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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Signalabweichungen eines Sensors. Die Erfindung betrifft weiter einen Sensor zur Ausführung eines solchen Verfahrens.
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In der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Feldgeräte eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessgrößen dienen. Als Feldgeräte werden im Prinzip alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Insbesondere sollen hier Sensoren aber auch Aktoren genannt werde. Als Sensoren ausgestaltete Feldgeräte können beispielsweise Prozessmessgrößen wie Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand oder Messgrößen der Flüssigkeits- und/oder Gasanalyse wie zum Beispiel pH-Wert, Leitfähigkeit, Konzentrationen bestimmter Ionen, chemischer Verbindungen und/oder Konzentrationen oder Partialdrucke von Gasen, überwachen.
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Ist in einem Prozess die Sensorik verschmutzt, z.B. durch Belegung oder Ablagerungen wird die Messdynamik des Messsystems eingeschränkt. Übliche Methoden zur Erkennung einer Verschmutzung werden im Folgenden genannt.
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Zunächst soll vorbeugendes Reinigen erwähnt werden. Die Wirksamkeit kann jedoch nicht ausreichend verifiziert werden. Als nächste Methode zur Erkennung von Verschmutzung soll die Anregung mit einem Referenzsignal zur Überprüfung des Messsystems genannt werden. Dies ist jedoch sehr schwierig umsetzbar bei in situ Sensoren. Das nachfolgende Verfahren beschreibt, wie auch bei in situ Sensoren eine Degradierung/Verschmutzung festgestellt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verschmutzung eines Sensors zuverlässig zu erkennen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, umfassend die Schritte: Bestimmen eines ersten Kurvenverlaufs eines Messwerts innerhalb eines ersten Zeitfensters; Bestimmen eines zweiten Kurvenverlaufs eines Messwerts innerhalb eines zweiten Zeitfensters, wobei das zweite Zeitfenster nach dem ersten Zeitfenster stattfindet; Vergleichen des ersten mit dem zweiten Kurvenverlauf, und Ergreifen von zumindest einer Maßnahme, wenn sich der erste von dem zweiten Kurvenverlauf um mehr als einen Toleranzwert unterscheidet.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Bestimmen eines ersten Kurvenverlaufs die Schritte Bestimmen eines ersten Maximums (Max1) und eines ersten Minimums (Min1) eines Messwerts (U) des Sensors innerhalb eines ersten Zeitfensters (T1); wobei das Verfahren weiter den Schritt Bestimmen einer ersten Differenz aus erstem Maximum (Max1) und erstem Minimum (Min1) umfasst; wobei das Bestimmen eines zweiten Kurvenverlaufs die Schritte Bestimmen eines zweiten Maximums (Max2) und eines zweiten Minimums (Min2) eines Messwerts (U) des Sensors innerhalb eines zweiten Zeitfensters (T2), wobei das zweite Zeitfenster (T2) nach dem ersten Zeitfenster (T1) stattfindet umfasst, wobei das Verfahren weiter den Schritt; Bestimmen einer zweiten Differenz aus zweitem Maximum (Max2) und zweitem Minimum (Min2) umfasst; Wobei das Vergleichen des ersten mit dem zweiten Kurvenverlauf die Schritte Vergleichen der ersten mit der zweiten Differenz umfasst, und wobei das Verfahren weiter den Schritt; Ergreifen von zumindest einer Maßnahme, wenn sich die erste von der zweiten Differenz um mehr als einen Toleranzwert unterscheidet.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren die Schritte: Bestimmen eines ersten Maximums und eines ersten Minimums eines Messwerts des Sensors innerhalb eines ersten Zeitfensters; Bestimmen einer ersten Differenz aus erstem Maximum und erstem Minimum; Bestimmen eines zweiten Maximums und eines zweiten Minimums eines Messwerts des Sensors innerhalb eines zweiten Zeitfensters, wobei das zweite Zeitfenster nach dem ersten Zeitfenster stattfindet; Bestimmen einer zweiten Differenz aus zweitem Maximum und zweitem Minimum; Vergleichen der ersten mit der zweiten Differenz; und Ergreifen von zumindest einer Maßnahme, wenn sich die erste von der zweiten Differenz um mehr als einen Toleranzwert unterscheidet.
