleißabhängige Reststandzeit eines elektrochemischen Messsensors ermittelt werden kann. Diese Aufgabe wird laut Patentanspruch 1 durch ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

- Festlegung eines für die Funktion oder den Verschleiß des Sensors relevanten Parameters als Basis für die Reststandzeit-Ermittlung,
- Festlegung mindestens eines Grenzwertes für diesen Parameter,
- wiederholte Ermittlung des Wertes dieses Parameters,
- Extrapolation der Wertentwicklung dieses Parameters aus diesen vorher ermittelten Parameter-Werten,
- Ermittlung des die Reststandzeit darstellenden Zeitintervalls zwischen Extrapolation und Überschreiten des Grenzwertes durch den extrapolierten Parameter-Wert.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich der Verschleiß eines Sensors in der Veränderung eines oder mehrerer für seine Funktion oder unmittelbar für seinen Verschleiß relevanter Parameter äußert. Im Falle einer pH-Sensorelektrode sind diese Parameter beispielsweise der Nullpunkt, die Steilheit, Impedanz und Einstellzeit der Elektrode. Verlässt einer dieser Parameter einen zulässigen Wertebereich, in denen Messungen möglich und mit einer bestimmten Fehlergrenze durchführbar sind, muss der Sensor ausgetauscht werden. Da die Parameter in der Regel einem relativ reproduzierbaren Verschleißverhalten unterliegen, kann eine regelmäßige Ermittlung dieser Parameter-Werte zu einer Extrapolation des Verschleißverhaltens und damit einer Ermittlung der Reststandzeit herangezogen werden. Es wird daher in bestimmten Abständen bei der Nutzung des Messsensors gewissermaßen ein Abnutzungsvorrat durch In-Beziehung- Setzen einer zulässigen Abnutzung zu einer bereits stattgefundenen Abnutzung des Messsensors bestimmt. Aus so gewonnenen Daten kann durch Extrapolation der Parameterveränderungen eine Vorhersage des Ausfallzeitpunktes des Sensors erfolgen.
Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Reststandzeit-Ermittlung können vorzugsweise ein Grenzwert-Fenster für zulässige Parameter-Werte gesetzt bzw. mehrere Parameter gleichzeitig herangezogen werden. Im letzteren Falle wird das kürzeste ermittelte Zeitintervall bis zum Überschreiten eines Grenzwertes als relevante Reststandzeit herangezogen.
Gemäß weiteren bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens können statistische Methoden, wie die lineare Regression bzw. die Bestimmung statistischer Fehler, auf die Extrapolation angewendet werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 Diagramme des Nullpunktes bzw. der Steilheit eines pH- Sensors in Abhängigkeit der Einsatzzeit des Sensors mit Extrapolation der Reststandzeit zu verschiedenen Kalibrationszeitpunkten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in einem elektromechanischem Messgerät implementierbar, das beispielsweise mit Hilfe eines pH-Messsensors einen chemischen Prozess in einer Anlage überwacht. Bei einem solchen pH-Messsensor sind u. a. Nullpunkt und Steilheit der Sensorkennlinie für die Funktion und den Verschleiß relevante Parameter, die in Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Basis für die Reststandzeit- Ermittlung dienen. Für diese Sensorparameter Nullpunkt Np und Steilheit St werden Grenzwerte Np_g für den Nullpunkt und St_g auf der Basis praktischer Erfahrungen mit dem Sensor festgelegt. Dies erfolgt in Form eines Grenzwertfensters GWF wie folgt:
Nullpunkt/Oberer Grenzwert: Np_go = 8
Nullpunkt/Unterer Grenzwert: Np_gu = 6
Steilheit/Oberer Grenzwert: St_go = 100%
Steilheit/Unterer Grenzwert: St_gu = 80%
Dieses Grenzwertfenster GWF ist im Diagramm gemäß Fig. 1 durch eine strichpunktierte (oberer Grenzwert) bzw. grob strichlierte (unterer Grenzwert) Horizontale angedeutet.
Bei Einsetzen eines neuen pH-Sensors werden in dem Messgerät die Daten des vorherigen Sensors gelöscht und durch eine Neukalibrierung die Grunddaten des neuen Sensors ermittelt und gespeichert. Dieser Vorgang wiederholt sich mit jeder Nachkalibrierung des pH-Messsensors, sodass sich für jede Kalibrierung i(i = 1, 2, 3, . . . N) entsprechende Parameter- Werte Np_i und St_i ergeben. Mit Hilfe statistischer Methoden, wie beispielsweise der linearen Regression, kann dann die Wertentwicklung von Nullpunkt Np und Steilheit St aus den ermittelten Parameter-Werten Np_i und St_i extrapoliert werden. Durch die lineare Regression wird quasi eine Ausgleichsgerade durch die bei den Kalibrierungen bestimmten Parameter- Werte gelegt und ermittelt, wann diese Gerade die festgelegten Grenzwerte Np_go, Np_gu, St_go und St_gu über- bzw. unterschreitet. Dazu werden für eine Anzahl N von Parameter-Werten Np_i bzw. St_i der Achsenschnittpunkt a und die Steigung b der Extrapolationsgeraden durch die folgenden Formeln bestimmt:
Für eine entsprechende Extrapolationsgerade für die Steigung St sind statt der Parameter-Werte Np_i die Parameter-Werte St_i zu setzen.
Die Zeitpunkte t_fi zu denen die Parameter-Werte bei einer Extrapolation zum Zeitpunkt t_i die zulässigen Grenzen Np_g verlassen, lassen sich dann wie folgt berechnen:
Je nach dem, wie der Parameter steigt oder fällt, werden die Zeiten, zu denen die oberen und unteren Grenzen des Grenzwertfensters GWF erreicht werden, in der Zukunft oder der Vergangenheit bezogen auf die Neukalibrierung zum Zeitpunkt t_i = 0 liegen. Relevant ist natürlich nur der in der Zukunft liegende Wert. Die Reststandzeit t_Ri zu einem bestimmten Kalibrierungszeitpunkt t_i ergibt sich dann wie folgt:

t_Ri = t_f - t_i
Zur Beurteilung des statischen Fehlers σ_tf des durch Extrapolation ermittelten Zeitpunktes t_f ergibt sich aus den Parameter-Werten gemäß den folgenden Formeln:
Die vorstehende Berechnung kann erst ab einer Anzahl von drei Parameter- Werten vorgenommen werden, da sich durch zwei Messpunkte immer eine exakt bestimmte Gerade legen lässt.
Anhand der Diagramme nach Fig. 1 und 2 wird im Folgenden ein praktisches Zahlenbeispiel gegeben. So werden bei einem pH-Sensor fünf Kalibrierungen i im Abstand von ca. drei Wochen vorgenommen und für den Nullpunkt und die Steilheit die Messwerte Np_i und St_i ermittelt. Die entsprechenden Parameter-Werte sind der nachfolgenden Tabelle entnehmbar.
Unter Verwendung der obigen Formeln lassen sich dann jeweils die Größen a, b, σ_a, und σ_b, t_f und σ_tf zum Kalibrationszeitpunkt i = 4 und i = 5 zu folgenden Werten berechnen, wobei die eingangs erwähnten Größen für das Grenzwertfenster GWF angesetzt wurden:
Bei Kalibrierung i = 4, also nach 58,7 (gerundet 59) Tagen:
Der Zeitpunkt t_fi, bei dem die Steilheit St die untere Grenze erreicht, liegt bezogen auf die Neukalibrierung zum Zeitpunkt t₁ = 0 Tage bei (gerundet) 174 Tagen, während der Nullpunkt Np seine obere Grenze bei (gerundet) 177 Tagen erreicht. Bei der Kalibrierung i = 4 bestimmt also die Steilheit die Reststandzeit, die zu diesem Zeitpunkt t_Ri = 174 Tage - 59 Tage = 115 Tage ± 15 Tage beträgt. Dieser Wert kann an dem das erfindungsgemäße Verfahren implementierenden Messgerät zur Anzeige gebracht werden.
Bei Kalibrierung i = 5, also nach 80 Tagen:
Der Zeitpunkt t_fi liegt bei Zugrundelegung der Steilheit bei 179 Tagen nach der Neukalibrierung (i = 1). Der Nullpunkt erreicht seinen oberen Grenzwert Np_go bereits nach 133 Tagen, sodass in diesem Beispiel der Nullpunkt die Reststandzeit bestimmt. Diese beträgt nach der 5. Kalibrierung (i = 5) zum Zeitpunkt t_i = 80 Tage
somit t_Ri = 133 Tage - 80 Tage = 53 Tage ± 2 Tage.
Dieser Wert kann an dem Messgerät zur Anzeige gebracht werden.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der verschleißabhängigen Reststandzeit eines elektrochemischen Messsensors, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Festlegung eines für die Funktion oder den Verschleiß des Sensors relevanten Parameters (Np, St) als Basis für die Reststandzeit- Ermittlung,

- Festlegung mindestens eines Grenzwertes (Np_g, St_g) für diesen Parameter (Np, St),

- wiederholte Ermittlung des Wertes (Np_i , St_i) dieses Parameters (Np, St),

- Extrapolation der Wertentwicklung dieses Parameters (Np, St) aus diesen vorher ermittelten Parameter-Werten (Np_i , St_i),

- Ermittlung des die Reststandzeit darstellenden Zeitintervalls (t_Ri) zwischen Extrapolation und Überschreiten des Grenzwertes (Np_g, St_g) durch den extrapolierten Parameter-Wert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grenzwert-Fenster (GWF) mit einem unteren und oberen Grenzwert (Np_go, Np_gu, St_go, St_gu) für zulässige Parameter-Werte festgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrapolation der Wertentwicklung des relevanten Parameters (Np, St) auf der Basis einer linearen Regression vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei für die Funktion des Sensors relevante Parameter (Np, St) als Basis für die Ermittlung der Reststandzeit (t_Ri) herangezogen werden, wobei das kürzeste ermittelte Zeitintervall (t_Ri) zwischen Extrapolation und Überschreiten des jeweiligen Grenzwertes (Npg, Stg) die Reststandzeit darstellt.

5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein statistischer Fehler (σtf) für die ermittelte Reststandzeit (t_Ri) aus den ermittelten Parameter-Werten (Np, St) berechnet wird.

6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als relevante Parameter die Kalibrierparameter eines elektrochemischen Messsensors, insbesondere Nullpunkt (Np), Steigung (St), Impedanz oder Einstellzeit eines pH- oder Sauerstoffsensors herangezogen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Nachkalibrierung des elektrochemischen Messsensors eine Extrapolation der Wertentwicklung des jeweils relevanten Parameters (Np, St) und eine neuerliche Ermittlung der Reststandzeit (t_Ri) vorgenommen werden.

8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reststandzeit (t_Ri) an einem elektrochemischen Messgerät visuell angezeigt wird.