СПОСОБ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ДАТЧИКА
METHOD OF FUNCTIONAL CONTROL OVER TRANSDUCERS

Изобретение относится к способу функционального контроля датчика, в частности потенциометрического датчика и к потенциометрическому датчику.
Простое управление, безопасность и надежность являются важнейшими требованиями к местам измерений для контроля процессов, будь то по причинам оптимизации процессов или контроля и соблюдения предельных значений. Места измерений дают сегодня пользователю информацию об измеренном значении и в некоторых случаях дополнительно информацию об актуальном состоянии системы. При этом контролируют, например, имеет ли место актуальное превышение предельных значений или выполнены ли и как специфические для датчика параметры, такие как импеданс стекла рН-датчика. Контроль относится, следовательно, к актуальным событиям. Поскольку ошибочное поведение установки или даже выход ее из строя приводит по сравнению со стоимостью датчика к очень высоким расходам, важнее в самой значительной степени заранее исключить такое ошибочное поведение места измерения, причем корректному и защищенному измеренному значению придается особое значение.
В WO 2004/025223 (Wittmer et al.) раскрыт способ функционального контроля датчика, при котором с помощью временного развития параметров датчика, например, периодически регистрируемых калибровочных данных, составляют прогноз об оставшемся ресурсе датчика до требуемой замены.
Независимо от вопроса оставшегося ресурса требуется, однако, как можно более надежно квалифицировать точность измерения датчика в течение всего ресурса. Для достижения этой надежности пользователь вынужден сегодня очень часто производить эту рекалибровку/реюстировку во время важных процессов, хотя сенсорная система работала бы еще абсолютно корректно. Из-за этого напрасно тратится, в частности, время, а также материал.
Поэтому задачей изобретения является создание способа функционального контроля датчика и датчика с интегрированной системой функционального контроля.
Эта задача решается, согласно изобретению, посредством способа по независимому п.1.
Способ функционального контроля датчика включает в себя следующие этапы:
- повторную регистрацию наборов специфических для датчика калибровочных данных;
- запоминание зарегистрированных наборов специфических для датчика калибровочных данных;
- анализ временнóго развития калибровочных данных с помощью запомненных наборов данных;
- определение времени или оцененного нагрузочным коэффициентом времени до следующей калибровки, по меньшей мере, с помощью временнóго развития калибровочных данных.
Результирующий момент или полученное, оцененного нагрузочным коэффициентом время может быть выдан/выдано в подходящем виде, например, непосредственно после определения, чтобы калибровку можно было планировать на длительный срок. За счет сравнения с временным сигналом или подсчета остаточного времени при наступлении срока новой калибровки может быть выдан сигнал запроса, при необходимости, с нужным опережением.
Типичными калибровочными данными, например, в случае потенциометрического датчика, в частности рН-датчика, являются крутизна и нулевая точка или точка пересечения изотермы.
Повторная регистрация наборов данных может происходить с вводом в эксплуатацию, например, нового датчика сначала по истечении, по меньшей мере, одного заданного интервала времени, основанного на эмпирических значениях, поскольку для индивидуального датчика сначала еще отсутствуют калибровочные данные от фактического места измерения. Этот интервал времени может быть задан на заводе-изготовителе, пользователем или получен с помощью краевых условий. К этим краевым условиям помимо желаемой точности измерения могут относиться, например, нагрузочные эквиваленты, которые могут зависеть, например, от температуры, рН-значения и фрахта частиц измеряемой среды.
Как только по истечении первого интервала времени будет зарегистрирован второй набор тех же специфических для датчика калибровочных данных, их изменение может быть привлечено для определения следующего момента калибровки или отрезка времени до следующей калибровки.
Для анализа временнóго развития калибровочных данных может быть вычислена, в частности, разность с калибровочными данными предыдущего набора данных.
В определение следующего момента калибровки или юстировки помимо изменения калибровочных данных могут входить время, пройденное с предыдущей калибровки, и краевые условия, такие как минимально допустимая крутизна или максимальный сдвиг нулевой точки.
