用于監控傳感器功能的方法

專利名稱：用于監控傳感器功能的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于監控傳感器功能的方法，該傳感器用于在特別是過程測量技術領域中測量和監控液體或氣體的狀態參數。它們可以例如是電化學、電物理或光學傳感器，特別是電位計或電流計、光度計或光譜儀傳感器。狀態參數可以是例如pH值、CO2或O2含量、水溶液中物質的濃度或電導率。
然而，在過程測量技術領域中的傳感器隨時間而經受與應用相關的強烈的老化。特別是在液體介質中使用的傳感器，例如用于監控化學過程的傳感器，具有特殊的需求，使得它們對于化學和熱的抵抗性的要求較高。類似地，在介質接觸過程中，在傳感器上的污垢形成和增長可以影響其效能并且減少其使用壽命。傳感器的功能及其使用壽命被傳感器中存在的外部或內部因素消弱或影響。因此，目前不能預測傳感器的使用壽命，通常甚至也不能預測特殊應用場合中傳感器的使用壽命。這種情況很顯然是不利的。
在過程測量技術領域中電化學、電物理或光學傳感器的情況中，通常時常執行標定，其中利用合適的標準建立兩個或多個點標定。這樣獲得的標定數據被存儲在測量值變送器或傳感器自身的存儲器中(參見未公開的DE 102 18 606.5)，以用于測量值估計。然后，在測量值的記錄和估計中參考這些標定數據以及可能的其它測量數據，諸如被測介質的溫度。
例如，由pH玻璃電極和參考電極形成的pH測鏈的特征在于，測鏈電壓曲線的零點和斜率這兩個參數。已知的玻璃電極誤差是斜率誤差、堿性誤差和零點誤差。因此，pH電極的使用壽命不僅依賴于使用條件，還依賴于所用電極玻璃的耐用性。通常，可以通過化學清洗而除去對于所謂的薄膜表面的影響，即石灰、石膏、脂肪、蛋白質等的增長。然而，不可除去的是傳感器內部的老化過程，即使當傳感器僅僅被保存時也會發生這樣的老化過程。然而，最重要的，在極限pH值或高溫處的使用嚴重減少玻璃電極的使用壽命。
相反，參考電極在參考電解液和被測溶液之間的電解觸點的位置具有隔膜。因此，例如通過隔膜的污染和阻擋，或通過由于參考電解液中侵入的外來離子而引起的所謂的電極中毒，可以引起誤差。結果是改變了所謂的參考電勢的參考電極的電池電壓(半電池電壓)，這反過來顯示為總測鏈電壓的零點改變。
因此，有了用于監控電化學傳感器的功能的方法，其中，例如以時間間隔測量測量電極和參考電極的內阻，并且當超過或超出(低于)實際中確定的值時，發出警報。根據這種方法，等待直到傳感器達到臨界階段并且必須被替換。
有許多在過程測量技術中監控傳感器功能的方法，其中通常基于測試參數檢查傳感器的瞬時功能實現。
例如DE 42 12 792 C2和DE 34 19 034 A1。
本發明的目的是改進具有如權利要求1的前序部分的特征的用于功能監控的方法，使得可以在隨后的工作周期期間直至其下一次功能測試排除傳感器喪失功能能力的可能性，并且實際上，無需在達到耗損極限很早之前將傳感器替換，使得可以最大程度地利用傳感器的有效使用壽命。
這個目的在本發明的一般方法的情況中，通過以下步驟得以實現存儲記錄的測試參數，并且為了執行功能監控而估計存儲的測試參數在時間上以后的發展，以及由此預測期望的傳感器特性的進一步發展，并且獲得有關傳感器的剩余的無干擾工作的持續時間的信息。
本發明是基于以下事實根據在測量值記錄前后或在周期性測試狀態期間，特別是在標定步驟期間，獲得的測試參數的在時間上的歷史發展，可以作出關于期望的傳感器特性的發展的預測。基于這一點，可以啟動控制步驟，或者可以作出有關控制步驟的決定。
同時，例如通過使用非常精確地代表基于經驗的特定特性的數學函數以及通過確定該函數得到的參數，可以具有優點地使用經由本發明獲得的有關特定傳感器類型的特性的知識，或者在特定傳感器類型的情況中的特定測試參數。