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In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Maßnahme um eine Reinigung, Justierung und/oder Kalibrierung handelt.
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In einer Ausgestaltung erfolgt zeitlich vor dem ersten Zeitfenster eine Reinigung, Justierung und/oder Kalibrierung.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren weiter die Schritte: Erneutes Bestimmen eines ersten Maximums und eines ersten Minimums eines Messwerts des Sensors innerhalb eines ersten Zeitfensters; Erneutes Bestimmen einer ersten Differenz aus erstem Maximum und erstem Minimum; Erneutes Bestimmen eines Maximums und eines Minimums eines Messwerts des Sensors innerhalb eines zweiten Zeitfensters, wobei das zweite Zeitfenster nach dem ersten Zeitfenster stattfindet; Erneutes Bestimmen einer zweiten Differenz aus zweitem Maximum und zweitem Minimum; Erneutes Vergleichen der ersten mit der zweiten Differenz; und Vergleichen des Vergleichs vor Ergreifen der Maßnahme mit dem Vergleich nach Ergreifen der Maßnahme, und davon abhängig Ändern der Maßnahme, der Dauer der Maßnahme und/oder des Zyklus der Maßnahme.
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In einer Ausgestaltung wird statt der Bestimmung eines ersten und zweiten Maximums, eines ersten und zweiten Minimums und einer ersten und zweiten Differenz ein erstes Signal-zu-Rausch-Verhältnis im ersten Zeitfenster und ein zweites Signal-zu-Rausch-Verhältnis im zweiten Zeitfenster ermittelt, und diese beiden werden miteinander verglichen, wobei Maßnahmen ergriffen werden, wenn diese sich um mehr als einen Toleranzwert unterscheiden.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen Sensor der Prozessautomatisierungstechnik, der dazu ausgestaltet ist ein oben beschriebenes Verfahren auszuführen.
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Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.
- 1 zeigt ein erstes Diagramm eines Messwerts eines Sensors über die Zeit.
- 2 zeigt ein zweites Diagramm eines Messwerts eines Sensors über die Zeit.
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Das beanspruchte Verfahren findet Anwendung in Feldgeräten der Prozessautomatisierungstechnik, beispielsweise einen Sensor. Bei einem Sensor handelt es sich etwa um einen pH-, Redoxpotential-, auch ISFET-, Leitfähigkeit-, Trübungs- oder Sauerstoff-Sensor. Weitere mögliche Sensoren sind Temperatursensoren oder Durchflusssensoren nach den Prinzipien Coriolis, magnetische Induktion, Vortex und Ultraschall. Weitere mögliche Sensoren sind Sensoren zur Messung des Füllstands nach den Prinzipien geführtes und frei strahlendes Radar sowie Ultraschall, auch zur Erkennung eines Grenzstandes, wobei zur Erkennung des Grenzstandes auch kapazitive Verfahren zur Anwendung kommen können. Ein Sensor bestimmt eine Messgröße eines Mediums, beispielsweise in einem Becher oder anderen Behältnissen wie Leitungen, Becken, Behälter, Kessel, Rohr, Rohrleitung o.ä.
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1 zeigt ein Diagramm D eines Messwerts U eines solchen Sensors über die Zeit t. Die Abbildung zeigt einen Prozess mit einem typischen Verlauf eines Messsignals/Messwerts. Zu sehen ist in einem ersten Zeitfenster T1 ein erstes Maximum Max1 und ein erstes Minimum Min1. Weiter erkennt man in zweiten Zeitfenster T2 ein zweites Maximum Max2 und ein zweites Minimum Min2. Dabei ist das zweite Zeitfenster T2 zeitlich später als das erste Zeitfenster T1. Die Dauer des Zeitfensters T1, T1 ist abhängig von der Applikation. Das Zeitfenster T1, T2 ist deutlich kürzer als zeitliche Unterschied zwischen ersten und zweitem Zeitfenster (bzw. dessen jeweiliger Startzeitpunkt). Die Zeitfenster T1 und T2 sind gleich lange.