В простейшем случае определение следующего момента калибровки может происходить на основе линейной характеристики датчика. Это значит, что временнóе развитие калибровочных данных можно линейно экстраполировать, а следующий момент калибровки своевременно устанавливают перед ожидаемым достижением критического значения. При предположении постоянных условий процесса этот прогноз становится все точнее, чем больше наборов калибровочных данных может быть привлечено для расчета. Включив дополнительные параметры датчика, такие как общая продолжительность эксплуатации или нагрузочные данные, можно использовать также дифференцированный алгоритм. Например, можно взвесить прошедшее время нагрузочным коэффициентом, в который могут входить, например, упомянутые нагрузочные параметры. В этом варианте осуществления изобретения сигнал запроса на новую калибровку запрашивают тогда, когда, например, интеграл нагрузки по времени или сумма нагрузочных эквивалентов по интервалам времени с момента последней калибровки достиг/достигла определенного значения нагрузочного времени.
Для этого рН-датчик одновременно с рН-значением измеряет существенный нагрузочный параметр. Многие рН-измерительные преобразователи содержат к тому же температурный датчик, так что параметры для определения нагрузочного интеграла по времени имеются в распоряжении непосредственно. Предельные значения нагружают датчики сильнее, чем умеренные значения; на примере рН-датчика это означает, что рН-значения 0 и 14 нагружают его сильнее, чем рН-значение 7. Высокие температуры нагружают также сильнее, чем умеренные температуры, так что, следовательно, комбинация из предельных рН-значений и высоких температур нагружает датчик сильнее, чем только высокая температура при рН-значении 7 или предельные рН-значения при комнатной температуре.
Нагрузка датчика может быть классифицирована по так называемым нагрузочным эквивалентам, с помощью которых при названных условиях следует оценивать, например, продолжительность эксплуатации.
Другими параметрами являются, например, склонность диафрагмы рН-датчика к блокировке, которую можно измерить за счет сопротивления диафрагмы, абразия рН-чувствительного стекла, которую можно определить за счет сопротивления стекла, крутизна изменения рН или изменения температуры и число стерилизаций.
Эти параметры могут дополнительно входить в определение нагрузки и их, если они являются релевантными, регистрируют с помощью подходящего алгоритма, который в простейшем случае представляет собой счетчик. Чем выше нагрузка, тем больше суммируют нагрузочных эквивалентов. Интервал времени между двумя калибровками сокращают за счет этого по сравнению с эксплуатационными условиями при меньшей нагрузке. Чем выше значение нагрузочных эквивалентов, тем раньше следует калибровать датчик.
Другими словами, изобретение основано на том, чтобы оценить историю последних калибровок соответствующими данными и из этого, при необходимости с учетом изменяющихся нагрузок датчика, вычислить время, в которое датчик следует рекалибровать/реюстировать для соблюдения требуемых пользователем параметров датчика.
Таким образом, можно избежать ненужных калибровок датчика в месте измерения, что обеспечивает корректное измеренное значение при сокращенных расходах.
Потенциометрический датчик, согласно изобретению, в частности для осуществления способа по одному из предыдущих пунктов, содержит первичный датчик для регистрации потенциометрической измеряемой величины и для выдачи зависимого от измеряемой величины первичного сигнала, схемные средства для обработки первичного сигнала или производного от него сигнала, причем схемные средства включают в себя память для актуальных калибровочных данных и калибровочных данных, по меньшей мере, одной более ранней калибровки, и средства для определения с помощью временнóго развития калибровочных данных интервала времени до следующей калибровки. Потенциометрический датчик может содержать далее, по меньшей мере, один вспомогательный датчик для определения релевантной для нагрузки величины, в частности температурный датчик.
Изобретение поясняется на примере его осуществления, изображенном на чертежах, на которых представляют:
- фиг.1: пример изменения нулевой точки рН-датчика [рН] в зависимости от времени [h] (ч) NP(t);
- фиг.2: пример изменения чувствительности [mV/pH] (мВ/рН) рН-датчика в зависимости от времени [h] (ч) E(t);
- фиг.3: моделированную типичную характеристику измерительного напряжения рН-датчика в течение интервала времени 100 ч UpH(t);
- фиг.4: характеристику оцененной погрешности измерения рН для характеристики измерительного напряжения из фиг.3 с помощью данных из фиг.1 и 2 в качестве функции времени и измерительного напряжения;
- фиг.5: пример оценки ресурса нагрузочными эквивалентами.
