专利名称：用于监控传感器功能的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监控传感器功能的方法，其中传感器特别是电位传感器。
背景技术：
对于为了过程优化或监控及观察极限值的监控过程的测量点，最重要的需求是操作简单、安全以及可靠。如今，测量点向操作者提供测量值信息，并且在某些情况中还提供有关系统当前条件的附加信息。在这种情况中，例如监控当前是否超过极限值或者是否符合传感器特定的参数(例如，pH传感器的玻璃阻抗)。于是，监控的是当前事件。至于工厂，故障或中断引起比传感器的价格高得多的成本，非常重要的是尽可能预先排除测量点的故障，这里，正确的且得到保证的测量值具有特殊的意义。
在Wittmer等人的WO2004/025223中公开了一种用于监控传感器功能的方法，其中预测传感器到其必须更换所剩余的使用时间。这个预测基于传感器参数(例如周期性收集的标定数据)的时间发展。
与剩余使用时间无关地，必需尽可能确定地限制传感器在整个使用时间中的测量精度。为了获得这个确定，如今操作者必需在重要过程的情况中非常频繁地执行重标定/重调，尽管传感器系统实际上可能仍然工作完全正常。于是，不必要地使用时间，特别是材料。
发明内容
于是本发明的目的是提供一种用于监控传感器功能的方法以及一种具有用于故障监控的集成系统的传感器。
这个目的根据本发明通过独立权利要求1限定的方法以及权利要求12限定的电位传感器得以实现。
根据本发明的用于监控传感器功能的方法包括重复获得数据集，其包括传感器特定的标定数据；存储获得的包括传感器特定的标定数据的数据集；根据存储的数据集分析标定数据的时间发展；以及至少根据标定数据的时间发展而确定直至下一次标定的时间或被负载系数加权的时间。
得到的时间点或者确定的被负载系数加权的时间可以例如在确定之后立即以合适的形式输出，从而标定可以被长期计划，并且/或者它可以作为数据或剩余时间而存储。通过与时间信号比较或者通过剩余时间的倒计时，当新的标定到期时输出请求信号，如果需要，其还具有期望的超前时间。
例如在电位传感器，特别是pH传感器的情况中，典型的标定数据可以是斜率和零点或等温线交点。
因为对于单独的传感器最初不存在对于实际测量点的标定数据，所以例如在新传感器的启动时，数据集的重复获得可以首先至少在由实验数据得到的预定时间间隙之后进行。这个预定的时间间隙可以是由用户预定的或基于边界条件确定的工厂标准。除了期望的测量精度，这些边界条件可以例如属于例如依赖于测量介质的温度、pH值和颗粒重量的等效负载。
在第一时间间隙之后，一旦获得同一传感器特定标定数据的第二数据集，那么标定数据的变化就可以被参考，以确定下一标定时间点或者直至下一次标定的时间间隔。
为了分析标定数据的时间发展，可以计算特别是相对于前一数据集标定数据的不同。
在确定下一标定或调节时间点时，除了标定数据的变化，可以考虑自从前一标定以来经过的时间以及边界条件，诸如最小允许斜率和/或最大零点漂移。
在最简单的情况中，可以假设传感器为线性特性，确定下一标定时间点。也就是说，标定数据的时间发展可以被线性外插，并且在达到期望的临界值之前及时记录下一标定时间点。假设过程条件保持恒定，这个预告将随计算中考虑的标定数据集的增加而越来越精确。进一步考虑传感器数据，诸如总工作持续时间或负载数据，可以使用微分算法。例如，流逝的时间可以被加权负载系数，其中可以引入前述负载参数。在本发明的这个实施例中，如果例如负载在时间上的积分或者等效负载在自从前一次标定起的时间间隙上的总和超过期望的负载时间值，则可以请求对于标定的请求信号。
为此，除了pH值之外，pH传感器还测量重要的负载参数。许多pH测量变送器还具有温度传感器，从而可以直接得到用于确定负载在时间上的积分的参数。极限值比适度的值更强烈地加载传感器。在pH传感器的例子中，这意味着约为0或14的pH值比pH值7更加加载传感器。高温同样比适当的温度更加加载传感器，于是极端pH值和高温的组合比pH值为7的高温或者室温下的极端pH值更加加载传感器。
传感器的加载可以被分类为所谓的等效负载，利用该等效负载，例如所述条件下的操作持续时间被加权。
其它参数例如是pH传感器的膜片的封闭趋向(其可通过膜片阻抗而测量)、pH敏感玻璃的磨损(这可以通过玻璃阻抗而确定)、pH变化或温度变化的陡度、以及杀菌次数。
这些参数还可以在确定负载时被输入，并且以合适的算法获得，在最简单的情况中，算法表示为计数器。负载越高，增加的等效负载越多。从而与具有较小负载的操作条件相比，两次标定之间的时间长度缩小。等效负载的值越高，越需要更早地标定传感器。
换言之，本发明基于根据相应数据分析之前标定的历史，并由此有可能通过考虑传感器改变的负载而计算必须重标定/重调传感器的时刻，以维持操作者所需的传感器参数。
以这种方式，可以避免在测量点不必要地标定传感器，并且以减少的成本保证正确的测量值。