至少基本上可以看到，測試參數根據本發明在時間上的發展可以以曲線的形式或者以某些其它方式可訪問地存儲，用于功能的監控，使得通過將待監控的傳感器的確定的且存儲的測試參數與存儲的數據相比較，可以得到關于傳感器特性的期望發展的結論。于是，可以特別地獲得傳感器還需多久才達到臨界特性，即，傳感器距離耗損極限的安全距離。然而，當非線性內插方法用于估計存儲的測試參數在時間上以后的發展以獲得描述傳感器特性的功能的函數參數時，它具有優點。于是，通過在最寬的意義中進行插值，建立對于測試參數的函數，于是也可以對于將來計算該函數的值。于是，在最寬的意義中，對于將來進行了在過去確定的測試參數的外插。
正如已經說明的，下面情況是特別具有優點的對于特定的傳感器類型以及如果需要的話，對于特定傳感器類型的特定應用領域(例如在堿性介質中)，提供并且使用經驗函數，然后基于許多具體的記錄的測試參數確定該經驗函數的函數參數。優選地，為此使用多項式函數。
如上，當討論關于傳感器的剩余的無干擾工作的持續時間時，要理解為最寬的意義。特別地，可以在測試參數的每一記錄之后，或者以時間間隔，確定對于耗損極限的第一預測值。在耗損極限，傳感器仍然工作，即處于工作條件，其通過電補償措施(仍然)使得測量設備的功能可以在更窄的限度內。然而，在耗損極限的另一側，不是這種情況。于是，根據本發明的這個進一步的發展，通過基于記錄的測試參數，特別是基于由此得到的函數，或者在最寬的意義上通過外插，確定了傳感器將達到上述的耗損極限的時間點。
根據本發明的進一步的實施例，也可以確定在測試參數的下一記錄之前，即特別是在下一標定循環之前，是否將達到耗損極限。根據環境，可以發出相應的警報，或者可以啟動不同的其它措施，例如自動清潔措施。
根據本發明的進一步的具有優點的變型，可以測試預測獲得的測試參數值是否在這一時間點確定的耗損極限的這一側的警報區中。在這種情況中，也可以指示合適的信息或啟動措施。對于這一時間點確定的耗損極限可以被校正，特別是基于預測獲得的值。
在本發明的特別優選的進一步的發展中，基于根據本發明獲得的關于剩余的無干擾工作持續時間的信息，可以確定并發出和/或顯示措施，并且有可能啟動措施用于維護，例如傳感器液體、耗損零件、過濾器等的清潔措施或替換。
另外，還證明當關于剩余的無干擾工作持續時間的信息用于確定并優選地用于發出和/或顯示傳感器替換的預測時間點時，是特別具有優點的。這個關于優選地用于替換傳感器的時間的信息自然也可以以任何方式轉發給中央計算及控制單元，并且在那里以任何方式得到處理。
上面討論的測試參數包括關于傳感器的任何狀態數據或條件信息，諸如在傳感器的工作期間改變并且與傳感器的使用壽命具有函數關系的數據或信息。
特別是在電位計傳感器的情況中，諸如pH、O2或CO2傳感器的情況中，已經證明以下情況是特別具有優點的在傳感器的特定測試狀態中，例如優選的在傳感器的循環標定期間，傳感器信號(單個傳感器、傳感器鏈或傳感器陣列)的斜率被作為測試信號記錄并估計。于是，對于使用pH傳感器的情況作為例子，使用測鏈電壓或電池EMF的斜率。同樣，它也可以涉及光度計或光譜儀傳感器的標定函數的存儲值。
另外，已經發現，當在傳感器的特定測試狀態中這個測鏈信號的零點作為測試參數被記錄并估計時，也是具有優點的。
特別重要的是作為測試參數的電極內阻的記錄和估計，因為在正常測量工作期間有可能是具有優點的，然而，相反地，斜率和零點位置的確定僅在測量操作的中斷期間才是可能的，特別是在周期性執行的標定過程期間。
然而，傳感器自身產生的信號的動態特性的改變也可以作為測試參數被記錄并估計。于是，根據用于功能監控的本發明，可以使用例如在信號記錄或信號響應時間或傳感器的噪聲的動態特性的情況中的上升或下降時間。