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Der Unterschied von ersten Maximum Max1 zu erstem Minimum Min1 ist viel größer als der Unterschied von zweitem Maximum Max2 zu zweitem Minimum Min2.
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Anfangs ist eine hohe Dynamik des Messsignals durch hohe Ausschläge erkennbar. Nach einiger Zeit wird der Prozesswert scheinbar ruhiger, die Dynamik geht verloren. Gründe hierfür können sein: Verschmutzung, z.B. durch Belegung der und Ablagerungen an der Sensorik oder Defekt des sensorischen Teils des Messsystems. Der Mittelwert kann - je nach Parameter - größer oder kleiner werden.
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Statt dem Unterschied kann auch ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis genommen werden bzw. das Messsignal U kann als Rauschgröße erfasst werden.
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Wenn wie in 1 dargestellt ein Unterschied der Dynamik vorliegt, also wenn der Unterschied von ersten Maximum Max1 zu erstem Minimum Min1 viel größer ist als der Unterschied von zweitem Maximum Max2 zu zweitem Minimum Min2, dann ist der Sensor verschmutz, die Dynamik wurde kleiner.
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Es ergibt sich somit eine Einlernphase L, siehe dazu auch 2. Am Anfang, wenn das Messsystem noch neu/neu kalibriert ist, ist das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) bzw. der Unterschied von Maximum zu Minimum noch groß. Während dieser Phase lernt das System die typischen Signalverläufe in diesem Prozess (Lernphase L). Der Unterschied von ersten Maximum Max1 zu erstem Minimum Min1 im ersten Zeitfenster T1 wird gespeichert. Nach Beenden der Lernphase wertet das Messsystem dies aus und vergleicht den aktuellen Signalverlauf mit dem typischen Signalverlauf aus der Lernphase (Auswertephase A).
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Wenn der Unterschied von zweitem Maximum Max2 zu zweitem Minimum Min2 in einem zweiten Zeitfenster T2 um einen Toleranzwert kleiner ist bzw. sich unterscheidet, wobei der Toleranzwert applikationsabhängig und/oder individuell einstellbar ist, dann kann davon ausgegangen werden, dass der Sensor „taub“ ist und einer Reinigung bedarf, um die ursprüngliche Dynamik wiederherzustellen. Das Zeitfenster T2 kann dann auch als Auswertephase bezeichnet werden. Eine Reinigung wird dann durchgeführt. Im Allgemeinen wird eine Maßnahme durchgeführt, wobei es sich dabei um eine Reinigung, Justierung und/oder Kalibrierung handelt.
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In der Einlernphase L kann zur Verbesserung der Genauigkeit und Erkennung einer Abweichung vom Idealzustand neben dem Minimum und Maximum sowie Signal/Rauschverhältnisses der typische Kurvenverlauf des Peaks eingelernt werden. Durch Vergleich mit diesem Referenzkurvenverlauf (unter Berücksichtigung von Toleranzen) kann ebenfalls festgestellt werden, ob der Sensor degradiert ist, z.B. durch Verschmutzung des Sensorelements, Messelektronik wurde unempfindlich, etc.
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Beispielsweise wird ein fabrikneuer Sensor in das Medium eingetaucht und er misst die Prozesswerte. Nun wird über eine Reinigungsdüse ein „Reinigungsstoß“ mit einem Medium abgegeben (entweder Luft, Wasser oder eine Säure). Diese Beaufschlagung des Sensors mit diesem Reinigungsmedium ergibt einen bestimmten Kurvenverlauf des Messsignals. Dieser Kurvenverlauf wird eingelernt. Nach einer bestimmten Zeit (abhängig vom Prozess und Anwendungsgebiet etwa Stunden, Tage oder Wochen) wird erneut dieser „Testreinigungsstoß“ auf den Sensor gegeben und der nun vom Sensor ermittelte Kurvenverlauf mit dem hinterlegten Kurvenverlauf verglichen. Bei Abweichung um einen Toleranzwert kann mit hinreichender Sicherheit gesagt werden, dass der Sensor verschmutzt sein muss. Nun kann ein Reinigungszyklus gestartet werden (z.B. durch wiederholte längere Impulse mit dieser Reinigungsdüse). Verändert sich der Messkurvenverlauf dieses „Reinigungspeaks“ so, dass die Toleranz zum „Urwert“ geringer wird, hat die Reinigung Erfolg. Tut sie das nicht, ist der Sensor entweder so stark verschmutz oder degradiert/defekt, dass er tatsächlich ausgetauscht werden muss. Nun ist eine manuelle Wartungsaktion vor Ort erforderlich.