本发明的电位传感器，特别是为了实施前述权利要求之一的方法，其包括主传感器，用于获得电位测量变量以及输出依赖于测量变量的主信号；电路装置，用于处理主信号或由此得到的信号，其中该电路装置包括数据存储器，该数据存储器用于当前标定数据以及至少一个先前标定的标定数据；以及用于基于标定数据的时间发展而确定到下一标定的时间间隔的装置。电位传感器还可以包括至少一个辅助传感器，特别是温度传感器，用于确定与负载相关的变量。
现在根据附图中显示的实施例解释本发明，附图中图1是pH传感器的传感器零点(以pH为单位)随时间(以h为单位)的变化NP(t)的例子；图2是pH传感器的灵敏度(以mV/pH为单位)随时间(以h为单位)的变化E(t)的例子；图3是pH传感器的测量电压在100h的时间间隔中仿真的典型曲线UpH(t)；
图4是对于图3的测量电压曲线，根据图1和2的数据，估计的pH测量误差与时间和测量电压的关系图；和图5是使用时间被等效负载加权的例子。
具体实施例方式
图1至4中的图表涉及pH传感器的数据。pH传感器的基本特征量是零点NP和灵敏度E。这些特征量必须以规则的间隔标定，以保证测量系统的测量精度。
操作条件影响这些特征量的改变。这些特征量的改变速度反映了操作条件。图1和2显示了pH传感器的零点和灵敏度的时间发展的典型数据。每一数据点对应于根据本发明被存储在数据集中的一个标定值。已知过去的时间分布，可以推断未来的变化。在最简单的情况中，这是通过对于灵敏度的平滑函数AE(t)和对于零点的平滑函数ANP(t)而实现的。
图1和2显示了在2820h中传感器数据的分布。确定传感器类型的零点和灵敏度的大致发展规律是预后传感器参数自从上一次标定起的发展的先决条件。基于此，可以确定下一标定时间点。时间长度可以依赖于传感器类型和负载而改变，例如从大约10小时到若干天。
从零点NP和灵敏度E的历史数据，可以得到AE(t)和ANP(t)。利用它们，可以建立关于E和NP的时间改变的假设。在自从2820个操作小时之后的标定起100h中(在图3中显示为pH传感器在时间上的仿真测量电压曲线)的pH测量期间，从时间点t＝2820h的标定数据确定pH值pHMESS。
基于对于＞2820h的时间点的测量电压和假设特征数据EHYP和NPHYP，可以计算假设的pH测量值pHHYP。pHHYP和pHMESS之间的差可以被认为是pH测量误差。这在图4中显示了2820h之后的100h。
用户可以向测量变送器输入愿意接受的误差。一旦达到这个值，就生成对于标定的请求。这里作为示例，当指定最大绝对pH误差为0.06pH时，在大约85h之后将生成对于标定的请求。
本方法还可以基于相对误差实施。
对此，这里描述的方法的执行并没有考虑等效负载，这在负载条件保持相同的情况中是证实可行的。在波动负载的情况中，考虑等效负载将操作持续时间加权等效负载是具有优点的。表I给出了对于确定的pH传感器的等效负载的典型值表I
这个原理可以利用负载计数器简单地实施，在这种情况中增加对于负载平衡的每单位时间当前等效负载。相应地，对于直至下一次标定的使用时间的预后利用了直至下一次标定的等效负载。
例如，当以上例子中的传感器在2820小时的上一次标定之前的时间间隔中经历了LE＝4的平均等效负载，则增加每分钟的当前等效负载，在以上例子中，将给出对于85*60*4＝20400等效负载分钟的负载使用时间预后来代替85小时。
在标定之后将平均负载提高至等效负载8的情况中，导致20400等效负载分钟已经在42.5小时之后被用尽。相应地，与传感器关联且增加等效负载的监控装置将在42.5小时或者28625的总操作时间之后请求标定。在较少负载的情况中，时间将相反地被较小的因子加权，从而对于负载系数为1的情况，将首先在340小时之后请求下一次标定。
在本发明的这个方面的进一步发展中，负载系数对于直至下一标定的时间预后的影响可以被加权，例如出于安全的考虑。于是，或许与上一次标定之前的时间片段(基于它估计了当前时间片段的预后)相比，负载的增加可以被重复地进一步增加，而负载的减少(其导致直至下一标定的使用时间增长)可以被使用较小的加权而得以考虑，以防止在两次标定之间的使用时间延伸过长。为此，等效负载的简单加和并不足够，因为以这种方式不能认识到负载是增加还是减少。作为代替，当前负载实际上仍然在第一计数器中增加，以确定在使用时间过期之后的实际平均负载。现在以负载时间单位给出对于使用时间的预后，其被前一标定间隔的平均负载归一化。于是平均等效负载为4的20400等效负载分钟对应于5100分钟。
为了确定当前使用时间的结束，每一时间单位的当前负载被除以前一标定时间间隔的平均等效负载，然后在第二计数器中被平衡。当商至少为1时，它被不变地增加，否则商的平方根增加。在达到预后值(这里为5100归一化分钟)时，请求新的标定。在减少的负载的情况中为了确定加权系数而引入平方根函数意味着，标定时间间隔的延长可以比缩短更慢。这当然导致与没有这个系数的方案相比，标定工作增加但是这样的目的是安全。