可以例如使用cyclovoltagram確定動態特性。
另外，已經發現，當依賴于傳感器類型循環記錄至少一個(優選地為多個)不同測試參數時是具有優點的。然后，可以使用從這些關于期望傳感器特性的發展和關于剩余的無干擾操作的持續時間中的每一個獲得的信息，使得在達到耗損極限時間點的問題上，考慮指示了最接近的耗損極限時間點的那些測試參數。
還發現，當在估計中使用傳感器特定的基本數據是具有優點的。基于這個傳感器特定的基本數據，例如優選的并且特別類似地存儲的函數可以被獲得以用于所影響的測試參數并且用于執行該方法，其中所述基本數據可以從傳感器、測量值變送器的存儲器設備、或以其它方式可以經由因特網或最新媒介而獲得并使用。
在本發明的方法的進一步的具有優點的實施例中，當對于將來確定的測試參數的值位于耗損極限的這一側的警報區中時，可以給出關于用于維護或檢查的措施的預報建議，其包括用于清潔設備、替換或測試的詳細指南。類似地，可以基于合適的存儲的經驗知識而發出或以任何方式生效關于邏輯措施的推薦，該推薦涉及材料的存貨或定購。
另外，功能監控的結果可以例如通過過程適配的接口，諸如Profibus、Foundation Fieldbus、Ethernet等，發送至過程控制位置。
作為用于同等用戶接口的共享使用以及用于例如在測量變送器或附屬的PC中提供估計的測試參數的裝置，可以使用例如同等的設備類型管理器(DTM)。
從權利要求、附圖和下面對于本發明的優選實施例形式的說明，可以很清楚地看出本發明的進一步的特征、細節和優點。附圖中

圖1是測量裝置的一部分的示意圖；圖2是傳感器特定的測試參數在時間上的曲線圖。
圖1示意性顯示了測量裝置的一部分，包括傳感器1、計算及存儲單元2和顯示及操作單元3。可自動化的標定及清潔單元4作為可選部件集成入系統中。
具有優點地，傳感器1可以具有通信接口、內部數字存儲器和相關聯的處理器控制的電子裝置；然而，也可以使用具有到測量值變送器的計算單元2的模擬信號輸出端的現有傳感器而執行本發明的方法。
計算及存儲單元2、操作單元3可以集成入具有圖形顯示器的現場設備；然而，也可以使用PC，如圖所示。測量裝置還具有通信接口，以能夠經由因特網或局域網而通過建立的通信方法與中央處理控制位置相連，或者從外界接觸。
圖2是作為時間的函數的由傳感器特定的測試參數的傳感器特定數據的曲線圖。例如，作為外部影響的結果，傳感器的功能性在時間上受到限制；它經受耗損。由傳感器特定地，有許多影響變量，諸如暴露于被測介質、暴露于溫度和氣候影響、以及與老化相關的耗損、和其它化學或物理過程，它們以不同的速度引起所謂的耗損預留(Abnutzungsvorrat)減少，直至定義的耗損極限。
對于特定的測試參數，對應于耗損極限的參數值作為特定傳感器類型的函數存儲在存儲單元中。其上限制的警報區被類似地定義和存儲。如上所述，當達到耗損極限時，測量裝置確實仍然可以工作，但是傳感器參數的進一步改變或惡化將導致故障。
對于pH測鏈的例子，圖2顯示了測鏈電壓的所謂的電極斜率的曲線圖。測量裝置在給定的標定過程期間記錄測鏈電壓，并且以已知的方式(例如DIN IEC 746-2中所述)歸一化獲得的值。然后結果存儲在存儲單元中。
經由用于斜率監控的所謂的預測程序，當存在第一數目的值時，通過非線性內插確定多項式函數，并且確定對于將來的耗損極限的第一預測值。這被存儲。依賴于使用條件和由此得到的標定循環(可以相隔數周或數天)，補充數據，即，記錄進一步的測試參數并且確定其多項式函數，并且在將來的時間ti通過在最寬意義上的外插而在每一情況中確定函數值。一旦相關的測試參數降到警報區的定義值，例如電極斜率值降到在H+離子濃度上測鏈電壓的理論斜率的80％，發出確定的耗損極限時間點作為警報信號。在圖2的兩個傳感器的例子中，它們是時間點tGS1和tGS2。