Диаграммы на фиг.1-4 касаются данных рН-датчика. Важными параметрами рН-датчика являются нулевая точка NP и чувствительность Е. Эти параметры должны калиброваться с равными интервалами, чтобы обеспечить точность измерения измерительной системы.
Эксплуатационные условия влияют на изменения этих параметров. Скорость изменения этих параметров отражает, так сказать, условия применения. На фиг.1 и 2 изображены типичные данные временного развития нулевой точки и чувствительности рН-датчика в зависимости от времени. Каждая точка данных соответствует одному калибровочному значению, записываемому, согласно изобретению, в наборе данных. Зная временнýю характеристику в прошлом, можно судить об изменении в будущем. В простейшем случае это происходит за счет линейной компенсационной функции AE(t) для чувствительности и ANP(t) для нулевой точки.
На фиг.1 и 2 изображена характеристика данных датчика в течение 2820 часов. Приблизительная равномерность развития нулевой точки и чувствительности для определенного типа датчика является предпосылкой прогноза развития параметров датчика с момента последней калибровки. На этой основе можно определить следующий момент калибровки. Упомянутые интервалы времени могут колебаться в зависимости от типа датчика и нагрузки, например, между приблизительно 10 часами и несколькими днями.
Из исторических данных NP и Е можно вывести AE(t) и ANP(t). Таким образом, можно разработать гипотезу о временном изменении Е и NP. Во время измерения рН в течение в 100 ч с момента калибровки через 2820 рабочих часов, изображено на фиг.3 в виде моделированной характеристики измерительного напряжения рН-датчика в зависимости от времени, рН-значение pHMESS определяют по калибровочным данным момента t=2820 ч.
На основе измерительного напряжения и гипотетических параметров EHYP и NPHYP для момента >2820 ч можно вычислить гипотетическое измеренное рН-значение pHHYP. Разность pHHYP и pHMESS может считаться погрешностью измерения рН. Она изображена на фиг.4 для 100 ч, следующих за 2820 ч.
Пользователь может задавать измерительному преобразователю допустимые для него погрешности. По достижении этого значения подается запрос на калибровку. Если, как здесь в примере, задать максимальную абсолютную погрешность 0,06 рН, то примерно через 85 ч был бы подан запрос на калибровку.
Способ может быть реализован на основе относительных погрешностей.
Описанный способ осуществлялся до сих пор без учета нагрузочных эквивалентов, что оправдано при постоянных нагрузках. При колеблющихся нагрузках предпочтительны учет нагрузочных эквивалентов и оценка продолжительности эксплуатации нагрузочными эквивалентами. Типичные значения нагрузочных эквивалентов для определенного рН-датчика приведены в таблице.
рН
T[°C]
-20…-20
20…40
40…60
60…80
80…100
100…200
14≥pH>12
4
8
12
16
20
24
12≥pH>10
3
6
9
12
15
18
10≥pH>8
2
4
6
8
10
12
8≥pH>6
1
2
3
4
5
6
6≥pH>4
2
4
6
8
10
12
4≥pH>2
3
6
9
12
15
18
2≥рH>0
4
8
12
16
20
24
Этот принцип может быть реализован просто с помощью нагрузочного счетчика, у которого в единицу времени актуальный нагрузочный эквивалент суммируют с нагрузочным балансом. Прогноз ресурса до следующей калибровки является, следовательно, прогнозом нагрузочного эквивалента до следующей калибровки.
Если, например, датчик из вышеприведенного примера в период времени перед последней калибровкой, составляющий 2820 часов, подвергнуть среднему нагрузочному эквиваленту <Ва>=4 и в минуту суммировать актуальный нагрузочный эквивалент, то тогда в вышеприведенном примере прогноз нагрузочного ресурса составил бы 85*60*4=20400 минут нагрузочного эквивалента вместо 85 часов.