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Mit dem Verfahren kann folglich automatisiert und ressourcenschonend die Qualität des Sensors und der Messung überprüft werden. Durch regelmäßige Testintervalle mit dieser Art von in Situ Prüfung kann damit eine vorausschauende Wartung und ein Anlagenstillstand vermieden werden.
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Da das gelernte Referenzsignal/die typischen Signalverläufe bekannt sind können bei Abweichungen über einem definierten Toleranzwert Maßnahmen abgeleitet werden, z.B. kann eine Wartung oder Reinigung durchgeführt werden. Weiter kann die Wartung/Reinigung nun verifiziert werden und/oder es auch eine prädiktive Wartung/Reinigung möglich.
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2 zeigt den Messwert U während einer Reinigung. Der linke Peak zeigt die Reinigung eines relativ neuen Sensors (Zeitfenster T1), während der rechte Peak die Reinigung eines „degradierten“ Sensors zeigt (Zeitfenster T2). Der Unterschied der jeweiligen Unterschiede der Maxima Max1, Max2 bzw. Minima Min1, Min2 ist deutlich sichtbar. Das gleich gilt, wenn stattdessen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ausgewertet wird. Am Anfang, wenn das Messsystem noch neu bzw. neu kalibriert ist, werden Peaks sauber erkannt und der entsprechende Signalverlauf gelernt. Der in der 2 dargestellte Peak könnte z.B. durch die Rückspülung eines Filters entstehen. Die Höhe und die Dauer des Peaks werden gelernt und dadurch als typisches Muster hinterlegt.
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In dem gezeigten Fall ist entweder die Reinigung nicht erfolgreich oder der Sensor hat an Messdynamik/Performance eingebüßt durch z.B. Verschleiß.
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In der Auswertephase A vergleicht das Messsystem den aktuellen Signalverlauf mit dem hinterlegten Muster aus der Lernphase. Aus dieser dynamischen Betrachtung von Peakhöhe, Peakdauer und dem Signal-zu-Rausch-Verhältnis (bzw. dem Unterschied Maximum/Minimum) erfolgt eine Qualifikation des Sensors im eingebauten Zustand. Wäre der Unterschied der Maxima/Minima gleich, dann war die Reinigung erfolgreich und hat geholfen. Der Sensor scheint nicht verschmutzt zu sein und der Reinigungszyklus kann verlängert werden um dadurch die Reinigung hierdurch zu optimieren.
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Wie erwähnt zeigt 1 im Zeitfenster T1 einen Reinigungspeak eines neuen Sensors. Der Impulsverlauf wird in der Lernphase L eingelernt und in einem Speicher abgelegt. Der Verlauf wird in der nachfolgenden Auswertephase A mit dem dortigen gemessenen Reinigungsverlauf verglichen und gegebenenfalls eine Maßnahme ergriffen.
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Die Werte der Unterschiede werden vor, nach und während des Reinigens werden gespeichert und zum Vergleich bei späteren Reinigungszyklen herangezogen. Hierdurch kann z.B. die Reinigungsgüte festgestellt werden. Eine Verringerung der Unterschiede über der Zeit würde eine Verringerung der Reinigungsleistung bezeichnen.
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Als Bezugsparameter werden die ursprünglichen Signaldifferenzen (vor Reinigung, nach Reinigung und das Signal/Signalhöhe während der Reinigung herangezogen.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Auswertephase
- D
- Diagramm
- L
- Lernphase
- Max1
- Erstes Maximum
- Max2
- Zweites Maximum
- Min1
- Erstes Minimum
- Min2
- Zweites Minimum
- t
- Zeit
- T1
- erstes Zeitfenster
- T2
- zweites Zeitfenster
- U
- Messwert