如上所述，測鏈電壓零點或玻璃電極和/或參考電極的內部電阻可以作為替換地或者作為補充地看作測試或監控參數。
根據本發明，為了確定期望的傳感器特性在將來的發展，對于在分離的時間點記錄的測試參數的先前發展的考慮策略導致傳感器的功能的最優使用。傳感器不必在其使用壽命之前被替換，同時傳感器在其預期工作過程中不能工作的風險大大減小。
同樣，可以啟動預測預警措施，例如考慮光學維護策略而提供和獲得替換材料。
權利要求
1.用于監控傳感器功能的方法，該傳感器用于在特別是過程測量技術領域中測量和監控液體或氣體的狀態參數，例如是電化學、電物理或光學傳感器，其中傳感器以時間間隔處于測試狀態并且測試參數被記錄，或者在測量值記錄期間以時間間隔記錄這些測試參數，其特征在于，存儲記錄的參數，并且為了執行功能監控而估計存儲的測試參數在時間上以后的發展，并且由此預測未來期望的傳感器特性發展并獲得關于在傳感器的剩余的無擾動工作期間的信息。
2.如權利要求1所述的方法，其中，為了估計存儲的測試參數在時間上以后的發展，使用非線性內插方法，以獲得描述傳感器特性的函數。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中，對于特定的傳感器，確定并使用再現基于經驗的傳感器特性的函數。
4.如權利要求3所述的方法，其中函數涉及多項式函數。
5.如前述一個或多個權利要求所述的方法，其中確定對于耗損極限的第一預測值。
6.如前述一個或多個權利要求所述的方法，其中測試在下一次測試參數記錄之前是否將達到耗損極限。
7.如前述一個或多個權利要求所述的方法，其中測試預測獲得的測試參數值是否在這個時刻定義的耗損極限的這一側的警報區中。
8.如前述一個或多個權利要求所述的方法，其中基于關于剩余的無干擾工作的持續時間的信息，確定和發出和/或顯示并且如果需要還啟動維護措施。
9.如前述一個或多個權利要求所述的方法，其中基于關于剩余的無干擾工作的持續時間的信息，確定并如果需要還發出替換傳感器的預測時間點。
10.如前述一個或多個權利要求所述的方法，其中作為測試參數，記錄并估計在傳感器的特定測試狀態中一個或多個傳感器信號的斜率。
11.如前述一個或多個權利要求所述的方法，其中作為測試參數，記錄并估計在傳感器的特定測試狀態中一個或多個傳感器信號的零點。
12.如前述一個或多個權利要求所述的方法，其中作為測試參數，記錄并估計電極的內阻。
13.如前述一個或多個權利要求所述的方法，其中作為測試參數，記錄并估計傳感器自身產生的信號的動態特性改變。
14.如前述一個或多個權利要求所述的方法，其中記錄并估計多個不同測試參數。
15.如前述一個或多個權利要求所述的方法，其中為了估計，通過因特網或通過最新介質獲得并使用來自傳感器或測量值變送器的存儲器裝置的由傳感器特定的基本數據。
全文摘要
本發明涉及一種用于監控傳感器功能的方法，該傳感器例如是電化學、電物理或光學傳感器，用于在特別是過程測量技術領域中測量和監控液體或氣體的狀態參數。其中傳感器以時間間隔處于測試狀態并且測試參數被記錄，或者在測量值記錄期間這些測試參數被以時間間隔記錄。其中存儲記錄的參數并且估計存儲的測試參數在時間上以后的發展，以執行功能監控。并且由此預測未來期望的傳感器特性發展并獲得關于在傳感器的剩余的無擾動工作期間的信息。
文檔編號G01N33/00GK1678885SQ03820422
公開日2005年10月5日 申請日期2003年8月26日 優先權日2002年8月29日
發明者德特勒夫·威特默, 德克·施泰因米勒, 阿克塞爾·菲庫斯, 維爾弗里德·哈梅萊勒 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾分析儀表兩合公司