Повышение средней нагрузки до нагрузочного эквивалента 8 после калибровки приводит к тому, что 20400 минут нагрузочного эквивалента оказываются исчерпанными уже через 42,5 часа. Приданное датчику контрольное устройство, суммирующее нагрузочный эквивалент, в соответствии с этим уже через 42,5 часа или по истечении общего времени эксплуатации 2862,5 часа запросило бы калибровку. При меньшей нагрузке, напротив, время оценивалось бы с меньшим коэффициентом, так что, например, при нагрузочном коэффициенте 1 следующая нагрузка запрашивалась бы только через 340 часов.
В одном усовершенствовании этого варианта осуществления изобретения можно оценить влияние нагрузочного коэффициента на прогноз времени до следующей калибровки, например, чтобы учесть аспекты безопасности. Так, можно полностью учесть возрастание нагрузки по сравнению с отрезком времени перед последней калибровкой, на основе которой был составлен прогноз текущего отрезка времени, тогда как уменьшение нагрузки, приводящее к увеличению ресурса до следующей калибровки, может считаться менее значимым, чтобы избежать чрезмерного увеличения ресурса между двумя калибровками от одного интервала времени до другого. Для этого недостаточно простого суммирования нагрузочного эквивалента, поскольку таким образом нельзя обнаружить, возросла или уменьшилась ли нагрузка. Вместо этого в первом счетчике продолжают суммировать актуальную нагрузку, чтобы по окончании ресурса определить фактическую среднюю нагрузку. Прогноз ресурса указывают в единицах нагрузочного времени, которые нормируют со средней нагрузкой только что прошедшего интервала калибровки. 20400 минутам нагрузочного эквивалента при его среднем значении 4 соответствуют, следовательно, 5100 минут.
Для определения конца актуального ресурса актуальную нагрузку в каждую единицу времени делят на средний нагрузочный эквивалент прошедшего интервала времени калибровки и балансируют, следовательно, во втором счетчике. Если частное составляет, по меньшей мере, 1, его суммируют без изменения, в противном случае суммируют корень частного. По достижении прогнозируемого значения - здесь 5100 нормированных минут - запрашивают новую калибровку. Ввод корневой функции для определения оценочного коэффициента при уменьшающихся нагрузках приводит к тому, что интервалы времени калибровки могут быть медленнее увеличены, нежели сокращены. Это повышает, правда, затраты на калибровку по сравнению с решением без этого коэффициента, однако служит для безопасности.
Так, уменьшение средней нагрузки в текущем интервале времени калибровки на коэффициент 4 приводит лишь к удвоению длительности интервала времени калибровки, а не к учетверению.
На фиг.5А-С еще раз изображен этот аспект изобретения. На фиг.5А показано временнóе развитие абсолютного нагрузочного эквивалента у датчика в зависимости от времени с момента последней калибровки. Средний нагрузочный эквивалент в интервале времени перед последней калибровкой составил 4,2. Характеристика нормированной нагрузки в актуальном интервале показана на фиг.5B. Сплошная линия обозначает обычное нормирование «с резервом безопасности», согласно которому из частных ниже 1 их корень подсчитывают в качестве относительной нагрузки. Результирующая сумма показания счетчика с относительными нагрузками для обеих различных оценок показана на фиг.5С. Сплошная линия обозначает обычное нормирование, а штриховая - нормирование с резервом безопасности.
Последствия для интервала времени калибровки следующие.
Если бы был прогнозирован, например, интервал времени 1000 минут при постоянной нагрузке в 4,2 нагрузочных эквивалента, то простое нормирование вызвало бы за счет снижения нагрузки после ресурса 2020 минут до запроса на следующую калибровку. Нормирование с резервом безопасности вызывает, напротив, меньшее увеличение ресурса; запрос на следующую калибровку подается уже через 1300 минут.
Слишком ранний, при определенных обстоятельствах, запрос на калибровку при снижающихся нагрузках корректируют за счет того, что при следующей калибровке учитывают фактическое изменение калибровочных данных и, таким образом, при меньших изменениях калибровочных данных устанавливают снова более длительным следующий интервал.