以这种方式，当前标定时间间隔中平均负载减少4倍仅仅导致标定时间间隔的长度加倍而不是变为4倍。
图5a～c再次显示了本发明的这个方面。图5a显示了自从上一次标定以来，传感器上的绝对等效负载的时间发展。在上一次标定之前的时间间隙中，平均等效负载为4.2。当前时间间隙中，归一化的负载的曲线在图5b中绘出。实线显示了常用的利用简单除法的归一化。虚线显示了“具有安全系数”的归一化，由此，在商小于1的情况中，平方根被看作相对负载。图5c显示了对于两个不同加权，得到的对于相对负载的计数器状态之和中。实线是常用的归一化，虚线是具有安全系数的归一化。
下面是对于标定时间间隔的影响。
例如，如果在等效负载为4.2的负载保持相同的情况中预测1000分钟的时间间隔，则由于降低的负载，简单的归一化将得到直至下一次标定请求的2020分钟的使用时间。相反，具有安全系数的归一化得到使用时间较少的延长；在1300分钟之后已经发出标定请求。
在降低的负载的情况中，可能太早的标定请求通过下一标定中考虑标定数据的实际改变而得以校正，并且，以这种方式，在标定数据的改变减少的情况中，下一间隙也变得较长。
权利要求
1.用于传感器特别是电位传感器的功能监控的方法，包括重复获得数据集，其包括传感器特定的标定数据；存储获得的包括传感器特定的标定数据的数据集；根据存储的数据集分析标定数据的时间发展；以及至少根据标定数据的时间发展的分析，确定直至下一次标定的时间或被负载系数加权的时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中得到的时间点或者确定的被负载系数加权的时间在确定之后立即被输出。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定的如果需要则被负载系数加权的直至下一次标定的时间被作为剩余时间而存储，并用作对于计数器的比较量，该计数器对操作持续时间进行计数。
4.根据权利要求3所述的方法，其中计数器将操作持续时间加权当前等效负载。
5.根据前述任一权利要求所述的方法，其中在电位传感器，特别是pH传感器的情况中，标定数据是斜率和零点或等温线交点。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，其中在新传感器的启动时，数据集的重复获得首先至少在预定时间间隙之后进行；并且参考得到的传感器特定的标定数据的当前数据集，以确定标定数据的时间发展以及下一标定时间点。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，其中为了分析标定数据的时间发展，形成相对于前一数据集标定数据的差。
8.根据前述任一权利要求所述的方法，其中在确定标定时间间隔或下一标定或调节时间点时，除了标定数据的变化，还考虑最小允许斜率或最大零点漂移。
9.根据前述任一权利要求所述的方法，其中基于标定数据随时间变化的线性外插，确定下一标定时间点。
10.根据权利要求9所述的方法，其中利用等效负载或由此得到的变量来加权或归一化时间。
11.根据前述任一权利要求所述的方法，其中等效负载依赖于以下一个或多个变量温度、pH值、传感器的磨损、pH变化的斜率或温度变化、传感器杀菌次数。
12.电位传感器，特别是用于实施前述权利要求之一的方法，其包括主传感器，用于获得电位测量变量以及输出依赖于测量变量的主信号；电路装置，用于处理主信号或由此得到的信号，其中该电路装置包括数据存储器，该数据存储器用于当前标定数据以及至少一个先前标定的标定数据；和用于基于标定数据的时间发展而确定直至下一次标定的时间间隔的装置。
13.根据权利要求12所述的电位传感器，还包括至少一个辅助传感器，用于获得与负载相关的变量。
14.根据权利要求13所述的电位传感器，其中辅助传感器是温度传感器。
全文摘要
用于监控传感器功能的方法，包括以下步骤重复获得数据集，其包括传感器特定的标定数据；存储获得的包括传感器特定的标定数据的数据集；根据存储的数据集分析标定数据的时间发展；以及至少根据标定数据的时间发展而确定直至下一次标定的时间或被负载系数加权的时间。得到的时间点或者确定的被负载系数加权的时间可以例如在确定之后被立即以合适的形式输出，从而标定能够被长期计划，并且/或者得到的时间点或者确定的被负载系数加权的时间可以作为数据或剩余时间而存储。通过与时间信号比较或者通过剩余时间倒计时，能够在到期日输出请求信号，其根据需要还可以具有期望的超前时间。
文档编号G01D3/08GK101087993SQ200580044669
公开日2007年12月12日 申请日期2005年11月29日 优先权日2004年12月23日
发明者托尔斯滕·佩希施泰因, 赫尔曼·施特劳布, 阿克塞尔·蒂申多夫 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔测量及调节技术分析仪表两合公司